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[新科技] 美国当年为什么放弃了超导超级对撞机项目?

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发表于 2016-9-16 01:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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引言

1998年6月4日与5日,日本宣布其超级神冈探测器观测到了太阳与大气中微子振荡现象。美东时间6月5日,Bill Clinton总统在MIT开学典礼上说了一些令人深思、令我老人家多次引用的话。其中最为关键的是

Just yesterday in Japan,physicists announced a discovery that tiny neutrinos have mass .... This discovery calls into question the decision made in Washington a couple of years ago to disband the super-conducting supercollider ...

当年美国的超导超级对撞机为什么下马?专业和准专业人士以及科研管理人员可以仔细研读芝加哥大学出版社出版的新书《Tunnel Visions》: The Rise and Fall of the Superconducting Supercollider(作者M. Riordan、L. Hoddeson和A.W. Kolb)。但是这本书很难读。在科普层面上,这里引用英国作家Jim Baggott著、我老人家2013年翻译的《希格斯》:“上帝粒子”的发明与发现(上海科教出版社)中的第八章,以飨读者。


正文(纵深远投)


内容梗概:美国前总统罗纳德·里根(Ronald Reagan)力挺超级超导对撞机,但是当六年后该项目被国会取消时,唯一存留下来的东西就是位于德克萨斯州的坑洞。


物理学家们从他们研究电弱统一问题所积累的经验中学到的东西也可以用于研究更大的问题。电弱统一理论暗示:大爆炸(big bang)之后不久的某一时刻,宇宙的温度如此之高,以至于弱核力和电磁力是不可区分的。那时只存在一种由无质量的玻色子来传递的电弱力(electroweak force),充当弱核力和电磁力的替代品。

这就是所谓的“电弱时代”(electroweak epoch)。随着宇宙的冷却,背景希格斯场“结晶”了,因而电弱力的更高规范对称性发生了破缺(或者更恰当地说,更高的规范对称性隐藏起来了)。无质量的电磁玻色子(即光子)继续在宇宙空间中畅行无阻,但是传递弱作用力的玻色子与希格斯场相互作用并获得了质量,成为和粒子。其结局是:在相互作用的强度和范围这两方面,弱作用力和电磁力如今显得截然不同了。

1974年,温伯格、美国理论物理学家霍华德·乔寨(Howard Georgi)以及出生于澳大利亚的理论物理学家海伦·奎恩(Helen Quinn)证明了粒子的上述三种相互作用力的强度在至千兆电子伏之间的能标处近似相等[1]。这些能标对应的温度约为度,是大爆炸之后约秒时宇宙所处的能标或温度。

在这个“大统一时代”(grand unification epoch),强核力和电弱力也是不可区分的,它们归化成为单一的“电核”(electro-nuclear)力。这种猜测似乎是合理的。所有相互作用力的传递者都相同,也不存在质量、电荷、夸克味(上、下等)或夸克色(红、绿、蓝)。打破这种更高的对称性需要更多的希格斯场,它们在更高的温度“结晶”,从而促使夸克、电子和中微子之间出现明显差异,也促使强核力和电弱力彼此泾渭分明。

这样一种大统一理论(grand unified theory,简称GUT)最早的例子之一是由格拉肖和乔寨于1974年提出来的[2]。该理论基于对称群,格拉肖和乔寨声称它是“整个世界的规范群”。更高的对称性导致了一个后果:所有的基本粒子都只不过是互为表里而已。在格拉肖和乔寨的理论中,夸克和轻子之间的转化现在成为可能。这意味着质子内部的一个夸克可能会转化为一个轻子。“于是我意识到,这使得作为原子基本组分的质子不再稳定,”乔寨说。“当时我变得非常沮丧,然后就上床睡觉了。”

由于大统一只会出现在地球上的任何对撞机都永远无法触及的能标处,人们或许会忍不住质疑这样的理论到底有何价值。然而,大统一理论预言了新粒子的存在,后者原则上可以在对撞实验中现身。而且,尽管大统一时代早在一百多亿年前就已经结束了,但它给宇宙留下了永恒的、我们今天得以观测的印记。

