前言 相信平时关注科技的读者们应该都听过杨振宁的大名。他是世界著名的物理学大师、诺贝尔物理学奖得主。前不久，他刚刚与学界同仁一同庆祝了他的百岁生日。杨振宁最出圈的成果可能要属宇称不守恒。他因此而获得了 1957 年的诺贝尔物理学奖。然而，可能许多人并不熟悉的是，他对高能物理更大的贡献在于创立了规范场论的理论框架。作为高能理论的权威之一，杨振宁自上世纪 80 年代 (那时候高能物理仍然如日中天) 开始一反常态地唱衰高能物理的发展，甚至不止一次地表态："The party is over" (盛宴已过)。所以，本文旨在向读者介绍物理学家杨振宁的学术成就，并展望高能物理学的未来发展。本文仅讨论学术话题，对政治、生活等非学术性话题不予置评。
利益相关 作者为前高能理论学者。现研究项目归属于凝聚态理论，但所涉方法继承自高能理论。作者与本文中所涉环形正负电子对撞机 — 超级质子对撞机 (CEPC-SppC) 项目不存在直接利益关联。特此声明。
宇称不守恒
说实话，我第一次听到 ”宇称不守恒“ 这个概念时，我是迷惑的。”宇称不守恒“ 的英文原文为 ”parity non-conservation"，而 parity 一词有明确的中文译名：奇偶性。所以它和宇宙并没有什么关系。那么为什么这种奇偶性的不守恒如此重要，以至于值得一个诺贝尔奖呢？要理解这一点，我们需要一点高能物理的背景知识。
高能物理是物理学中的重要分支。它的研究对象包括构成物质的基本粒子 (elementary particles)、基本粒子间的基本相互作用 (fundamental interactions) 以及由此引出的相关现象 (例如，由引力相互作用引出的黑洞、时空弯曲、额外维度等)。总之，你在科幻小说中经常见到的各种奇幻的概念 (时空穿梭、量子纠缠、高维空间等等) 几乎都来自于高能物理学。
20 世纪的高能物理学最重大的成就当属粒子物理学中的标准模型 (Standard Model)。标准模型允许我们将几乎一切自然界中的物质拆分为 61 种基本粒子。我们知道常见物质是由原子 (atom)构成。原子又可以被进一步拆分为集中在原子中心很小的一个区域中的原子核 (nucleus) 以及弥散在原子核周围广袤的区域中的电子 (electron)。(除了氢原子核外的) 原子核还能继续被拆分为带正电的质子 (proton) 和不带电的中子 (neutron)。而质子和中子仍然可以被继续拆分。质子由两个带 +2/3 电荷的上夸克 (up quark) 和一个带 -1/3 电荷的下夸克 (down quark) 构成；而中子则由一个上夸克和两个下夸克构成。电子还有一个伙伴，叫电子中微子 (electron neutrino)，几乎没有质量，不带电。这个不起眼的玩意儿就是导致宇称不守恒的 “罪魁祸首”。
图 1 展示了标准模型中所有的基本粒子。我们发现之前提到的上、下夸克以及电子、电子中微子都处于第一列。而图中的第二、第三列基本上是第一列的副本 — 唯一的区别在于质量。第二列粒子的质量比第一列大得多；第三列粒子的质量也比第二列大得多。夸克 (quark) 以及由电子、μ 子、τ 子与它们对应的中微子构成的轻子 (lepton) 便是构成世间万物的基本物质粒子 (matter particles)。
右侧红色方框构成的一列则是传递相互作用的粒子。第一行的胶子 (gluon) 传递强相互作用 (strong interaction)；第二行的光子 (photon) 传递电磁相互作用 (electromagnetic interaction)；第三、四行的 Z, W 玻色子传递弱相互作用 (weak interaction)。注意，这里的 “强” 和 “弱” 是名字而不是一个形容词。当然，还有第四种相互作用 — 引力相互作用 (gravitational interaction)。然而，引力实在是一个过于奇妙的玩意儿了，以至于我们现在还没有搞清楚关于引力的许多细节。因此，引力不包括在标准模型中。
