物理学未来与中国基础研究

文汇报科技部和《世界科学》杂志社召开专家讨论会

作者:李辉 整理

时间:2011年12月13日   来源:教育部  

　出席座谈会专家： 姚诗煌（文汇报高级记者） 苏汝铿（复旦大学物理系教授） 张操（旅美物理学家） 赵君亮（中科院上海天文台研究员） 沈葹（同济大学物理系教授） 艾小白（中科院上海应用物理所研究员） 夏禹龙（上海社会科学院研究员） 钮卫星（上海交通大学科学史与科学哲学系教授）

　　在经历了一段沉默期后，全球自然科学领域正孕育着一场重大突破。这场即将到来的重大科技革命的突破口在哪里？我们在基础研究等方面应做好哪些准备以迎接这场科技革命？不久前文汇报资深记者姚诗煌先生应诺贝尔奖获得者丁肇中先生之邀到欧洲核子中心采访，期间他同丁肇中教授有过多次面对面交流。这也是本次由上海市科学学研究所、《世界科学》编辑部和文汇报科技部联合召开这个座谈会的直接动因，即通过丁肇中主持的AMS-02项目引出对物理学未来的发展方向、对中国基础研究应采取的战略措施等的研讨。

　　——刘伟（上海市科学学研究所所长、《世界科学》杂志主编）

　　AMS工作的科学意义

　　姚诗煌：

　　丁肇中的AMS（阿尔法磁谱仪）工作是一项充满艰难和变数的科学活动。这个项目1995年正式开始实施，经历了17年，而这只不过是一个开始，接下来还有漫长的路要走。这中间有很多曲折，有一段时间这个项目基本被否定了，但是最后还是坚持了下来，丁肇中先生对科学探索坚韧、执着的精神是很值得学习的。

　　丁肇中认为，到目前为止国际空间站没有做过重大的科学实验，而国际空间站要充分发挥作用，就要做有价值的科学实验。AMS-02就是这样的实验。

　　关于AMS研究的意义。丁肇中说，“宇宙有两种射线，一种是光子，它没有质量，过去五十年，我们对宇宙的了解，主要是通过测量光子，包括哈勃望远镜。但对来自宇宙的带电粒子，知之甚少。由于这些粒子在进入地球大气层后，被大气吸收或相互作用，所以从地面上测得的宇宙射线，主要是次生粒子。要直接了解来自宇宙的带电粒子，必须到大气层外面的太空测量，而空间站提供了这样的条件。AMS-02放在空间站后，将是人类第一次有系统、有计划地测量来自宇宙的带电粒子，包括反物质和暗物质粒子。因此，AMS-02被称为‘观测带电粒子的哈勃望远镜’”。丁先生说，“我们的目的是测量反物质和暗物质粒子，但物理学实验往往会有意外的结果，最后测到的很可能与原来想的完全不一样”。

　　现在加速器的能量已经达到很高了，但是加速器的能量再高也没有宇宙射线的能量高，加速器最高达到1012电子伏，而宇宙射线的能量可以达到1020的电子伏，因此宇宙是一个天然的加速器。要寻找更高能量的粒子，到宇宙中去寻找是一种途径。这也是丁肇中的实验为什么这么受重视的原因。

　　台湾“中央研究院”院士李世昌先生说，“宇宙射线的研究，对粒子物理学做出过重大的贡献，第一个反物质——反电子就是1932年在宇宙射线中发现的。上世纪五、六十年代，对粒子的研究转移到了加速器。于是，加速器越造越大，CERN的大型加速器，周长已经做到27公里了。如果还要再提高对撞粒子的能量，已近极限；而宇宙射线的粒子能量，要远远高于加速器的粒子能量。所以，粒子物理学再要向前，就得转变思路，包括回归到对宇宙射线的研究。AMS的实验，把粒子探测器搬到了太空，这是前所未有的。丁先生走出了第一步，他是这个领域的先锋。在未来的五十年、一百年，这很可能成为粒子物理和天体物理学研究的主导方向”。

　　苏汝铿：

　　丁先生AMS-02实验的最终结果如果让我预言的话，很可能是种瓜得豆，当然也可能种豆得瓜。他要测反粒子我觉得可能不一定能测到，如果反粒子找到的话，宇宙学可能要做重大修改。为什么种瓜得豆呢？因为AMS-02是国际上第一个能够放上空间站长时间运行的装置，而且它还能测量粒子，过去的许多卫星只能测量辐射，所以它一定会有所发现，这个我深信不疑。我个人觉得这个实验是绝对值得关注的。

　　这次AMS-02送上去不是10天、一个礼拜，而是几年，很可能会找到重复的东西。所以我认为AMS-02的应该能够种瓜得豆，很可能不仅得豆，而且得瓜。当然如果它放上去以后长时间测量不到反粒子，也是个很重要的发现，起码能说明我们宇宙的真实情况是怎么样的。

　　沈葹：

　　现代物理的进一步发展，或称之为超越或突破也好，必须、亦必然将暗物质和暗能量作为主要的新研究对象；探测暗物质和暗能量、并确定其性质，或使丁肇中先生的“太空版CERN”有了十分广阔的用武之地。AMS等高空探测器，为接收所谓“宇宙超高能加速器”的未知“产物”、亦即探测宇宙中种种物质未知成分提供了有力工具，成果必定是极其丰富的，这就是大家所说“种豆得瓜”的意思吧；至于反物质，经过长期探测，若能最终确证其天然存在或不存在，同样是一项重大的成就。

