溫伯格：大科學的危機
作者史蒂夫·溫伯格（1979年諾貝爾獎得主，理論物理學家）
翻譯鮮於中之（哈佛大學理論物理博士後）
溫伯格，攝於2010年（圖片來源：維基百科）
物理學家們去年紀念了原子核物理學的百年誕辰。1911年，在位於曼徹斯特的實驗室中，歐內斯特?盧瑟福( Ernest Rutherford )將放射性衰變產生的帶電粒子束引向一片金箔。當時，人們普遍認為原子的質量均勻分布，如同布丁一樣。果真如此，鐳元素髮射的帶電粒子就應該幾乎無偏轉地穿過金箔。使盧瑟福意外的是，一些粒子在金箔上被徑直反彈回來。這意味著，它們被金原子中某種很小、但很重的東西所排斥。盧瑟福認為這就是原子的核。電子繞著它旋轉，就像行星繞著太陽一般。
這是偉大的科學發現，但我們並不稱其為「大科學」。盧瑟福的實驗團隊包括一名博士後與一名本科生。倫敦的皇家學會為此提供了70英鎊的經費。實驗中最昂貴的東西是鐳樣品，但盧瑟福不必為此買單——因為它是從奧地利科學院借來的。
從那以後，核物理迅速變「大」了。盧瑟福實驗中的帶電粒子束能量不夠高，它們還不能穿透金原子核的電斥力並進入原子核自身。為了敲開原子核以搞清楚它們究竟是什麼，物理學家在二十世紀三十年代發明了回旋加速器，以及能夠將帶電粒子加速到更高能量的其它機器。後來，布魯克海文實驗室的前主任莫里斯?戈德哈貝( Maurice Goldhaber )回憶道：
「首先敲碎原子核的人是盧瑟福，他有一張將實驗儀器擱在腿上的相片。這總使我想起另一張後來的相片，那是伯克利著名的回旋加速器建成的時候，所有人都坐在加速器的『腿』上。」
壹
二戰後，新的加速器建成了。不過人們的目標已然改變。此前，物理學家在觀測宇宙線時發現了一些新的基本粒子，它們與普通原子中的任何粒子都不同。為了研究這種新物質，需要大量地人為生產它們。為此，物理學家必須將普通粒子，比如質子（也就是氫的原子核），加速到更高能量，以便當這些高能粒子打向固定靶上的原子時，它們的能量足以轉化成新粒子的質量。當然，創造加速器能量的最高紀錄、或收集越來越多的奇怪粒子，並不是要緊的事情。物理學家建造這些加速器的真正意圖在於，通過創造新的物質種類，來探尋所有物質種類所服從的自然規律。雖然許多物理學家更青睞盧瑟福式的小規模實驗，但這種上下求索的精神迫使物理學越變越大。
我於1959年來到伯克利輻射實驗室做博士後。當時，伯克利有全世界最強大的加速器「Bevatron」。在校園的山坡上，它佔據了一整套建築。人們利用Bevatron將質子加速到足夠高的能量，然後用這些高能質子創造反質子。不出意料，反質子出現了。然而出乎意料的是，上百種新的不穩定粒子也一併被創造了出來。這些新粒子的種類如此多，以至於很難都被認為是基本的。因此我們開始懷疑自己到底是否清楚「基本粒子」是什麼意思。一切都令人困惑，但也令人激動。
在Bevatron運轉了十年之後，人們開始明白，為了理解這些新發現的粒子，需要更高能的新一代加速器。這些新加速器將會非常大，不要說伯克利的山上盛不下，它們中的很多方案甚至大到無法靠一所大學獨立支持。不過這就算是伯克利的危機，也還不是物理學的危機。新的加速器在芝加哥城外的費米實驗室、日內瓦附近的歐洲核子中心( CERN )，以及美國和歐洲的其它實驗室被相繼建造起來。一座大樓已經容納不下它巨大的身軀，它只好和伊利諾伊草場上放牧的牛群相伴了。
Bevatron（圖片來源：Lawrence Berkeley lab）
到七十年代中期，這些實驗室產生的數據與理論家的工作一道，創造了一個關於粒子與力的全面理論。現在這理論已被很好地證實，人們稱之為「標準模型」。在這理論中，有若干種基本粒子。它包括，參與強相互作用的夸克——它們構成原子核中的質子和中子，以及在五六十年代被發現的大多數粒子；還有輕子，它們的相互作用很弱。電子是輕子的典型代表。
「標準模型」中的基本粒子。紫色的是夸克，綠色的是輕子。u,d夸克和e電子組成了我們所有的物質。紅色的是傳播相互作用的「荷力粒子」。黃色的是新發現的希格斯粒子。
