主题：【讨论】文摘+评论 高能物理的绝唱 王孟源 -- dafemren

高能物理的绝唱-ZT

王孟源，哈佛高能物理博士

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因媒体报道中科院院士吴岳良的工作“超越爱因斯坦广义相对论”，高能物理领

域的进展又吸引了公众注意。恰在不久前，哈佛大学的华裔数学家丘成桐来上海演讲，再次表达了对中国建设巨型对撞机的期望。为此，丘成桐去年10月还挂名出版了一本科普书《从长城到大对撞机》，希望中国用十几年时间，在山海关附近建成一个能级超过欧洲大型强子对撞机（LHC）的巨无霸。丘成桐还在演讲中透露，自己为了这项“大科学”工程，还给国家领导人写信，跟有关部门领导会谈，目前，还没有遭到直接反对。而在海峡对岸，师从诺奖得主温伯格（S. Weinberg）的哈佛大学物理博士王孟源则撰文《高能物理的绝唱》，质疑美国高能物理学界利用丘成桐对中国政府游说。

撰文提醒中国领导人不要被“忽悠”的王孟源博士，其导师诺贝尔奖得主温伯格（S. Weinberg）就支持建造SSC，理由是可以满足科学发现、学习、竞争、协作、未来发展等等的需要，有助于巩固美国在基础物理学方面的世界领先地位；在科学研究上能够带来突破性新发现；在经济方面可以给美国提供上千的就业机会，并带动相关领域的发展；建成之后还可以在教育、医疗等相关民用领域起到不可估量的作用。

因此，尽管耗费巨大但物有所值。

反对建造SSC的科学家，主要是以诺贝尔奖得主安德森（P. W. Anderson）为代表的应用物理学家，从事宇宙背景微波辐射研究的诺贝尔奖得主彭齐亚斯（A. Penzias）等人。反对的理由，除了之前所分析的前景渺茫，还有如下这些：SSC解决的只是物理学中的基本问题，而非科学的基本问题；它只是解决物理学中基本问题的途径之一，而非唯一途径；建造它需要大量的科技人才，这些人才资源的耗费将给其它同样需要科技人才的行业带来巨大的损失；建造它还将影响政府对其它科研项目的投资。 最终，SSC垮了，欧洲以为这是在“尖端科学”上超赶美国的大好良机，然而LHC却成了一个烧钱的无底洞，自1998年至2008年，耗费十年建成，且严重超支了预算，又只能咬牙走下去。虽然有“上帝粒子”这个安慰奖，但美国在高能物理界的地位并没有被反超，因为超出“标准模型”的前沿理论根本就无法做实验。

据作者王孟源介绍，他博士班毕业时，哈佛那届7个高能物理理论博士除了他都马上转了金融。

中国要不要建对撞机 ?

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现代高能物理始於1940年代的量子场论（Quantum Field Theory），最初的应用是以量子电动力学（Quantum Electro-Dynamics，QED）来解释电磁力。

在1950年代，加速器的技术突飞猛进，数以百计的高能粒子被发现；物理学家在整理这些粒子的时候，注意到各种对称性（Symmetry），其中最深奥困难也最重要的是规范对称性（Gauge Symmetry）。其实QED本身就是一个规范场论，但是它只是规范场论中最简单的一种，叫可交换规范场论（Abelian Gauge Theory）。

1954年，杨振宁和他的学生Robert Mills解决了非交换规范场论（Non-Abelian Gauge Theory）的难题，高能物理理论界随即注意到用非交换规范场论来解释弱作用力和强作用力（宇宙中只有四种作用力：电磁力、弱作用力、强作用力和重力）的可能，但是具体的细节还不清楚。

1961年，当时在哈佛大学物理系的Sheldon Glashow领悟到电磁力和弱作用力如何混合起来的机制。1967年，Abdus Salam和Steven Weinberg把1964年定型的Higgs Mechanism加入Glashow机制，确立了完整的电弱理论。在1973-1974年间，有关强作用力的基本难题也被一一突破，从此高能物理界有了一套完整的理论体系来描述除了重力以外的所有作用力，它被称为标准模型（Standard Model）。

