[专访]王连涛:从巨型对撞机谈到2016年的诺贝尔奖

作者:张轩中来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-09-26

渐近自由不是说很高能量耦合常数为零,耦合常数只随能量的对数而变化,所以这个变化非常慢。

  2016年9月以来,关于巨型对撞机的讨论甚嚣尘上,如何客观评价杨振宁在物理学历史上的地位也成为一个基本的问题,加上2016年的诺贝尔奖也快颁发了。在这个十分动荡的时刻,“蝌蚪五线谱”采访了美国芝加哥大学物理系教授王连涛(以下简称“王”),请他对这些问题发表了自己的看法。本次采访由科普作家张轩中(以下简称“张”)完成。

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  张:“王连涛老师您好,我们认识也很久了,10多年前在卢昌海主办的繁星客栈上就有交流,不过我想请您简单地给媒体大众介绍一下您个人学习成长与研究经历,也可以谈谈与一些国际著名物理学家的合作或者交流。”

  王:“我在国内复旦大学毕业,在美国的密西根大学拿的博士学位。博士论文主要作的是和超对称有关的粒子物理。在那之后,我先后在威斯康星大学和哈佛大学做过博士后。做的事更广泛的粒子物理理论。从2006年到现在,我先后在普林斯顿大学和芝加哥大学任教。我的主要研究领域事粒子物理,集中于超出标准模型之外的新物理的探索。超对称,额外空间维度,复合希格斯模型,暗物质,等等,基本上相关的领域都作过。我出道的时候,正是LHC准备开始运行的前几年。所以我的很多工作集中于新物理在LHC上的信号。最近两年我也参与了很多中国大型对撞机物理的研究。粒子物理理论的领域规模不是很大,全世界几百人吧。学术上还活跃的我基本上开各种会和作报告的时候都见过。现在每年世界各地的会议很多,和世界各地的同行见面的机会也很多。真正有过密切学术交流的和合作的可能有二三十人吧。”

  张:“在一些科学媒体上,您曾经参与巨型对撞机的辩论,您是支持在中国建设巨型对撞机的,为什么?”

  王:“ 支持的原因主要是:

           a)物理上有重大的意义。希格斯粒子是我们解决物理学中重大问题的关键的钥匙。这包括质量起源的问题,宇宙早期演化的问题,宇宙中物质多于反物质的问题等。建对撞机是深入研究希格斯粒子的最有效的途径。当然,建对撞机这种大科学工程还能带动高新技术发展,带来突破,并且吸引和培养大量的人才。这绝对值得做。

                  b)现在是中国开始作这个的绝好时机。希格斯发先后,对它的研究显得格外紧迫。欧洲,美国都腾不出手来。日本考虑另一种对撞机,也想研究希格斯。但是中国的计划有优势,可以竞争。一旦我们开始做这个,就可以保证领跑国际高能物理几十年。
                 c)中国过去30年在高能物理方面培养了队伍,打下了基础,取得了举世瞩目的成绩。中国的基础科研投入应该还有很大的上升空间。所以我们有能力作。”
 
         张:“  这种支持态度是不是与您本身高能物理专业出身的背景有关?”
        王:“当然有关。作为一个在高能领域作了近20年的工作者,对高能领域所面临的重大物理问题和最佳的解决途径我和我的高能界的同事应该是最有发言权的。现代物理各个方向越来越深入,分工也越来越明显。没有长时间的工作经验是很难对一个方向的发展作出正确的评估的。同样的道理,如果有人问我对高能以外的其他领域发展的看法,我也会很谨慎的。 有人可能会怀疑我们全力支持本专业的大项目是否有私心,觉得可以从大项目当中得到好处。我觉得这样想是对高能物理学界的一种不尊重。高能物理学未来的发展方向对于我们来说是一个十分严肃的科学问题。下一步应该怎么走,怎么样是科学上最有意义的,如何在技术上和经济上是可行的,对于这些问题在高能物理学界内部都有过详细的,甚至有时非常激烈的讨论。的确,这个计划的实施确实意味着高能物理学在中国的壮大,会有更多的资源。但是,我们认为这个项目值得做,是在仔细综合考虑了科学上的意义和社会效益后提出的。如果不是一个真正的好主意,国际高能物理学界不可能有统一的支持的声音。"
         张:“我们都知道,杨振宁先生是一贯反对建设对撞机的,这个态度几十年来没有什么改变。据说杨-米尔斯理论一开始提出来的时候数学味道比较浓。那么我的问题是,如何科学评价杨-米尔斯理论的原创性?这一理论在粒子物理标准模型中是不是具有基础性作用?”
         王:“杨-米尔斯理论是一个极其重要的工作,有很深的物理内涵。它是对经典Maxwell理论一个深刻的推广,扩展到了非阿贝尔的情况。这当然是描述强相互作用和弱相互作用所需要的。杨-米尔斯理论,经过后来't Hooft和Veltman对其可重整化的证明,以及希格斯机制的引入等的发展,最终成为了标准模型的基础。"
 