此外還有「荷力粒子」。它們在夸克與輕子間運動，併產生各種力。這些粒子包括：(1)光子，即構成光的粒子。它們負責傳遞電磁力。(2)與光子相近的粒子，稱為W玻色子與Z玻色子。它們負責傳遞弱核力。這種力使夸克（或輕子）在不同的種類間相互變化。比如，在碳-14變成氮-14的過程中，它允許帶負電的「下夸克」變成帶正電的「上夸克」。而這個過程可幫助人們判定年代。(3)無質量的膠子。它們產生強核力。這種力將夸克綁在質子與中子里。
儘管標準模型很成功，但它顯然還不是大結局。首先，在這理論中，到目前為止，夸克與輕子的質量還得靠實驗確定，而沒能從某些基本原理導出。我們已經盯著這些質量表看了幾十年。我們覺得應當去理解它們，但直到現在還不能。這很像解讀一種被遺忘的銘文，比如線形文字A。同時，還有一些重要的東西未被包含進標準模型，比如引力，比如暗物質。天文學家告訴我們，後者構成了宇宙中所有物質的六分之五。
所以我們正在等待CERN的新加速器的結果，我們希望借它之力邁出超越標準模型的下一步。這就是大型強子對撞機，簡稱LHC。這是建在地下的環狀機器，直徑17英里，跨越瑞士與法國的邊界。在這機器中，兩束質子在相反的方向上被加速。最終，每一束將被加速到7TeV，相當於質子質量的7500倍。這兩束質子在環上的幾個站點對撞，在這些站點上，重達二戰時期巡洋艦量級的探測器分揀出各種對撞產生的粒子。
對於LHC上即將產生的一些新東西，物理學家期待已久。統一弱核力與電磁力的理論，作為標準模型的一部分，出現於1967-1968年。這理論的基礎在於電磁力與弱核力的完全對稱性。攜帶弱核力的W與Z粒子，以及攜帶電磁力的光子，都以無質量粒子的形式出現在這理論的方程中。但是，儘管光子的確是無質量的，W和Z粒子卻相當重。所以，有理由料想這種電磁力和弱核力之間的對稱性是破損的——也就是說，這對稱性雖然為理論的方程所精確滿足，但它並不呈現在觀測到的粒子與力上。
關於電弱對稱性如何破缺，最初的理論提出於1967-1968年。它至今仍是最簡單的理論。這理論中包括四種瀰漫於宇宙中的新場。其中一種場的能量集團在自然界中以粒子的形式出現。這粒子具有非零的質量、不穩定、且不帶電。它被稱為希格斯玻色子[1]。除了質量，它的所有性質都已為1967-1968年的電弱理論所預言。然而這種粒子至今未被觀測到。這就是LHC要尋找希格斯的原因——如果找到了，那麼電弱理論的最簡版本就被證實了。在2011年12月，兩個實驗組報告了希格斯在LHC中被創造出來的跡象，其質量為質子的133倍。而在費米實驗室的舊數據中，分析顯示了具有相同質量的希格斯玻色子的信號。到2012年底，我們就會知道希格斯玻色子究竟被看到了沒有。（編者註：此文發表於2012年5月。2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）宣布，大型強子對撞機的CMS裝置探測到質量為125.3±0.6 GeV的新玻色子，ATLAS裝置測量到質量為126.5±0.6 GeV的新玻色子。2013年3月14日，歐洲核子研究組織正式宣布，先前探測到的新粒子暫時確認為希格斯玻色子，其具有零自旋與偶宇稱。這是希格斯玻色子的兩個基本性質。）
發現希格斯玻色子將會令人滿意地驗證現有理論，但它並不會指出通向未來更全面理論的道路。我們可以指望，就像Bevatron那樣，LHC上最令人激動的發現將是某種出乎意料的東西。但無論如何，很難看出它將帶我們一路走到包含引力的終極理論。所以在今後十年，物理學家很可能會去向他們的政府尋求支持，以建造他們所需的更強大的新加速器。
貳
這將會困難重重。我的悲觀部分地來源於我在80-90年代試圖為另一個大加速器尋求資助的經歷。
在上世紀80年代早期，美國開始計劃建造超導超級加速器，簡稱SSC。它可將質子加速到20TeV，是CERN的大型強子對撞機最高能量的三倍。經過十年的工作，設計完成了。地點選在了德克薩斯。人們買好了地，開始建隧道，並製造操縱質子的磁鐵。
