【果殼網專訪】王貽芳：突破「智子」封鎖的人 | 科學人
現實中的人類還沒有遭遇小說《三體》中的悲劇，加速器還在運行，基礎科學還在前進。從牛頓的經典力學，愛因斯坦的相對論，量子物理，到今天的粒子物理，對物質構成的研究不斷深入。隨著希格斯粒子的發現，人類補上了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖——但接下來呢？
「我們用標準模型來描述這個世界，已經走到了盡頭。」王貽芳說。
這位世界頂尖的粒子物理學家曾帶領團隊發現了中微子最後一種振蕩模式，讓中國成為物理學界世界所矚目的焦點；而現在他所思考的問題是，標準模型後，新的物理學規律是什麼？
如果按照科幻故事的講法，那一切開始於1984年。那年，剛從南京大學核物理專業畢業的王貽芳接到通知，諾貝爾獎得主丁肇中準備挑選一批中國學生前往歐洲參與他領導的L3實驗。一切都太過突然，沒有任何準備的機會。
然而王貽芳英文筆試順利過關，然後又通過了丁肇中本人在上海的面試。「其中一道題是為什麼杯子沒有波粒二象性」，他回憶道。
L3實驗位於瑞士日內瓦的歐洲核子中心（CERN），那裡有世界上最大的粒子加速器。在L3實驗組，王貽芳展露了他的物理天賦，他一年時間內發表3篇論文，且出任了「新粒子尋找組」組長，在所有L3實驗物理分析小組組長中，唯有他是一名學生。在CERN學習和工作11年之後，他請辭丁肇中，離開歐洲核子中心，前往斯坦福大學從事中微子方面的研究，直到2001年，回到國內。
在高能物理研究領域，美國和歐洲持續領先了幾十年，並由此帶來大量的技術進步和發明，從互聯網到觸屏技術，從X光機到Linux電腦系統。而中國，正在悄悄的積聚能量。2006年，王貽芳帶領的大亞灣反應堆中微子實驗正式立項，5年後大亞灣實驗取得突破性的成果——發現第三種中微子振蕩模式，這項成就被《科學》雜誌評為2012年度十大科學突破。王貽芳也因此獲得2014年「潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎」和2016年「基礎物理學突破獎」。然而，他的雄心遠不如此，江門中微子實驗、大型環形正負電子對撞機（CEPC），乃至更加宏偉的超級質子對撞機（SppC），正逐步把吸引世界科研的眼光吸引到中國來。
果殼網科學人對話中國高能物理研究所所長王貽芳，看在他的藍圖中，物理學如何改變世界？中國將如何成為世界的科學中心？
做丁肇中的學生是怎樣的體驗？
科學人：你是怎麼成為丁肇中先生的學生的？當年做了哪些準備去報他的研究生？
王貽芳：我當時剛大學畢業，接到通知說，可以去報考他的研究生。也不知道要考些什麼，所以也無法準備。去了之後，先是英文筆試，後來面試。面試是丁肇中先生和另外一些教授提些問題。之前也不知道他會問什麼問題，也就沒有什麼準備。
科學人：他問了什麼問題？
王貽芳：他問了一些量子力學、波粒二象性的問題。其中一道是為什麼杯子沒有波粒二象性？
科學人：那答案是什麼呢？
王貽芳：其實很簡單，杯子也有波粒二象性，但是它的波長非常短，所以它的粒子屬性就體現得非常大，波長體現不出來。
科學人：那他對這個回答滿意嗎？
王貽芳：這是正確答案。
科學人：你做丁先生的學生，學到的最重要的東西是什麼？
王貽芳：我在去他那之前，可以說對科學研究完全沒有概念。因為我當時只是大學本科畢業，沒有做過任何真正的科學研究。所以，他那裡是我科學研究工作的起點。我從他那裡學到很多做科學研究的基本方式方法和理念。比如說，如何選擇課題？什麼是值得做的課題？哪些是科學上最重要的問題？他會問你很多很多的「為什麼」，逼著你去想一些很深入的問題，讓你養成很好科學研究的習慣。所以基本上，在他那裡，從事科學研究的基本的手段、能力，我都得到了很好的訓練。此外，我也學到了怎麼樣和別人溝通，怎麼樣和別人打交道，怎麼在各方有不同意見的情況下，通過討論達到共識。這些都對我之後的工作有很大影響。
