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盛宴已经结束:杨振宁的高能物理观及对中国的影响

知识分子  · ZhiHu-Article  · 科学  · 2022-09-22 12:00

9.22知识分子The Intellectual


百年风华杨振宁 | 绘图:王若男


撰文 | 黄庆桥(上海交通大学科学史与科学文化研究院教授)

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20世纪以来,伴随着人类对物质内部结构探索的突破性发展,特别是二战中原子弹技术的成功应用,让作为基础科学之基础的高能物理的发展受到了高度关注。

不过,从20世纪60年代起,昂贵的、属于纯基础研究的高能物理开始受到质疑,特别引人关注的是,不少本身就是从事高能物理研究的著名物理学家也对高能物理的发展表示忧虑。比如,理论物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生就对高能物理的发展有着独特的观点。杨振宁热心祖国科学事业的发展,他关于高能物理的独特观点也不可避免地在中国广泛传播并产生巨大深远影响。

图1 杨振宁先生 | 图源:casad.cas.cn


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在沙堆顶上撒沙子:高能物理的重要性20世纪后半叶以来,杨振宁发表了不少关于高能物理发展的悲观观点,令人印象深刻。这也造成一种假象,似乎他无视整个物理学在20世纪的巨大成就与深远影响。其实这是一种误解。

作为对20世纪物理学有着卓越贡献的著名物理学家,杨振宁对包括高能物理在内的整个物理学的发展成就有自己的深刻洞见。1961年4月,美国麻省理工学院(MIT)百年校庆期间,举行了一场名为 “物理学的未来” 的学术座谈会。杨振宁在这个座谈会上发表了演讲,从其演讲的整体内容来看,他对物理学的发展前景忧虑且悲观,但在其演讲的前半部分,他显然对20世纪前半叶物理学的发展不吝赞美之词。

杨振宁认为,从各种标准来看,20世纪物理学的成就都是惊人的。

在20世纪初,物质的原子的面貌作为一门新的研究科目刚刚出现,而今天,在其研究范围的精细程度上我们进展了百万倍:从原子大小进展到亚核大小。在能量方面的进展给人印象更深:从几个电子伏特到几十亿电子伏特。实验技术的能力和精巧程度随着物理学家探索的深入也在阔步前进。物理学的进展给其他学科——化学、天文学乃至生物学带来的重大影响实在难以形容。物理学的发展对于技术的影响、对于人类事务的影响在战后是如此突出,以至于没有必要再在这做进一步的强调。

不过,在杨振宁看来,20世纪物理学的荣耀并非建立在上述这些影响之上,物理学家最看重的也不是这些影响,甚至物理实验不断深入,范围不断扩大,也不是物理学家感到满意和引以为豪的主要方面。他说:“物理学家最注重的是去形成这样一些概念的可能性,从这些概念出发,用爱因斯坦的话说,一个 ‘完整的可用的理论物理学系统’ 能够被构造起来。这样的一个系统体现了普适的基本规律,‘用这个系统,宇宙能用纯粹推导的方式建造起来’。”

显然,作为理论物理学家,杨振宁特别重视物理观念、物理概念的突破和具有普遍适用性的理论体系的构建。杨振宁认为,在物理学领域,不仅有大量拓宽我们了解物理世界的重要发现,而且还有被证实了的物理观念上的革命性的变化:狭义相对论、广义相对论和量子理论。“这三个概念上的革命,形成了一个深刻的、完整的、统一的理论物理体系,获得了刚过去的这段时期所留下的卓越的遗产。”

杨振宁对物理观念、物理思想、物理概念的突破的强调是一以贯之的。2002年,杨振宁在巴黎国际理论物理学会议TH-2002上作报告,再次谈到20世纪物理学在基本概念上的突破性发展及其意义:“人们很难不对20世纪物理学的巨大发展在人类历史上所起的决定性作用产生深刻的印象。但尽管这些发展在人类历史上具有决定性的意义,实际上它们却并不代表20世纪物理学发展的辉煌之处。20世纪物理学真正的辉煌之处,在于对一些源自人类文明之初的重要基本概念——空间、时间、运动、能量,以及力的深入理解。对所有这些基本概念,我们的理解都发生了深刻的变化,而这种变化带给我们的,是对自然的一种更加优美、更加微妙、更加精准,同时也更加统一的描述。”

改革开放以来,杨振宁极力建议中国政府发展应用科学,并建议中国学子不要盲目选择他所从事的理论物理特别是高能物理领域的研究,并极力反对中国建造高能加速器。这似乎给人的印象是,杨振宁轻视甚至是否定理论物理特别是高能物理的价值。事实并非如此。

