粒子物理學的當代轉(zhuǎn)向

喬笑斐 路昊明

摘 要 自20世紀60年代以來，世界各國的每一代大型粒子加速器都伴隨著漫長的爭論過程。然而，不應簡單地將中國當前的CEPC-SPPC爭論看作是過往爭論的延續(xù)，而需要將其納入到粒子物理學整體的發(fā)展進程中去把握。冷戰(zhàn)后期以來，粒子物理學似乎“盛宴已過”，爭議與困境層出不窮。而關于加速器的爭論，實際上也是物理學整體發(fā)展困境的縮影。兩大標準模型形成后，物理學研究的對象和方式發(fā)生了根本性的變化，希格斯粒子和引力波的發(fā)現(xiàn)標志著傳統(tǒng)科學范式取得了極大的成功，同時卻又存在很多傳統(tǒng)范式無法解釋的現(xiàn)象，實驗檢驗跟不上理論的發(fā)展，新的理論范式爭議頗多，物理學的發(fā)展大大放緩了。

關鍵詞 粒子物理學 加速器 科學爭論

中圖分類號 N09∶O57

文獻標識碼 A

收稿日期：2021-11-15

作者簡介：喬笑斐，1989年生，男，山西昔陽人，山西大學科學技術史研究所副教授，研究方向為物理學哲學、物理學史。Email： qxf@sxu.edu.cn;路昊明，1997年生，男，河南平頂山人，山西大學科學技術史研究所碩士研究生，研究方向為物理學史。Email： luhaoming1997@163.com。

基金項目：國家社科基金重大項目“當代量子論與新科學哲學的興起”（項目編號：16ZDA113）;國家社科基金重大項目“當代量子詮釋學研究”（項目編號：192DA038）。

粒子物理學是基礎科學的重要分支，代表了人類探索物質(zhì)世界的最前沿，其發(fā)現(xiàn)和成果占據(jù)了自20世紀60年代以來約1/3的諾貝爾物理學獎。標準模型的建立和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)分別代表了20和21世紀的物理學重大成就，也是粒子物理學史上重要的標志性事件。盡管粒子物理學取得了輝煌的成就，但粒子加速器作為發(fā)現(xiàn)和研究基本粒子的重要工具卻往往因為高昂的造價而引發(fā)諸多爭論。

當前最具爭議的加速器計劃是中國提出的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）和超級質(zhì)子-質(zhì)子對撞機（SPPC）項目，在楊振寧、王貽芳等眾多科學家的積極參與下，此次爭論成為了我國近年來頗具影響力的科學爭論。如果建造完成，這將是中國乃至全球最大的粒子加速器。然而，這場爭論的意義已經(jīng)不僅限于項目本身，更充分揭示了當今粒子物理學的一系列時代特點。想要充分理解此次爭論，就有必要從科學史的角度進行全面把握。

一 CEPC-SPPC爭論簡述

2012年7月，歐洲核子研究組織（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。2013年9月，中國科學院高能物理研究所在北京承辦了CEPC-SPPC項目啟動會，時任清華大學高能物理研究中心主任的高原寧當選CEPC機構委員會主席，高能所所長王貽芳被選為執(zhí)行委員會主席。2015年3月，CEPC《初步概念設計報告》發(fā)布。CEPC是預期能量250 GeV的希格斯工廠，目標是精確測量希格斯粒子的性質(zhì)，造價為360億人民幣。未來可在使用同一隧道的基礎上，建造預期能量和成本達到100 TeV和1000億人民幣的SPPC，致力于尋找超越標準模型的新粒子和新物理現(xiàn)象。

2016年9月4日，楊振寧發(fā)表文章《中國今天不宜建造超大對撞機》，旗幟鮮明地表達了反對中國建造大型對撞機的立場。次日，王貽芳作為新加速器項目的領導者之一，隨即對楊振寧進行了公開回應。至此，這場加速器爭論公開化。楊振寧作為我國最負盛名的科學家，他的表態(tài)使得這場加速器爭論迅速得到社會各界的廣泛關注，王貽芳的參與則使得這場“戰(zhàn)爭”正式打響。雙方主要觀點見表1[1，2]。

