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王令雋:李政道教授的開明

王令雋, 2014112



一)李政道先生的開明

李政道教授在《場與粒子》一書中對粒子物理理論有一段比較開明的評論:“單是統一規范理論的標準模型就需要大約20個參數:e、G、θw、三代輕子及夸克的各種各樣的質量以及四個弱衰變角θ1、θ2、θ3及δ。……因此,一方面,我們可能已經得到對于直到大約100GeV的物理過程的有效描述。另一方面,把我們已有的理論看成實質上是唯象理論更為合適。畢竟,誰曾聽說過,一個基本的理論要求20個左右的參數呢?(李政道《場與粒子》,463頁,山東科技出版社)

誰曾聽說過?李政道教授自己當然聽說過。粒子物理專業的研究生應該都聽說過?;玖W訕藴誓P鸵螅玻皞€左右的自由參數,在理論物理界早就是眾所周知的事實。李政道先生卻說“誰曾聽說過”,并不是他裝著不知道,而是一種語言修辭,意思是“此前從來都沒有聽說過的事情”,“不可置信”。為什么一個需要20個自由參數的理論不可置信呢?請聽聽李政道的老師物理學先驅費米的說法:“如果給我四個自由參數,我可以把任何實驗數據擬合成一頭大象。如果給我第五個自由參數,我可以讓大象的鼻子來回擺動。”

五個自由參數就可以使大象的鼻子來回擺動,那20個自由參數可以有什么更神奇的法力呢?它們不僅可以擬合所有的實驗數據,可以使大象的鼻子來回擺動,還可以使大象變種,變成鳥或魚(粒子物理里面的行話叫做中微子震蕩,夸克震蕩或者混合,Cabibboor CKMMixing);它們可以精確地計算變種以后的大象有多少百分比已經變成了鳥或者魚,將其表示成各種角度θw、θ1、θ2、θ3及δ的正弦函數;它們還可以讓一只1盎司的螞蚱生出一頭5噸重的大象(質量為0.5MeV的電子會衰變出質量為85GeV的負W粒子和中微子),它們可以在“夸克禁閉”的名義下將各種無窮大抵消;它們可以禁止除上帝粒子以外的所有粒子具有質量,而必須通過上帝粒子獲得質量。它們還可以從真空中無中生有地創造出各種各樣的暗物質暗能量。……總而言之,凡是20世紀理論物理里面的所有的天方夜譚和聊齋志異神話故事和超神話故事,都可以通過20個自由參數打扮成好像是高深嚴謹的數學物理理論。

凡是有一點數理統計和數學模型方面的知識和經驗的科學工作者,都應該知道,一個需要20個自由擬合參數的理論毫無意義,毫無價值。所以李政道先生才說“誰曾聽說過”這樣的理論呢?確實的,在粒子物理標準模型之前,沒有人聽說過一個正經的科學理論需要20個自由擬合參數。李政道教授對粒子物理標準模型的這一批評,是非常致命的。因為,你不須要知道標準模型的理論細節,也不須要懂量子場論和粒子物理,你甚至根本就不須要知道物理,僅憑數理統計學的常識,就可以明白一個需要20個自由擬合參數的理論最多不過是一個數學游戲。李政道教授作為一個粒子物理學的權威泰斗,他的功名就是建立在對粒子物理的貢獻上面。李教授對粒子物理標準模型能有如此深刻的批評,說明他的開明和誠實,令人肅然起敬。

二)李政道先生的謹慎

但是,李政道先生的開明是謹慎的,不徹底的。他只是指出了標準模型自由參數太多這一個致命問題,并沒有深究與這些參數有關的假設和結論的荒唐和邏輯背理。比如e、G、θw、三代輕子及夸克的各種各樣的質量以及四個弱衰變角θ1、θ2、θ3及δ等等決不僅僅是幾個參數的問題,而是能夠使大象變種,能夠讓1盎司的螞蚱生出5噸重的大象,能夠使夸克禁閉將各種無窮大抵消等等的非同尋常的假設和結論。李政道先生沒有追究這些深層的根本問題的背理,只是輕描淡寫地把全部問題歸結為過多的自由參數(當然也是致命的問題),反映了李政道教授的謹慎:他現在還不愿意和標準模型決裂,還愿意跟著國際主流體制走下去。

我在“致中國物理學界建議書”中揭示了標準模型的一系列理論和邏輯上的根本問題:

1  無窮大發散問題。這包括二次量子化中零點能的無窮大發散,重整化問題和夸克禁閉等不同的表現形式。

2  夸克禁閉和電荷量子化問題。

夸克必須帶有分數電荷;根據夸克模型發展出來的量子色動力學(QCD)預言質子會衰變,可是預言的衰變壽命與實際觀測的差好多個數量級。

3  自發對稱破缺機制。規范對稱性不允許任何粒子帶有質量,這本身就說明規范協變性違背鐵的物理事實。如果所有基本粒子的質量都需要通過上帝粒子來獲得,那上帝粒子自己的質量從何而來呢?這豈不是數學化的創世紀?