这至少是年轻的美国物理学博士后阿兰·古斯(Alan Guth)所遵循的逻辑。他坚持认为,大统一理论所预言的新粒子中也包括“磁单极子”(magnetic monopole),即“磁荷”(magnetic charge)的单一个体,等价于孤立的北极或南极。1979年5月,他开始与华裔美国博士后戴自海(Sze-Hoi Henry Tye)一道工作,以确定大爆炸所产生的磁单极子的数目。他们的使命是想要解释:如果磁单极子的确是在早期宇宙中形成的,那么为什么今天看不见它们了?

古斯和戴自海意识到,他们有可能通过改变从大统一时代到电弱统一时代的相变的性质来抑制磁单极子的形成。这其实是利用与大统一模型有关的希格斯场的性质做文章。他们发现,假如宇宙在相变温度时经历的并不是一个平稳的相变或“结晶”(crystallization),而是经历了“过度冷却”(supercooling)的过程,那么磁单极子就会消失。在这一方案中,温度下降得如此之快,以至于宇宙在其温度远低于相变温度时依旧处在大统一的状态[3]。

1979年12月,古斯研究了过度冷却之初更广泛的效应,发现过度冷却机制预言了一个时空得以高度指数膨胀的时期。他起初对这一结果感到相当困惑,不过他很快就意识到这种急剧的膨胀可以解释可观测宇宙的重要特征,而最流行的大爆炸宇宙学却做不到这一点。“我不记得自己是否曾经试图为这种奇特的现象起一个名称,”古斯后来写道,“但我的日记显示,到了12月底我已经开始称之为暴涨(inflation)了。”






人们利用希格斯场的性质进一步做文章,在大统一时代结束之时使对称性发生破缺,这在很大程度上导致了暴涨宇宙学的某些改进。这些早期理论预言了过分的均匀性(uniformity),暗示了一个相当乏味的、没有结构的宇宙:没有恒星,也没有行星,或者说没有星系。宇宙学家们开始认识到,就所观测到的宇宙结构而言,其种子必定来自于早期宇宙的量子涨落,后者被暴涨放大和增强了。但是暴涨要求希格斯场应该具有的性质与格拉肖-乔寨的大统一理论中的希格斯场并不相容。

到了上世纪80年代末期,实验结果无论如何都证实了质子要比乔寨和格拉肖的理论所暗示的更稳定[4]。不再受限于来自粒子物理学的理论,宇宙学家们就自由了,他们可以通过进一步调节希格斯场来使自己的理论与可观测宇宙相符合,而相应的希格斯场被统称为暴涨子(inflaton)场,以强调其重要性。令人惊奇的是,他们的预言在1992年4月被宇宙背景探测器(Cosmic Background Explorer,即COBE)的观测结果证实了!该探测器绘制出了宇宙微波背景辐射温度的微小变化,而微波背景辐射本身是大爆炸之后大约40万年时与物质相脱离的热辐射的冷残留物[5]。

布劳特和恩格勒、希格斯以及古拉尼、哈根和基博尔发明了希格斯场,把它作为破缺那些与杨-米尔斯量子场论相关的对称性的手段。温伯格和萨拉姆阐明了怎样才能把该技巧应用于电弱对称性破缺,而且他们使用这种方法正确地预言了和粒子的质量。相同的技巧后来被用于破缺电核力的对称性。这一技巧有一些令人惊讶的后果,导致了暴涨宇宙学的发现,以及对宇宙大尺度结构的精确预言。

希格斯场的整个理论观念及其所包含的假真空已经成为粒子物理学标准模型和即将形成的大爆炸宇宙学标准模型的核心。这些希格斯场存在吗?只有一条途径得以探明它们存在与否。

大统一的希格斯场所衍生的希格斯玻色子拥有巨大的质量,它们绝不能在地球上的对撞机上产生出来。然而,尽管难以确切地预言最初的电弱统一理论中的希格斯场所衍生的希格斯玻色子的质量,但是到了上世纪80年代中期,人们相信该粒子一定可以在下一代的对撞机上被发现。

