【果壳网专访】王贻芳：突破“智子”封锁的人 | 科学人

现实中的人类还没有遭遇小说《三体》中的悲剧，加速器还在运行，基础科学还在前进。从牛顿的经典力学，爱因斯坦的相对论，量子物理，到今天的粒子物理，对物质构成的研究不断深入。随着希格斯粒子的发现，人类补上了粒子物理标准模型的最后一块拼图——但接下来呢？

“我们用标准模型来描述这个世界，已经走到了尽头。”王贻芳说。

王贻芳因为想要将中国推向粒子研究的第一线而被《自然》杂志评选为中国十大科学之星。图片来源：Nature

这位世界顶尖的粒子物理学家曾带领团队发现了中微子最后一种振荡模式，让中国成为物理学界世界所瞩目的焦点；而现在他所思考的问题是，标准模型后，新的物理学规律是什么？

如果按照科幻故事的讲法，那一切开始于1984年。那年，刚从南京大学核物理专业毕业的王贻芳接到通知，诺贝尔奖得主丁肇中准备挑选一批中国学生前往欧洲参与他领导的L3实验。一切都太过突然，没有任何准备的机会。

然而王贻芳英文笔试顺利过关，然后又通过了丁肇中本人在上海的面试。“其中一道题是为什么杯子没有波粒二象性”，他回忆道。

L3实验位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心（CERN），那里有世界上最大的粒子加速器。在L3实验组，王贻芳展露了他的物理天赋，他一年时间内发表3篇论文，且出任了“新粒子寻找组”组长，在所有L3实验物理分析小组组长中，唯有他是一名学生。在CERN学习和工作11年之后，他请辞丁肇中，离开欧洲核子中心，前往斯坦福大学从事中微子方面的研究，直到2001年，回到国内。

在高能物理研究领域，美国和欧洲持续领先了几十年，并由此带来大量的技术进步和发明，从互联网到触屏技术，从X光机到Linux电脑系统。而中国，正在悄悄的积聚能量。2006年，王贻芳带领的大亚湾反应堆中微子实验正式立项，5年后大亚湾实验取得突破性的成果——发现第三种中微子振荡模式，这项成就被《科学》杂志评为2012年度十大科学突破。王贻芳也因此获得2014年“潘诺夫斯基实验粒子物理学奖”和2016年“基础物理学突破奖”。然而，他的雄心远不如此，江门中微子实验、大型环形正负电子对撞机（CEPC），乃至更加宏伟的超级质子对撞机（SppC），正逐步把吸引世界科研的眼光吸引到中国来。

果壳网科学人对话中国高能物理研究所所长王贻芳，看在他的蓝图中，物理学如何改变世界？中国将如何成为世界的科学中心？

王贻芳院士，图片来源：高能物理所

做丁肇中的学生
是怎样的体验？

科学人：你是怎么成为丁肇中先生的学生的？当年做了哪些准备去报他的研究生？

王贻芳：我当时刚大学毕业，接到通知说，可以去报考他的研究生。也不知道要考些什么，所以也无法准备。去了之后，先是英文笔试，后来面试。面试是丁肇中先生和另外一些教授提些问题。之前也不知道他会问什么问题，也就没有什么准备。

科学人：他问了什么问题？

王贻芳：他问了一些量子力学、波粒二象性的问题。其中一道是为什么杯子没有波粒二象性？

科学人：那答案是什么呢？

王贻芳：其实很简单，杯子也有波粒二象性，但是它的波长非常短，所以它的粒子属性就体现得非常大，波长体现不出来。

科学人：那他对这个回答满意吗？

王贻芳：这是正确答案。

科学人：你做丁先生的学生，学到的最重要的东西是什么？

王贻芳：我在去他那之前，可以说对科学研究完全没有概念。因为我当时只是大学本科毕业，没有做过任何真正的科学研究。所以，他那里是我科学研究工作的起点。我从他那里学到很多做科学研究的基本方式方法和理念。比如说，如何选择课题？什么是值得做的课题？哪些是科学上最重要的问题？他会问你很多很多的“为什么”，逼着你去想一些很深入的问题，让你养成很好科学研究的习惯。所以基本上，在他那里，从事科学研究的基本的手段、能力，我都得到了很好的训练。此外，我也学到了怎么样和别人沟通，怎么样和别人打交道，怎么在各方有不同意见的情况下，通过讨论达到共识。这些都对我之后的工作有很大影响。