4  共振態問題將共振態認定為粒子,是一個基本錯誤,根本錯誤。粒子物理幾十年的折騰,就是把這些根本就不是粒子的共振態當作粒子,為它們編排河圖洛書,這才逼出了夸克模型。

5  同位旋假定。自核同位旋把質子和中子看成是同位旋空間的兩個狀態的概念開始,演變出了CabibboorCKM Mixing 等等玄學假定。這些玄學假定被一些自由擬合參數e、G、θw以及四個弱衰變角θ1、θ2、θ3等等包裝成“數學”。

6  太多的自由參數。這就是李政道教授所說的誰都沒有聽說過的問題。

7  弱電統一問題弱電統一標準模型只能處理電磁相互作用和弱相互作用同時存在的情形,可是卻無法處理這兩種相互作用單獨存在的情形。這個理論還假定質量等于零的光子是由兩個有質量的玻色子的組合,完全違背部分小于整體的科學邏輯,違背質量守恒定律。

8  強相互作用理論預言與實驗不符。量子色動力學QCD)預言的mu介子衰變和質子衰變的半衰期,和實驗結果相差好多個數量級。

9虛光子問題。費曼圖中的虛光子概念從量子電動力學一直推廣到弱電統一標準模型,完全違背能量守恒定律。

所以,粒子物理理論的問題不僅僅是自由擬合參數太多的問題,更是因為與這些參數相關的大量基本假定和荒唐結論違反基本的科學邏輯和物理定律,也違背實驗結果。所以,粒子物理理論的問題不僅僅是自由參數太多,更是假設太多,荒唐結果太多??梢哉f,粒子物理標準模型需要差不多20個基本假定(包括經典量子力學的幾個基本假定,狹義相對論的幾個基本假定,質能等價假定,二次量子化的幾個假定,同位旋假定,重整化假定,將共振態認定為粒子的假定,規范協變性假定,夸克模型的幾個假定,弱電統一理論中的假定,Crossing,Mixing,自動對稱破缺假定,上帝粒子假定等等)來支撐的一座海市蜃樓。誰曾聽說過,一個基本的理論需要建立在20個沒有物理事實證明甚至直接違反物理事實或科學邏輯的基本假定之上呢?李政道教授,您聽說過嗎?

如果李政道教授不僅承認標準模型需要20個自由參數這樣致命的問題,而且也承認標準模型的諸多假定和結論之荒唐,那他就實際上面臨和粒子物理標準模型和主流的徹底決裂??墒抢钫澜淌诘拈_明是謹慎的。他不愿意和主流決裂,和既定路線決裂。這也是理論物理學界許多學術巨子的基本態度。

因此,李政道教授給粒子物理標準模型的定性既不是“基本的物理理論”,也不是我所定性的“玄學理論”,而是比較模糊的“唯象理論”。

三)粒子物理標準模型是唯象理論還是玄學理論?

“唯象理論”又叫“現象邏輯學”,譯自“Phenomenology”。對“唯象理論”的理解和定義很難精確界定。中文維基百科對唯象理論的定義是:

唯象理論是物理學中解釋物理現象時,不用其內在原因,而是用概括試驗事實而得到的物理規律。唯象理論是試驗現象的概括和提煉,但仍無法用已有的科學理論體系作出解釋。即“知其然不知其所以然”。唯象理論對物理現象有描述與預言功能,但沒有解釋功能。

讓我們就用維基百科的這一定義考察一下粒子物理標準模型,看看它夠不夠得上“唯象理論”的標準。

首先,粒子物理標準模型是“概括試驗事實而得到的物理規律嗎?”二次量子化將波函數認定為算符,有沒有任何事實根據?重整化將無窮大認定為零,有沒有事實根據?假定物理學上所有的動力學方程和拉格朗日函數都必須服從協變性,有沒有事實根據?將散射截面能譜曲線上的共振峰認定為基本粒子,有沒有試驗根據?將違背能量守恒定律的虛粒子當作粒子相互作用中介,認定為普遍規律,有沒有試驗證據?將質子分成由帶三分之一三分之二電荷的夸克所組成,有沒有試驗根據?假定質量等于零的光子是由兩個有質量的玻色子的組合,有沒有試驗根據?為了保證規范協變性而假定所有的粒子都不能帶有質量,有沒有試驗根據?假定真空中存在無處不在無時不有的希格斯場,有沒有試驗根據?

有的朋友可能會說,幾十年的高能物理試驗,積累了那么多的試驗數據,都是由粒子物理理論模型來解釋的,這難道不能說粒子物理理論是“概括試驗事實而得到的物理規律嗎?”

不妨看看事實。在所有的衰變反應中,只要有強子的參與,理論就不能解釋實驗數據。于是理論家們就將核力分為強相互作用和弱相互作用,將理論無法解釋的那些試驗結果剔除。即使經過如此篩選之后,弱電統一理論還是只能解釋只有電磁相互作用和弱相互作用同時存在的一些散射數據,而不能處理任何一種作用單獨存在時候的情形。這能說是“概括試驗事實而得到的物理規律嗎?”這種選擇性的處理原則在上帝粒子的探測中已經變得非?;奶啤?/span>自上世紀80年代以來,全世界不知花了多少億美元探測上帝粒子,目的就是為了拯救標準模型。歐洲核子研究中心的正負電子對撞機(LEP)在1990年至2000年花了十年時間尋找上帝粒子,未能找到。美國費米實驗室的Tevatron 1995年至2011年花了六年時間尋找上帝粒子,也沒有找到。按道理,這些結果至少應該和LHC2013年的結果具有同等的統計權重。可是粒子物理學界的規矩是,凡是否定的結果都被認為是失敗,只有肯定的結果才被認為是成功,才有可能獲諾貝爾獎。如果這次LHC尋找上帝粒子的結果是否定的,同樣會被認為是失敗,直到得到肯定的或近似肯定的結果才肯罷休。這能說是“概括試驗事實而得到的物理規律嗎?”你們為什么不把歐洲核子研究中心1990年至2000正負電子對撞機上尋找上帝粒子的試驗結果,和美國費米實驗室的Tevatron 1995年至2011年尋找上帝粒子的試驗結果“概括”到粒子物理理論中去呢?