当时美国粒子物理学家们依旧伤心不已的是在那场发现和粒子的竞争中被他们的欧洲对手所打败。1983年6月的一篇《纽约时报》社论宣称“欧洲发现了三个玻色子,而美国甚至连都没发现”,并且声称欧洲物理学家们目前在发现大自然的基本组分的赛跑中一路领先。美国物理学家们准备寻机雪耻,他们决心要在美国的实验设施上发现希格斯玻色子。

1983年7月3日,费米实验室的一万亿电子伏加速器(Tevatron)开始运行。它的储存环长达6千米,开机后只需要12个小时就可以达到512千兆电子伏的设计能量。通过对撞质子和反质子,Tevatron有望产生1万亿电子伏的对撞能量。该机器耗资1亿2千万美元。当时正在布鲁克海文兴建一台新的、400千兆电子伏的质子-质子对撞机(简称ISABELLE),它在Tevatron已经建成的情况下被断定已经过时了。于是当年的7月份,美国能源部所属的高能物理咨询委员会取消了ISABELLE项目。

在CERN这边,LEP对撞机的基建工作即将开始。它被容纳在27千米长的环中,处于法国与瑞士的边界大约600英尺的地下,正负电子束流将在四个地方相交对撞。这台机器成为欧洲最大的土木工程项目。不过LEP旨在成为和粒子的工厂,用于改善和细化我们对于这几个新粒子的理解,并且寻找仍未被发现的顶夸克。它并不是一台寻找希格斯粒子的加速器。

Tevatron有可能为我们提供一睹希格斯玻色子的机会,但是它并不能保证做到这一点。到了考虑大装置的时候了。莱德曼早前曾经建议过一个向前大跨越的方案:基于超导磁铁的使用,建造一台超大规模的质子-质子对撞机,使之能够将对撞能量提升到40万亿电子伏。他称这台对撞机为“Desertron”,因为需要把它建在平坦开阔的沙漠中,还因为它将是唯一能够横跨“能量沙漠”(energy desert)的机器。能量沙漠是大统一理论所预言的能量鸿沟,介于普朗克(引力)能标和费米(电弱统一)能标之间,其中不存在有趣的新物理。Desertron方案随后发展成为“非常大对撞机”(Very Big Accelerator,简称VBA)方案。取消了ISABELLE项目之后,咨询委员会此刻力推政府优先考虑VBA项目,后者很快更名为超导超级对撞机(Superconducting Supercollider,简称SSC)。

SSC的设计在1986年的年底完成了。它的造价预算为44亿美元,不容置疑地跻身美国科学项目的“大款俱乐部”,需要得到总统的批准。有关部门请莱德曼为罗纳德·里根(Ronald Reagan)总统准备一段10分钟的视频短片,供他评估。莱德曼将探索粒子物理学的未知领域与美国西部大开发做了直接类比,利用这一机会向里根呼吁,在科学前沿拥有开拓精神(frontier spirit)是何等的重要。

1987年1月,在白宫的一场听证会上,关于SSC的正式提案送到了里根总统及其内阁的面前。支持和反对此项投资的辩论反复交锋,不相上下。里根的预算主管辩称:一旦批准该项目的话,除了能使一伙物理学家们喜笑颜开之外,所取得的成果将很有限。里根的回答如下:这是他或许应该考虑的问题,因为他曾经让自己的中学物理老师很不高兴。