在其后40多年里，标准模型的成功超出了任何物理学家的意料之外。所有量化的实験和观测都符合标准模型的预测；然而标准模型却又很明显地不是一个完整的理论。姑且不论它所需的几十个特定参数值，首先它先天上就不包含重力。超弦原本的动机便是要把重力统一起来，在浪费了三十年却只得到一坨污烂之后，不肯把灵魂卖给超弦的物理学家已经理解到，即使是圈量子重力论（Loop Quantum Gravity）这类还没有像超弦一様被证明是完全没有预测能力的重力理论，它的预测也必然会比现代加速器的能阶（Energy Level）高出十几个数量级（Order of Magnitude），因此它的可预测性仍然是几百年内都无法用实験来检験的。所以在最近几年，大家（亦即还在做科学而不是只做论文的高能物理学家）的共识是重力太难了，还是先摆在一边吧。既然必须接受欠缺重力的事实，标准模型里的参数值也当然是目前不可能解释的了。

但是即使不管重力和参数值，标准模型还是有其他的毛病。其中最重要的有三项：1）它不包含暗物质（暗能量显然是和重力有关的，所以目前管不到）；2）它不能解释为什麼宇宙里的物质和反物质没有对消近净；3）它不含有能驱动宇宙暴胀（Cosmic Inflation）的暴胀子（Inflaton）。现在理论学家（Theorists）实在是想不出什麼好主意了（否则也不会让超弦骗走这麼多人），真正的希望还是要靠实験。而实験要探索更高的能阶有两个办法，一个是靠精密测量很小的修正值；另一个则是建造更大型的加速器，以蛮力来产生更高能的粒子。前者一般比较便宜，但是往往只能探测参数空间（Parameter Space）里的小小一隅；真正要产生详尽的资料，最理想的还是更大的加速器，而现在最大最先进的加速器就是欧洲核子研究机构（Organisation Européene pour la Recherche Nucléaire，CERN）位於日内瓦的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）。

LHC自1998年至2008年，共花费了十年才建成，总预算是75亿欧元（约90亿美元）。由於选错了焊接工艺，2008年九月开机后9天，超导电磁铁的电路就烧坏了。其后用了一年多才修好，但是只能以原设计能量（14TeV）的一半（即7TeV）运行。不过还好Higgs粒子质量（125GeV）不太高，在2013年LHC就有了足够的实験资料来证实这个发现，Peter Higgs和同僚随即获颁当年的诺贝尔物理奖。可是Higgs粒子是标准模型的（最后）一部分，当初计划LHC时，发现Higgs粒子是最起码的标的。真正的目的是要发现标准模型以外的粒子，尤其是超对称粒子（Supersymmetric Particles）。超对称（Supersymmetry）是超弦所做的几十个假设里，最重要也是最基本的一个，甚至连超弦名字里的“超”都是由超对称而来的（Super-String其实是Supersymmetric String的简称）。原本1970年代发明超对称是为了解释标准模型所需的几十个特定参数值间的一些关系，不过后来大家发现即使是最简单的超对称模型都需要另外几百个新的参数，於是有些人（包括我）就不再相信超对称，而Witten和他的信徒（把超弦比为宗教并不是我的发明，超弦界自己在20年前就戏称Witten为Pope，教宗）则加倍下注，搞出了更复杂、最终有10^500个自由度的超弦。在1990年代，做超弦的个个都说最轻的超对称粒子会马上被Tevatron（位於芝加哥附近的Fermi Lab内的上一代加速器，最高总能量在2011年停机前达到了2TeV）发现，所以LHC只是用来研究更重的那几百个超对称粒子的。结果此后每年Tevatron和后来的LHC的能量和亮度（Luminosity，即对撞实験的数量）提高一步，做超弦的就把最轻的超对称粒子的质量往上调高一步，以解释为什麼没有观察到超对称。到2013年LHC做完7TeV能阶的实験后，超对称理论的原始参数空间已经有99.9%被否定掉了。

LHC在过去两年关机，以便完全重建超导电磁铁的电路。在未来几周内将重新启动，预计今年夏天可以达到接近原设计值的13TeV能阶。 如果没有意外，到年底将会把超对称理论的原始参数空间再压缩两个位数，也就是否决掉99.999%。当然，做超弦的在过去20年已经自打嘴巴几百次，再胡扯出几千篇神话、重写一次历史也只是他们的专业。高能物理眼前真正的危机是LHC很可能无法超越标准模型。下一代的加速器目前台面上的估价是200亿美元，实际上大家都知道会超过500亿。更糟糕的是LHC至少还保证有Higgs粒子来当安慰奖，下一代的加速器却很可能什麼都找不到。高能物理界在2014年开始游说中共政府，希望忽悠李克强来当凯子；考虑李克强的智商，忽悠成功的机率很小。如果到年底LHC还没有发现新粒子（当然，发现超对称粒子的机率是100%-99.9%=0.1%，所以希望只能寄托在其他的新粒子上），那麼我们这代人到死大概都不会再有更高阶的加速器（不含能阶略低於LHC，用来精密测量Higgs粒子的电子/正子直线对撞机）出现。前面提到除了加速器以外，精密测量也有可能突破标准模型；可是我的猜测是只有暗物质比较可能会如此被发现，而且机率不超过25%，这还包含了暗物质是一种微中子（Neutrino，大陆翻译为“中微子”，标准模型只包含三种微中子，若有第四种则将超越标准模型）或轴子（Axion，不是标准模型的一部分）的可能，而新的微中子或轴子虽然超越标准模型，却并不解释更高能阶的物理。所以总结来说，2015年很有可能是高能物理对我们这代人的绝唱。