再來看粒子物理理論的預言功能。量子色動力學(QCD)預言mu介子衰變和質子衰變的半衰期,和實驗結果相差好多個數量級。事實上,弱電統一模型不能處理弱相互作用或者電磁相互作用單獨存在的情形,更說明了即使在沒有強相互作用參與的情況下,其事后諸葛亮式的馬后炮“預言”能力也是非常可憐的。

為什么粒子物理標準模型的預言能力如此之差呢?其根本原因就是因為它不是真正“概括試驗事實得到的物理規律”,而是從一大堆毫無試驗事實根據的假定出發編織出來的玄學理論。用這個玄學理論去解釋一些散射截面實驗數據。把和實驗數據基本相符的一部分算作成績,把不相符的部分說成是另有機制(比如宇稱不守恒,將核力分為弱相互作用和強相互作用),或者發明新的機制(比如Cabibboand CKM mixing),或者引入新的內部緯度,新的量子數和選擇定則,新的ad hoc measure進行特殊處理。對于相差許多數量級的理論預言(比如mu介子衰變和質子衰變),就少提或者不提,在有人問及時就說“強相互作用理論還不太完備”。對于所有粒子都不能帶有質量的荒唐結果,就提出新的假設如希格斯場和上帝粒子來“解釋”,將本質上的不自恰變成“偉大的發現”,并吹噓為到達天堂的“巴比通天塔”,“讀懂了上帝的思想”,完全是神學星象學的做派。

為了對照,我們舉一個天文學上有名的唯象理論作為比較。

在天王星,海王星和冥王星被發現以前,泰提烏司(Titius)于1766年提出了一個計算六個行星半徑的經驗公式。其數學操作是這樣的:

1)他造出一個級數:

4,43x1, 4 3x2, 4 3x4, 4 3x8, 4 3x16, 4 3x32, 4 3x64, 4 3x128, 43x256……

得出如下一串數字:

4,7,10,16,28,52,100,196,388,772,……

2)將上述數列各項除以10得到各行星以日-地距離為天文單位的軌道半徑數值:

0.4, 0.7, 1, 1.6, 2.8, 5.2, 10, 19.6, 38.8, 77.2, ……

這些數字被稱為“Bode-Titiusnumbers”,因為Titius的公式是被Bode首先發表的。這一規律被稱為“Bode-TitiusRule”(鮑迪 — 泰提烏斯定則)。

3)上述理論給出的軌道半徑(第一行)和已知各行星的實際測量到的軌道半徑(第二行)比較如下(以日– 地距離為天文單位):

水星   金星    地球    火星    小行星 木星    土星    天王星 海王星 冥王星

0.4     0.7 1   1.6  2.8    5.2   10 19.6    38.8    77.2

0.39   0.72    1   1.52           5.20 9.54    19.18  30.06  39.44

從上述比較可以看到,“Bode-Titiusnumbers”所給出的已知六個行星的軌道半徑相當準確。對地球和木星軌道半徑的計算和實驗天文測量的數值完全吻合。這是非常驚人的成就。

當時小行星,天王星,海王星和冥王星尚未被觀察到。于是天文學家們開始按照“Bode-Titiusnumbers”來尋找,終于在理論預言的地方找到了小行星和天王星。這種驚人的預言力量使一些人認為存在一種什么力,決定著行星的軌道半徑。

可是海王星和冥王星的位置卻相差近三分之一和近一倍。這么大的誤差是科學家無法接受的。

如果當時的天文學家們按照20世紀理論物理學家們的做派,就會大肆宣揚Bode-Titius理論對地球和木星軌道半徑的計算“誤差等于零”,“超歷史記錄地好”;大肆宣揚這一偉大理論“準確地預算出了天王星和小行星帶的位置”,“這種預言能力說明了Bode-Titius理論是深層的理論”。至于海王星和冥王星的位置和理論預言的不符,則可以說因為他們離得比較遠,可能是屬于不同的相互作用。也可以引進一個什么額外維度和量子數以及相應的選擇定則,將海王星和冥王星歸入另一類行星。也可以在“Bode-Titiusnumbers”的基礎上加上一個修正項,以得到所要的公式。這當然會使理論復雜一些,但是其復雜性和粒子物理標準模型的復雜性相比不過是小巫見大巫。

但是天文學家們沒有這樣做,而是老老實實地承認“Bode-TitiusRule”(鮑迪定則)只不過是“唯象理論”而不是“物理理論”。為什么呢?有兩個最重要的原因:第一,鮑迪定則是建立在一個生造出來的數列之上。這個數列沒有任何物理機制為根據;第二,鮑迪定則預言的海王星和冥王星的位置明顯不對,說明鮑迪定則只是一種有趣的數學巧合或者數學擬合,不是放之四海而皆準或者放之太陽系而皆準的物理規律。雖然這種誤差仍然在同一個數量級,但是對科學家們來說,30%和100%的誤差已經是不可容忍的誤差了。相比之下,20世紀理論物理中實驗數據和理論預言相差30個數量級的例子已經是司空見慣,見怪不怪了。

中文維基百科根據自己的定義居然把開普勒三定律和牛頓引力定律都認定為唯象理論,卻是奇哉怪也。理由呢?難道是因為這些物理定律“知其然不知其所以然”?難道是因為“上帝的第一推動力”?如果連牛頓引力定律都要因為不能回答“第一推動力”的問題而算作是唯象理論,那我們真不知道科學上還有什么不是唯象理論。因為對任何理論我們都可以追問“為什么呢?”一直問到唯一的答案是“不知道”為止。