2016年10月2日，由馬宏、韓濤等33位在美華人物理學家聯(lián)名撰寫的文章《中國建造希格斯工廠的黃金機遇》正式發(fā)布。10月18日，主題為“高能環(huán)形正負電子對撞機——中國發(fā)起的大型國際科學實驗”的第572次香山科學會議學術討論會在北京召開，我國的40多位高能物理和加速器領域的專家學者出席會議。

在這段時間里，還有謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）、斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）、菲利普·安德森（Philip Anderson）、戴維·格羅斯（David Gross）、愛德華·威滕（Edward Witten）、丘成桐、戴自海、何祚庥、曹天予、侯維恕、許岑珂、何小剛、葉軍、婁辛丑、唐靖宇、吳為民、袁嵐峰等眾多知名學者在文章或采訪中表達了支持或反對意見?！缎戮﹫蟆贰度嗣袢請蟆泛托氯A社等主流媒體和新聞機構都對此事發(fā)表了評論，也有許多中國網(wǎng)友積極在互聯(lián)網(wǎng)社交領域參與了討論，此次爭論成為了我國近年來最具影響力的科學爭論之一。

想要充分理解此次爭論，就需要將該問題納入粒子物理學整體的發(fā)展進程中去全面考察。從科學史的角度來看，粒子物理學的發(fā)展可以分為多個階段，厘清其中的聯(lián)系與區(qū)別是十分必要的。如果脫離大的時代背景，就很容易將此次爭論與以往的加速器爭論進行簡單類比，得出的結論自然也是與時代脫節(jié)的?；诹Ｗ游锢韺W在不同歷史時期的理論成就、實驗進展和加速器規(guī)格，可以大致劃分為探索時期、黃金時期和再探索時期，下文將對不同時期的時代特點、發(fā)展脈絡進行歸納與總結。

二 粒子物理探索時期與黃金時期

1.探索時期：1930—1949

對亞原子結構的早期研究主要是在量子力學、原子物理學和核物理學的影響下進行的，加速器已經(jīng)誕生但并不實用，理論與實驗較不明確，粒子物理學在摸索中緩慢前進。此時期的粒子物理學主要事件詳見表2。

1.1 實驗限制

此時期的粒子加速器以歐內(nèi)斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）發(fā)明的回旋加速器為主流，但由于回旋加速器中的粒子質(zhì)量會因相對論效應而增加，進而導致粒子運動周期與交變電壓周期無法匹配，從而限制了能量的進一步提高[3]。因此，20世紀50年代以前的粒子加速器主要被用于尋找同位素、放射性治療和核物理研究，比如伯克利實驗室（Berkeley Lab）建成的37英寸回旋加速器在戰(zhàn)時被用作巨型同位素質(zhì)譜儀，旨在為原子彈提供更多的濃縮鈾。而對于新粒子的研究則只能從充滿隨機性和不確定性的宇宙射線中入手，再借助云霧室、核乳膠等徑跡探測器對粒子的性質(zhì)進行分析和計算，其結果往往難以重復檢驗。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

1.2 理論限制

此時期的亞原子理論前景尚未明朗，實驗經(jīng)常走在理論的前面，許多基礎概念還未達成共識。1936年發(fā)現(xiàn)的μ子曾在很長的時間內(nèi)被認為是湯川秀樹提出的介子，因而一度被命名為“μ介子”。但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)“μ介子”根本不參與強相互作用，它是質(zhì)量遠重于電子但性質(zhì)與電子相似的輕子，因此又改名為μ子，被預言的π介子直到1947年被發(fā)現(xiàn)。

一方面，粒子物理學的進一步發(fā)展必然需要更穩(wěn)定、更強大、可以大量產(chǎn)生基本粒子的新一代加速器，自動穩(wěn)相原理的提出為此后采用調(diào)頻方法的同步加速器奠定了基礎。另一方面，雖然已發(fā)現(xiàn)的新粒子正在逐步增多，但卻無法對基本粒子和復合粒子進行有效的區(qū)分，許多強子一度被認為是基本粒子，粒子物理學亟需新理論的出現(xiàn)。