前方高能——物理
科學人：此前我和一位研究黑洞的物理學家聊，他有時會介紹自己是個天文學家，我理解天文學家是研究黑洞、宇宙，這樣很大的東西，但是你研究中微子卻是小得不能再小。你們研究的東西是如此的不一樣，但為什麼都會是高能物理領域的事？
王貽芳：所謂高能物理，就是能量比較高。能量比較高的時候，溫度也會高。溫度高的時候，高能物理和天體物理就會有一個結合點，就是宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的時候溫度很高，粒子的能量也高。所以我們所關心的物理過程，在宇宙演化的初始時刻是一樣的。
科學人：那有所謂的低能物理嗎？
王貽芳：當然，有高能就有低能。低能粒子物理，就是能量比較低的時候，但低能要看和誰來比。200年前，所謂的高能物理可能指的是分子物理；如果是100多年前，那可能指的是原子物理；50多年前，指的可能是原子核物理。現在，就是我們所做的粒子物理。再過100年，我們現在所謂的高能就可能變成了低能，到時候大家研究的就是更高能的東西。所以，高能物理實質指的是高能量的前沿，是我們人類能夠人工產生的研究對象的最高能量。
「中微子」有多微
科學人：中微子研究是在做什麼呢？
王貽芳：中微子是構成我們物質世界12種基本粒子裡面的3種，是粒子物理，或者說物質世界的最基本的研究對象，但是它和物質的相互作用非常微弱，不太容易探測到，所以對它的了解就很少。
電子也是12種基本粒子之一，但100多年前就研究過了，現在就沒有什麼人研究，也不太值得研究了。而中微子未知的東西太多了，所以研究的人很多。科學研究就是探究未知的東西嘛。但是選擇（反應堆）中微子作為課題也挺特殊的，總體來說，中微子實驗，特別是反應堆中微子實驗比較便宜。做加速器中微子實驗的話，需要很多錢來建造加速器，從成本和所需要的積累來說的話，反應堆中微子實驗相對要求不高。所以做反應堆中微子這樣一個實驗，比較容易用少量的投入得到重要的結果。
科學人：你在實驗的時候是什麼樣的狀態？我們看到大亞灣中微子實驗的一些照片，感覺是在山洞裡面做實驗。(拓展閱讀:大亞灣中微子實驗獲2016物理突破獎！他們做出過哪些貢獻？）
王貽芳：我們的實驗設備是建在山洞裡的，要運轉設備的話是有一些人要去山洞裡。但是對於粒子物理研究來說，最核心的部分，第一是設計實驗方案，第二是按照設想和方案建造探測器。一旦設備做完了，設備的運行就依靠計算機的控制。所以，人在地下實驗室里，只是為了保證設備正常運轉。在山洞裡面，其實啥也幹不了，因為數據都在計算機裡面，做數據分析的人遠在北京。
科學人：設備這麼大這麼複雜，你遇到過什麼比較離奇的故障嗎？
王貽芳：當然會有各種不同的故障，但是這個都是在早期的研製或者調試過程中出現的。一旦研製完成後，所有的設備都由計算機控制，如果真的出現問題，那實驗就徹底失敗了，回去修一修是不可能的，所以也不能有根本性的設計失誤或是製造失誤。
科學人：聽起來感覺壓力好大。
王貽芳：多少和上天的衛星一樣，東西發上天了，一旦出了事故，你是一點辦法都沒有的。我們當然沒有它要求的那麼高，我們在安裝過程中仍然是可以修的，所以有調試、試運行的階段來看設備是不是正常。一旦正常了以後，全部灌上液體，蓋子一蓋，那就沒有辦法了。
科學人：你理想當中的實驗室或是實驗條件應該是什麼樣的？