然而到了1992年，眾議院取消了對SSC的資助。儘管參議院的一次委員會恢復了這筆款項，但第二年覆轍重蹈。而這次，眾議院不打算聽取支持SSC的意見。於是，在已經耗費了二十億美元，以及相當於數千人一年的工作量之後，SSC夭折了。
扼殺SSC原因之一是其名不副實的過分開銷。在當初的預算中，居然包括行政大樓走廊中盆栽植物的款項。預算當然因此而增加，但箇中原因在於，國會歷年來從未提供達到預算的資助。這無疑延長的項目的完成時間，同時也增加了花費。即使如此，考慮進所有的技術困難，SSC也有可能用相當於已投入到LHC的經費建成，並且比LHC早十年。
為SSC而破費成了1992年新一屆國會議員爭相攻擊的靶子。他們渴望展示自己從這塊德克薩斯肥肉上切下一刀的本事，卻對SSC面臨的緊要關頭毫無意識。冷戰結束了，SSC沒有了立竿見影的實用價值。對此，物理學家們會指出高能物理的副產品，包括同步輻射和萬維網。在促進新發明的意義上，大科學與戰爭在技術層面是等價的，而前者不會傷人性命。但我們無法預先承諾這副產品的兌現。
刺激粒子物理學家的根本動機在於理解這個世界的規律。他們堅信，這是一個由簡單而普適的規律所掌控的世界。這規律簡單到我們有能力發現它。但是並非所有人都感受到其重要性。在關於SSC的爭論期間，我與一位反對它的國會議員參加了拉里?金( Larry King )脫口秀。這位議員說他並不反對為科學花錢，但需要排出優先順序。我解釋道，SSC能幫助我們了解自然的規律，並問他難道這還不足以贏得高的優先順序。我記得他回答的每一個字，那就是「不。」
刺激議員們的動機在於選民們的直接經濟利益。大規模實驗室為其周邊地區帶來了金錢與就業機會，因而它們得到當地議員的熱捧，卻遭到許多其他議員冷眼相對。一位參議員告訴我，在選址德克薩斯之前，有上百位參議員支持SSC，然而一旦地址敲定，支持的人數就跌至兩人。他的話並不離譜。我們的確目睹了數位議員在他們的老家從選址方案中被划去後，旋即改變了態度。
折磨著SSC的另一個麻煩是科學家內部的競爭。所有領域的科學家們大體上都同意SSC會產生好的科學成果，但是一些科學家則認為最好將這些金錢投入到別的領域中，比如他們自己的。SSC無可救藥地為新當選的美國物理學會主席所反對。這位固體物理學家認為，最好將SSC的經費用在，比如說，固體物理上。然而我興味索然地注意到，SSC下馬所省下的經費完全沒有流入到任何其他科學領域。
位於德克薩斯的超導超級對撞機地下隧道的建設（圖片來源：SSC實驗室）
當物理學家們為超越LHC的下一代加速器而轉向他們的政府時，所有這些問題都會再次出現，而且情況只會更糟，因為下一代加速器很可能來自國際合作。近來，我們就目睹了可控熱核能源實驗室ITER如何因法國與日本的選址競爭而險遭取消的事情。
當然，不建造新加速器，基礎物理學仍然有事可做。我們將繼續尋找稀有事例，比如，人們指望質子有極其緩慢的放射性衰變。關於中微子，我們也有許多工作要做。我們從天文學家那裡也獲得了有用的信息。但是我不相信，在不推進高能前沿的條件下，我們還能產生任何顯著進步。所以在未來十年，我們也許將看到探索自然規律的步伐漸行漸止，且在我們有生之年重啟無望。
科研經費是所有領域的共同問題。在過去十年中，自然科學基金( NSF )批准經費申請的比例從百分之33下降到百分之23。可是大科學所特有的問題就在於它們很難被做小，比如在圓周上建半個加速器隧道只能是徒勞無益。
叄
天文學的歷史與物理學相去甚遠，但現在它也被捲入類似的難題中。在政府堅實的資助下，天文學較物理學更早地成為大科學。這是因為，它歷來具有物理學所缺乏的實用性[2]。在古代，天文學被用於測距、航海、計時和曆法。它還能以占星術的形式預測未來。政府專門為其設立研究機構。比如希臘化時期的亞歷山大博物館、九世紀巴格達的智慧宮、兀魯伯( Ulugh Beg )於15世紀20年代在撒馬爾罕建立的大天文台。第谷?布拉赫( Tycho Brahe )的天文台「烏拉尼亞堡」( Uraniborg )建在丹麥國王於1576年專門為此辟出的海島上。此外還有英國的格林威治天文台，以及後來的美國海軍天文台。