丁肇中，1976年诺贝尔物理学奖获得者。图片来源：科学网

前方高能——物理

科学人：此前我和一位研究黑洞的物理学家聊，他有时会介绍自己是个天文学家，我理解天文学家是研究黑洞、宇宙，这样很大的东西，但是你研究中微子却是小得不能再小。你们研究的东西是如此的不一样，但为什么都会是高能物理领域的事？

王贻芳：所谓高能物理，就是能量比较高。能量比较高的时候，温度也会高。温度高的时候，高能物理和天体物理就会有一个结合点，就是宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的时候温度很高，粒子的能量也高。所以我们所关心的物理过程，在宇宙演化的初始时刻是一样的。

科学人：那有所谓的低能物理吗？

王贻芳：当然，有高能就有低能。低能粒子物理，就是能量比较低的时候，但低能要看和谁来比。200年前，所谓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。现在，就是我们所做的粒子物理。再过100年，我们现在所谓的高能就可能变成了低能，到时候大家研究的就是更高能的东西。所以，高能物理实质指的是高能量的前沿，是我们人类能够人工产生的研究对象的最高能量。

“中微子”有多微

科学人：中微子研究是在做什么呢？

王贻芳：中微子是构成我们物质世界12种基本粒子里面的3种，是粒子物理，或者说物质世界的最基本的研究对象，但是它和物质的相互作用非常微弱，不太容易探测到，所以对它的了解就很少。

电子也是12种基本粒子之一，但100多年前就研究过了，现在就没有什么人研究，也不太值得研究了。而中微子未知的东西太多了，所以研究的人很多。科学研究就是探究未知的东西嘛。但是选择（反应堆）中微子作为课题也挺特殊的，总体来说，中微子实验，特别是反应堆中微子实验比较便宜。做加速器中微子实验的话，需要很多钱来建造加速器，从成本和所需要的积累来说的话，反应堆中微子实验相对要求不高。所以做反应堆中微子这样一个实验，比较容易用少量的投入得到重要的结果。

192个8英寸光电倍增管安装在紧贴钢罐内壁的支架上，用于探测中微子俘获时发出的光信号，图片来源：高能物理所

科学人：你在实验的时候是什么样的状态？我们看到大亚湾中微子实验的一些照片，感觉是在山洞里面做实验。(拓展阅读:大亚湾中微子实验获2016物理突破奖！他们做出过哪些贡献？）

王贻芳：我们的实验设备是建在山洞里的，要运转设备的话是有一些人要去山洞里。但是对于粒子物理研究来说，最核心的部分，第一是设计实验方案，第二是按照设想和方案建造探测器。一旦设备做完了，设备的运行就依靠计算机的控制。所以，人在地下实验室里，只是为了保证设备正常运转。在山洞里面，其实啥也干不了，因为数据都在计算机里面，做数据分析的人远在北京。

中微子探测器被成功安装在巨型水池之中，图片来源：高能物理所

科学人：设备这么大这么复杂，你遇到过什么比较离奇的故障吗？

王贻芳：当然会有各种不同的故障，但是这个都是在早期的研制或者调试过程中出现的。一旦研制完成后，所有的设备都由计算机控制，如果真的出现问题，那实验就彻底失败了，回去修一修是不可能的，所以也不能有根本性的设计失误或是制造失误。

科学人：听起来感觉压力好大。

王贻芳：多少和上天的卫星一样，东西发上天了，一旦出了事故，你是一点办法都没有的。我们当然没有它要求的那么高，我们在安装过程中仍然是可以修的，所以有调试、试运行的阶段来看设备是不是正常。一旦正常了以后，全部灌上液体，盖子一盖，那就没有办法了。

科学人：你理想当中的实验室或是实验条件应该是什么样的？

王贻芳：粒子物理实验不存在实验室的概念，我们主要是自己建造设备。就是按照我们所希望的科学目标，设计和建造这样一个科学设备，让设备可以运转，获得所需要的数据，最后得到结果。从科学上说，要找到一个好的技术路线，沿着这个技术路线走下去，不断有新的设备造出来，新的科学研究题目设计出来，就是一个非常理想的实验室的状态。

