诺奖得主格罗斯：我要尽力帮助中国建设超级对撞机

14年前，戴维·格罗斯（David Gross）因发现夸克的渐进自由现象摘得了诺贝尔物理学奖。这是构建所谓“万物理论”的一块铺路石。如今，77岁的格罗斯仍想要知道许多理论物理问题的终极答案，他把一部分希望，寄托在了一台未来的中国对撞机上。项目的完整名称很长，叫做“环形正负电子对撞机和超级质子对撞机（CEPC-SPPC）”。

 

“我就管它叫超级对撞机。”格罗斯笑着告诉澎湃新闻。他身材高大，在沙发上落座时也显出颀长的气度。挺拔的鼻梁和深邃的眼眶暗示出犹太血统。

 

2018年11月中旬，超级对撞机的第一阶段大型环形正负电子对撞机（CEPC）《概念设计报告》在酝酿多时后正式发布。据介绍，这将是一个深埋下地下100多米，周长100公里的“大圈”。 以秦皇岛地质结构为参考，项目将于“十四五”开始建设，并于2030年前竣工，预估耗资300多亿元。

 

“如果中国真的建成超级对撞机，中国就会成为高能物理界的一个世界领导者（a world leader）。”格罗斯顿了顿，又更正为“那个世界领导者（the world leader）”，并把重音落在了“the”上。

 

戴维·格罗斯（David gross）接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）独家专访。 澎湃新闻记者 孙懿赟 图

 

“所以说，这是一个振奋人心的项目。我也在尽力帮忙——能帮上啥忙都好。”身为加州大学圣芭芭拉分校卡弗利理论物理学教授、卡弗里理论物理研究所所长的格罗斯，如今也是超级对撞机国际顾问委员会的成员。

 

格罗斯表示，他的许多同事也持有同样的想法。他希望这个项目会促进中美物理学界的合作。

 

杨振宁反对了40年

 

从字面意义上理解，对撞机就是一类将微观粒子加速到极高能量，并发生碰撞的设备，以期观察并寻找到新奇的物理现象。

 

目前世界上最高能的大型强子对撞机（LHC）位于欧洲核子中心（CERN）,直接带动瑞士成为高能物理圣地。2012年，该对撞机成功撞出被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，完成了标准模型的最后一块拼图。

 

格罗斯介绍道，环形正负电子对撞机（CEPC）是项目的第一阶段，可以使正负电子在数千亿电子伏特（几百GeV）的能量下发生碰撞，这也是欧洲核子中心（CERN）发现希格斯玻色子的范围。项目升级后的第二阶段超级质子对撞机（CEPC-SPPC），则将挑战百万亿电子伏特（100TeV）。

 

他认为，第一阶段不存在任何风险，技术十分成熟，主导项目建设的中国科学院高能物理研究所也具有丰富的经验。“我合作的高能所是个很棒的机构，现在有一台40岁的正负电子对撞机（编注：指北京正负电子对撞机）。40年前，这台加速器在邓小平的支持下建设，到现在做出了很多好实验。所长王贻芳则在大亚湾首次测出了一种重要的中微子混合角，这是个很有名的实验。”

 

第二阶段的开发还需要磁场方面的新技术。“但开发项目总是需要新技术的，”他说道。“这个工程规模浩大，旷日持久，并不简单。不过，中国现在差不多是全球最大的经济体了，负担并不重。超级对撞机最终会对科学、对工程技术、对产业都有促进作用。我相信所有的挑战都会被克服。”

 

尽管格罗斯相当乐观，但面对上百亿元体量的经费要求，中国社会和学界仍有分歧。爆发式的争论曾出现在2016年：杨振宁公开发文《中国今天不宜建造超大对撞机》，列出7条理论加以反对。王贻芳和丘成桐则刊发了不同的观点。

 

谈起这个，还没等澎湃新闻记者说完，格罗斯就爽朗大笑道：“我知道。过去40年里，杨振宁一直在反对这类项目，以前反对美国建，现在反对中国建。”

 

“他的论点是中国太穷了。但我没觉得中国太穷了。”他又一次大笑。“中国很有雄心。”

 

你们建了，他们就会来

 

格罗斯不是第一位对中国超级对撞机寄予厚望的诺奖得主，此前，2017年物理诺奖得主、引力波探测功臣巴里·巴里什（Barry Barish）就曾对澎湃新闻表示，新世纪三大物理学突破：中微子振荡、希格斯玻色子和引力波均由大科学装置完成。“中国必须认识到，这是现在科研出成果的正确途径：大装置、国际化、大投入、长时间。”

 

巴里什在激光干涉引力波天文台（LIGO）的项目建设过程中曾起到力挽狂澜的领导性作用。他也把丰富的经验和教训带到了中国超级对撞机的国际顾问委员会。

 

格罗斯观察到，高能物理不同于其他许多学科，是一个国际合作非常丰富的领域。“现在最领先的对撞机在欧洲核子中心。我相信如果中国人放行了这个项目，他们会积极地来合作与帮助，开发出前面提到需要的新磁场技术。”

 