其实,早在1972年6月他第二次回到中国时,就在一次座谈会上深刻谈到了高能物理的重要学术价值。1972年6月,杨振宁第二次回国,并与中国科学界进行了广泛交流,先后有10场学术报告或座谈。其中,6月28日的座谈会是围绕高能物理进行的,在座谈会的一开始,他就谈了高能物理在美国和欧洲两个方面的影响:一是在技术方面,有一定的影响,但不能说很大。例如,1952年发展的强聚焦办法在工业上有应用,各种探测器在工业上也都应用范德格拉夫加速器——现在当然算是低能了,在工业、医学上都有应用等等。

“这只是高能物理对社会影响的一部分,是容易被人看得到的。还有不是一下子就被人看清楚的另一方面,这就是对整个物理学的推动,高能物理是物理学的尖端,它的发展,打个比方说,就像在沙堆顶上撒沙子,从基底到顶端都有所提高,影响是很大的。” “从长远看,没有问题,高能物理是必须发展的。” 由此可见,杨振宁对发展高能物理的重要性和意义有着明确而深刻的见解,作为 “圈内人”,他对自己所从事的行当给予了充分的肯定和高度的评价,这是毋庸置疑的。

即便是后来他强烈反对的巨型高能加速器,杨振宁也给予了高度评价。1980年5月22日,美国布鲁克海文国家实验室举行庆祝AGS(交变梯度回旋加速器)20周年学术研讨会。在研讨会宴会后的发言中,杨振宁从一名理论物理学家的角度深刻阐述了巨型加速器对整个物理学发展的促进作用:“实际上,可以毫不夸张地说,最近20年,我们研究领域的历史很大程度上是AGS的历史,正如今天下午的座谈会所生动表明的。一个理论物理学家不太与加速器那么休戚相关…… 尽管如此,一个理论物理学家同样生活在该领域总的发展趋势所提供的环境中,而这个环境当然要受到这些大机器所带来结果的重大影响。”

在展望大型加速器的未来发展前景时,杨振宁说:“在庆祝这台大加速器20周年的时候,自然会提出关于高能物理在今后20年发展趋势的问题。我个人相信,今后无疑会有更大的谜被揭示,会有更多的伟大发现产生。物理学正在不断创造新的奇观。”由此可见,杨振宁并不是一概否定大型加速器,他对大型加速器的作用有着十分深刻的认识。

图2美国交变梯度回旋加速器|图源:archive.org


2

盛宴已经结束:

对高能物理的悲观观点

杨振宁不仅深刻阐释了高能物理的重要意义,作为 “圈内人”,他也能够跳出 “圈子” 利益的羁绊,发表对高能物理发展前景的悲观观点和预测。需要强调的是,杨振宁对高能物理的悲观观点,并不是要反对高能物理的发展,而是对高能物理发展前景和发展道路的一种警示。

就在1961年4月MIT举行的那场 “物理学的未来” 座谈会上,杨振宁在肯定高能物理的伟大成就之后,明确表达了他对高能物理发展的悲观预测。他说:“通过推测去预言物理概念方面会发生什么样的革命性变化也是困难的。但由于存在无限制地相信一个 ‘将来的基本理论’ 的倾向,我想发表一些悲观的意见。在这100周年的庆祝会上,整个气氛充满着对过去获得的成就的自豪和对未来前景的广阔展望,在这充满着激情的气氛中插入一些不和谐的旋律,也许并非完全不合适。”

杨振宁为什么要 “发表一些悲观的意见” 呢?在他看来,“我们所设想的比较深入和比较完整的理论体系的结构,必包含至少再一个层次的贯穿。在这方面,物理学家面对这样一个不利条件,即理论物理的最终判断是在现实中。与数学家和艺术家不同,物理学家不能全凭自由的想象去创造新的概念、构造新的理论。”

然而,“由于实验的复杂性和间接性,出现了这样的情况,人们没有认识到自己所做实验的选择性质。选择是建立在概念上的,而这些概念也许是不合适的”。更深层次的原因则在于人的智力的有限性和自然的无限性之间的矛盾,“相信自然现象的深度是有限的想法是不合逻辑的,相信人类智力的威力是无限的信念也是不正确的。一个重要而必须考虑的事实是,每个人的创造力的生理局限性和社会局限性可能比自然的局限性更为严重”。