事實上,不但牛頓定律不是唯象理論,就是把開普勒定律算作唯象理論都會混淆視聽。為什么呢?我們不妨把開普勒三定律和上面所述的鮑迪定則作一個比較。首先,開普勒定律不是從任何先驗的假定開始,而是直接對行星位置的實驗測量數據的數學歸納,而鮑迪定則是從一個天上掉下來的級數出發,使其帶有基本的玄學性質;其次,開普勒定律適用于所有的行星,彗星,以及一切圍繞太陽運動的物體,其原理也適用于月亮繞地球的運動,以及別的恒星??傊?,開普勒定律就是牛頓萬有引力定律在軌道學上的數學表示,和牛頓定律的適用范圍是一樣的。可是鮑迪定則除了六個行星的軌道半徑以外,根本就沒有普適性,因此鮑迪定則最多是一種頗有意思的記憶方法,一種唯象理論,而不是什么物理定律。

如果我們把鮑迪定則和粒子物理標準模型作一個比較,我們就能明白,粒子物理標準模型連唯象理論都不夠資格。第一,鮑迪定則雖然也從一個先驗的數列出發,但是這個數列除了有點神秘玄乎以外,不違反任何已知的物理定律和科學邏輯;可是粒子物理標準模型卻必須以一系列違背物理定律和科學邏輯的基本假定為基礎,比如將無窮大認定為零,將波函數認定為可以產生粒子和湮滅粒子的算符,假定場與物質等價,假定能量與質量等價,假定散射能譜上的共振峰為粒子,假定相互作用以違反能量守恒定律的虛粒子為中介,假定質子和中子為同位旋空間的可以互相變換的不同狀態,假定基本電荷可以分割成分數電荷,假定沒有質量的光子由有質量的玻色子組成,假定物質能夠從真空中創生又能湮滅,假定真空中存在無處不在無時不有的希格斯場和比質子重100多倍的上帝粒子,假定所有的粒子都不能帶有質量,而必須通過上帝粒子獲得質量。等等等等。這里面的每一個假定都是驚天動地的,都違背物理定律和科學邏輯,而又都是標準模型的基礎和骨骼。相比之下,鮑迪定則中沒有一個這樣荒唐的假定。第二,鮑迪定則的預言中,除了對海王星和冥王星軌道半徑的預算超出30%到90%以外,其他預言都得到證實。這90%的誤差只是數值誤差,并不是邏輯背理,并不違背物理定律??墒橇W游锢順藴誓P偷囊恍╊A言并不僅僅是誤差問題。對質子和miu介子壽命的計算結果比實驗測量的數字相差好多數量級。數量級的誤差不能認為是理論精度問題,而是理論的對錯問題。至于所有粒子都不能帶有質量的結論,就是非常直截了當的謬論。要所有的粒子都必須通過上帝粒子獲得質量,則是不折不扣的神學星象學。衰變粒子的質量比衰變產物的質量小一萬倍,是基本的邏輯背理。電子的電荷和質量無窮大發散,能量質量不守恒,則是明目張膽的違背基本數學原則和物理定律。如此等等,都說明粒子物理標準模型根本就沒有資格躋身像鮑迪定則之類的唯象理論,而是以數學包裝起來的神學理論,玄學理論。

四)“經典”量子力學與量子場論的區別

為了幫粒子物理標準模型的尷尬局面解圍,李政道教授除了將它定性為“唯象理論”以正名,在物理學上找一個地方名正言順地安身立命,還將薛定諤經典量子力學的成績擺出來說明粒子物理理論具有重要意義。許多年輕朋友看到李政道先生的文章,多次談到“沒有量子力學就沒有現在信息革命的一切, 包括半導體,到互聯網。 ” 這里我們要說清楚兩個問題:

1)量子場論雖然是從量子力學發展而來,但和量子力學完全是兩碼事。正如弦論圈論膜論是從量子場論發展而來,但和量子場論完全是兩碼事,一個道理。量子場論和夸克理論如果有善可陳,只管陳述標準模型本身的成績和功勞,陳述它的“基礎科學”的功能,以及對科學的發展帶來的偉大進步。如果擺不出粒子物理標準模型對于科學發展的任何功勞,總是拿量子力學的功勞說事,實際上就承認了并證實了粒子物理乏善可陳,無善可陳。如果普通科學工作者不了解量子力學與量子場論和粒子物理的區別,那么請關注一下狄拉克這個人物。狄拉克是量子理論發展中的里程碑性的人物。可是他堅決反對量子場論中的重整化方法。他認為將無窮大發散不講道理地認定為零是數學上丑陋的,這樣的量子電動力學不可能是正確的。我在上面和其他許多文章中所舉的一些理由應該足夠說明量子力學和量子場論完全是兩碼事。同樣,弦論家們最好也不要用粒子物理標準模型的原旨教義(尤其是內部維度和對稱性)來為自己張目,因為標準模型的教父之一格拉肖就認為弦論是神學。

2)第二個要說清楚的問題就是,即使只談“經典”的量子力學,說“沒有量子力學就沒有現在信息革命的一切,包括半導體,到互聯網”也言過其實。因為量子力學并沒有這么大的法力。

