戴自海：高能物理的未來和巨型對撞機的一些補充討論
戴自海先生九月於香港就楊振寧教授對高能物理（即基礎粒子物理，或簡稱為粒子物理）發展的意見做出了幾點回應，並給出了黃克孫教授與楊振寧教授的在2000年的訪談的背景資料。
撰文
戴自海*
我個人支持在中國興建巨型粒子對撞機，而丘成桐教授與王貽芳教授亦已清晰地解釋了背後原因。下文將提供這場由1970年開始的討論的背景資料，或可為這場辯論做出補充。
雖然巨型粒子對撞機在中國興建與否，最終決定權在於中國決策者，但我認為公眾就此議題有開放討論的機會是一個非常健康的現象。通過公開討論，公眾將更了解興建巨型粒子對撞機的計劃，甚至整個中國二十一世紀科研發展的藍圖，從而明白中國在寰宇間的定位。作為一個粒子物理學者，我對對撞機有著濃厚的興趣，但亦明白在我的有生之年將無法看見巨型對撞機對科研所帶來的累累碩果。
楊振寧教授是物理學歷史上的巨人。他在20世紀50年代的貢獻是基礎粒子物理的重要組成部分。然而，20世紀70年代初，他已經離開了粒子物理主要研究方向，所以並不容易找到他對於這方面的看法。根據各種直接與間接的來源，他在與黃克孫教授採訪時表達的觀點被認為是真實的。所以我想在這裡引用它。我也將補充一些背景注釋。
以下節錄自黃克孫教授與楊振寧教授的在2000年的訪談[1]，其中談到1980年發生的事，而當中楊教授就高能物理表達了自己的看法，可以看到他至少直至2000年一直持有這樣的看法。黃教授是麻省理工的物理學教授，專門研究統計力學、量子場論以及高能物理。他與楊教授合寫了好些有關統計力學的論文。（我剛知道我尊敬的老師和朋友黃教授在2016年9月1日與世長辭，享年88歲。)
（黃克孫教授 1928-2016）
就楊振寧學術資料館訪問楊振寧教授(by 黃克孫)
黃：今天是2000年7月29日，我(黃克孫)在香港中文大學楊振寧教授的辦公室訪問他有關統計力學的課題......
(前討論有關統計力學的課題)......
[第22頁]
楊：......實情是，基礎粒子物理在過去的一個世紀，或者是過去50年內的發展非常迅速。但它在物理學界鴻霸一方的情況將要來到盡頭。
楊：我不清楚你是否知道這個故事，你好像不在現場。大概在1980年，羅伯特·馬沙克教授因為周光召教授的到訪(他個人是相當欣賞周光召的)，在弗吉尼亞理工學院舉辦了一場國際學術會議，有許多人參加。會議的最後一日，一個星期六的上午，我們就高能物理的未來進行了一場小組討論會。你有聽過這故事嗎？
黃：沒有。
楊：在這日之前，我獲邀成為小組討論員之一，但我拒絕了。我說我沒有許多話要說，於是便坐在觀眾席之上，聆聽他們的討論。那時候的小組討論員有十位，有馬沙克教授、李政道教授、馬丁·佩爾教授、Feza Gursey教授、史蒂文·溫伯格教授、謝爾登·格拉肖教授，南部陽一郎教授，還有幾位來自歐洲的學者，好像周光召教授也在其中。當時的討論分為兩派陣營，一邊說W和Z玻色子終有一天會被發現，而另一邊則認為不會，但大部份傾向不被發現比較好。你現在可能想知道之後發生了甚麼事情。
他們談論了近一個小時，至討論將要完結的時候，他們發現了我的存在，並說:「楊振寧教授在我們當中，我們也想聽聽他的意見。」我拒絕了，但他們堅持要我說些什麼。當刻，我跟馬沙克教授說:「我可以說點什麼，但我要先得保證我所說的不會被公開。」他答應了(以後他亦信守諾言)。
於是我說:「在未來的十年(討論會的主題好像是『高能物理的未來』)，我估計高能物理界上最大的發現就是：『高能物理要完了』。」頃刻全場一片寂靜，沒有人說出一句話，而馬沙克教授隨即宣布休會。我記得立時幾位年輕人一擁而至，尤其是戴自海。你知道誰是戴自海嗎？
黃：我知道。
楊：他走過來要與我爭論，但我說:「我不會跟你爭論的，但請記得，我所說的更多是關於你的未來，而不是我的。」(笑)
黃：這倒是真的，但很多人仍然相信高能物理還有未來。
(採訪回到統計物理)
......