到了19世紀，有錢人開始以私人名義對天文學慷慨投資。第三代羅斯伯爵( The third Earl of Rosse )使用其家設天文台中名喚「利維坦」( Leviathan )的巨型望遠鏡，發現了星雲（現認為是星系）中的旋臂。在美國，天文台和望遠鏡則沿用其捐贈者的名字，比如Lick，Yerkes，Hooker，以及更晚近的Keck，Hobby與Eberly。
但天文學家今天面臨的任務已經超出了個人的財力所及。為了避免大氣對成像的干擾，也為了觀察被大氣屏蔽的波段，我們不得不將天文台送到太空中。得益於「宇宙背景探索者」、「哈勃空間望遠鏡」、「威爾金森微波各向異性探測器」這樣的衛星探測器，與先進的地面天文台的合作，宇宙學業已經歷一場革命。我們現在知道，宇宙的上一次大爆炸發生於137億年前。我們還有很好的證據表明，宇宙在此前經歷了一段指數速度的快速膨脹，稱為「暴漲」。
但宇宙學正面臨停滯的危險，一如基本粒子物理在近幾十年里所陷入的窘境。當前，有各種理論來解釋1998年發現的宇宙加速膨脹，但我們還沒有得到檢驗這些理論的觀測結果。通過對早期宇宙遺留的微波輻射的觀察，我們大體上確認了早期宇宙的暴漲，但還不能給出參與暴漲的物理過程的細節。我們需要新的衛星探測器，但它會被資助嗎？
作為計劃中取代哈勃太空望遠鏡的下一步，詹姆斯?韋伯( James Webb )太空望遠鏡最近的經歷使人不安地回想起SSC的歷史。奧巴馬政府去年提供的經費水平可使該項目繼續進行，但不足以將望遠鏡送到軌道上。眾議院撥款委員會於七月份投票完全取消了韋伯望遠鏡項目。其中也涉及到關於預算膨脹的抱怨。但是正如SSC的情形，大多數經費增長是由於項目常年未得到足夠的資助。對該望遠鏡的資助最近剛被恢復，但經費的前景仍然黯淡。這個計劃已不再由NASA的科學項目理事會所掌管。韋伯項目在技術上表現出色，人們也已為其投入了數十億美元。雖然SSC也是如此，但還是沒能挽回它下馬的命運。
與此同時，在過去幾年中NASA的天文學家得到的資助也下降了。美國國家研究委員會於2010年完成了對未來天文學的十年規劃，並排出了新建太空觀測站的優先順序。排第一的是WFIRST，一個紅外巡天望遠鏡，接下來是「探索者」，一個與威爾金森微波各向異性探測器尺寸相仿的中量級觀測站項目，然後是LISA，一個引力波探測器，最後是國際X射線探測器。目前尚無任何資金投入這些項目的預算中。
在美國，基於太空觀測的天文學有一個特別的困難，那就是負責此項工作的政府機構往往更青睞載人航天飛行。但這對科學本身幾無貢獻。近年來對天文學做出如此巨大貢獻的太空探測器沒有一個是載人的。的確，國際空間站部分地起到科學實驗室的作用，但它從來沒有產生出任何重要的科學結果。去年，一架宇宙線探測器被搬到了空間站上（在NASA試圖將其從太空梭的任務計劃中刪去之後），這是空間站第一次能夠為科學做出顯著貢獻的機會。但是宇航員在其中不扮演任何角色。所以這本來可以通過無人衛星的方式來廉價地實現。
國際空間站對SSC的下馬也負有部分責任。兩者於1993年都經歷了國會關鍵的投票。由於空間站的地面控制點在休斯敦，所以兩者都屬於德克薩斯州的項目。在表明對SSC的積極支持之後，柯林頓政府於1993年卻決定在德州只支持一個大項目，並最終選定了空間站。國會成員對這兩者間的區別知之甚少。在一次參議院會議前的聽證會上，我聽到一位議員說，他知道空間站如何能夠幫助我們了解宇宙，但他無法理解SSC能做什麼。我欲哭無淚。如同我事後寫道，國際空間站的優點就在於它比SSC的花費高十倍，所以NASA能藉此與許多州簽訂合約。也許如果SSC花費更多，它就不會被撤銷了。