李政道先生是想說,沒有量子力學,就沒有半導體的發現和半導體技術的發展,因而就不可能有電腦技術和互聯網技術。這是不符合歷史事實的。鍺和硅的半導體性質是實驗物理學家發現的結果,不是量子力學的理論預言。實驗物理學家得到了半導體的特性以后,自然就試圖用量子力學來計算半導體的能級結構。這一嘗試用在本征半導體上,還是相當成功的,可是用到雜質半導體,就不盡如人意了。從半導體技術到電腦技術和網絡信息技術的發展,關鍵在于大規模集成電路的發明,無線電通訊和電腦網絡技術。這些技術大致包括這樣一些關鍵環節:1)各種元件(電子管,半導體二極管和三極管等)的發明;2)將各種元件組成電子線路和各種邏輯部件(放大器,振蕩器,門電路,脈沖電路,寄存器,加法器,儲存器等);3)將各種邏輯部件組成電腦;4)用集成電路將電子器件和電腦小型化;5)通過有線和無線電通訊,包括微波技術和光纜技術建立跨國通訊網。所有這些環節,都是以經典電磁場理論為指導而發明設計的,沒有一個是缺少量子力學就不行的。量子力學只是在第一個環節中可以和半導體能級計算扯上一點關系,提供一點理論解釋而已。沒有這點解釋,并不妨礙半導體器件的開發。事實上,所有的半導體器件的開發都是實驗物理學家首先通過實驗做出來的。就連P-N結和二極管的發明,都是實驗物理學家的功勞而不是量子力學的功勞。量子力學只是跟在實驗后面做一些總結報告而已。用計算機建立通信網絡,更是和量子力學扯不上任何關系。

所以,我的觀點正好相反:沒有量子力學,照樣會有現在的電腦技術和網絡信息革命的一切

五)李政道先生與中國高能物理事業

李政道先生和楊振寧先生作為最早獲得諾貝爾物理獎的美籍華裔物理學家,對中國物理學界的影響和感召力是十分巨大的。李政道先生的第一個貢獻就是培養人才。1979年李政道先生受科學院之聘為研究生院的1000多研究生講授粒子物理和統計物理。我自己就是受益者之一。我的一篇文章“人能否死而復生—兼談熱寂說”就談到了當時聽李政道教授講課的情景。李先生不僅在大講堂里對幾百學生授課,還分小批宴請學生們(每批約十幾個人),和學生們談求學的經驗和人生哲學,對我們鼓舞非常之大。之后,李政道先生又創辦了中美聯合招考物理研究生項目(CUSPEA)。這一項目為中國培養了大量優秀科學技術人才。李先生曾說:“我深感CUSPEA有意義、有價值,從某些方面講,它比我做宇稱不守恒還有意義。”

1996,李政道夫人秦惠君不幸逝世。根據她的遺愿,李政道先生用私人積蓄設立了秦惠君李政道中國大學生見習進修基金(簡稱君政基金”),專門用來資助優秀大學本科生利用假期或課余時間見習科學研究。根據秦惠君女士的遺愿,接受資助的大學生中必須有一半是女生。君政基金的另一個特別意義是促進了海峽兩岸的文化交流和相互了解。

從李政道先生回國講學,主辦中美聯合招考物理研究生項目和設立“君政基金”可以看出他深深的愛國之心和獎勵后學的崇高情懷。

李政道先生對中國高能物理事業的另一個重要貢獻是幫助建造正負電子對撞機。這項工作并不是李政道先生首先動議的,而是中國自己動議的。文化革命結束后,百廢俱興。高能物理研究所和中央領導都希望在高能物理上面趕超世界先進水平,建造一個世界水平的高能加速器。當時國內已經有了一個計劃,要建造一臺質子同步加速器(即八七工程)。李政道教授并不贊成這個計劃。他認為從物理研究的角度看,這個加速器可做的有意義的工作不多,經濟上花費又太大。于是中央和科學院領導便請李政道先生幫助選擇一個更為合理的方案。李政道和袁家騮、吳健雄聯名給張文裕所長寫了一封信,提出建造正負電子對撞機的建議。但是,最終他們的建議并沒有被接受。19813月,朱洪元、謝家麟二位教授趕到了紐約,帶來了他們的方案??墒沁@個方案 與下馬的方案差不多。李政道很不滿意。

為了進一步論證,李政道又建議并幫助朱、謝二位去加州斯坦福實驗室,與那里的20幾位科學家討論。討論的主要問題是技術難度和物理目標。這時在美的15位中國訪問學者也正式書面提出了建造對撞機的方案。朱、謝二位只能把建造電子對撞機的方案帶回中國研究。5月,中國召開了專門論證會議,稱作香山會議,接受了正負電子對撞機的方案,正式的名稱是北京正負電子對撞機(BEPC。

后來事情又有些變化。19819月,中國科學院派鄧照明(中科院局長)和朱洪元、謝家麟二位教授去美國為中美高能物理聯合委員會第三次會議做準備。他們臨行時,中科院的領導指示他們仍然堅持質子加速器的方案。李政道知道后大為不解。在李政道的堅持下,三位代表又請示國內,最終確定了對撞機的方案。