2. 黃金時期：1950—1985

第二次世界大戰(zhàn)結束后，粒子物理學逐漸從核物理學中獨立出來，成為一門以基本粒子為主要研究對象的前沿學科。粒子物理學在這三十余年間取得了非凡的成就，標準模型成為物理學史上最精確的理論之一，加速器的能量創(chuàng)造了驚人的TeV級，理論與實驗都達到了前所未有的精確度與正確性。此時期的粒子物理學主要事件詳見表3。

2.1 理論引導實驗

隨著氣泡室、火花室等粒子探測器在20世紀50年代取得的技術進步，大量不穩(wěn)定的新粒子被發(fā)現(xiàn)，如何對龐雜的粒子進行合理的分類成為難題。20世紀60年代中期，默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）等人提出的夸克模型較好地解決了這一問題。此外，S矩陣、部分子模型等理論也在此時期頗具影響。20世紀70年代，電弱理論、量子色動力學等理論共同組成了標準模型，為尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子做出了精確預言。J/ψ介子、W±和Z0玻色子的發(fā)現(xiàn)是其中的代表性事件，實驗不僅找到了預言中的新粒子，同時也為理論的正確性做出了驗證。

2.2 加速器巨大化

20世紀50年代以來，粒子加速器的規(guī)模迅速巨大化，其成本從百萬美元提升至數(shù)億美元，Cosmotron、Bevatron、SLAC Linac、Fermilab Main Ring、SPS、Tevatron等大型加速器相繼建成并屢次創(chuàng)造能量新高。多個國際著名的加速器實驗室相繼成立，例如美國的布魯克海文國家實驗室（BNL）、斯坦福直線加速器中心（SLAC）和費米國家加速器實驗室（Fermilab），歐洲的CERN、德國的DESY和蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合原子核研究所（JINR）等等。代表全球最高能量的歷代加速器詳見表4。在我國，中國科學院高能物理研究所于1973年成立，1988年建成的北京正負電子對撞機（BEPC）是我國的第一臺高能加速器。

伴隨著對撞機等新型設計的出現(xiàn)和超導磁體等相關技術的進步，以及夸克模型、標準模型等理論的有效指導，實驗得以目標明確地尋找預言中的眾多新粒子。事實上，在規(guī)范玻色子W±和Z0于1983年被發(fā)現(xiàn)以后，標準模型預言的61種基本粒子中的68種已經(jīng)找到，最后3種的發(fā)現(xiàn)似乎也只是時間問題頂夸克、τ中微子（vt）和希格斯粒子分別于1995、2000和2012年被找到。，人類對于基本粒子的探尋已經(jīng)基本完成。粒子物理學進入了全新的再探索時期。

三 粒子物理再探索時期

在經(jīng)歷了黃金時期的快速發(fā)展以后，理論與實驗再次進入了較不明確的狀態(tài)，出現(xiàn)了諸多新的時代特點，1985年以來的粒子物理學進入了再探索時期。首先，新理論雖然層出不窮但大多無法對實驗做出有效指導，部分新理論所要求的能級已經(jīng)遠遠超出現(xiàn)有加速器技術的極限，科學共同體內(nèi)部爭論不斷。其次，議題的范圍和受眾持續(xù)擴大，科學與社會的互動關系愈趨明顯。同時，盡管在此時期仍取得了一些成就，例如日本超級神岡探測器（Super-K）觀測到大氣中微子振蕩和加拿大薩德伯里實驗（SNO）發(fā)現(xiàn)了太陽中微子味道轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，還有頂夸克和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)等等，但與20世紀六七十年代相比，粒子物理學的發(fā)展速度已經(jīng)明顯放緩，凝聚態(tài)物理學和宇宙學等研究領域取得了較大進展。