随着辩论逐渐平息下来,注意力都转向了里根,等待他的最后决定。里根大声朗读了美国作家杰克·伦敦(Jack London)的一段文字:“我宁愿自己的生命火花能以熊熊烈焰之势燃烧殆尽,而不是在干枯腐烂中窒息而灭”。他解释说,有人曾对橄榄球四分卫运动员肯·斯塔伯勒(外号“蛇”)复述过这些话。1977年,斯塔伯勒带领奥克兰突袭者(Oakland Raiders)队取得了美国橄榄球超级杯大赛的胜利,并以传球的精准和他的“幽灵到位”(Ghost to the Post)而著称。“幽灵到位”指的是42码传球,从斯塔伯尔传给外号“幽灵”的戴夫·卡斯帕尔(Dave Casper):在一场由美国橄榄球联合会(AFC)举办的决赛中,奥克兰突袭者队对阵巴尔的摩小马队(Baltimore Colts),在比赛即将结束时前者利用“幽灵到位”追平了比分。这一得分使这场比赛进入加时赛,最终突袭者队胜出,获得了冠军。

斯塔伯勒依据自己对美国橄榄球的理解诠释了杰克·伦敦的语录。“纵深远投(Throw deep),”斯塔伯勒如是说。在面对逆境的时候,最好采取更危险的策略,以熊熊烈焰之势燃烧殆尽。

里根在1964年投身政界之前是美国小成本电影的坚定支持者。他在1940年的《科纽特·劳肯,所有美国人》(Knute Rockne, All American)一片中出演大学橄榄球运动员乔治·吉普(George Gipp),获得了“吉普人”(Gipper)的绰号。吉普在25岁那年死于咽喉感染,而电影中有一句名言:“乔治对我说的最后一句话是,‘劳肯,’他说,‘有时当运动队面临困境,而暂停正折磨着毛头小伙子们,告诉他们上场,带上他们拥有的所有勇气,为了吉普人而赢一场。’”

毫无疑问,里根对SSC的理念有着深刻的心理共鸣。他已经陶醉于自己的承诺,即科学能够以战略防御计划(Strategic Defense Initiative,即SDI,也称为星球大战计划)的形式为美国提供最后一道防线。此时此刻,为了美国的科学领导地位,他十分乐意上场,带上他们拥有的所有勇气。吉普人准备好了纵深远投。

SSC项目获得了批准,但却被种种质疑所困扰。美国能源部以自己的定调解释了SSC将会怎样成为一项国际性的事业,会得到来自其他国家的财政资助。不过美国物理学家们的花言巧语削弱了这种意图。为什么其他国家要支持一个公然企图恢复美国在高能物理学界领导地位的项目?欧洲无论如何要坚定不移地承担起CERN的义务。SSC项目在海外引不起人们的兴趣,也就不足为怪了。

对SSC项目的不满也在美国物理学界内部与日俱增,而这种不满情绪此刻蔓延和激化为对抗。以如此高昂的代价寻找希格斯玻色子,我们正在牺牲的究竟到底是什么东西呢?还有许多其他项目,单个算起来的花费都比SSC项目要小得多,却更有可能提供具有潜在价值的技术进步。美国物理学研究的经费预算无法支持所有这些项目和SSC,而这些项目现在看来处于极其危险的境地。难道高能物理学真的比其他科学领域贵重一千倍吗?

“大科学”成了一个贬义词。

只要新的对撞机建在哪里的问题还是个未知数,众议院和参议院对SSC的支持就不变。国家科学和工程学院从25个不同的州共收到了43份建议书。得克萨斯州政府建立了一个委员会,并承诺10亿美元的资助,前提是SSC要建在它的管辖区域之内。也许把新的对撞机建在费米实验室更合适,那里有很多现成的基础设施,还有很多现成的、SSC实验所需要的物理学家。可是到了1988年的11月,国家科学和工程学院决定将SSC建在一个白垩纪时期的地质构造区,后者叫做奥斯汀白垩层(Austin Chalk),位于先前盛产棉花的埃利斯县得克萨斯牧场的地下深处。

里根的副总统、得克萨斯人乔治·布什(George Bush)就在上述决定公布之前的两天接任里根成为总统。没有迹象表明国家科学和工程学院的决定存在任何偏见,但布什成为SSC项目的强烈支持者。然而,既然该项目地点已经确定,来自其他州众议员和参议员的支持也开始消失了。