2015年,杨振宁撰写了一篇回忆上述1961年会议情况的文章。他在文章中提出问题:在1961年会议以后的50多年间,我们学到了些什么?他随即做了回答:“很多。” “通过理论与实验物理学家的深度合作,下面的理论逐一被提出,然后逐一被实验验证:一个特殊的对称破缺模型;弱电理论;非阿贝尔规范场的可重整化;渐近自由与QCD。而最后戏剧性的发展是2012年Higgs粒子的发现。所以我们今天有一个可用的标准模型,一个SU(3)´SU(2) ´U(1)gauge theory。50多年来我们成功地发展了深一层的观念,一层建构在所有以前的各层观念和许多极大的新实验上的新观念。”

显然,杨振宁是充分肯定了1961年他的悲观预测之后,半个世纪以来物理学取得的长足发展。但他话锋一转,设问道:“还有没有更深层的物理观念需要发掘呢?我认为有,还有很多层。我们什么时候可以达到下一层?我认为要在很久的未来,甚至永远达不到。” “你为什么这样悲观?” “我不是悲观,我只是务实。” 由此可见,杨振宁是执着于自己对高能物理的悲观观点的。

1980年,物理学家Marshak在美国组织了一个国际会议,讨论高能物理的未来发展。据杨振宁回忆,他本来并不在发言者之列,但会议期间主持人发现他在听众席中,进而极力邀请他临时发言讲几句。杨振宁答应发言并只讲了一句话,却语惊四座。他说:“在以后10年间,高能物理最重要的发现就是:The party is over.”(盛宴已经结束。)这就是后来非常有名的高能物理 “盛宴已经结束” 的来源。

2000年,杨振宁任职于香港中文大学,著名美籍华裔物理学家黄克孙在香港中文大学做访问学者。二人有过一次谈话,那时杨振宁仍然坚持自己的观点,对黄克孙说:“粒子物理学在过去的世纪里有了长足的发展,尤其是在最近这50年,可是它独占物理学龙头地位的情况现在即将截止了。” 2017年,杨振宁将他与黄克孙的谈话收录在《晨曦集》里,并写下了附记:

我今天仍然认为1980年我那句 “The party is over” 是正确的:

1. 1980年以后,直到今天,所有高能物理的发现与发展,其理论基础都源于1980年以前(比如2012年Higgs粒子的发现,当然是高能物理学界的大事,可它是1980年以前就预言了的)。

2. 为什么1980年以后理论物理没有重要发展呢?

历史上重要的理论发展几乎全都起源于实验:力学、热力学、电磁学、量子力学都是如此。1980年以前的30年间理论高能物理也不例外:那30年间 “奇异粒子” 的发现,自 “table top” 实验开始,催生了高能物理,催生了实验与理论互动的时代,催生了振奋人心的 “盛宴”。

可是到1980年左右,这个盛宴已经无法继续:实验设置已经变得极大(到21世纪实验团队更大到数千人),高能物理实验变成了大计划、大预算,失去了 table top 实验探索自然奥秘的精神与感受,高能理论物理也因而失去了实验结果所带来的启发。盛宴已经结束!

由此可见,杨振宁之所以坚持认为 “盛宴已经结束”,关键在于 “这个盛宴已经无法继续”。这就牵涉到杨振宁对高能加速器的态度和观点的问题。应当说,与对高能物理的悲观预测相对应,杨振宁对建设大型高能加速器同样持保留甚至是反对的态度,人们所熟知的,就是他数十年来持续公开激烈反对中国建造大型高能加速器。

杨振宁之所以对大型高能加速器持保留态度,与他作为理论物理学家的物理思想密切相关。在他看来,“今天高能物理面临的问题是观念突破的问题而不是准确的问题。” “关键的概念要从理论上来。我的意思不是说高能加速器上做不出重要的实验,我要说的是,有关键意义的发展,要从物理概念上来。”

2016年,关于中国要不要建造大型高能加速器的争论一度引起社会广泛关注,杨振宁因《中国今天不宜建造超大对撞机》一文而被置于舆论的漩涡。针对丘成桐先生 “所以说杨先生反对高能物理需要有更进一步的发展,令人费解” 的曲解,杨振宁明确指出:“丘教授的理解有误!我绝不反对高能物理继续发展。我反对的是中国今天开始建造超大对撞机。” 关于杨振宁为什么反对中国建造高能加速器这一主题,笔者已有较为详细的讨论(黄庆桥:《杨振宁坚持反对中国建造高能加速器的历史原因》发表于2018年7月1日的《知识分子》上)。