1.爭論常態(tài)化

1980年，弗吉尼亞理工大學舉辦了一場主題為“高能物理的未來”的學術會議，與會者包括溫伯格、格拉肖、佩爾、羅伯特·馬沙克（Robert Marshak）、費扎·格西（Feza Gürsey）、南部陽一郎、楊振寧、李政道等人，楊振寧在會上表示，“在未來的十年，高能物理界最大的發(fā)現(xiàn)就是——The partys over”[8]，盛宴已過。許多物理學家反對楊振寧的觀點，會議最終不歡而散。后來，因DIS實驗而獲諾貝爾物理學獎的亨利·肯德爾（Henry Kendall）也表示：“標準模型如此驚人的成功讓人感到沮喪，已經(jīng)沒有什么可做的了。”[9]在標準模型以后，粒子物理學應當何去何從？這在科學共同體內(nèi)部存在廣泛爭論，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 理論困境

雖然標準模型還存在一些遺留問題，比如中微子的質(zhì)量之謎、重子不對稱性、量子引力、暗物質(zhì)和暗能量等等，但是種種超越標準模型的嘗試都陷入了失敗或無法驗證的境地。三十多年來，理論家們至少提出了十多個方法，例如擬色、前子模型、超對稱性、額外維度、扭量理論、因果集、超引力、動力三角化等等[10]，這些方法都從一個令人信服的假定出發(fā)，雖然對傳統(tǒng)的科學觀念構成了極大的挑戰(zhàn)，但理論的正確性卻很難通過實驗給出確認。以超對稱為例，如果它確實存在，基本粒子的數(shù)目至少將會翻倍，我們將會看到超電子、超夸克、超中微子、膠微子、光微子、W微子、Z微子等許多新粒子[11]，但至今一無所獲。

兩次超弦革命一度引發(fā)了研究超弦理論的浪潮，優(yōu)美而和諧的數(shù)學框架令人著迷，但其給出的預言則大多無法通過實驗來驗證。正如溫伯格所說，“弦論至今并沒有滿足人們在1980年代對它抱有的太大期望”[12]。皮特·沃伊特（Peter Woit）將泡利的名言“not even wrong”作為書名，以諷刺弦論“連錯誤都算不上”。李·斯莫林（Lee Smolin）從背景獨立、對偶猜想和宇宙學常數(shù)三個角度對弦論進行了嚴厲的技術性批判，并將弦論的崛起與物理學的衰落聯(lián)系在一起，盡管他所代表的圈量子引力理論所遇到的問題并不比弦論更少。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

理論無法再像黃金時期那樣對實驗做出有效指導，現(xiàn)有的加速器技術遠遠無法達到一些新理論所要求的能級?！吧衬僬f”似乎正在被印證——在當前能夠達到的TeV尺度（103 GeV）和普朗克標度（1019 GeV）之間不存在新的物理現(xiàn)象[13]，即使超對稱存在，也至少要達到1016 GeV才有可能有新的發(fā)現(xiàn)[14]，理論和實驗從未如此遠離。

1.2 還原論困境

“還原論不是研究綱領的指南，而是對自然本身的態(tài)度。科學原理之所以那樣是因為更深層的原理，而所有那些原理都能追溯到一組簡單連通的定律，接近那些定律的最佳途徑似乎就是通過基本粒子物理學?！盵15]溫伯格將20世紀稱作還原論獲勝的世紀。從常見的化學反應到生物學的遺傳機制，許多現(xiàn)象都可以從微觀層面進行解讀，因此粒子物理學被認為是最基礎的學科之一。在美國，這種基于還原論的基礎性使得粒子物理學在長期的科研資金分配中占據(jù)優(yōu)先地位，一些其他學科的經(jīng)費則受到嚴重擠壓，這是1987年國會聽證會的主要論題之一。

凝聚態(tài)物理學家安德森等人支持的涌現(xiàn)論是對還原論的有力回擊，他們認為物理世界是一個由大體上相互獨立的層次構成的等級結構[16]，當我們沿復雜性的階梯拾級而上時，隨著系統(tǒng)復雜性的增加，對稱性不斷降低，因此在每一級階梯上都需要有全新的概念構架[17]，粒子物理學并不比其他任何學科更基礎。伊利亞·普里高津（Ilya Prigogine）和羅伯特·勞克林（Robert Laughlin）也分別在《確定性的終結》和《不同的宇宙》中對還原論進行了批判。