對于這兩種方案之爭,有兩種意見。有的說李政道喜歡將自己的意見強加于人;有的則說他為了科學真理,敢于堅持己見,是一位真理的捍衛者。這兩種意見都失之偏頗。李政道敢于堅持己見,不能說是將自己的意見強加于人。李政道教授的意見雖然受到各方面尊重,但是法律上他并沒有決定權。決定權還是在高能所和科學院或者更高一層的領導機關。如果你們覺得李政道的意見不對,就應該堅持自己的立場。既然你們不能堅持自己的意見,就不要抱怨李政道的固執。只有做決定的人才應該對決定負責。另一方面,把李政道的意見作為“真理”,而科學院和朱洪元,謝家麟的方案當作“真理捍衛者”的對立面,當作“錯誤”的方案,也沒有道理。對方案的認定,直接取決于對粒子物理標準模型的評估。如果認為現今的主流標準模型就是“真理”,當然應該隨著國際主流轉圈子。但是,國際主流標準模型是“真理”嗎?如果國際主流標準模型只是一個理論模型,甚至是一個矛盾百出的模型,就沒有理由說朱洪元謝家麟的方案沒有道理。李政道方案和朱謝方案之爭,最多只是方案之爭,而不是真理與錯誤之爭。最后決定做對撞機,說明高能所科學院和上峰對美籍華裔諾貝爾獎得主的尊重。從這兩個方案之爭我們更加看清了對于20世紀理論物理標準模型是否成立及其未來發展前景進行客觀的科學的評估的重要性。因為這種科學的客觀評估直接關系到建立大型設備的基本設想和理論論證以及最后方案的確定,也關系到高能物理和整個科學戰略的制定。如果不能夠客觀地自信地正確評估國際主流理論物理標準模型的真偽對錯及其爾后的發展前景,不要說完全跳出國際理論物理的泥潭,就是稍微偏離一點主流路線的探索,都不是非常容易的事。

六)希望李政道先生不要支持建造超高能加速器

對于電子對撞機和質子加速器兩種方案之爭,我其實不太有興趣。我之所以態度超然,是因為我對整個粒子物理標準模型已經徹底失望,根據這一理論設想設計的任何實驗都沒有意義。既然已經造了對撞機,那就盡量用它做些事情吧。對撞機后來又增加了同步光源功能。同步光源和高能電子束都可以用來做一些固體物理和材料科學的實驗研究。

我更為關心的,是一個正在醞釀的更大的加速器。有消息來源稱,中國高能物理學界有人正在計劃用100多億建造一個超高能加速器。這將是一個特大的勞民傷財的誤國之舉。懇請李政道教授不要為這一項目推波助瀾。

即使站在粒子物理主流的立場上,建造一個與歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)規模相當的甚至更大的超大型加速器也是沒有道理的。如果你們承認LHC的工作,承認上帝粒子已經被LHC找到了,那你們還打算找到什么威力更大的粒子呢?難道你們想找到上帝粒子的媽媽王母粒子嗎?還是準備實現下一個目標—為大統一理論尋找實驗證據?可是這就需要建造一個比太陽系還要大的加速器。中華人民共和國有這樣的技術和財力嗎?整個人類有這樣的技術和財力嗎?何況,理論家們有像樣的大統一理論嗎?如果你連一個像樣的大統一理論都沒有,有什么必要大干快上趕熱鬧,把國家非常緊缺的科研資金投入這樣一個游戲里面去賭博呢?

如果你們不相信LHC所宣布的探測到上帝粒子的結果,打算由中國重新探測,那就更要深思了。LHC綜合西歐多國的財力,花了差不多三十年的時間,尚且探測不到上帝粒子,那中國有什么絕招能夠探測到如此神秘的粒子呢?在此之前,LHC和美國費米實驗室已經花了十幾年的時間,都沒有探測到上帝粒子。全世界折騰了大約三十年尋找“上帝粒子”,都沒有找到。那么,中國再投進去幾百個億,有希望找到上帝粒子嗎?

為什么找不到“上帝粒子”呢?因為它根本就不存在?!吧系哿W印蓖耆抢碚摷覀兙芙^承認粒子物理標準模型的失敗而杜撰出來的違背物理定律違背科學邏輯的神學假定。因為粒子物理標準模型遵守“楊-密爾斯”規范場理論,因而不能允許任何粒子帶有質量。這一結果比什么都荒謬。按道理,這應該是規范場理論不成立的鐵證??墒牵皹藴誓P汀钡闹圃煺邆儾蝗シ此甲约旱睦碚撳e誤,而是繼續在錯誤的道路上一意孤行,空想出一個莫名其妙的“自動對稱破缺機制”和“上帝粒子”,讓所有的粒子通過“上帝粒子”獲得質量。這種反科學,反邏輯的空想居然成為了粒子物理界近三十年的努力和追求。面對如此荒誕不經的神學假說和對上帝粒子幾十年徒勞無功的尋找,中國為什么還要盲目追隨,花重金趕時髦呢?

最早提出規范場方程的是泡利,但是他自己把它拋棄了。這一工作后來為楊振寧和密爾斯發展成楊密爾斯場理論。1954年泡利聽說楊振寧要在一次學術會議上講述他的理論,趕到會場提出了一些非常尖銳的問題。楊不能對。六十年后的今天,泡利的問題算是有了答案,那就是希格斯機制和上帝粒子。這算得上是答案嗎?算得上解決了規范協變性與粒子質量不相容的問題嗎?我感到不解的是,李政道教授為什么對“楊-密爾斯”規范場理論沒有明確的批判意見,反而要為標準模型粉飾宣傳。如果說,當年中國打算建造大型加速器或者對撞機時,對粒子物理走入死胡同的局面還沒有清醒的認識,那么三十年后,人們已然看到了幾十年來全世界熱熱鬧鬧找尋上帝粒子的全過程,還不應該猛醒嗎?