最右边黄色方框内的就是著名的希格斯玻色子 (Higgs bosons)。它的主要工作是给其它粒子提供质量。希格斯玻色子广泛弥漫在我们所处的空间中，如同一团粘稠的介质。其它的基本粒子在这种粘稠的介质中移动，和它发生相互作用，便获得了质量。
好了，了解完了构成万物的基本单元，我们回到本小节的主角：中微子 (neutrino)。所有的物质粒子都有一个固有属性：手性 (chirality)。也就是说，对于某一个物质粒子，我们可以判别它是左手的 (left-handed) 还是 右手的 (right-handed)。很长一段时间以来，物理学界都默认，在自然过程中，产生左手粒子和右手粒子的概率是相同的。也就是说，自然演化应当产生大致相同数量的左手和右手粒子。这就是所谓的 “宇称守恒”。
直到 1956 年，杨振宁和李政道合作，仔细检查了过去的所有实验，确认这些实验并未证明弱相互作用中宇称守恒。在此基础上他们进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称不守恒的实验途径。次年，吴健雄小组的实验证实，弱相互作用中宇称不守恒。
这一发现令当时的高能物理学界大吃一惊。后续的研究发现，根本原因在于，这世界上压根就没有右手的中微子。存在的只有左手中微子 (left-handed neutrino) 以及右手反中微子 (right-handed anti-neutrino)。这一发现是之后温伯格 (Steven Weinberg, 1993－2021) 设计电弱统一理论 (统一电磁相互作用与弱相互作用的理论) 的基础之一。
规范场论
在进入正题前，我们先讲个题外话。著名凝聚态物理学家文小刚曾在他的 Facebook 主页上讲过这样一个段子：
我每次从加拿大开车入境美国，在边境上，检察官都这样问：你是干什么的？我：搞物理的。检：你知道麦克斯韦方程有几个吗？我想：如果检察官是研究生水平，我应当回答一个。如果检察官是大学生水平，我应回答四个。如果检察官是高中生水平，我就不知道回答几个了？最后我试着说：四个。他就放我过境了。
给可能不熟悉麦克斯韦方程组的读者简单介绍一下。早年间，人们认为电和磁是两种独立的现象。而 19 世纪的一系列实验证明电和磁实际上是可以互相转化的。在此基础上，物理学家麦克斯韦 (James Clerk Maxwell, 1831－1879) 将前人发现的所有与电和磁现象相关的定律统一成了一套方程组：
这就是著名的麦克斯韦方程组 (Maxwell's equations)。这个宇宙里所有和电磁相关的现象，大到中子星、黑洞周围的电磁场，小到原子核与电子间的电磁相互作用，都受到这四个简单的方程的制约。这也是许多人第一次感受到统一理论的震撼。这四个方程是物理学系本科生电磁学课程的开学第一课。这也就是为什么文小刚会认为 “如果检察官是大学生水平，我应回答四个”。
接下来的故事就比较有意思了。到了研究生阶段，你会突然发现麦克斯韦方程变了一个样子：
也就是说，我们其实只需要这一个方程就够了。它足以替代原版的四个方程。这也就是为什么文小刚说 “如果检察官是研究生水平，我应当回答一个。” 而我们又为什么可以做这样的替代呢？这就引出了本小节的主角：规范自由度 (gauge degrees of freedom)。
原版麦克斯韦方程组有 6 个自由度 (你可以把自由度看作未知数的个数)。它们分别是电场 E 和磁场 B 在空间三个方向的分量。然而，在新版的方程中，自由度只有 2 个。它们是光子的两种偏振模式。事实上，电磁学的自由度确实只有 2 个。你只要知道原版方程 6 个未知量中的任意 2 个，你都可以倒推出其余的 4 个。所以，原版麦克斯韦方程组其实还是有进一步精简的余地。这多出来的 4 个自由度即是所谓的规范自由度。这种含有规范自由度的场论就被称为规范场论 (gauge field theory)。因此，电磁理论也经常被称为 U(1) 规范场论。受限于篇幅，我无法进一步解释为什么要叫 U(1)。简单来说，你可以理解为 U(1) 标记了规范自由度的一种性质。