一方面，還原論作為過去三個世紀以來西方科學思想的主要傾向[18]，已經(jīng)遭到了越來越多的質(zhì)疑。另一方面，如果進一步還原，真正的基礎究竟是什么？是普朗克標度上的弦嗎？亦或是在普朗克標度之下量子化的空間？我們沒有答案。

1.3 加速器困境

除了資金和應用轉(zhuǎn)化等常見問題以外，加速器如今還面臨著技術創(chuàng)新問題。如果想要將加速器的能量達到更高數(shù)量級，其失敗的代價將不再是可以承受的。從CERN在2020年發(fā)布的《歐洲粒子物理學戰(zhàn)略》詳見https：//home.cern/news/news/physics/particle-physicists-update-strategy-future-field-europe。來看，這是一個相當保守的計劃，并沒有給人太大的驚喜。

首先，在具體的科學研究目標中，將近期和長遠的研究都主要放在希格斯粒子家族的研究上，提到了可能會發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，但是沒有超對稱。實際上，在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子之后，LHC在其能達到的所有能量區(qū)域內(nèi)對超對稱粒子進行了地毯式的搜索，但是一無所獲，加上各種質(zhì)疑超對稱的聲音，科學家普遍對超對稱粒子的預期大大降低了。

其次，由于大型加速器的投入非常巨大，動輒上百億美元，尋求國際合作是必然的趨勢。但是，在該戰(zhàn)略報告中，既提到要加大國際合作，同時又強調(diào)歐洲的領導地位，重點還是強調(diào)CERN和歐洲各大實驗室之間的深度合作，這本身就是矛盾的。而且，其中提到會繼續(xù)與日本和美國進行合作，并沒有提到中國，在美中貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，中國要想在高能物理領域與歐美日開展深度的合作實際上是很困難的。

最后，在具體方案中，短期的目標仍然是升級LHC，長期目標是建設新的電子-正電子對撞機，不僅沒有將超越標準模型放在首位，還將新的對撞機放到2038年之后，且很可能遙遙無期，這對高能物理來說實際上是一個悲觀的信號。

2.議題擴大化

一方面，黃金時期的加速器爭論大多圍繞項目的科學價值與建造成本展開，而自SSC以來的爭論議題則往往更加復雜化和多元化。很多支持者往往強調(diào)加速器帶來的社會效益、經(jīng)濟效應和國家地位，但基礎科學研究的目標一直都是研究自然本身，為了得到資助過分強調(diào)提升經(jīng)濟回報實際上會帶來很多麻煩，這加劇了議題范圍的擴大化。另一方面，項目支持者不僅積極爭取國家投入，還較為注重于獲得社會公眾領域的輿論支持，這體現(xiàn)了議題受眾的擴大化。一種以獲取項目支持為導向、面向廣大普通讀者的粒子物理學科普已經(jīng)悄然產(chǎn)生。

在爭論開始之前，格羅斯和威滕就曾在2015年9月發(fā)表文章《中國科學的巨大跨越》，表達了對中國加速器項目的支持與肯定，他們認為該裝置具有深遠的意義，除了科學價值本身以外，還能夠吸引來自世界各國的科學家和工程師，中國正在成為粒子物理及相關技術領域的下一代領導者[19]。10月，華人數(shù)學家丘成桐和科普作家史蒂夫·納迪斯（Steve Nadis）合著出版了書籍《從萬里長城到巨型對撞機》，該書將對撞機與萬里長城相類比，首先對粒子加速器的發(fā)展史和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)過程進行了科普，然后對CEPC-SPPC項目給予了高度評價，主要理由是其具有超越標準模型、探索新物理的能力，它有可能實現(xiàn)一系列重要突破：更好地了解希格斯粒子和希格斯場，探尋超對稱粒子、額外維度、復合希格斯粒子，揭示暗物質(zhì)、反物質(zhì)問題[20]，并依次向讀者詳細地解釋每一個術語的內(nèi)涵與意義。與中國以往的大型科學項目相比，此等規(guī)模的宣傳和造勢是前所未有的。