王貽芳：粒子物理實驗不存在實驗室的概念，我們主要是自己建造設備。就是按照我們所希望的科學目標，設計和建造這樣一個科學設備，讓設備可以運轉，獲得所需要的數據，最後得到結果。從科學上說，要找到一個好的技術路線，沿著這個技術路線走下去，不斷有新的設備造出來，新的科學研究題目設計出來，就是一個非常理想的實驗室的狀態。
科學人：你主持的大亞灣實驗和江門實驗都是研究中微子，這之間的關係是什麼？
王貽芳：這兩個實驗有技術上的傳承性，但是科學目標是完全不一樣的。我們每一個新的設備不可能憑空而來，所以在很大的程度上要基於過去的技術積累和人員隊伍來做下一代的設備。
以日本的中微子實驗為例，他們從八十年代開始做神岡實驗，九十年代末造超級神岡，現在他們又在準備做超超級神岡實驗。這些實驗都是基於水，從3000噸的水到5萬噸的水，再到未來50萬噸的水，科學目標雖然有不一樣的地方，但是有一定的技術傳承性，如果要做水探測器，那誰也做不過他。
我們從2006年開始大亞灣實驗，做液體閃爍體。下一步做江門實驗，也是液體閃爍體。從大亞灣到江門，規模從100噸跳到2萬噸，這一步是同樣的技術方向，但是我們這一步跳得就比較大。目前國際上最大也就是1000噸，所以我們在液體閃爍體的技術方面，已經做到世界最好。每一個單位在做科研方向選擇的時候，既要顧及它的科學性，也要顧及它的技術性。兩者要很好地結合，如果選擇對的方向，可以一直做下去。選擇不對，那隻能換技術，沒有積累、沒有傳承，又想做到世界最好，花的時間就會比較長，相對來說就比較痛苦。
科學人：那從大亞灣再到江門，還有北京正負電子對撞機，大型環形正負電子對撞機，以及未來的質子對撞機，技術路線上都是一路傳承下來的嗎？
王貽芳：大亞灣是從頭開始的，江門就是傳承，它們都是液體閃爍體，都是類似的技術路線。北京正負電子對撞機和大型環形正負電子對撞機是另外一條技術路線。北京正負電子對撞機從八十年代開始做，然後到2004年進行改造，現在我們要造的世界上最大的環形正負電子對撞機雖然規模不一樣，一個是240米，一個差不多是100千米，但都是正負電子對撞機，這裡面的核心技術在很多方面是一樣的，所以有技術上的傳承。環形對撞機的隧道有100多千米，之後質子對撞機可以建在裡面，那從環形正負電子對撞機再到質子對撞機，有技術上的跨越，但很多設備，還有建築可以再利用，只需要把電子機器改造成質子機器，這樣投入不會浪費。有20年的時間做這個轉換，應該是可以做到的。
科學人：所以在你的設計當中，未來二三十年的技術發展和路線已經規劃清楚了？
王貽芳：我們建任何一個裝置，少則五年，多則十年，運行還要十年。建裝置是手段不是目的，科學目標自然就規划到二三十年以後了。當然，國際上也有些沒有規劃二三十年的大型國家實驗室，但這樣他們之後就會遇到很多困難。我們現在有很好的時機和條件去規劃這樣一個加速器。2012年希格斯粒子的發現，意味著國際高能物理髮展的轉折點，使得有可能規劃這樣一個加速器。這是科學上的時機、技術上的時機。同時這也是國家經濟實力發展的時機。十年前，這樣大規模的機器想都不敢想，不可能有錢來做。很多的因素集合在一起，使得CEPC（環形正負電子對撞機）是一個非常理想的未來發展的狀態。
科學人：對，說到錢。這麼大的裝置，讓國家投入這麼大的經費也是很難的吧？
王貽芳：當然會很難，這也是很正常的。任何一個國家在這樣的問題上，都需要做完整、全面、徹底的論證，從科學、技術、組織管理等各個方面去做論證，需要我們做很多準備工作來回答大家在論證過程提出來的各種各樣的問題。這也是我們現在正在做的事情。
科學人：2013年江門中微子實驗立項，這樣的項目即使是傳承了大亞灣實驗的技術路線，也仍然需要很多的錢，您是怎麼說服國家投入經費的呢？