物理学家们为了从国会获得经费,不得不继续与政府较量。因此每次进行该项目的评审时,他们都被叫到国会去作证。同时,随着工程师们开始更清楚地领会到建造巨大的环状超导磁铁意味着什么,经费预算快速增长起来。到了资金下拨开始基建的1990年,经费预算几乎增加了一倍,达到80亿美元。

工程人员在奥斯汀白垩层开凿试验隧道,并在沃克西哈奇(Waxahachie)附近建造了一些基础设施。沃克西哈奇处在占地17000英亩的工程地点的一边,那块地已经被得克萨斯州政府预留下来作为本项目之用。为了开发和测试磁铁,相关的实验室也建成了。大型构件被装配起来以容纳制冷装置,为的是产生液氦并使之循环。液氦是保持磁铁处于超导温度所必需的。

物理学家们组建了两个探测器合作组。螺线管探测器合作组(Solenoidal Detector Collaboration,简称SDC)是由全世界一百多个不同研究机构的一千名物理学家和工程师组成的。SDC将是一个多用途的探测器,耗资5亿美元。科学家们希望该探测器在1999年底之前开始采集数据。GEM(g射线、电子和m子的字头缩写)合作组的探测器规模相当,将与SDC构成竞争之势。

许多物理学家冒了风险,要么暂时放下目前的工作休假一段时间,要么完全辞掉自己的工作搬迁调动,加入到SSC项目中来。总共大约两千人汇集到沃克西哈奇及其周边地区。对于不熟悉SSC政治的局外人而言,这一切活动肯定是令人相当放心的。实验室正在建造之中,地下隧道正在开掘之中,人员正在成群结队地汇集之中…

可是也存在其他更为不吉利的征兆。美国政府正在与早已巨大的、不断增长的财政预算赤字作斗争。1992年1月,布什总统两手空空地从访问日本之行回到美国:日本人坚持认为SSC并不是一个国际项目,因此他们不愿意花钱支持它。有关“大科学”的非议甚嚣尘上。到了6月,众议院投票赞成联邦预算的修正案,将关闭SSC工程项目。通过参议院的干预,该项目得以幸存下来。

悲观沮丧的气氛开始逐渐笼罩着SSC项目,这一点也反映在温伯格发表于1993年的畅销书《终极理论之梦》(Dreams of a Final Theory)中。他写道:

尽管所有的建造和挖掘工作都在进行,我知道对该项目的资助很可能会终止。我能够想象,试验隧道或许被填上,而磁铁大楼或许最后只剩下一座空房,伴随着几个农场主的浅淡记忆,为一个曾经计划在埃利斯县建造的、规模宏大的科学实验室作证。我多半处在托马斯·赫胥黎(Thomas Huxley)所谓的维多利亚时代的乐观主义咒语之下,可是我无法相信这种情况将会发生;或者说,在我们所处的时代,人们将会放弃寻找大自然的终极规律。

在莱德曼发表于同一年、更具堂吉诃德风格的《上帝粒子》(The God Particle)一书中[6],他本人从与希腊哲学家德谟克利特(Democritus)亲切闲谈的梦中猛然惊醒:

“胡说。”我回到家里,东倒西歪地把埋在论文中的头抬起来。我注意到一则新闻标题的复印件:国会支持超级对撞机的资金加倍了。我那台电脑的调制调解器嘟嘟作响,一封电子邮件信息正“邀请”我去华盛顿参加有关SSC的参议院听证会。

比尔·克林顿(Bill Clinton)赢得了1992年11月的总统选举,他击败了乔治·布什和独立参选人罗斯·佩罗(Ross Perot),后者是得克萨斯州的商人。到了1993年6月,SSC的经费预算已经增至110亿美元,因此众议院再次投票反对该项目。正如SSC项目的副主任拉斐尔·卡斯帕尔(Raphael Kasper)所评论的那样:“投票反对SSC在某种程度上成为承担财政责任的象征。这儿有一个昂贵的项目,你可以投票反对它。”