王贻芳在大亚湾中微子实验站察看设备安装情况，图片来源：高能物理所

科学人：你主持的大亚湾实验和江门实验都是研究中微子，这之间的关系是什么？

王贻芳：这两个实验有技术上的传承性，但是科学目标是完全不一样的。我们每一个新的设备不可能凭空而来，所以在很大的程度上要基于过去的技术积累和人员队伍来做下一代的设备。

以日本的中微子实验为例，他们从八十年代开始做神冈实验，九十年代末造超级神冈，现在他们又在准备做超超级神冈实验。这些实验都是基于水，从3000吨的水到5万吨的水，再到未来50万吨的水，科学目标虽然有不一样的地方，但是有一定的技术传承性，如果要做水探测器，那谁也做不过他。

我们从2006年开始大亚湾实验，做液体闪烁体。下一步做江门实验，也是液体闪烁体。从大亚湾到江门，规模从100吨跳到2万吨，这一步是同样的技术方向，但是我们这一步跳得就比较大。目前国际上最大也就是1000吨，所以我们在液体闪烁体的技术方面，已经做到世界最好。每一个单位在做科研方向选择的时候，既要顾及它的科学性，也要顾及它的技术性。两者要很好地结合，如果选择对的方向，可以一直做下去。选择不对，那只能换技术，没有积累、没有传承，又想做到世界最好，花的时间就会比较长，相对来说就比较痛苦。

江门中微子探测器示意图，球形的中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底。在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器；水池的内壁上安放光电倍增管以探测宇宙线。图片来源：www.ihep.cas.cn

科学人：那从大亚湾再到江门，还有北京正负电子对撞机，大型环形正负电子对撞机，以及未来的质子对撞机，技术路线上都是一路传承下来的吗？

王贻芳：大亚湾是从头开始的，江门就是传承，它们都是液体闪烁体，都是类似的技术路线。北京正负电子对撞机和大型环形正负电子对撞机是另外一条技术路线。北京正负电子对撞机从八十年代开始做，然后到2004年进行改造，现在我们要造的世界上最大的环形正负电子对撞机虽然规模不一样，一个是240米，一个差不多是100千米，但都是正负电子对撞机，这里面的核心技术在很多方面是一样的，所以有技术上的传承。环形对撞机的隧道有100多千米，之后质子对撞机可以建在里面，那从环形正负电子对撞机再到质子对撞机，有技术上的跨越，但很多设备，还有建筑可以再利用，只需要把电子机器改造成质子机器，这样投入不会浪费。有20年的时间做这个转换，应该是可以做到的。

中科院高能物理研究所里的指示牌上，左下角的圆形就是北京正负电子对撞机，它的实际周长是240米。在未来，大型环形正负电子对撞机的周长将达到100千米，可以想见，那将是个多么壮观的场景。图片来源：www.ihep.cas.cn

科学人：所以在你的设计当中，未来二三十年的技术发展和路线已经规划清楚了？

王贻芳：我们建任何一个装置，少则五年，多则十年，运行还要十年。建装置是手段不是目的，科学目标自然就规划到二三十年以后了。当然，国际上也有些没有规划二三十年的大型国家实验室，但这样他们之后就会遇到很多困难。我们现在有很好的时机和条件去规划这样一个加速器。2012年希格斯粒子的发现，意味着国际高能物理发展的转折点，使得有可能规划这样一个加速器。这是科学上的时机、技术上的时机。同时这也是国家经济实力发展的时机。十年前，这样大规模的机器想都不敢想，不可能有钱来做。很多的因素集合在一起，使得CEPC（环形正负电子对撞机）是一个非常理想的未来发展的状态。

科学人：对，说到钱。这么大的装置，让国家投入这么大的经费也是很难的吧？

王贻芳：当然会很难，这也是很正常的。任何一个国家在这样的问题上，都需要做完整、全面、彻底的论证，从科学、技术、组织管理等各个方面去做论证，需要我们做很多准备工作来回答大家在论证过程提出来的各种各样的问题。这也是我们现在正在做的事情。