高能物理的绝唱（二）

我在今年一月写的《高能物理的绝唱（一）》一文中，解释了当前高能物理界的困境。40多年来无数的实验，都无法突破标准模型（Standard Model）的预测。然而标准模型显然并不包含暗物质和推动宇宙暴涨的机制，所以在1990年代初期，美国开始了新一代的对撞机计划，设在德州，叫做SSC（Superconducting Super Collider，超导超级对撞机）。我博士班毕业之时，全班（哈佛高能物理理论当年毕业了7个博士，算是很大的一班）都马上转了金融，纸有我还想不开，觉得可以到SSC做现象学（Phenomenology，不搞迭床架屋的玄学，纯粹解释实验结果的理论派），躲开超弦的歪风。没想到一向花钱如流水的美国国会，居然在1993年爲了节省110亿美元的预算，不顾好几个诺贝尔奖得主（包括我当时的老板Steven Weinberg，他原本是标准模型的三个创建者之一，可惜那时正要搭上了超弦的贼船）的游说，放弃了已经投入的20亿美元资金，把SSC整个裁了，纸留下了草原地下深处几英里长的一个大洞。我也沦落在前不着村、后不着店的德州，除了一件印著SSC的T-Shirt，什么都没有拿到。还好后来一个已到高盛工作的同班同学指点，才到费城找到了金融界的第一个职位。 ...华岳论坛 - "http://washeng.net"

SSC垮了之后，欧洲人以爲这是在“尖端科学”上超赶美国的大好良机，在同一群诺贝尔奖得主的努力哄骗下，相信可以发现超对称粒子（参见前文《高能物理的绝唱（一）》；超对称是超弦的起源，多借了几百个新自由度来解释标准模型的几十个参数，一般人或许会认爲这是明显的赔本生意，但是超弦论者还嫌不够空帆，最后发明了有10^500个自由度的新理论），于是决定投入经费建造LHC（Large Hadron Collider，大型强子对撞机）。LHC沿用CERN原有的隧道，能量也比SSC低一截，照理说应该可以减低一大半的造价，但是最后还是花了90亿美元。这倒不像ITER（国际核聚变实验反应炉，参见《永远的未来技术》）屡次超支是日本籍主管人谋不臧的结果，而是因爲原本高能物理界就严重低估了预算来哄骗资金来源，所以虽然CERN是大型科学计划管理的典范（LHC纸比原计划晚了三年完成），还是超支了三倍左右（原预算是26亿美元，不过这是1995年的币值，而90亿是1995年一路花到2008年）。

时间快转到2015年，LHC在几个起落之后，终于达到了13TeV（基本等同原设计的14TeV）的总对撞能量。昨天（2015年十二月15日）CERN开了记者会，公佈了最新的实验结果，那当然是一个超对称粒子都没找到的。但是高能物理界沸沸扬扬，仍然兴奋不已，因爲在比Higgs重6倍的能级上（750GeV，Higgs重125GeV）发现了一个“统计鼓包”（“Bump in Statistics”）。这种两三个标准差的统计异常，其实在高能物理实验里稀鬆平常，绝大多数都起因于早期取样数不够，等实验做久了自然就会消失。LHC今年的取样连原计划的一半都还不到，但是仍然在年底按时程改爲对撞重离子来研究强作用力，要等明年底才可能更新实验结果。就算这个统计异常最后以极小的机率证实爲一个真的粒子，它也不过是第二个Higgs；Higgs是标准模型的一部分，所以大家早已都知道是必须存在的，不确定的纸在于有几个。高能物理界花了25年，超过100亿美元的资金，最后的成就就在于决定了Higgs粒子的数目，实在是无限的悲哀。