现在，我们知道了 U(1) 规范场论可以描述电磁相互作用。那么，我们是否可以用类似的思路，来构造其它基本相互作用的理论呢？答案是：可以！1954 年，杨振宁和米尔斯 (Robert Laurence Mills, 1927－1999) 利用这个思路，构造出了著名的杨-米尔斯理论 (Yang-Mills theory)，又称非阿贝尔规范场论 (non-Abelian gauge theory)。他们用 SU(2) 规范场论描述了弱相互作用；用 SU(3) 规范场论描述了强相互作用。这一项工作直接推动了粒子物理标准模型的诞生。它是整个粒子物理学的理论基础。可以说，你现在之所以能够看到如图 1 所示的基本粒子图谱，就是拜杨-米尔斯理论所赐。因此，你应当能理解为什么物理学界普遍认为，相比于他的诺奖成果，杨-米尔斯理论才是杨振宁更为突出的成就。
大对撞机与高能物理的未来
标准模型中五花八门的基本粒子有相当一部分都是在各式各样的对撞机 (collider) 中产生并被探测到的。不夸张地说，对撞机和加速器 (accelerator) 基本贯穿了整个现代高能物理的历史。高能物理学家研究基本粒子的思路可以说是简单而又暴力。假如你现在手上有一个乐高积木拼成的建筑，而你想知道构成这个建筑的乐高积木有哪些，最直接的办法，就是把它砸地上，砸个粉碎。你砸的越用力，就越有可能有细小的零件被砸出来。对撞机的思路基本与此如出一辙。比如，我们想知道构成质子的基本粒子。我们就可以用加速器把两束质子束加速到接近光速，然后让它们相撞，撞个粉碎。这样，周围的探测器就可能会发现一些之前没见过的玩意儿。
当今最负盛名的对撞机当属欧洲核子中心 (CERN) 运营的大型强子对撞机 (LHC, Large Hadron Collider)。它主要由是一段埋在瑞士日内瓦地下 175 米深、27千米长的环形管道构成。在它的周围常年有超过 2500 名各个领域的物理学家和技术人员，同时给超过 10,000 名世界各地的物理学家提供数据支持。除此之外，美国费米实验室的正负质子对撞机 (Tevatron) 也是战功累累。它于 2011 年宣布停止运营。LHC 和 Tevatron 支撑了标准模型中大部分未知粒子的探测与测量。1983 年，我国国务院批准建设一台正负电子对撞机，命名为北京正负电子对撞机 (BEPC, Beijing Electron-Positron Collider)；目前由中科院高能物理研究所运营。除此之外，俄罗斯、日本也在运营各自的高能粒子对撞机。
2016 年，中科院高能所正筹备下一代大型对撞机的建设。这就是所谓的环形正负电子对撞机 — 超级质子对撞机 (CEPC-SppC) 项目。据高能所披露的预算报告，计划每年花费 40 亿人民币，10 年建成，总投资 400 亿人民币。2016 年 9 月 3 日，杨振宁在《知识分子》上发表文章，表示反对 CEPC 的建设。鉴于杨振宁是高能物理学界的权威人物，他的反对意见立即引起了轩然大波。次日，高能所所长王贻芳在《知识分子》上发表回应，反驳杨振宁所提出的各点反对意见。如果各位读者有时间，以下是他们二人的原文：
杨振宁：中国今天不宜建造超大对撞机 | 独家
王贻芳：中国今天应该建造大型对撞机 | 独家
这里简单总结一下他们二人的观点。
杨振宁的意见：
- 根据国外的经验，对撞机项目往往是经费无底洞，预计需要至少 200 亿美元。
- 中国仍然是发展中国家，有许多其它民生、环保、教育、医疗等问题，目前不应给对撞机大额预算。
- 对撞机可能挤压其它研究领域的预算。
- 新对撞机对解决引力、超对称粒子等问题的希望不大。
- 对撞机的建设在未来几十年内不会给国内人民生活带来好处。
- 新对撞机的建设需国际合作，如果产生诺贝尔奖，也未必会是中国人。
- 还有其它所需预算较低的方法来研究高能物理。
王贻芳的回应：
- 国外的经验未必适用于国内。西方各国各项目超预算属常态，而高能所以往的项目均按工期、指标完成。高能所的预算分析没有问题。