       张:“粒子物理的标准模型应该如何修改?”
       王:“我们不知道标准模型应该怎样修改,这是我们想从实验上得到的信息。但是我们知道标准模型是不完备的,面临很多尚未解决的重大问题。这里比如有质量起源的问题。希格斯是所有已知的基本粒子的质量的来源,而我们却不知道希格斯本身的质量和行为是由什么决定的。关于希格斯的很多性质都是一个谜。我们连希格斯是一个基本粒子还是一个有内部结构的复合粒子这样的基本问题都没有清楚的答案。再比如我们知道希格斯在早期宇宙经历了一次相变,但是我们却不知道这是怎么发生的。这就像我们只看到了一个故事的结局,却对整个过程一无所知。标准模型还有很多其他的问题,比如像暗物质。我们有很多理论模型可以试图解决这些问题,我自己也做过不少。但是这些都只是猜想。只有实验可以告诉我们真正的答案。”
         张:“对撞机中的超越标准模型的物理可能会是什么?”
        王:“就像我前面说的那样,我们无法准确的预言对撞机上可能会出现什么超出标准模型的物理。我们只能根据我们自己的猜测来估计可能在什么方向上有希望,比如像上面提到的各种新物理的模型。只有实验能最终告诉我们问题的答案。这正是实验的价值。如果我们能够预言会有什么新物理出现,那就不是探索未知了。不过有一点是可以肯定的,标准模型的几个核心问题都与希格斯粒子有关,所以深入研究希格斯是关键。”
 
        张:“如何评价有的人说的对撞机与渐近自由的关系?能量很高的时候耦合常数为零,所以我们撞不出新东西?所以不应该发展巨型对撞机?”
        王:“这种说法不对。 渐近自由不是说很高能量耦合常数为零,耦合常数只随能量的对数而变化,所以这个变化非常慢。从目前欧洲的大型强子对撞机(LHC,质心能量13TeV)的能量到未来的100TeV质子对撞机,耦合常数也最多只有20%的减小。而这远远不是到更高能量时最主要的效应。作高能的质子对撞机主要的效应是质心能量的提高可以使我们探测到更高能量下的物理现象(比如寻找更重的新粒子)。这种探测范围的增长直接和能量的增加成正比。另一个重要的效应是100TeV的质子对撞机可以产生比LHC多100倍以上的希格斯粒子。同时,正如我在上面说的,100TeV的质子对撞机并不是目前讨论的主要对象。强调这个是对目前的对撞机计划的目标缺乏了解。"
       张:"最近诺贝尔奖也快颁发了, 你能不能预测一下2016年的诺贝尔物理奖的可能得主?”
       王:“从我熟悉的方向看,我认为引力波的探测应该拿奖。是不是今年就不知道了,也许距离太近了。希格斯粒子也是隔了一年才拿奖的。如果不是引力波,我就说不准了。也许是拓扑绝缘体?”
       张:“最后,您还有什么需要补充的?”
       王:“你问的主要是有关对撞机的问题。在回答之前,我想在这里澄清一个非常重要的问题目前在中国的高能物理界提出要做的是一个250GeV的正负电子对撞机。在10年内它可以产生1百万个希格斯粒子。正负电子对撞机的优点是它非常“干净”。也就是说,在粒子碰撞的过程中,相比质子对撞机而言,正负电子对撞机中产生出的信号之外的“背景噪音”非常小。我们对对撞的过程也可以有很精确的控制。所以,正负电子对撞机是对希格斯粒子进行精细测量的最理想的工具。而100TeV的质子对撞机只是在正负电子对撞机之后继续升级的一个可能的选项。但是是否进行的决定至少要等十几到二十年, 最终会取决于正负电子对撞机和欧洲的LHC的结果,以及当时的技术和资金情况。我觉得弄清楚这一点非常重要,因为我看到很多讨论中的参加者都是混淆了这个问题。”
       以上就是“蝌蚪五线谱”对王连涛教授的采访全文。

 

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