王貽芳：江門一方面是對大亞灣技術的傳承，另外一方面它的科學目標也是目前國際上的熱點，非常有意義，而且當時剛好有科學院先導專項的機遇，這件事情天時、地利、人和，所以一下子就成了。江門是我經歷的所有項目中立項最容易的，相對來說，大亞灣就痛苦得多得多。
科學人：因為它是從無到有。
王貽芳：對。未來的環形對撞機要經歷一些很痛苦的階段，也是很正常的。
突破「智子」封鎖
科學人：現在歐洲核子中心的LHC（大型強子對撞機）的存在感很強，未來 CEPC和它相比，有什麼不同嗎？
王貽芳： CEPC是正負電子對撞機，LHC是質子對撞機，這兩個是不同的機器。SppC（超級質子對撞機）是質子對撞機，如果我們建成了SppC，那就是超過CERN（歐洲核子中心）的LHC。LHC是27千米，14個TeV的能量，SPPC將來100千米，100個TeV的能量，是LHC的 7倍以上，幾乎是一個量級。這樣未來的科學中心將是我們。
科學人：在高能物理領域，27千米和100千米的差距意味著什麼？
王貽芳：按照現有的技術，簡單地把27公里放大到100公里，造價是不可承受的。所以需要發展新的技術來提高機器的性能。簡單地說，27公里到100公里，周長漲了4倍，但是能量要漲到7倍以上，甚至10倍以上，這不是簡單的將原來裝置進行擴大。這相當於提高一個量級的能量，對於探索未來的新物理的範圍和空間，這就提高了一個量級，而人類探索微觀世界的能量範圍，每提高10倍都會帶來巨大的認識變化。
從我們現在對物質世界的理解，現有的標準模型，雖然看到了它所預言的所有的粒子，但是整個模型還有很多缺陷。而這些缺陷在現有的標準模型里，通過簡單的修改是無法彌補的，需要有新的理論、新的思想乃至徹底的認識改變，這個改變可能會改變我們對時間和空間關係的認識，這是極為深層次的對物質世界根本認識的改變。
科學人：我們對於世界的認知，會產生一些顛覆性的、更加深入的理解？
王貽芳：對。我們用標準模型描述這個世界，已經走到了盡頭。有一些根本的問題，牽涉到我們對於時空觀念的認識，需要有根本的變化。這裡面的核心都跟希格斯粒子有關。希格斯粒子跟我們對於真空的理解有關，我們實際上並不理解真空到底是什麼。希格斯粒子的質量是一個極其奇怪的數值，這個數值使得真空處於亞穩態。我們無法想像整個世界處於不穩定的真空裡面，它不是絕對的不穩定，而是亞穩態，處於穩定和不穩定之間。而且，希格斯粒子質量是如此之小，實際上它是兩個比它大10的34次方的參數相減產生出來，就是有一個數比它大10的34次方，還有另外一個數也比它大10的34次方，這兩個值減一減，在10的34次方分之一的水平上給出了它的質量，這是很難想像的。一定有一個根本的物理規律在它後面，有了這個新的物理規律，就不需要這兩個大數的相減。
科學人：所以對中微子或者說對於高能物理前沿的研究，就是要探測到後面的基本的物理學規律。
王貽芳：對。我們要知道後面的基本的物理規律是什麼。一百年前，我們不知道量子力學，有了量子力學以後，我們把原子物理全部搞清楚。但是原子核物理不是量子力學可以完全解釋的，我們需要有粒子物理。我們現在對原子核的理解，是由粒子物理標準模型來解釋的。但是到現在這個程度以後，無論是對希格斯粒子，還是對中微子還是對12種基本粒子，又發現有很多很奇怪的東西。我們覺得在它背後還有一套更基本的物理學規律。量子力學如果沒有粒子物理標準模型的話，我們只能理解到原子這個層級。
科學人：牛頓力學揭示了肉眼可見的物質世界，量子力學解決了原子層面上的問題，粒子物理就是到您現在說的這個程度。
王貽芳：應該說，牛頓力學和麥克斯韋的電磁學理論，解釋了我們看到的世界。從肉眼所見的世界深入到微觀世界，第一層就是原子。原子的光譜和行為，都是由量子力學來解釋的。粒子物理解釋了原子核，解釋了比原子核更深一層次的基本粒子，也就是我們說的12種基本粒子。但是從現在來看，這裡面還存在大量不自洽。我們相信在後面還有更深一層次的理論存在。到底是什麼目前還不知道，只有通過更深層次的研究、更高能量的加速器去研究。