- 民生问题要解决，基础科学问题也要解决。作为大国，要考虑长远。
- 中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%，国际上发达国家一般是15%。基础研究经费还有巨大的增长空间，不存在挤压其他基础科学研究经费的情况。
- 新对撞机的主要目的在于研究希格斯玻色子。新现象可能会给解决其它问题带来帮助。现在断言会发现或不会发现猜想中的粒子，有点过于武断了。
- 有许多民生相关的技术源于高能物理的实验，如医院中的核磁共振、放射治疗，又如如今的互联网。大型科学装置虽不直接改善人民生活，但其促成的上下游供应链，培养的高级技术人员可以。
- 高能所有 30 多年正负电子对撞机的经验，足以胜任建造工作。对撞机不针对诺贝尔奖。
- 相比于对撞机，其它发展方向的可行性更低。
高能物理可以说是现代物理学中难度最大的一个分支，没有之一。这也使得高能物理领域在申请研究经费时往往会遇到非常尴尬的处境：对高能物理有深刻理解的物理学家往往与相关研究项目高度利益相关；而利益无关者又往往对高能物理知之甚少。而杨振宁则打破了这一境况。毫无疑问，他是高能物理的权威。同时，他早已退休，与任何一线研究已无联系。因此，他的意见自然成为了一个极为重要的参考。因此，即使在过去五年里高能所仍未放弃推动这一项目，它的实际启动时间仍然遥遥无期。
一点私货
作者在上一小节的叙述尽可能地保持了客观中立，而这一小节将包含一些作者自己的思考。高能所的大对撞机项目主要针对希格斯玻色子。的确，希格斯玻色子确实是我们目前知之甚少的一种基本粒子。我相信任何一个高能物理学家都能随手列举出几十个关于希格斯玻色子的未知问题。然而，作为一个高能与凝聚态跨领域的学者，作者在这一问题上有一些不同的角度。我们来回顾一下本文第一小节中对希格斯玻色子的介绍：
...... 希格斯玻色子广泛弥漫在我们所处的空间中，如同一团粘稠的介质。其它的基本粒子在这种粘稠的介质中移动，和它发生相互作用，便获得了质量。
同时，如果你曾经看过作者高温超导系列科普的第一篇，那么你可能还记得在迈斯纳效应一节中有这样一段话：
...... 超导体的抗磁性意味着在超导体内部存在一股极为粘稠的介质，以至于以光速运动的光子都无法将电磁场带到超导体内部，如同一颗子弹射入了一团蜂蜜中。
你会发现这两段叙述似乎有一些相似：它们都提到了所谓的「粘稠的介质」。这是一个巧合吗？当然不是！事实上，它们二者背后是完全相同的机制。这就是著名的希格斯机制 (Higgs mechanism)。在粒子物理中，希格斯机制给各种基本粒子提供质量。在高温超导材料里，希格斯机制给光子提供质量，使其难以进入材料内部。如此一来我们便可以大胆地猜想，既然它们二者背后是同一种机制，那么其它的细节是否也存在对应关系呢？比如，我们已经知道超导材料中的「粘稠介质」实际上是由两个电子配对而产生的电子对提供，那么在粒子物理中提供「粘稠介质」的希格斯玻色子会不会也是由两个未知粒子配对形成的呢？1 或者从另一个角度上看，高温超导的理论机制尚不明朗，我们又能否通过研究与此相似的基本粒子系统，反过来给高温超导的理论以新的思路呢？
随着物理学的持续发展，在各个分支通过常规手段能研究的问题基本都被悉数解决。于是现代物理便面临一种非常尴尬的境地：能解决的问题都已经被解决，不能解决的问题则长期停滞不前。与此同时，我们开始发现另一些不同寻常的迹象：一些看似完全不同的现象背后却存在同一种理论机制，比如我们提到的在基本粒子系统和高温超导系统中均存在的希格斯机制；又如高能理论中发现的 规范/引力对偶 (gauge/gravity duality2, 这可能是未来时间机器的理论基础)。这提示我们，在如今这种各分支都陷入瓶颈的时期，我们也许应该转变一下思维。与其纠结于某一具体现象，不如去寻找不同现象之间是否存在一些我们未曾注意到的联系。从这个角度上讲，除了计划中的那些可预见的成果外，我们也许能在大对撞机中，找到一些意想不到的惊喜。