但是早在这个惨剧闭幕之前，学术界的大佬已开始忙著推销下一代的实验；他们不敢再吹嘘超对称这匹死马的潜力，纸能说是要建一个等同100TeV能级（能级问题有点複杂；他们建议的是电子-正子对撞机，名义上能级比较低，但是在性能和费用上等同一个100TeV能级的强子对撞机，SSC和LHC都是强子对撞机）的Higgs工厂，把Higgs粒子的性质摸到底。像这样无关宏旨的死巷子底的细节，仍然必须开挖一个100公里长的隧道，总造价号称200亿美元，其实至少要500亿，若是最后上了1000亿大家也不必喫惊。它的真正用途当然不是爲了发展科学，否则这种规模的资金，可以资助无可数计真正有社会价值的科学研究。这个Higgs工厂的唯一实际功能，是把大笔钱财当作闪电，以便将快要死透的高能物理这具尸体转化成Frankenstein式的科学怪人，以行尸走肉式的存在撑到教授群的退休期；而即使是超弦论者向来都可以从大型实验计划里巧立名目、分一杯羹。要实现这个美梦，最大的难关在于找到一个人傻钱多的金主，愿意浪费大笔钱财买一个超英赶美的虚名，于是学术大佬的关爱眼神就全都投注到李克强身上。

去年在中国物理界的内綫安排下，Nima Arkani-Hamed成爲新成立在北京的高能物理前沿研究中心（Center for Future High Energy Physics，CFHEP）的主任，专门从事前面提到的游说工作。Nima Arkani-Hamed是超弦界创造力最强的教授之一；当然他近30年的几百篇论文没有一篇是对的（亦即被实验证实来描述宇宙的真实现象），但是超弦界本身就是一个大泥坑，没有任何一个人的任何一篇论文是对的，换句话说，它的选美标准不要求身上没有烂泥，而Nima Arkani-Hamed不但是超弦界选美的冠军之一，而且对超对称特别有兴趣，所以原本由他出面来忽悠下一代对撞机的金主是理所当然的。但是今年的LHC实验结果显然对超对称这块招牌有不利的影响，于是高能物理界纸好另闢蹊径，从侧翼出击，找上了著名华裔数学家丘成桐（Shing-Tung Yau，他与超弦教主Witten长期合作过好几篇数学论文，交情很好）挂名，由一个专业科普作者代笔，在2015年十月23日出版了《From the Great Wall to the Great Collider》（《从长城到大对撞机》，参见http://intlpress.com/site/pub/pages/books/items/00000450/ ）来鼓吹这个骗钱的把戏。

我想他们实在太低估李克强的智商了，这齣闹剧大概纸能无限期地演下去。名作家Upton Sinclair在1935年说了一句名言：“It is difficult to get a man to understand something, when his salary depends upon his not understanding it!”诚不我欺也。

从暗物质谈起

两年前，我在《中国锦屏地下实验室》一文中谈到上海交大的PandaX以及北京清华的类似新计划。其实这种直接探测暗物质与实验室里的介质通过弱作用力反应的实验，在国际上有好几个，是过去十年非常热门的高能物理实验方向之一。在技术上，它们与以往的质子衰变（SU5统一场论预言质子会以很小的机率衰变，后来被实验证明是错的）以及一系列测量Neutrino（中微子或微中子，有很小的未知质量，会在三个种类之间自行嬗变；中国有大亚湾实验仍在进行之中）的实验极爲相似，都是选择地底深处，以减少宇宙綫所引起的假信号，储存了大量同位素稳定（亦即没有会自发衰变的同位素）的介质，藉著观察其核子衰变来检验是否有理论预测的新过程。 ...华岳论坛 - "http://hua-yue.net"

PandaX（Particle AND Astrophysical Xenon detector）选用的介质是Xenon，这是很昂贵但是很理想的介质，美国最先进的实验LUX（Large Underground Xenon experiment）也选用了它。当然LUX在1.5公里深的South Dakota废矿里用了370公斤的Xenon，那么晚了三四年开始的PandaX要后来居上，自然选择了在2.4公里深的雅砻江锦屏水电站引水隧洞用500公斤的Xenon来做实验。2016年七月21日，LUX宣佈实验完成，公佈了完整的结果；由于电子系统的进步和各项细节的顺利执行，LUX所探测的精度比原定高出了四倍（亦即超过半个数量级），但是仍然是连一个暗物质反应都没有观察到。PandaX还纸做到一半，但是已经有了精度相似的数据，于是匆忙在同一天晚上开了记者会，同样宣佈了没有观察到暗物质的结果（参见http://www. 观察者.cn/Science/2016_07_23_368600.shtml）。