能量越高，對應宇宙大爆炸的時間零點就越近，我們現在所能理解的是宇宙大爆炸之後的某一個時刻往後。而再往前，也就是從大爆炸到那個時刻，我們是不知道的。能量高一點，就能往前推進一點，一直到無限趨近於零。到底什麼時候能夠趨近於零，把大爆炸時候的零點也搞清楚，也許是好幾輩子以後的事情了。
科學人：我覺得我的世界觀都被顛覆了。我們剛才了解從極小到極大這樣抽象的東西，這樣的成果對於我們整個人類來說會產生什麼樣的影響嗎？
王貽芳：這個我不知道。但是，牛頓力學和麥克斯韋電磁學理論徹底顛覆了我們對於世界的認識。但如果你去問牛頓萬有引力有啥用，他可能一點都不知道。去問麥克斯韋他的方程有啥用，他可能永遠也沒想到我們今天所享受的科技成就，包括我們用的電和電器都是他奠定的基礎。到了量子力學，我們搞清楚原子的基本行為，我們就有了現在的晶元和計算機工業，有了這一代人類文明的成果。我們無法去問某一個具體的方程、具體的研究有啥用，但是這一整個體系是自洽的，這一整套的理論有大量的奠基石，就像蓋一個房子，你問其中的一塊磚有啥用，是不知道的。但是你把這塊磚抽掉，房子就塌了。
我們現在理解了標準模型是一整套體系，這套體系是比量子力學更深入的一個層次。而我們目前所體會到的很多成果，是量子力學和相對論帶來的，是一九零幾年到一九三幾年的成果。而這更深入的一層，也就是到2000年左右，對物質深層次理解的這一套理論到底有什麼直接用處，我們還不知道。
科學人：你看過《三體》嗎？其中說到三體人利用智子干擾地球上大型對撞機，將人類科技進步鎖死。感覺你們現在的工作，就是在突破智子的封鎖啊。
王貽芳：《三體》我還沒來得及看，我書架上有。這個描述還是挺有意思的，人類的文明是不斷地向前發展的，如果有一個地外文明處於牛頓力學的水平，就不用怕他。如果處於量子力學的水平，也許和我們現在一樣。如果真的是處於能夠利用標準模型的水平，那就比我們高一點。如果懂更深層次的物理規律，他就顯然高過我們，他摧毀我們就像文明人摧毀原始人一樣，太容易了。
中國不要做土豪
科學人：在大型科學研究當中，國際的競爭和合作之間的關係您是怎麼看的？
王貽芳：科學要發展的話，離不開國際合作，也離不開競爭。因為人都有一定的惰性，沒有相當程度的競爭，他不太容易成長得比較高。所以，對我們年輕人，僅有國內的環境，不參與國際交流和競爭，就不能成長為國際頂尖人才，也不能成長為國際的領軍人物。所以從科學的發展來看，我們國內的科學研究能夠更大程度地參與國際合作和競爭是極其重要的。還有，在國際合作中，要把握好合作和競爭的關係，要既有合作，也有競爭，做到恰到好處。
科學人：基礎科學的進步，人類在共同享受它的文明成果。惰性一點想，我們享受別人的研究成果就可以，為什麼還要自己積極地往前沖呢？
王貽芳：當然可以這麼做，但這樣中國就永遠是世界的二等國家。因為對於所有的技術發明和科學成果，最先發現的人有一定的優勢。如果想成為國際一等公民，必須參與國際最先進的基礎科學的研究。美國能夠成為世界的領導國家，其中一個重要的原因是它對人類文明做出了很大的貢獻。如果只是享受別人的成果，那你就是一個「土豪」，或是一個二等公民，別人會看不起你，會搶奪你的財富，更不要談領導人家了。你掌握了最前沿的知識，自然就會有最前沿的技術，有了最前沿的技術，剩下的東西自然都會有的。
採訪：吳歐、 整理：甘蔗西西 Ent、游識猷對此文亦有貢獻
(排版：Sol_陽陽）
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