克林顿对SSC项目大体上持鼓励的态度,但是不如里格和布什的立场那么坚定。此时该项目的竞争对手隐约出现了,它是一个250亿美元的计划,旨在建造国际空间站(International Space Station)。这一项目也将以得克萨斯州为基地,位于休斯顿的美国海军约翰逊空间中心(NASA’s Johnson Space Center)。

1993年9月,温伯格、里克特和莱德曼做了最后尝试,以巩固对SSC项目的支持。英国物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)通过视频录像发送了支持SSC的消息。这一切都徒劳无功。

1993年10月,众议院投票表决,勉强赞成国际空间站项目(支持者仅比反对者多出一票)。第二天,众议院以二比一的投票结果反对SSC项目。这一次不会再有“缓期执行”的可能性了。分配下来的资金用于封存那些已建成的装置。当时已经挖掘出了23千米长的隧道,耗资20亿美元(见图19),但是此刻不再有维多利亚时代的乐观主义能够让该项目继续存活下去。SSC死掉了。

作家赫尔曼·沃克(Herman Wouk)是普利策奖的得主,他基于SSC事件的经历创作了一篇小说。在《得克萨斯的坑洞》(A Hole in Texas)开篇的作者附言中,沃克说:

自从提出原子弹和氢弹的想法以来,粒子物理学家们一直是国会娇生惯养的宠儿。但是所有这一切突如其来地结束了。他们探索希格斯玻色子的行动流产了,唯一残留下来的就是得克萨斯的坑洞,一个巨大的、被遗弃的坑洞。

它依然存在。

1994年12月16日,距离SSC被取消后一年多一点,CERN的各成员国投票决定,在未来二十年内拨款150亿美元,用于LEP的升级改造,并在它的使用寿命结束时把它变成质子-质子对撞机。早在十年前,即1984年3月,在瑞士洛桑召开的CERN专题研讨会上,科学家们第一次讨论了大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)的想法。它将产生高达14万亿电子伏的对撞能量,小于SSC的最高能量的一半,但发现希格斯粒子却绰绰有余。

鲁比亚宣称,CERN将用超导磁铁铺设LEP的隧道。

[1]较新的估算将该能标限制在了千兆电子伏附近的区域。

[2]虽然“大”而且“统一”,但GUT理论并没有试图把引力也包括进来。得以将所有四种相互作用都统一起来的理论通常被称为“万能理论”(Theories of Everything,简称ToEs)。

[3]液态水可以过度冷却到冰点以下的温度。

[4]这些实验涉及到从大量的、屏蔽掉了宇宙线影响的质子中寻找单个质子衰变的事例。正如卡洛·鲁比亚(Carlo Rubbia)所解释的那样:“…只需把半打的学生安置到地下几英里处看守一个大水池,时间长达五年之久即可。”——引自彼得·沃伊特(Peter Woit)的著作《甚至没有错》(Not Even Wrong),古典书局,伦敦,2007年。

[5]这些微小的温度变化后来被威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,即WMAP)测量得更加精细。2003年2月、2006年3月、2008年2月和2010年1月WMAP报道出来的结果帮助证实和细化了宇宙的标准模型,即所谓的LCDM(宇宙学常数加冷暗物质)模型,其中暴涨起了决定性的作用。根据WMAP的最新数据,宇宙的年龄为亿年。

[6]莱德曼在本书中首次将希格斯粒子称作“上帝粒子”。随后“上帝粒子”家喻户晓,成为希格斯玻色子的代名词——译者注



结束语

今年六月,我老人家在国际著名的意大利Erice暑期学校讲学,诺奖得主G. 't Hooft和EMFCSC主任A. Zichichi是该活动的主席。Zichichi教授在演讲中引用了物理学教父Erico Fermi的话:

Physics is the Queen of all sciences,

以及大物理学家John Bell的名言:

There is no new physics without new project.

事实上,我老人家认为,也许是,no new machines, no new sciences。当一些天真烂漫的年轻学子和我一起共进晚餐,探讨中微子的质量起源时,我告诉他们,这个问题依赖于我们对希格斯粒子、Yukawa相互作用以及TeV新物理的更深刻的理解……






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