肆
大科學要尋求政府資助，其競爭對象不只包括載人航天器或者其他實實在在的科學項目，還包括許多我們需要政府去做的事情。我們對教育的投入還無法吸引最好的大學畢業生去做教師；我們的旅客正排著長隊；與歐洲和東亞相比我們的網際網路服務正日漸落後；我們缺乏足夠的專利評審員來應付被無限拖延的專利申請；一些監獄人滿為患且缺乏管理人員，這本身就如同殘忍的刑罰；我們還缺法官，民事訴訟在受理前往往是經年累月的等待。
此外，證券交易委員會缺乏足夠的人手去應付所轄公司；我們還缺乏足夠的戒毒中心以幫助藥物成癮者；911之後警察與消防員的數量也在下降；尚有許多美國人得不到適當的醫療護理，等等。事實上，比起科學事務，本屆國會在許多其他問題上做得更糟。如果國會還要將年後的非軍事經費下調百分之八，那所有問題只會雪上加霜。
我們最好不要為了保衛科學而去攻擊政府在其他需求領域的花費。我們註定失敗，而且應當失敗。幾年前，我與德州眾議院的一位撥款委員會成員共進晚餐。講到德州需要更多的高等教育經費時，她侃侃而談。我對此印象深刻。哪個州立大學的教授不愛聽這個？我天真地問她打算增加哪方面的稅收。她回答，「哦不，我可不想增稅，我們可以從衛生保障中拿出錢來。」我們不應落入這等境地。
對我來說，要緊的問題似乎並不是為了某種特別的公共需求而辯論，而是，所有為此殫精竭慮的人們應當一道爭取更高和更進步的稅率，特別是投資所得的稅率。我不是經濟學家，但與經濟學家的交流使我意識到，政府將稅收實打實地合理使用，比減稅更能刺激經濟的發展。認為我們負擔不起政府日益增長的開銷，這完全是謬論。然而在為反稅狂熱所蠱惑的公眾面前，這樣的觀點無異於政治毒藥。與科學的危機相比，這才是真正的危機。[3]
注釋
[1]在弗蘭克?克洛斯( Frank Close )的新書《無盡困惑》( The Infinity Puzzle, Basis Books, 2011 )中，他指出我應當為「希格斯粒子」這個錯誤的名字負一定責任。在我1967年關於電弱統一的論文里，我引用了彼得?希格斯( Peter Higgs )與另兩組理論家的工作。在荷力粒子的一般理論中，他們都探索了對稱性破缺的數學問題，儘管他們並沒有將此應用於電弱作用力。1961年以後，人們知道了，對稱性破缺理論的一個典型結果是包含新粒子。我在1967年的文章中預言了這一大類粒子中的一個特例，這就是LHC目前正在尋找的希格斯玻色子。
至於我對「希格斯玻色子」這個名稱的責任，則緣於我對這三篇論文日期的誤讀。我當初以為希格斯的論文出現最早，所以在1967年的論文中將它引在最前面，並且此後一直都是這麼做的。其他物理學家貌似都照著我的方式做。但是正如克洛斯所指出的，我引用的三篇論文中，最早的其實是羅伯特?布勞特(Robert Brout)與弗朗索瓦?盎格萊爾( Fran?ois Englert )的文章。為減輕我的過錯，我得說，希格斯、布勞特與盎格萊爾的工作是幾乎同時地獨立做出的，第三組理論家( Gerald Guralnik, C.R. Hagen,與Tom Kibble )的情況也是如此。但是「希格斯玻色子」的名字似乎已經定型了。
[2]對此我在《天文學的使命》( The Missions of Astronomy, The New York Review , October 22, 2009 )中有更多闡述。
[3]這篇文章基於兩次演講：2011年6月4日在紐約舉行的世界科學慶典「站在巨人肩上」的開幕演講，以及美國天文學會在2012年1月9日奧斯汀會議上的大會報告。
本文譯自《紐約書評》雜誌2012年5月10日號。
http://www.nybooks.com/articles/2012/05/10/crisis-big-science/?pagination=false
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