美國已經猛醒了。美國曾經打算建造一個超高能對撞機(SSC),設計能量為40TeV,相當于LHC能量(8TeV)的五倍。1987年籌劃SSC的時候,預算44億美元,可是到了1993年,預計要120億美元才能完工。經過激烈爭論以后,克林頓總統終于簽字下馬。此時已經耗費了20億美元。SSC下馬的結果,幾千個博士被重新拋回勞工市場。這個項目下馬以后的善后經費約每年兩百萬美元。SSC下馬標志著美國物理學界的覺醒。關閉SSC決不僅僅是經費問題。美國的經濟實力無疑是世界上最強的。如果一個科研項目能夠給國防和民用科學帶來實際效用,保證美國領先的科學地位,美國是不會吝惜花錢的。人們可以看看美國在國防和其他科學方面的投資,應該對此深信不疑。美國是一個重視考績的(missionoriented)國家。他不可能支持一個長期不對社會和科學產生任何效用的事業。美國大型對撞機SSC的下馬,正説明了這個國家的成熟和科研體制自我制衡機制的完備。美國學術界經常可以聽到對這種“大科學項目”(bigscience)的意義的質疑。反對意見的核心,就是基本粒子物理到底是不是起到了基礎理論的作用?現在,美國民間工業界對粒子物理研究的資助已經降到零。政府對這方面的基金也在銳減。

同樣值得國人深思的是俄國對建造大型加速器的冷淡。俄國的經濟實力當然比不上美國,但是如果大型加速器真能保證俄國的國防和科研的領先地位,俄國也是舍得花錢的。事實上,俄國的國防科研經費一直不成比例地偏高,所以俄國和美國才能成為科學和國防方面數一數二的超級大國。中國的核物理科研隊伍骨干,就是前蘇聯培養出來的??墒嵌韲F在對建造大型加速器毫無興趣。中國難道不應該從中悟出一點道理嗎?我們在制定國家科研戰略時,應該多多關注美俄兩個超級大國的國防和科研戰略,而不要總是盯著諾貝爾獎,將我們的科技戰略建立在錦標主義之上?;?00多個億建造超大型加速器,只會將大量可貴的科研資金浪費在毫無科學價值的玄學游戲上,完全是勞民傷財的誤國之舉。

美國之所以能夠及時剎車,停建超高能對撞機,是因為有制衡機制,對特大科研項目有事前論證,事后問責制度。因為國會的問責,總統的過問,才能使已經上馬了的SSC項目下馬。中國應該學習美國的這一經驗,對于特大型的科研項目,應該由人大常委會和國務院組成專門的小組,對大型科研項目的立項理由,目的,可行性,科學意義,社會功效,經費預算等諸多方面進行全面的深入的問責和論證。對于國內的和國外的意見,要同等重視。對于已經實施了的大型對撞機的工作,也要進行定期問責評估。不能將大量經費編入科學院或者高能所的預算以后,就放手隨便花,以媒體宣傳炒作代替政府問責制度。對特別有爭論的超大型項目,要更加謹慎。

我希望李政道教授,楊振寧教授和丁肇中教授吸取美國建造超高能對撞機的教訓,提醒中國避免重蹈覆轍,不要支持高能所籌建大型加速器的計劃。

七)對理論界前輩的期望

如果說,超大型加速器只是一個特定科研項目,那么更大的題目是整個理論物理的走向問題。這個問題不解決,即使現在不做大型加速器,理論物理還是會繼續沿著錯誤的道路上走下去,以后還是會有不同的實驗提案使科研經費浪費在毫無科學價值的玄學研究上。所以,我們一定要認真總結一個世紀以來理論物理的理論架構,哲學基礎,邏輯體系,實驗結果和社會效益。不能繼續稀里糊涂地盲目緊跟國際主流了。粒子物理的嚴重問題,除了李政道先生所指出的自由參數太多以外,至少還有兩個眾所周知的明顯問題:1)無窮大發散問題。這個問題從量子場論一開始的重整化到夸克禁閉,變著法子以不同形式頑強地表現自己。重整化是一個狄拉克堅決拒絕接受的操作。他認為這“在數學上是丑陋的”,為此終生不接受量子場論。玻爾評價狄拉克時說:“在所有物理學家中狄拉克具有最為純潔的靈魂。”2)規范協變性原理。這一原理不容許任何粒子帶有質量,完全違背鐵的物理事實。為了挽救這一危機,希格斯等人提出“自動對稱破缺”機制,假定所有粒子可以通過“上帝粒子”獲得質量。規范協變性原理早就被其提出者泡利所拋棄。后來楊振寧和密爾斯重新撿起以后,經過幾十年的發展,得出規范協變性和粒子質量不相容的結果。難道我們不能從泡利的遠見中明白一些道理嗎?

除了這兩個眾所周知的問題以外,我在《致中國物理學界建議書》中還提出了一些人們從未想到過的根本問題,我要提請以李政道和朱洪元教授為代表的中外理論界前輩特別考慮以下幾個問題:

1)共振態是不是粒子?如果共振態根本就不是粒子,20世紀的粒子物理研究就是一個天大的國際玩笑。這個問題難道不值得認真討論嗎?

2)能量和質量等價嗎?如果能量和質量僅僅相關但不等價,不能互相轉換,20世紀的粒子物理同樣是一個天大的國際玩笑。這個問題難道不值得認真討論嗎?

3)將核相互作用分為強項互作用和弱相互作用有道理嗎?量子場論的方法一碰到所謂“強子”的參與就無能為力。這是應該說明量子場論方法本身有問題呢,還是核力本身應該分為兩種相互作用?這個問題難道不值得認真討論嗎?

