琴弦激揚(yáng)讓宇宙盡顯優(yōu)雅和諧
2018年4月，我重新讀了一遍科普書《宇宙的琴弦》。這本書于1999年在美國出版，2007年，由李泳先生翻譯后在中國的湖南科技出版社出版。2007年我還在讀理論物理的研究生，而且對弦論也很有興趣，所以當(dāng)時我就讀過一遍這個科普書，也加深了對弦論的印象。當(dāng)然，那時候弦論的思想革命剛剛完成，學(xué)術(shù)圈對這個理論普遍看好——當(dāng)時也忽視了一個關(guān)鍵的問題，那就是弦論到底是不是真的物理學(xué)，我們應(yīng)該如何用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)這個理論。
此書英文版的書名并不是“宇宙的琴弦”，而是the elegant universe， 如果按照直譯，則應(yīng)該翻譯為“優(yōu)雅的宇宙”——為什么說宇宙很優(yōu)雅呢？原來在這本書中，寫到的是由弦論刻畫的宇宙，而弦論是一個很數(shù)學(xué)化的理論，從數(shù)學(xué)的角度來看，這個理論非常漂亮，猶如平面幾何的一些結(jié)論，似乎反映了宇宙的優(yōu)雅和諧。
弦論到底是數(shù)學(xué)還是物理？
《宇宙的琴弦》全書通篇都在講弦論，從愛因斯坦的相對論講到微觀世界的量子論，隨后講到這兩者的結(jié)合——弦論。但弦論到底是數(shù)學(xué)還是物理，現(xiàn)在卻成了一個巨大的疑問。
一個數(shù)學(xué)物理理論，如果不能被物理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，那么這樣的理論只能是數(shù)學(xué)，而不能稱之為物理。
弦論作為20世紀(jì)80年代以后崛起的理論物理思潮，其主要目的是統(tǒng)一廣義相對論與量子力學(xué)，從而解釋為什么我們的宇宙會起源于大爆炸，也解釋各個基本粒子（比如電子）的質(zhì)量的大小是怎么產(chǎn)生的，它還試圖給出霍金的黑洞熵公式的微觀起源。但是，到目前為止，弦論中使用的其中一個重要前提假設(shè)還沒有被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，這個重要假設(shè)就是超對稱性。
超對稱性具有非常優(yōu)雅的數(shù)學(xué)形式，也征服了很多數(shù)學(xué)物理學(xué)家。比如說在此書第10章講到的“鏡像對稱”，描述了在幾何上不同，但在物理上相同的卡拉比——丘成桐空間。這個優(yōu)美的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)其實(shí)也猶如宇宙的琴弦發(fā)出的美妙旋律，讓人感覺到宇宙的和諧。
卡拉比——丘成桐空間描述的是弦論所要求的6維的額外維空間（我們現(xiàn)實(shí)生活的宇宙看起來是一個巨大的4維時空，在4維時空的每一點(diǎn)上都有一個6維的卡拉比——丘成桐空間，就好像我們的腦袋的表面是2維的，在腦袋上每一點(diǎn)都長了一根1維的頭發(fā)那樣）。這個微小的卡拉比——丘成桐空間空間具有超對稱的物理結(jié)構(gòu)（雖然在實(shí)驗(yàn)上還沒有被看到，就好象18世紀(jì)的人看不到原子那樣）。
如何驗(yàn)證這樣卡拉比——丘成桐空間在物理上真實(shí)存在，一直是困擾著科學(xué)家的難題。超對稱性是卡拉比——丘成桐空間的本質(zhì)。但是，假如超對稱性不能被物理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，那么弦論就不是一個合格的物理理論，只能稱它為一個優(yōu)雅的數(shù)學(xué)理論。
用巨型電子對撞機(jī)檢驗(yàn)超對稱性？
還記得兩年前的2016年8月1日，我在清華大學(xué)參加“弦論2016”國際學(xué)術(shù)年會，并且對當(dāng)時參加這個會議的弦論專家丘成桐、威騰、格羅斯、馬德西納、王貽芳、戴自海、瓦法等科學(xué)家進(jìn)行了集體訪談。
當(dāng)時的訪談活動由著名數(shù)學(xué)家丘成桐先生主持，丘成桐先生熱心推動中國的科技事業(yè)發(fā)展，積極倡導(dǎo)在中國修建巨型電子對撞機(jī)——為此，他還特地與人合著了一本科普書《從萬里長城到巨型對撞機(jī)》。
在“弦論2016”這個弦論大牛云集的弦論會議上，我看到在中國建設(shè)巨型的對撞機(jī)驗(yàn)證弦論在物理上的正確性已經(jīng)成為會議的主題之一——弦論專家們渴望用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證超對稱性的存在，從而證明弦論是一個物理理論而不僅僅是一個數(shù)學(xué)理論。
因此優(yōu)雅的“宇宙的琴弦”到底是數(shù)學(xué)猜想，還是真正的物理？回答這個問題需要巨型對撞機(jī)來驗(yàn)證。而建造巨型對撞機(jī)卻需要幾百億人民幣的投入。
幾百億人民幣多嗎？
其實(shí)也不多，據(jù)了解，投資在武漢的存儲芯片研發(fā)制造公司長江存儲上的錢就達(dá)到了1600億人民幣的規(guī)模。這個規(guī)模投入顯然也超過了建造巨型電子對撞機(jī)的費(fèi)用。
目前的中國，經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)很大，但在投資建造巨型電子對撞機(jī)的決策上還是趨向于保守。在這個過程中也出現(xiàn)了不少反對的聲音。