粒子物理學是人類認知物質(zhì)世界的最前沿領域之一，與人們的日常生活往往相去甚遠，公眾有權利知道項目的意義是什么，也有權利表達自己的看法和見解，適當?shù)目破帐欠浅Ｓ幸娴?。但是，科普的過程中應當做到客觀化、理性化，切忌為了博得關注而夸大科學價值，甚至做出夸張的承諾和斷言。舉例而言，希格斯粒子曾在很長的時間里被稱作“上帝粒子”，這個名稱引起了公眾的廣泛關注，但多數(shù)物理學家卻認為這個名稱是不合適的，因為它過于夸張且容易造成誤解。在2008年的《衛(wèi)報》采訪中，希格斯曾明確表示對“上帝粒子”的厭惡：“（這個名字）令我感到尷尬……我認為這是對術語的一種誤用。”[21]在此次中國的爭論中，也有類似的情況出現(xiàn)，項目的支持者曾多次強調(diào)CEPC-SPPC與中國成為全球科學領導者之間的必然聯(lián)系。那么，我們不禁發(fā)問：假設新對撞機建成，中國就能成為國際科學中心嗎？對于建成科技強國，對撞機是必不可少的嗎？9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

3.選擇多樣化

1993年的美國國會聽證會上，F(xiàn)reedom空間站成為德克薩斯州被支持的大科學項目，即后來的國際空間站項目，SSC成為棄子。時至今日，美國仍然沒有啟動任何的大型加速器計劃。中國雖然對BEPC進行過大范圍升級改造，但也未曾建造能量達到更高數(shù)量級的大型加速器。大科學時代并沒有終結，但以極高能量為目標的大型加速器已不再是資金投入的最優(yōu)選擇。近25年來，全球主要的大型科學項目詳見表5。

21世紀以來，世界各國持續(xù)提高科學投入，積極參與國際科學合作，在眾多科學領域取得了突破性進展。一方面，粒子物理學的腳步雖然慢下來了，但還有許多領域正在高速發(fā)展著。安德森在總結20世紀末的科學進程時曾表示：“基礎物理中仍有許多激動人心的問題不會隨著SSC和類似大型項目死去。例如，大天體物理科學看起來會是今后數(shù)十年的潮流，而基礎凝聚態(tài)物理則是充滿了問題。”[22]這并不是說大型加速器就沒有價值，只是與過去相比，如今我們擁有了更多的選擇。另一方面，即使不依托大型加速器，諸多非加速器類粒子物理研究也取得了十分令人矚目的成就，例如以高海拔宇宙線實驗（LHAASO）為代表的地面宇宙線實驗，以阿爾法磁譜儀（AMS-02）為代表的空間暗物質(zhì)實驗，以及地下暗物質(zhì)和中微子類實驗等等，這展現(xiàn)了粒子物理研究路徑的多樣性。

四 當代粒子物理困境淺析

1. 時代總評

關于加速器的爭論，實際上是物理學整體發(fā)展困境的縮影。粒子物理學和宇宙學的兩個標準模型形成后，隨著希格斯粒子和引力波的發(fā)現(xiàn)，實驗進一步證實了量子力學和廣義相對論的真理性，但與此同時，仍然存在諸如暗物質(zhì)、暗能量等大量現(xiàn)有的兩個標準模型不能解釋的問題。兩個標準模型之后，物理學研究的對象和方式都發(fā)生了根本性的變化。人類對自然界的探索開始從夸克尺度邁向普朗克標度，從可觀測宇宙邁向整個宇宙的演化，科學探求的范圍深入到了物質(zhì)世界最深層的基本結構，基礎物理學正面臨著極大的困境和挑戰(zhàn)，其直接表現(xiàn)在兩個方面：首先，基礎物理學的研究范圍擴展到了普朗克標度和整個宇宙，一切我們所熟悉的規(guī)律都有可能不再適用，所研究問題的困難程度遠遠超過了之前的任何時期。其次，以經(jīng)驗主義為核心的傳統(tǒng)科學方法越來越難以支撐科學理論的發(fā)展，經(jīng)驗證據(jù)嚴重缺乏，至今人們也沒有發(fā)現(xiàn)量子論和相對論相互作用的實驗證據(jù)，甚至有的人開始對量子引力理論的科學性產(chǎn)生了懷疑。

