本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點
在最近一篇為《大眾科學》撰寫的評論文章中,物理學家格里戈里斯·帕努佐普洛斯和弗蘭克·齊默爾曼主張花費數十億美元建造迄今為止最大的粒子對撞機——未來環形對撞機(FCC),目前計劃在日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)建造。他們的論點,簡而言之,就是我們應該停止要求粒子物理學家為他們研究領域的大規模投資辯解,直接給他們錢就行了。我強烈反對。
在過去的幾十年裡,粒子物理學家們曾登上頭條,聲稱他們的對撞機將探測宇宙的起源,發現新的“超對稱”粒子,或者告訴我們暗物質是由什麼組成的。這種說法在 20 世紀 90 年代就為(被取消的)超導超級對撞機宣傳過了,但它在歐洲核子研究中心(CERN)目前的粒子對撞機——大型強子對撞機(LHC)中尤其盛行。事實上,帕努佐普洛斯和齊默爾曼的文章也以這些宏大的問題為開端——這不足為奇,因為這些是粒子物理學家最好的推銷點,作者們非常清楚這一點。
不幸的是,大型強子對撞機並沒有闡明它被承諾回答的重大問題。相反,這項大型實驗清楚地表明,粒子物理學家大大誇大了他們研究的承諾。大型強子對撞機並沒有成為期待已久的勝利,反而證明了粒子物理學家關於他們的對撞機將有助於回答重大問題的論點是錯誤的。因此,現在這些物理學家沒有合理的論據來解釋為什麼更大的對撞機會帶來根本性的新發現。
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一臺更大的機器將更精確地測量已知粒子的特性。當然,我們不能排除它會帶來新的發現。但是我們目前沒有理由認為新的發現是合理的。僅僅為了在某些常數上增加一個數字而花費數十億美元是很難讓人接受的。
由於缺乏令人信服的科學論據來解釋為什麼新的粒子對撞機是一項好的投資,帕努佐普洛斯和齊默爾曼試圖說服他們的讀者不需要任何理由。相反,他們主張實驗應該“發揮主導作用,以便幫助陷入困境的粒子物理學擺脫泥潭”。
他們的斷言比早期的論點有所改進,這些論點依賴於編造理論上的理由來建造對撞機。但是帕努佐普洛斯和齊默爾曼的推理並沒有更令人信服,因為目前粒子物理學的停滯不前不是由於缺乏實驗造成的。
繼20世紀上半葉取得驚人的成功之後,物理學的基礎得到了慷慨的資助。直到20世紀70年代,理論和實驗齊頭並進,物理學家完成了粒子物理學標準模型的理論基礎。“萬物理論”似乎近在咫尺。
但在20世紀70年代之後,進一步的實驗僅僅證實了已知的理論。20世紀70年代仍然缺失的標準模型粒子後來被探測到。最後一個缺失的粒子,希格斯玻色子,在2012年在大型強子對撞機中被發現。希格斯玻色子以及其他新測量的理論,如中微子質量或宇宙常數,都可追溯到20世紀70年代之前。
今天,在半個世紀的歷程中,標準模型仍然是粒子物理學家對物質結構的最好理解。“萬物理論”仍然遙遙無期。用越來越大的粒子對撞機和大量或中小型實驗來尋找其他粒子的嘗試始終沒有新的發現。
因此,不,不是缺乏實驗導致了這一停滯階段。物理學基礎進展停滯的原因僅僅是物理學家在決定進行什麼實驗時不夠謹慎。已經浪費了大量的費用和精力。盲目地將資金投入到更大的實驗中,以絕望地希望恢復粒子物理學失去的部分相關性,這不是前進的方向。粒子物理學家應該從40年的停滯中吸取的教訓是,在投資資金之前要多思考,而不是要求自由地花費數十億美元。
因此,帕努佐普洛斯和齊默爾曼所宣稱的希望使粒子物理學擺脫困境,僅僅使我們回到了這樣一個問題:我們應該資助哪些實驗才能使這一希望成為現實。要回答他們文章標題提出的問題——“物理學中應該先有理論還是實驗?”——當我們需要決定下一步進行什麼實驗時,我們顯然應該利用所有可用的資訊。我們需要知道什麼是可行的,並且我們需要對結果有現實的預期。
因此,讓我們回顧一下我們所知道的:與計劃中但尚未資助的其他基礎物理學的大型實驗相比,例如望遠鏡、衛星任務、引力波干涉儀或高精度測量,目前建造更大的粒子對撞機成本極高。與此同時,我們沒有理由認為這個更大的對撞機將幫助我們解決基礎物理學中任何未解決的問題,而許多其他實驗更有可能做到這一點。
這意味著一個大型對撞機目前具有高成本和較低的預期收益。現有的替代方案具有較低的成本和較高的收益。因此,我們應該首先進行其他實驗,並在其成本下降或出現新的證據使其在科學上更有希望時,再考慮建造更大的對撞機。
在他們的文章中,帕努佐普洛斯和齊默爾曼試圖引用歐洲核子研究中心前總幹事維克托·魏斯科夫的一句話來尋求支援,魏斯科夫認為“機器建造者是最重要的[物理學家]”。這句話可以追溯到1977年,即粒子物理學開始停滯的時期。
我們不再生活在20世紀70年代了。粒子物理學家是時候醒來,對資助他們研究的納稅人表現出一些尊重了。“Just do it”不足以成為花費數十億美元的理由。