那么,在对高能物理的发展前景做出悲观论调之后,杨振宁有没有对物理学的未来发展发现给出自己的判断呢?换句话说,21世纪物理学的主旋律是什么呢?对此,杨振宁在2017年为一篇旧文《20世纪理论物理学的三个主旋律:量子化、对称性、相位因子》所写的附记里,给出了他的预测和判断:

“在充分明白其中可能涉及的风险后,请允许我做如下的一些猜测:由于人类面临大量的问题,21世纪物理学很可能被各种应用问题主导。这些当然非常非常重要,但是与20世纪的主旋律相比较,它将缺乏诗意和哲学的品质。如有一个领域发生重大的基础性革命,我相信那将是天文物理学领域。诸如暗物质、暗能量的迷惑将会被美丽的新概念所替代,非常类似于一个世纪以前菲茨杰拉德的收缩假说(Fitzgerald contraction hypotheses)被爱因斯坦的狭义相对论代替。”

杨振宁关于21世纪物理学发展主旋律的预测还有待科学实践发展的检验,笔者不妄作评论。而杨振宁对高能物理的悲观预测的深层次原因,倒是值得进一步深入探讨。笔者认为,杨振宁对高能物理的悲观观点根源于他作为一个理论物理学家的物理观念。

20世纪以来,伴随着实验手段和技术的不断发展,特别是高能加速器技术的快速发展,物理学家对物质内部结构和规律的认识越来越精确、越来越深刻。而在杨振宁看来,20世纪高能物理虽然越来越深入、越来越精确,但面向未来,物理学尤其是高能物理的突破,需要的是向物理思想、物理观念、物理概念的革命性突破。

因此,他特别强调:“今天高能物理面临的问题是观念突破的问题而不是准确的问题。” 物理学的进一步发展更加需要的是像爱因斯坦的相对论那样的工作,而不仅仅是在现有理论体系下的修补、验证和精确测定的工作。

著名物理学家戴维从 “保守的革命者” 的角度评价杨振宁的物理思想,常被研究者征引:“和重建城市以及国际政治一样,在科学中摧毁一个老的结构比建立一个持久的新结构容易。革命领袖可以分为两类:像罗伯斯庇尔和列宁,他们摧毁的比创建的多;像富兰克林和华盛顿,他们建立的比摧毁的多。无疑,杨是属于后一类的革命者,他是一位保守的革命者。和富兰克林以及华盛顿一样,他爱护过去,尽可能少摧毁它。”

1960年代起发生在美国的关于高能物理的一场争论,也是学者们谈到的另一个重要原因。20世纪以来,高能物理作为核物理的延伸,有原子弹与核能的成功应用作背景,被认为是一切基础科学的基础,因此得到美国政府的无条件支持。但是,到了1960年代,这种基于还原论的观点受到了严重挑战。1963年,橡树岭国家实验室主任阿尔文·温伯格(Alvin Weinberg)发表文章指出:“基础科学必须对邻近学科有用或有相关性才值得支持;但高能物理对邻近学科(核物理)的贡献极为有限,远远不如分子生物学对其邻近学科(如医学)的贡献,而其对技术和福利的贡献则几乎为零。”

到1970年代初,学者们对还原论的批判更加彻底:“每一领域内的基础研究,是理解该领域现象的必要条件,必须支持。但不同领域间的还原,由于尺度不同和复杂性的牵扯,不可能导致复杂领域从简单领域出发的重构。因此,粒子物理尽管在还原论的意义上是最基础的领域,它对其他领域的研究,却不可能提供什么帮助,因而不应该享有任何特权。” 杨振宁是这场持续争论的见证者,显然,他是明显倾向于反方观点,反对给予高能物理以特殊优待地位,进而对高能物理的发展持悲观态度。


3

以应用为主:

对中国科技发展的建议

杨振宁关于高能物理的悲观观点和预测的一个直接结果,就是其观点在中国的传播与影响,以及基于其理念基础上的对中国科技发展战略的建议。

1980年3月,杨振宁在上海市科学技术协会演讲。针对1979年全国高考招生考化学的学生比较少这一情况,他说:“这是我不能理解的。我是念粒子理论物理的。粒子理论物理是一个很重要的学科。我相信在30年、50年或100年以后,肯定会与人类的日常生活发生关系,基本粒子的研究是会影响世界生产力的。但是,这是从长远观点讲的。长期投资和短期投资的分布,各国需要不一样,不能一概而论。在中国,假如把我干的那一行强调得太高,将会产生不良的影响,也许会使许多应该念化学的都想来学基本粒子,这类问题就不是一般的问题了。” 可见,杨振宁特别强调不同的国家、不同国家的不同发展阶段,发展基础研究的战略应该是不一样的。