所有困難的根源都可以歸結為實驗檢驗跟不上理論的發(fā)展，無法對理論給出直接的驗證。用工具論的觀點看，目前暫時沒有明確的實驗證據(jù)與相對論或量子論沖突，科學理論作為預測工具，只要和實驗證據(jù)符合就可以了，統(tǒng)一廣義相對論和量子論似乎只是人為制造的困難。但是，科學理論實際并不只滿足于預測和描述實驗現(xiàn)象，更在于對我們所生活的真實世界的實在性質(zhì)給出深層次的解釋和描述，秉持一種狹隘的工具論觀點是不明智的。隨著技術的發(fā)展和認識的深入，人們對現(xiàn)象世界的認識也在不斷深入，現(xiàn)在看來無法檢驗的理論和假設很有可能在將來以一種全新的驗證方式或標準得到檢驗。此時的情形非常類似于20世紀初，一方面，傳統(tǒng)科學范式取得了極大的成功，我們似乎抓住了部分真理。另一方面，同時存在很多傳統(tǒng)范式無法解釋的現(xiàn)象。巨大的困難對物理學的直接影響就是物理學的發(fā)展大大放緩了，盡管超弦理論和圈量子引力有了很大的發(fā)展，但是本質(zhì)上仍是未經(jīng)驗證的理論假設，沒有了理論的指引，實驗也陷入了很大的困境，人們不知道下一步實驗的方向，因此就產(chǎn)生了對是否值得花費巨大代價建造加速器的懷疑。

20世紀的物理學發(fā)展太快、成果太多，一代物理學家陷入了嚴重的路徑依賴，他們的知識和能力被限制在了統(tǒng)一理論的框架下。我們不得不反思現(xiàn)在的以統(tǒng)一為終極目的的物理學研究范式。統(tǒng)一真的必要嗎？黑洞和宇宙誕生離我們太遙遠了，這可能是個長期的過程，可能還需要好幾代物理學家的努力才能取得進一步的發(fā)展。是否應該反思改變當下的范式？追求統(tǒng)一是否如19世紀尋找以太一樣是一個虛幻的夢想？最大的問題在于，不論理論如何發(fā)展，都根本上依賴于我們對自然現(xiàn)象數(shù)據(jù)進行處理的工具。牛頓的科學革命之所以爆發(fā)，很大程度上依賴于當時實驗手段的極大進步。

現(xiàn)在，我們所要研究的領域需要極高的能量，但這些能量的獲取超出了目前地球資源和人類工程技術的極限。在某種程度上，標準模型已經(jīng)是我們已知能級范圍內(nèi)的封閉理論。所謂的封閉理論是指，在一定的范圍內(nèi)已經(jīng)是理論可完善的極限，不能再通過微小的調(diào)整而得到本質(zhì)的改善，新的創(chuàng)新發(fā)展已經(jīng)走到盡頭，并注定在其目標領域長期保持有效和不變。要發(fā)展新的理論范式，首先要擴展我們的檢測范圍。但是，沿著傳統(tǒng)的路線，加速器是最好的手段，我們可以在加速器中制造大量的高能粒子事件，然后分析它們的模式，并用于指導理論的發(fā)展。但是，量子引力的研究尺度在普朗克標度，遠遠超出了現(xiàn)在加速器的范圍，可以肯定地說量子引力理論是不可能直接驗證的。至于超對稱、暗物質(zhì)粒子、額外維度雖然可能在對撞機中驗證，但是經(jīng)過大量的搜尋沒有任何結果，進一步提高能量驗證它們的可能性已經(jīng)很小了。