我希望李政道教授和朱洪元教授等中外理論界前輩能夠領導理論物理學界對理論物理學上的重大問題進行認真深入的討論,領導中國物理學界跳出國際理論物理學的困境。對這些重大問題,大家可以有不同的意見,也可以有不同深度的認識,但是要緊的是必須正視問題和危機。您們不必像我這樣對粒子物理標準模型持完全否定的態度,有一個問題就承認一個問題。一個問題一個問題地認識。不能明明知道問題嚴重,還是保持沉默。因為我們的沉默和不作為,就意味著對錯誤實際上的承認和放縱。我知道您們都是老成持重的長者,對同事同行的理論和主張往往容忍原諒??墒乾F在理論物理確實已經到了不回頭就沒有出路的時候了;中國也到了如不及時停止盲目緊跟國際理論物理界的主流就會錯失歷史良機的時候了。我們已經沒有繼續充當好好先生謙謙君子的奢侈了。在物理科學的大是大非面前,我們應該學習狄拉克和湯川秀澍等前輩的批判精神,堅持真理,不為主流所動。

說到李政道和朱洪元教授,我又想起了另外一位當年研究生院的老師,高能所的冼鼎昌院士。他在研究生院給我們講授中級量子力學。我八月回國講學時,聽說冼鼎昌老師今年跳樓自盡了,心中無限悲痛。冼老師當年講課時的博學和瀟灑,歷歷如在目前??墒俏以僖惨姴坏剿?。前不久在網上看到他介紹層子模型的一篇文章。這是最值得一讀的關于層子模型的文章之一。它比較詳細地從學術角度介紹了層子模型的基本思想和主要內容。對層子模型的成績和問題,有比較客觀持平的專業討論和評價。另一篇值得一讀的關于層子模型的網文是中山大學物理系關洪教授的文章。關教授的文章并沒有詳細介紹層子模型的物理內容,只是把它當作一個失敗的模型和反面教材來談歷史經驗。其中心思想是,中國理論物理學界之所以會走上層子模型這條錯誤道路,是因為理論家們在文化革命中堅持政治掛帥。關教授的文章主要是談文革中的政治斗爭和人事糾葛以及個人恩怨。這些東西我以前聽研究生院的一位至交好友王世亮同學談過。王世亮同學是胡寧先生的研究生,而且是文化革命以前就是研究生了,所以我一直把它當作老師。王世亮為人耿直,非常有正義感。我們很快就成為莫逆之交。他也談起過理論界的一些人事糾葛。許多內容和關洪教授文章中所說的可以互相印證。所以我對關教授文中所述的一些內容,當作一個珍貴的原始信息來尊重。但是對于關教授的一些觀點,我想提幾點意見供參考。1)層子模型是在胡寧,朱洪元,戴元本,何作庥教授領導下,有大批優秀的年輕理論工作者參與的一個工作。這么大的工作,不可能是一個“物質無限可分”的哲學思想的簡單產物。事實上,夸克模型也是將核子繼續分割,只是分割方法不一樣而已。層子模型是中國理論學界醞釀多年的產物。在當時的政治環境中,什么東西都要和正確的路線掛鉤,科學家們也不能例外。講幾句政治套話,以求得支持,也是順理成章的事。不可過度解讀,把中國理論物理學界集體智慧的結晶簡單地貼上一個政治標簽一棍子打死。2)不要把整個層子模型工作歸結為個人恩怨。3)在把層子模型和夸克模型作比較時,應該從學術上論證為什么層子模型是錯誤的,而夸克模型是正確的。能不能拋開政治和人事關系不談,從物理科學的基本邏輯上證明夸克模型比層子模型優越?優越在哪里?有沒有問題?問題在哪里?哪一個模型的問題更大?哪一個模型的假定更背理?哪一個模型的結論更荒唐?只有從學術上比較了兩個模型的優劣,才會令人信服。僅僅因為夸克模型得到了國際主流的認可,榮獲了幾十個諾貝爾獎,是不足以證明夸克模型是真理的。狄拉克和湯川也得了諾貝爾獎,可是他們卻對20世紀粒子物理主流理論持深刻的批判態度。所以,我們在把夸克模型和層子模型作比較評論時,應該跳出政治斗爭和個人恩怨,只比較其假設與結論的科學性和合理性,或者說非科學性和荒唐性質。我不接受測不準原理,是因為這是一條不符合事實的宗教信條,不是因為海森伯是曾經領導希特勒核計劃的納粹分子。我不接受相對論,是因為它悖論百出,盡管我對愛因斯坦相當尊重。當然,在比較和評估夸克模型和層子模型時,我們也應該跳出狹隘民族主義框框,認真思考一下層子模型本身的問題。我們應該問一問,粒子物理理論的問題,是出在夸克模型與層子模型分道揚鑣的三岔路口呢,還是出在更早的地方?像相對論與量子力學的結合,二次量子化,重整化,協變形原理,質能等價原理,將共振態當作粒子等等這些基本架構,都靠得住嗎?如果靠不住,理論物理學的危機是一般的技術性困難嗎?

在我認識的老師中,冼鼎昌老師,郭漢英老師和朱重遠老師是理論界比較年輕一些的梯隊。關洪教授和王世亮同學應該也屬于這個梯隊?,F在,郭漢英老師,冼鼎昌老師和王世亮同學都已經先后逝世。我們在悲痛之余,也日益感到時光緊迫,責任重大。我希望理論界的老師和同學們,能夠認清當前理論物理學界的嚴重問題,認清我們這一代人肩負的歷史責任和民族責任,拋開歷史恩怨,拋開個人感情,認真地坦率地檢討20世紀理論物理的整體架構和思想體系以及未來前途。為物理學探出一條科學復興之路,為中華民族探出一條科學復興之路。

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