科学人：2013年江门中微子实验立项，这样的项目即使是传承了大亚湾实验的技术路线，也仍然需要很多的钱，您是怎么说服国家投入经费的呢？

王贻芳：江门一方面是对大亚湾技术的传承，另外一方面它的科学目标也是目前国际上的热点，非常有意义，而且当时刚好有科学院先导专项的机遇，这件事情天时、地利、人和，所以一下子就成了。江门是我经历的所有项目中立项最容易的，相对来说，大亚湾就痛苦得多得多。

科学人：因为它是从无到有。

王贻芳：对。未来的环形对撞机要经历一些很痛苦的阶段，也是很正常的。

突破“智子”封锁

科学人：现在欧洲核子中心的LHC（大型强子对撞机）的存在感很强，未来 CEPC和它相比，有什么不同吗？

王贻芳： CEPC是正负电子对撞机，LHC是质子对撞机，这两个是不同的机器。SppC（超级质子对撞机）是质子对撞机，如果我们建成了SppC，那就是超过CERN（欧洲核子中心）的LHC。LHC是27千米，14个TeV的能量，SPPC将来100千米，100个TeV的能量，是LHC的 7倍以上，几乎是一个量级。这样未来的科学中心将是我们。

科学人：在高能物理领域，27千米和100千米的差距意味着什么？

王贻芳：按照现有的技术，简单地把27公里放大到100公里，造价是不可承受的。所以需要发展新的技术来提高机器的性能。简单地说，27公里到100公里，周长涨了4倍，但是能量要涨到7倍以上，甚至10倍以上，这不是简单的将原来装置进行扩大。这相当于提高一个量级的能量，对于探索未来的新物理的范围和空间，这就提高了一个量级，而人类探索微观世界的能量范围，每提高10倍都会带来巨大的认识变化。

从我们现在对物质世界的理解，现有的标准模型，虽然看到了它所预言的所有的粒子，但是整个模型还有很多缺陷。而这些缺陷在现有的标准模型里，通过简单的修改是无法弥补的，需要有新的理论、新的思想乃至彻底的认识改变，这个改变可能会改变我们对时间和空间关系的认识，这是极为深层次的对物质世界根本认识的改变。

科学人：我们对于世界的认知，会产生一些颠覆性的、更加深入的理解？

王贻芳：对。我们用标准模型描述这个世界，已经走到了尽头。有一些根本的问题，牵涉到我们对于时空观念的认识，需要有根本的变化。这里面的核心都跟希格斯粒子有关。希格斯粒子跟我们对于真空的理解有关，我们实际上并不理解真空到底是什么。希格斯粒子的质量是一个极其奇怪的数值，这个数值使得真空处于亚稳态。我们无法想象整个世界处于不稳定的真空里面，它不是绝对的不稳定，而是亚稳态，处于稳定和不稳定之间。而且，希格斯粒子质量是如此之小，实际上它是两个比它大10的34次方的参数相减产生出来，就是有一个数比它大10的34次方，还有另外一个数也比它大10的34次方，这两个值减一减，在10的34次方分之一的水平上给出了它的质量，这是很难想象的。一定有一个根本的物理规律在它后面，有了这个新的物理规律，就不需要这两个大数的相减。

科学人：所以对中微子或者说对于高能物理前沿的研究，就是要探测到后面的基本的物理学规律。

王贻芳：对。我们要知道后面的基本的物理规律是什么。一百年前，我们不知道量子力学，有了量子力学以后，我们把原子物理全部搞清楚。但是原子核物理不是量子力学可以完全解释的，我们需要有粒子物理。我们现在对原子核的理解，是由粒子物理标准模型来解释的。但是到现在这个程度以后，无论是对希格斯粒子，还是对中微子还是对12种基本粒子，又发现有很多很奇怪的东西。我们觉得在它背后还有一套更基本的物理学规律。量子力学如果没有粒子物理标准模型的话，我们只能理解到原子这个层级。

科学人：牛顿力学揭示了肉眼可见的物质世界，量子力学解决了原子层面上的问题，粒子物理就是到您现在说的这个程度。

王贻芳：应该说，牛顿力学和麦克斯韦的电磁学理论，解释了我们看到的世界。从肉眼所见的世界深入到微观世界，第一层就是原子。原子的光谱和行为，都是由量子力学来解释的。粒子物理解释了原子核，解释了比原子核更深一层次的基本粒子，也就是我们说的12种基本粒子。但是从现在来看，这里面还存在大量不自洽。我们相信在后面还有更深一层次的理论存在。到底是什么目前还不知道，只有通过更深层次的研究、更高能量的加速器去研究。