巨型對撞機(jī)需要用到芯片，科學(xué)家可以參與開發(fā)芯片
哥倫比亞大學(xué)高能物理學(xué)博士趙天池透露，在巨型對撞機(jī)中需要用很多技術(shù)含量很高的專用芯片，這些專用芯片用于對撞機(jī)中與上百萬路的探測器模擬信號輸出的放大、數(shù)字化信號收集和處理存儲，以及數(shù)據(jù)分析。比如像歐洲核心中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)的探測器CMS 實(shí)驗(yàn)組就開發(fā)了APV25芯片，這是一個著名的信號放大數(shù)字化芯片——這個芯片與智能手機(jī)里用到的芯片是差不多一樣的。
中國目前還沒有像歐洲核子中心那樣的巨型對撞機(jī)，但在北京正負(fù)電子對撞機(jī)等高能物理實(shí)驗(yàn)中，中國科學(xué)院的高能物理研究所，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及清華大學(xué)工程物理系自己設(shè)計(jì)一些簡單的芯片，由代工廠制造用于高能物理實(shí)驗(yàn)，但目前這些芯片大約相當(dāng)于西方十幾年前的水平。
據(jù)了解，目前中國正在進(jìn)行的高能物理實(shí)驗(yàn)——江門中微子實(shí)驗(yàn)也自己開發(fā)了一些芯片，用于中微子探測的信號采集與處理等。
因此，總得說來 ，包括大型對撞機(jī)在內(nèi)的高能物理實(shí)驗(yàn)對高精尖的芯片具有天然的需求。參加這些科學(xué)項(xiàng)目的科學(xué)家也天然地具有開發(fā)芯片的能力與動機(jī)。一旦大型對撞機(jī)項(xiàng)目在中國啟動，必然會培養(yǎng)出一批擅長于開發(fā)芯片的科學(xué)家。
造巨型電子對撞機(jī)可以促進(jìn)高科技在中國的發(fā)展
建造巨型電子對撞機(jī)雖然投資巨大，但這種投向前沿科學(xué)領(lǐng)域的投入往往是不會白費(fèi)的——最后一定會轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)力，也會帶動我們國家的高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
除了芯片，巨型對撞機(jī)所需要用到的超導(dǎo)磁鐵就可以帶動一片巨大的產(chǎn)業(yè)——超導(dǎo)磁鐵可以用到核磁共振儀器的開發(fā)，可以用到低損耗輸電，可以用到高精度信號濾波器，甚至可以用到開發(fā)腦電波儀器等……
所以，投資搞巨型對撞機(jī)，表面上看是驗(yàn)證弦論在物理上的正確性，其實(shí)能給國家的科技帶來新的突破，這是一個非常好的契機(jī)。
當(dāng)然了，從另外一方面上，投資巨大的高能物理學(xué)實(shí)驗(yàn)其實(shí)已經(jīng)對社會已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的推動。比如，改變20世紀(jì)后半頁人類文明的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)源于美國國防部和基金委支持的項(xiàng)目，其中www萬維網(wǎng)就是由歐洲核子中心發(fā)明的。而中國互聯(lián)網(wǎng)起源于中國科學(xué)院高能物理研究所也是不爭的事實(shí)——當(dāng)時，高能物理學(xué)權(quán)威、諾貝爾物理學(xué)獎得主李政道先生推動中美政府上層的關(guān)注才成功開通了中國的互聯(lián)網(wǎng)。
振興芯片產(chǎn)業(yè)
最近，中興通訊被美國禁運(yùn)芯片，這給我們中國的高科技發(fā)展敲響了警鐘。
我們必須在高科技上做更多投入，未雨綢繆，自力更生，才可以突破西方國家對我們的高科技封鎖。而事在人為，目前中國有一個很好的選項(xiàng)是發(fā)展巨型電子對撞機(jī)，從側(cè)面帶動芯片產(chǎn)業(yè)的振興。
巨型電子對撞機(jī)需要建造巨大的電子軌道（類似于北京的五環(huán)那么大的真空隧道），從這個電子軌道上可以產(chǎn)生亮度極高的同步輻射光。這個同步輻射光可以在芯片加工中取代光刻機(jī)中的紫外光的作用，對我們國家的芯片產(chǎn)業(yè)的提升有巨大的幫助——同步輻射x射線光刻機(jī)是公認(rèn)的下一代光刻機(jī)的候選者，這也是中國在光刻機(jī)領(lǐng)域彎道超車的好機(jī)會。一旦巨型電子對撞機(jī)建成，那么圍繞這個巨型對撞機(jī)可以建造很多芯片加工廠，這些加工廠出產(chǎn)的芯片具有比7納米更細(xì)的工藝制程，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的世界一流水平。
而且，巨型電子對撞機(jī)的信號提取與分析也需要開發(fā)高質(zhì)量的抗輻射的數(shù)據(jù)采集芯片，這能吸引一大批科學(xué)家參與到這個項(xiàng)目中來，因此這批科學(xué)家對中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也會有助推作用。
振興芯片產(chǎn)業(yè)，可以尋找新的思路，通過建設(shè)巨型對撞機(jī)來振興芯片產(chǎn)業(yè)，也許是一個值得思考的選項(xiàng)。