1981年底,杨振宁致信国家领导人,就中国科技发展问题提出自己的看法,这封信后来发表在1982年3月5日的《光明日报》上。杨振宁指出,中国的科学研究 “倾向于走两个极端:或者太注意原理的研究,或者太注意产品的研究(制造与改良)。介于这两种研究之间的发展性研究似乎没有被注重。” “原理的研究是一种长期的投资,也许三五十年或一百年以后成果方能增强社会生产力(高能物理的研究是原理的研究的一个典型例子)。” “发展性研究是一种中期的投资,希望五年、十年或二十年内成果能增强社会生产力。这种投资我觉得是当前中国科技研究系统中十分脆弱的一个环节。” “原理的研究成果往往名气大,叫得响,而发展性的研究各工厂视为财富,不肯公开,所以在中国容易产生一个而错误的印象,以为美国原理研究经费比发展性的研究多得多。事实与此正相反。”

杨振宁还指出,美国的发展性研究经费大约是原理性研究经费的10倍。“原理的研究的社会支持在美国只是这30年才开始的。这个历史发展的顺序,先实际后原理,先短、中期后长期,这是由经济规律所决定的,绝对不是偶然的。” 总之,杨振宁建议,中国应大力开展发展性研究,并提出了具体的建议措施。应当说,这封信从学理层面、中国实际以及汲取国际经验的角度,为中国科技发展提出了极具指导意义的建设性意见。

1984年5月,杨振宁在美国对中国学者说:“各个不同的社会所需要的科技发展是不一样的,能够发展的科技方向也是不一样的。从1971年我第一次访问新中国起,就不断地提出过,在这里(注:指美国)学习物理的中国学生需要花更多的力量注意中国所需要的物理方向。我所搞的高能物理,不是中国所急需要的方向,这是费钱而不赚钱的方向。什么样的方向较合乎中国国情呢?譬如说发展固体物理就较合乎中国国情。”

1984年年底,杨振宁访问北京大学,在回答学生关于中国与外国在理论物理方面差距的问题时,杨振宁说:“这个问题我不知道怎么回答。我想说,理论物理所面临的问题,不是中国目前所要解决的问题。理论物理在中国似乎很热,这是一种迷信。” 1985年7月,杨振宁在上海的一次谈话中指出,“中国发展需要两种人才:一种是从事基础理论研究的,他们为科学技术的发展提供理论依据,人数不必很多;一种是善于动手干的,他们能用世纪知识解决生产问题、经济问题和社会问题,人数是大量的。”

1986年5月底到6月初,杨振宁访问中国科学技术大学研究生院并做演讲,在回答师生提问时杨振宁说:“我猜想今后30年高能物理将处于困难时期。这不表示没有重要工作,也不表示没有人去做了,不过不再是一种蓬勃的局面了。” “粒子物理实验所需经费愈来愈大,今后30年它不可避免地要走下坡路。在实验愈来愈少的情况下,做理论的人却很多,其中有很多聪明人,这样,愈来愈数学化的倾向是不可避免的。”

针对中国的现实情况和急需,他非常激烈地建议:“很多年来,我对一些念物理的人说,除非你觉得绝对非念高能物理不可,还是不要念高能物理。高能物理与中国的 ‘翻两番’ 毫无关系,甚至会起反作用,因为高能物理太费钱了。这不表示高能物理没有重要性,高能物理当然有重要性,但是中国的问题是 ‘翻两番’ 的问题而不是高能物理的问题。”

正如杨振宁自己所言,几十年来他的观点一直没有变,以至于2017年6月他在接受采访时仍然认为:“今天的物理学跟我年轻的时候、我中年时候的物理学最大的分别,就是今天可以看得出来以后三五十年大有发展的恐怕都是一些应用的、对于极为基础的物理学研究,现在看三五十年之内不大容易有发展。而这个分别,多半的物理学家,尤其是现在念物理系研究生的同学都不了解,所以我经常呼吁大家要对这点多做些注意。”


本文改写于作者在《科学文化评论》2022年第1期发表的《盛宴已经结束:杨振宁对高能物理的独特观点及其在中国的影响》一文。


制版编辑 | 姜丝鸭

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