如今的欧洲核子中心是名副其实的高能物理圣地，光美国物理学家就有数百名。格罗斯相信未来的中国超级对撞机也将如此。“你们建了，他们就会来。”

 

戴维·格罗斯和妻子

 

不过，在另一方面，中国的超级对撞机不应该完全成为“欧洲核子中心翻版”。

 

美国国家科学基金会（NSF）数学和物理科学委员会主任克拉克·库珀（Clark Cooper）曾在专访中告诉澎湃新闻记者，批准建设大型对撞机级别的科学项目，国家的首要考量应是创新性：大科学装置是否能产生新的科学，而非复制现有的成果。

 

对此，格罗斯表示中国的超级对撞机进入了新的能量范围，并不会重走欧洲核子中心的路径。但正因如此，科学家们也无法预测将会在新的疆域里发现什么。“那是一片开阔地，无人涉足。谁知道哪里有什么呢？”他强调：“这就是科学令人兴奋之处，探索性。”

 

有趣的东西都不简单

 

若无超级对撞机开疆辟土，如今的粒子物理学家已举步维艰。

 

尽管揭晓中微子的“失踪之谜”和“上帝粒子”的发现都令人雀跃，但从历史的角度来看，21世纪的粒子物理整体风平浪静。标准模型这座巍峨大厦之上虽然浮现出几团乌云，仍然固若金汤，岿然不动。

 

这套描述强力、弱力和电磁力这三种基本力，以及组成所有物质的基本粒子的理论，具有一种统摄性的美感。格罗斯甚至认为，这是有史以来最棒的物理学理论，起码有34个诺贝尔奖颁给了与此相关的科学家。“这是关于物质和力的基本理论，在过去30年间经受了一遍又一遍的检验，它的稳固程度令人惊叹。”

 

科学家们目前观察到了暗物质等极少数超越标准模型的现象，但尚未走出超越标准模型的实际一步。

 

这不免让21世纪才涉足物理国度的年轻科学家们升起迷茫之情。这个时代需要的似乎是下一位爱因斯坦，而非芸芸平凡的大脑。

 

格罗斯承认眼下的高能物理分外艰难，在大型对撞机上进行的实验项目一方面旷日持久，另一方面独力难支。而并非每一个科学家都享受在大型团队中工作。

 

但他试图安慰不安的年轻心灵：“这些固然是富有挑战性的。但重要和有趣的东西都有挑战性，要是简单的话，早就被人完成了。”

 

格罗斯觉得理论物理学家总有一种矛盾的心情。标准模型抗住实验一次又一次的冲击，他们既高兴又不高兴。毕竟，要是标准模型崩开了一个小口子，就是一个重要的发现，背后可能藏着一条指向全新物理世界的通道，比如解释暗物质到底是什么，或者格罗斯一生心心念念的万物理论是何模样。

 

13岁那年，格罗斯就决意要做一名理论物理学家。那时，他是一名出生在美国华盛顿的犹太小孩，热爱伽莫夫的科普书籍。“尽管当时我还不清楚理论物理学家到底要做什么，但听起来很有意思。”他说道：“用一脑之力破解宇宙运行的规律，这多有趣呀。我一直很喜欢解数学题玩，当然理论物理是真实的世界，并不只是游戏。”

 

后来格罗斯就成了粒子物理领域的领军人物，发现了量子色动力学中的“渐进自由”。这是一种反直觉的神奇现象：核力在很短的距离里会减弱，让原子核中的夸克表现得像自由粒子，而当距离拉大后，束缚它们的吸引力反而变大。这也能帮助解释，为什么我们无法直接把原子核拆成夸克。凭借这个成就，63岁那年，格罗斯和他的学生、李政道研究所首任所长弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）共同走上了瑞典皇家科学院的颁奖台。

 

“渐进自由”又为标准模型这座大厦添砖加瓦。不过，格罗斯更想要超越标准模型，将自然界第四种基本力——引力也统一进来。自爱因斯坦以后，这就是许多理论物理学家魂牵梦萦的追求。为此，格罗斯在弦理论方面做出了许多工作。

 

即使普通人无法理解为什么世界是由很小很小的“弦”构成的，或许也听说过这门高深的理论在现有的实验能量范围内很难验证。最知名的“虚构物理学家”谢耳朵，在美剧《生活大爆炸》中登场时研究的就是“M理论，或者用外行的话说，弦理论。”

 

不过，为了不把生命浪费在无法被实验证明的研究上，心灰意冷的谢耳朵在第七季时宣布放弃弦理论，转而投奔暗物质门下。

 

“您不会在某些瞬间感到困扰吗？您研究出的理论可能十年、二十年内都得不到证实。”澎湃新闻记者问得委婉。

 

“或者我有生之年都得不到证实。”格罗斯直白拆穿。“然而，现在已经取得的许多发果，此前我也从未想到能在有生之年看到。所以，我还是比较乐观的。”

 

“肯定也有一些问题，在我有生之年是得不到回答的。”说到这里，77岁的老人突然进一步放缓了语调，似乎陷入到了自己的世界：“其实，我很想知道一些问题的答案。但我不确定能不能等到。”