能量越高，对应宇宙大爆炸的时间零点就越近，我们现在所能理解的是宇宙大爆炸之后的某一个时刻往后。而再往前，也就是从大爆炸到那个时刻，我们是不知道的。能量高一点，就能往前推进一点，一直到无限趋近于零。到底什么时候能够趋近于零，把大爆炸时候的零点也搞清楚，也许是好几辈子以后的事情了。

科学人：我觉得我的世界观都被颠覆了。我们刚才了解从极小到极大这样抽象的东西，这样的成果对于我们整个人类来说会产生什么样的影响吗？

王贻芳：这个我不知道。但是，牛顿力学和麦克斯韦电磁学理论彻底颠覆了我们对于世界的认识。但如果你去问牛顿万有引力有啥用，他可能一点都不知道。去问麦克斯韦他的方程有啥用，他可能永远也没想到我们今天所享受的科技成就，包括我们用的电和电器都是他奠定的基础。到了量子力学，我们搞清楚原子的基本行为，我们就有了现在的芯片和计算机工业，有了这一代人类文明的成果。我们无法去问某一个具体的方程、具体的研究有啥用，但是这一整个体系是自洽的，这一整套的理论有大量的奠基石，就像盖一个房子，你问其中的一块砖有啥用，是不知道的。但是你把这块砖抽掉，房子就塌了。

我们现在理解了标准模型是一整套体系，这套体系是比量子力学更深入的一个层次。而我们目前所体会到的很多成果，是量子力学和相对论带来的，是一九零几年到一九三几年的成果。而这更深入的一层，也就是到2000年左右，对物质深层次理解的这一套理论到底有什么直接用处，我们还不知道。

科学人：你看过《三体》吗？其中说到三体人利用智子干扰地球上大型对撞机，将人类科技进步锁死。感觉你们现在的工作，就是在突破智子的封锁啊。

王贻芳：《三体》我还没来得及看，我书架上有。这个描述还是挺有意思的，人类的文明是不断地向前发展的，如果有一个地外文明处于牛顿力学的水平，就不用怕他。如果处于量子力学的水平，也许和我们现在一样。如果真的是处于能够利用标准模型的水平，那就比我们高一点。如果懂更深层次的物理规律，他就显然高过我们，他摧毁我们就像文明人摧毁原始人一样，太容易了。

中国不要做土豪

科学人：在大型科学研究当中，国际的竞争和合作之间的关系您是怎么看的？

王贻芳：科学要发展的话，离不开国际合作，也离不开竞争。因为人都有一定的惰性，没有相当程度的竞争，他不太容易成长得比较高。所以，对我们年轻人，仅有国内的环境，不参与国际交流和竞争，就不能成长为国际顶尖人才，也不能成长为国际的领军人物。所以从科学的发展来看，我们国内的科学研究能够更大程度地参与国际合作和竞争是极其重要的。还有，在国际合作中，要把握好合作和竞争的关系，要既有合作，也有竞争，做到恰到好处。

科学人：基础科学的进步，人类在共同享受它的文明成果。惰性一点想，我们享受别人的研究成果就可以，为什么还要自己积极地往前冲呢？

王贻芳：当然可以这么做，但这样中国就永远是世界的二等国家。因为对于所有的技术发明和科学成果，最先发现的人有一定的优势。如果想成为国际一等公民，必须参与国际最先进的基础科学的研究。美国能够成为世界的领导国家，其中一个重要的原因是它对人类文明做出了很大的贡献。如果只是享受别人的成果，那你就是一个“土豪”，或是一个二等公民，别人会看不起你，会抢夺你的财富，更不要谈领导人家了。你掌握了最前沿的知识，自然就会有最前沿的技术，有了最前沿的技术，剩下的东西自然都会有的。

“科学人”主编吴欧与王贻芳院士。摄影/李雪

提问：吴欧、 整理：甘蔗西西 Ent、游识猷对此文亦有贡献

(排版：Sol_阳阳）