2.現(xiàn)實問題

新一代對撞機有助于提升中國在世界科學中的地位，這一點毋庸置疑，但距離“國際科學中心”仍然遙遠。在驚嘆歐洲取代美國成為全球粒子物理學中心的同時，不要忘記在二戰(zhàn)開始前，歐洲就已經(jīng)是原子物理學和量子力學的中心，這兩者與粒子物理學的密切聯(lián)系是不言自明的。事實上，截至1951年，共有45位諾貝爾物理學獎得主是歐洲籍，來自美國的只有9位9位當中還有3位是美歐雙重國籍，分別是：阿爾伯特·邁克耳遜（1907年得主，美國、波蘭雙重國籍）、奧托·施特恩（1943年得主，美國、德國雙重國籍）和伊西多·拉比（1944年得主，美國、波蘭雙重國籍）。。再者，雖然LHC是2008年建成的，但歐洲早在1928年就由羅爾夫·維德羅（Rolf Widere）建造了世界上第一臺成功運行的直線加速器，維德羅的論文后來還為勞倫斯的回旋加速器奠定了基礎[23]。在劍橋大學卡文迪許實驗室建成的科克羅夫特-沃爾頓加速器于1932年首次實現(xiàn)鋰原子的人工核嬗變，這使得英國物理學家約翰·科克羅夫特（John Cockcroft）和愛爾蘭物理學家歐內(nèi)斯特·沃爾頓（Ernest Walton）獲得了諾貝爾物理學獎，后來的全球第一臺環(huán)形正負電子對撞機AdA同樣來自歐洲[24]。而CERN于1954年成立的初衷之一，就是重新取得歐洲自二戰(zhàn)前在物理學領域的領先地位。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

從1957年建成的SC即600 MeV同步回旋加速器，它是CERN的第一臺粒子加速器。，到1959年建成的PS，再到ISR、SPS與SppS、LEP等一系列加速器，以及包括PS Booster、AD、ELENA、LEIR、HIE-ISOLDE、CLEAR、Linac3和Linac4在內(nèi)的CERN加速器體系，歐洲取代美國成為全球粒子物理學中心的直接原因看似是SSC的終止和LHC的成功，但根本的原因在于長達半個多世紀的經(jīng)驗積累、人才培養(yǎng)和制度完善，絕非是一蹴而就的。中國的粒子物理學雖然已經(jīng)取得了長足進步，未來也有可能取代歐洲成為新的中心，但不應該簡單地認為通過一臺新加速器就能夠?qū)崿F(xiàn)。此外，在通往科技強國的路上，我國還有太多比對撞機更加緊迫、亟待解決的“卡脖子”問題，這也是中國對撞機爭論與歐美當年的SSC和LHC爭論的不同之處。

五 結語

自20世紀60年代以來，歐美各國的加速器爭論可謂屢見不鮮，幾乎每一代大型加速器的立項都伴隨著漫長的討論過程，許多歷史上的爭論觀點在今天的中國加速器爭論中依然適用。但是，不應簡單地將中國當前的CEPC-SPPC爭論看作是過往爭論的延續(xù)，在如今的再探索時期，粒子物理學的發(fā)展已經(jīng)有了許多新的特征，這些容易被忽視的時代特點恰恰是充分理解當前爭論的關鍵所在。

CEPC-SPPC建造與否目前尚無定論，但無論結果如何，此次爭論本身就是一種進步的體現(xiàn)，正如高原寧所說“科學精神想在中國落地的話，這樣的練習過程必不可少”，公眾也需要一個機會，參與到公共討論之中[25]。大科學裝置對一個國家的科學進程和教育、經(jīng)濟等方面的影響往往是巨大的，應以理性的眼光客觀且全面地看待，我們期待中國科學的長遠進步。

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A Contemporary Turn in Particle Physics

A brief analysis of the historical background and dilemma of the times of the CEPC-SPPC debate in China

QIAO Xiaofei，LU Haoming

Abstract： Since the 1960s， each generation of large particle accelerators in countries around the world has been accompanied by a long process of debate. However， the current CEPC-SPPC debate in China should not simply be viewed as a continuation of past debates， but should be understood as part of the overall development of particle physics. Since the late Cold War， particle physics seems to be “The partys over”， and disputes and dilemmas have emerged one after another. And the debate about accelerators is actually a microcosm of the overall development dilemma of physics. After the formation of the two Standard Models， the objects and methods of physics research have undergone fundamental changes. Although the discovery of the Higgs and gravitational waves marked a great success for the traditional scientific paradigm， there were also many phenomenas that traditional paradigms cannot explain， and the experimental tests cannot keep up with the theoretical ones. The new theoretical paradigms were quite controversial， and the development of physics has slowed down considerably.

Keywords：particle physics， particle accelerator， scientific debate9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472