背景：那1980年的會議是一場小於100人參加的小型學術會議，在當時的弗吉尼亞理工學院(即現今的弗吉尼亞理工學院暨州立大學，又稱弗吉尼亞理工)舉行。而馬沙克教授當時是一位備受敬重的老前輩。
參加小組討論會中，史蒂文·溫伯格教授和謝爾登·格拉肖教授兩位則剛在一年前獲諾貝爾物理學獎(1979)。隨後馬丁·佩爾教授(1995)和南部陽一郎教授(2008)也相繼獲諾貝爾物理學獎。Feza Gursey是一位來自耶魯大學的教授，最後大家知道的李政道教授和周光召教授則不用我多介紹。
對於楊教授的話我不能同意。他認為研究高能物理的未來是沒有希望的，因此他建議當時的年輕學人(包括我)應該轉向其他研究項目，而他自己也真實地從1970年代開始從事其他方面的研究工作(事實上當時某些年輕學人聽從了他的勸告，從事其他方面的研究並有輝煌的成果)。
到目前為止，歷史告訴我們，楊教授對高能物理未來的預測是不正確的。在1980年，W及Z玻色子尚未被發現時(當時格拉肖教授正提出沒有Z玻色子的解決方法)，統一基本粒子的電磁作用與弱作用的基本模型還只是理論層面的想法。其時，歐洲核子研究組織(CERN)興建了質子-反質子粒子對撞機以搜索W及Z玻色子，最終在1983年取得被發現的重大成果(並藉此獲得1984年諾貝爾物理學獎)。
頂夸克和希格斯玻色子相繼在1990年代及2012年被發現，同時我們對中微子的認識也日益加深，這使我們能完全證實電磁作用與弱作用的統一。再加上量子色動力學(QCD)在強力(核力)研究上的發展，今日我們可以宣稱已經完全了解所有可見的力及物質，而我們將其稱之為標準模型。當中大部分發現都是來自於費米國立加速器實驗室或歐洲核子中心的粒子對撞機。
自1984年，世界上芸芸精英深入地研究弦論。標準模型的成功讓我們走得更遠，將宇宙學推向另一個高峰。同時，高能物理學界亦在急速發展，至今已成為一個國際社群。整個高能物理學界的中心亦已從美國轉移至歐洲，許多國家派出隊伍參與歐洲核子中心大型對撞機相關實驗。同時，亞洲研究組織的重要性也日漸提高。未來20年高能物理的發展仍充滿未知之數，但可以確定的是一個新時代粒子對撞機將是未來科研發展的必要因素。
假設中國決定建造巨型粒子對撞機，整個高能物理學界的中心將轉移至中國；假如歐洲持續圍繞巨型粒子對撞機的研究計劃，他們依然是21世紀內的研究重心。基於現有大型強子對撞機LHC正進行的研究計劃，歐洲方面將在未來5至10年皆沒有開展新計劃的餘裕。這個正是中國要挑戰成為高能物理研究龍頭的黃金機會，如中國能夠在這時候建造新世代粒子對撞機並在5至10年後展開相關研究，在高能物理研究社群不能亦不會同時支持兩個巨型對撞機的假設下，整個研究重心將徹底轉移。
的確，以上的研究成果需要昂貴的巨型對撞機以及龐大的研究團隊，這與個人(或小的科研組)為中心的研究方式是完全不同的。但面對如此巨大的科研難題，這卻是無可避免的。與其他科學領域比較，高能物理學者在個人層面的資源投入並不比其他多，然而，我們需要把所有資源集中才能加強研究協同效果。惟巨型對撞機的相關研究會將來自世界各地研究者們的資源和技術緊緊靠攏，預計花上一段以十年計的時日研究下，產生巨大的國際協同合作效果，這正是其他科研項目所沒有的特質。如果中國決定建造它，它會立即帶給中國國際聲望和科學影響力，類似AIIB公布時立即給中國帶來國際威望和金融影響力。
當我們都把各自的資源集中，人類文明才有長足發展。如我們都只為自己的家庭謀生，把時間都花在打獵農務上，學術發展就會裹足不前。哲學家和學者之所以能夠成為哲學家和學者，有賴於其他人能夠補足他們日常所需。隨著時間的推移，知識的追求變得更加繁複，更大的團隊(包括基建、跨學科協作實驗、建造國際太空站等)變得日益重要。現在，高能物理學者是基礎科學上的大型協作的前驅者，而當需要的時候，其他科學領域，例如基因組學、腦啟動計劃等等、也向同一個方向邁進(雷射干涉重力波天文台為探測引力波而組成一個千人隊伍也是一例)。迄今，許多的科研計劃皆是由大量跨種族、宗教、國籍、文化的科學家共同努力，不分你我地向著同一個目標奮鬥而成，這正展現人類文明的美好一面。比起日趨強大的武器和軍備，科研計劃在促進世界和平上有著更好的效果。
我曾經說到楊教授並不支持別人將他在1954年所提出的想法應用到1970年代去建構電磁、弱力之間和強力的模型。這牽涉一個有關對稱的哲學思考。你想像一個人的臉容，這應該是左右對稱的模樣，沒有人喜歡一個不對稱的臉容，這代表著一種「左、右對稱的失衡」。對稱同樣在物理學上，甚至楊教授的研究上扮演著非常重要的角色。1954年，楊教授和羅拔·米爾斯發表的楊-米爾斯理論就是從一個美麗深入的對稱中延展(楊教授的學術論文中所展現的透徹，層次以及遠見，實在是科研發展上的瑰寶)。但是，當他的理論被用作統一基本粒子的電磁作用與弱作用時，科學家們使用的是破缺的對稱性，這或許是楊教授不喜歡的原因。而在量子色動力學上的核力發現當中，楊-米爾斯理論被完整延伸應用，但背後美妙的色對稱卻被徹底隱藏。如色對稱被隱藏，色對稱的美又如何得以顯現呢？不論如何，楊教授沒有繼續依循這個方向研究，而我們粒子物理學專家則從1970年代開始一直依循這個方向努力至今，取得輝煌成績。
