本文发表在《大众科学》的前博客网络中,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
在最近一篇为《大众科学》撰写的评论文章中,物理学家格里戈里斯·帕努佐普洛斯和弗兰克·齐默尔曼主张花费数十亿美元建造迄今为止最大的粒子对撞机——未来环形对撞机(FCC),目前计划在日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)建造。他们的论点,简而言之,就是我们应该停止要求粒子物理学家为他们研究领域的大规模投资辩解,直接给他们钱就行了。我强烈反对。
在过去的几十年里,粒子物理学家们曾登上头条,声称他们的对撞机将探测宇宙的起源,发现新的“超对称”粒子,或者告诉我们暗物质是由什么组成的。这种说法在 20 世纪 90 年代就为(被取消的)超导超级对撞机宣传过了,但它在欧洲核子研究中心(CERN)目前的粒子对撞机——大型强子对撞机(LHC)中尤其盛行。事实上,帕努佐普洛斯和齐默尔曼的文章也以这些宏大的问题为开端——这不足为奇,因为这些是粒子物理学家最好的推销点,作者们非常清楚这一点。
不幸的是,大型强子对撞机并没有阐明它被承诺回答的重大问题。相反,这项大型实验清楚地表明,粒子物理学家大大夸大了他们研究的承诺。大型强子对撞机并没有成为期待已久的胜利,反而证明了粒子物理学家关于他们的对撞机将有助于回答重大问题的论点是错误的。因此,现在这些物理学家没有合理的论据来解释为什么更大的对撞机会带来根本性的新发现。
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一台更大的机器将更精确地测量已知粒子的特性。当然,我们不能排除它会带来新的发现。但是我们目前没有理由认为新的发现是合理的。仅仅为了在某些常数上增加一个数字而花费数十亿美元是很难让人接受的。
由于缺乏令人信服的科学论据来解释为什么新的粒子对撞机是一项好的投资,帕努佐普洛斯和齐默尔曼试图说服他们的读者不需要任何理由。相反,他们主张实验应该“发挥主导作用,以便帮助陷入困境的粒子物理学摆脱泥潭”。
他们的断言比早期的论点有所改进,这些论点依赖于编造理论上的理由来建造对撞机。但是帕努佐普洛斯和齐默尔曼的推理并没有更令人信服,因为目前粒子物理学的停滞不前不是由于缺乏实验造成的。
继20世纪上半叶取得惊人的成功之后,物理学的基础得到了慷慨的资助。直到20世纪70年代,理论和实验齐头并进,物理学家完成了粒子物理学标准模型的理论基础。“万物理论”似乎近在咫尺。
但在20世纪70年代之后,进一步的实验仅仅证实了已知的理论。20世纪70年代仍然缺失的标准模型粒子后来被探测到。最后一个缺失的粒子,希格斯玻色子,在2012年在大型强子对撞机中被发现。希格斯玻色子以及其他新测量的理论,如中微子质量或宇宙常数,都可追溯到20世纪70年代之前。
今天,在半个世纪的历程中,标准模型仍然是粒子物理学家对物质结构的最好理解。“万物理论”仍然遥遥无期。用越来越大的粒子对撞机和大量或中小型实验来寻找其他粒子的尝试始终没有新的发现。
因此,不,不是缺乏实验导致了这一停滞阶段。物理学基础进展停滞的原因仅仅是物理学家在决定进行什么实验时不够谨慎。已经浪费了大量的费用和精力。盲目地将资金投入到更大的实验中,以绝望地希望恢复粒子物理学失去的部分相关性,这不是前进的方向。粒子物理学家应该从40年的停滞中吸取的教训是,在投资资金之前要多思考,而不是要求自由地花费数十亿美元。
因此,帕努佐普洛斯和齐默尔曼所宣称的希望使粒子物理学摆脱困境,仅仅使我们回到了这样一个问题:我们应该资助哪些实验才能使这一希望成为现实。要回答他们文章标题提出的问题——“物理学中应该先有理论还是实验?”——当我们需要决定下一步进行什么实验时,我们显然应该利用所有可用的信息。我们需要知道什么是可行的,并且我们需要对结果有现实的预期。
因此,让我们回顾一下我们所知道的:与计划中但尚未资助的其他基础物理学的大型实验相比,例如望远镜、卫星任务、引力波干涉仪或高精度测量,目前建造更大的粒子对撞机成本极高。与此同时,我们没有理由认为这个更大的对撞机将帮助我们解决基础物理学中任何未解决的问题,而许多其他实验更有可能做到这一点。
这意味着一个大型对撞机目前具有高成本和较低的预期收益。现有的替代方案具有较低的成本和较高的收益。因此,我们应该首先进行其他实验,并在其成本下降或出现新的证据使其在科学上更有希望时,再考虑建造更大的对撞机。
在他们的文章中,帕努佐普洛斯和齐默尔曼试图引用欧洲核子研究中心前总干事维克托·魏斯科夫的一句话来寻求支持,魏斯科夫认为“机器建造者是最重要的[物理学家]”。这句话可以追溯到1977年,即粒子物理学开始停滞的时期。
我们不再生活在20世纪70年代了。粒子物理学家是时候醒来,对资助他们研究的纳税人表现出一些尊重了。“Just do it”不足以成为花费数十亿美元的理由。