既然LUX已经做完，而PandaX还没有得到所有原定的数据，那么物理界是否还在等后者完成实验呢？很不幸的，不但PandaX在后段实验中观测到暗物质的机率微乎其微，高能物理界已经接受了这个事实，基本上没人在乎PandaX了。这是因爲如前所述，LUX的测量精度比原定高了四倍，把理论预测的可能参数空间基本完全涵盖，而这刚好也是PandaX真正计划要搜索的部分。PandaX的测量精度还有馀量，但是已经没有理论上的基础，所以没有实际上的意义。

不是做高能物理爲生的读者或许会问，说不定理论是错的，那么PandaX反而会有机会做出真正重要的发现，不是吗？其实这些实验所依据的“理论”，正是我在一系列前文（参见《高能物理的绝唱》）中提过的超对称，不但在过去30年的高能对撞机实验里被完全否定，这次LUX和PandaX的结果把它又多否定了一个数量级以上（亦即LHC会在未来观察到超对称的机率又减少了10倍）。换句话说，这些新实验结果否定的不是暗物质的存在性，而是暗物质是超对称粒子的可能性。所以“理论”的确是错的，可惜这对PandaX没有帮助。

这是因爲即使躲到地底深处，并且选用昂贵而稳定的介质，仍然会有很多杂讯，例如Neutrino和地壳里放射性元素的自然衰变。PandaX在目前爲止的实验过程中所观察到的衰变事件总数超过3000万，而且各式各样的粒子都有可能，而实验室所能容纳的探测器种类十分有限（否则就至少等同重建LHC的实验腔，亦即《高能物理的绝唱之一》所提到的人类世上最複杂的机器，而且反应区大了十几个数量级），不可能对每一个衰变都追根究底，找出它的原由。所以这些实验必须根据理论预测的特徵，对衰变事件进行针对性的探测器安排，并在软体方面做高速筛选。既然理论是错的，搜索的统计空间再大也没有意义。

当然LUX和PandaX这一系列实验，并不是超对称这个歪论的唯一受害者。高能物理实验一向都必须针对某个特别的理论而设计，LHC本身也是针对超对称而建造的（Higgs纸是安慰奖），所以超弦这帮骗子浪费的人类资源，至少已经以百亿美元计了。现在纸有Higgs证明是现实存在的粒子，他们（如丘成桐）居然有脸说秦皇岛的新对撞机也是爲Higgs而设计。其实它的尺寸比研究Higgs所需的大了超过10倍，费用超过20倍，连类型都不对:它是环状的连续对撞机，而不是直綫对撞机。前者有较高的亮度（Luminosity），所以适合搜索未知的参数空间，而后者在能量相当的前提下，便宜至少一半以上，所以适合精密测量已知的粒子。这样的一个针对Higgs的直綫对撞机，早已在紧锣密鼓地筹备之中，它就是ILC（International Linear Collider，国际直綫对撞机），可能会落户在日本（美国人自己似乎没什么兴趣，大概因爲ILC的性价比虽然不像秦皇岛对撞机一样等于0，但是也纸稍大于0；欧洲人则已在LHC上学过一次乖）。

那爲什么由美国人主导的高能物理界不让中国主办ILC呢？除了不像秦皇岛的新对撞机，ILC至少有一点实际物理意义之外，我认爲还有一个理由，就是直綫对撞机的技术和环状对撞机不同：后者降低能量和尺寸之后，可以作爲同步辐射的光源，在固态物理和生物物理上有很大的用途，但是这是老技术，中国早就有了（台湾和上海在过去两年先后啓用了世界先进的同步辐射光源）；而前者在降低能量和尺寸之后，就成爲自由电子Laser，这不但是最佳的硬X光（Hard X-Ray，亦即波长很短的X光，同步辐射是软X光）源，在研究化学反应（因爲它脉衝极短、解析度极高，不止可以看见个别原子，甚至可以看见个别电子从一个原子跳到另一个原子的过程）上有不可替代的功能，在军事上也有发展成太空武器的潜力，而中国在这方面还是一片空白。中国高能物理界的带路党徒，不可能不知道前述的道理，所以他们放著ILC不争取，而纸知附和丘成桐公然撒谎，想忽悠出贵上20倍而且完全无用的秦皇岛对撞机，就特别可恶了。

LHC预定在下个月，公佈针对我在《高能物理的绝唱之二》里讨论过的750GeV“统计鼓包”所做的新实验的结果。我仍然认爲它是真实粒子的可能性在1%以下，立此存证。届时会再写一篇详细的分析，爲高能物理的死亡，盖棺论定。