帶點諷刺地，如楊教授般深深喜愛對稱的科學家，他最突破性的發現在於1956年和李政道教授一同發現的宇稱不守恆(左右對稱的失衡)。前文中我提到，今日我們可以宣稱已經完全了解所有可見的力及物質，那為何我們還需要新的巨型對撞機呢？答案是我們現在所知道的遠不是基礎物理的盡頭。我們今時今日能夠測量的只有全宇宙所有物質當中的5個百分比，其餘的全部都是暗物質和暗能量。我們都還沒有清楚這些物質的本質是什麼。對於這些的理解，我們今日還停留在理論的層面當中，唯有通過科學實驗我們才有機會認證這些物質的本質。與此同時，我們還有以下的幾個問題有待解答:
? 質量等級差問題
? 超對稱粒子是否存在
? 弦論的特有現象
? 更多的未解疑問
天體物理學或宇宙學的研究或地下實驗或許有助於解決以上的疑問，但卻沒有任何研究能媲美新的巨型對撞機更能準確探測更高的能量標度。隨著各方面的協作，人類對自然的理解將達到新的層面。
一個新的粒子對撞機對中國來說是否過於昂貴？這需要由中國的領導層去決定。但我們可以想像最壞的情況會像1990年代的超導體超級巨型粒子對撞機（SSC），或者是前幾年的激光干涉儀空間天線（LISA）一樣，在通過計劃幾年久後美國政府就決定擱置，造成巨大的資源浪費。
我個人非常同意還有許多其他科研項目也值得政府的大力支持，但我相信興建巨型粒子對撞機並不會限制其他方面科學的發展。有時候我們容易忽略中國過去三十多年在科研發展的投入是不斷提升的。翻看美國國家自然科學基金委員會提供的全球數據（Science and Engineering Indicator 2016，圖4-8；最新數字截至2013年，使用更可靠的購買力平價PPP）[2]顯示，中國在過去數十年來，每年投入在科研的資源增長達到近百分之二十。2016年追平美國（達到每年近5千億美元），甚至超越美國只是遲早的事。這增長是在人類歷史上前所未有的。在未來5到10年內，中國在科研的投入預計能增加一倍以上，達到每年1萬億美元。在針對巨型對撞機政府需要花上大約每年5億美元的預算下，平均每年巨型對撞機所耗用中國的研發預算其實所佔不到0.1個百分比（千分之一）。興建巨型粒子對撞機不會限制中國其他方面科學的發展。
圖 4-8
那中國應該減少科研預算而轉移投入到其他社會項目當中，以提升人們的生活質素嗎？許多人會認為，隨著時間的推移，科研可能是提高民生和社會整體經濟的最有效方式。我們可以參考歐洲的同類型數據。在1980年代歐洲核子研究組織準備興建質子對撞機LHC時，當時的投入對於整個歐洲科研來說可是相當巨大的。但在興建質子對撞機以後，我們可見其它科研成果也獲得了顯著提升。由此可見，興建質子對撞機不單沒有對其它科研發展造成限制，相反，粒子對撞機所顯生之研究成果加強了歐洲推動科研的信心及持續投入。顯而易見，這筆為數不少的投入沒有一分錢是枉花的。
註：巨型粒子對撞機其實分兩個步驟：第一步是能量只有0.25 - 0.35 TeV 但流量大的正負電子對撞機（CEPC）,研究希格斯玻色子的性能，共需要約20年。下一步是在同一隧道建能量高的質子對撞機探索未知領域。今天的磁鐵科學技術還未能達到第二步驟的目標，但是我們有信心在20年後中國可以達到最終目標。結論是建巨型粒子對撞機將助推中國科技到一個新的水平。
戴自海
2016年9月，香港
參考文獻
[1] Kerson Huang,Interview of C. N. Yang for the C. N. Yang Archive the Chinese University of Hong Kong,http://www.mit.edu/people/kerson/Articlestuff/Yang_interview_2001.pdf
[2] National Science Board,Cross-National Comparisons of R&D Performance,http://www.nsf.gov/statistics/2016/nsb20161/#/report/chapter-4/cross-national-comparisons-of-r-d-performance
*戴自海（Henry Tye）教授1947年生於上海，在香港長大，是著名的宇宙學家和理論物理學家，暴漲宇宙論的創始人之一，香港科技大學賽馬會高等研究院院長，康奈爾大學講座教授。
本文原載《數理人文》雜誌，《賽先生》經授權轉載。
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