　　夏禹龙：

　　我很赞成种豆得瓜的说法，因为科学发展总得要从实验开始，实验上的突破性发展总会搞出理论上新的领域出来。地上加速器所产生的能量已经不够用了，就把实验设备搞到太空中去，这样实验的条件就完全改观了。实验上的这一重大突破，长期坚持下去，必然会导致科学理论上的新发现，不过到底有什么发现谁也说不准。我想，20世纪初由于新的科学实验在物理学上空升起的两朵“乌云”，引来了物理学的现代革命，以至带动上世纪现代科学技术的迅猛发展，这次粒子探测器的搬上太空，是否会在21世纪对科学产生同等的效果呢？这是可以期待的。

　　艾小白：

　　无论丁肇中先生所领导的AMS-02，还是全球物理界正在追踪的暗物质等研究都是探测难度极高的科研课题，这类大课题不仅需要巨额经费、全世界科学家合作，而且是“守株待兔”式的、考验耐心的项目。兔子什么时候能够撞到树上？那谁知道，这是不能够预测的。例如2002年诺贝尔物理奖得主、日本小柴昌俊领导的超级神冈探测器对来自超新星1987A的中微子探测、对大气中微子、对反应堆中微子的探测所取得的重要结果前后就花费了20多年的时间。我很同意苏教授刚才的判断：AMS-02种瓜得豆是肯定的，因为在外太空收集的数据多得难计其数，碰上几颗豆是可能的。

　　不过，在这项马拉松的“守株待兔”的过程中，在丁肇中先生的熏陶下培养出一批人才将是最大的“得”。

　　从AMS看科学精神

　　苏汝铿：

　　我先说一个真实的故事，是关于科研态度的。AMS-01送上天以后何祚庥告诉我说，丁肇中的AMS-01上去以后有一个很奇怪的大发现，看到了普通粒子谱以外居然有一个很重的粒子，无法解释。他知道在国内做这个东西的人是我，我是做奇异粒子（strangelet）的，他问我有没有兴趣解释一下，我说当然有兴趣了。

　　后来我就做了可以解释谱线上的这个峰的工作，当然我很高兴，我和学生两个人联名把相关的解释投给PRL（《物理评论通信》）。后来这篇文章审稿人的一句话给我非常深刻的印象，他说这个实验结果丁肇中并没有发表，也就意味着这个实验可靠程度没有确定，所以你给这样一个还未发表的工作做解释似嫌过早。

　　这件事也说明一个事实，丁肇中对发表文章是非常慎重的。我觉得这一点是尤其要向丁先生学习的。这是我跟丁先生的渊源，后来没有再追随这些工作。为什么丁先生AMS-01的东西不发表，就是因为宇宙线一直是可遇不可求的东西，这就是真正做科学的人的缜密之处，是我们应该学习的。任何科学都是非常严肃的。丁先生是个榜样，不服不行。

　　赵君亮：

　　丁先生的研究涉及反物质、暗物质，这是新东西，对物理学和天文学有重大意义，需要下大力气深入探究，结果如何尚不得而知，但丁先生的科学精神令人钦佩。

　　后人有的工作会否定前人工作中的某个结论，但通常并不是全盘否定，一定是在某种程度上的否定。天文学中的宇宙观最早出现的是地心说，托勒密是地心说理论集大成者，这个学说流行了1400年。后来哥白尼的日心说否定了地心说，但托勒密有不少观点仍然正确，当时却有很多人不认可的。如他认为大地是一个球，人家不信是因那时没有万有引力的概念，认为在球下方的人会掉下去！托勒密的图像太复杂了，令人难以相信，最终哥白尼的日心说取代了地心说。相对论修正了牛顿引力理论，同样并没有全盘否定，实际上在太阳系范围内许多问题牛顿理论就可以解决，无需引入相对论。

　　可以说，实用方面现在牛顿理论还是比相对论更实用，如日月食等天象的预报，许多人造飞行器的轨道设计等。牛顿引力理论发表300多年后，相对论才面世，至今也就100年多一点，以后就不会改进了？现在恐怕不能轻易说绝对会还是绝对不会，但未来也许会有这个可能。科学就是在后人否定、或修正前人结论的过程中发展的。

　　沈葹：

　　我一直在想，为什么我国基础研究的原创性工作还相当不足？大家谈及，如今我国对基础研究的资金投入并不菲薄，基础研究队伍也不弱小，更令人瞩目的是已经成为科研论文的产出“大国”：2010年在SCI核心期刊上发表论文总数为14.6万篇，排名世界第二，仅次于美国；当然，不会有人据此认为我国的科研水平亦已达到世界第二位。尽管评估某某工作成果，言必称如何创新、如何突破，但真正有创造性的工作实在不多。从丁肇中先生的科学生涯中体会到：他对自己选定的基础研究工作专注执著、心无旁骛、脚踏实地、一丝不苟；最难能可贵的就在于“长时间只做一件事”，而且是纯粹出于个人兴趣、不受传统思想束缚地做好那一件开创性的事！丁先生的这些优秀品质理应成为基础研究工作者必备的基本禀赋。

　　兴趣之于科研的价值应充分肯定

　　姚诗煌：

　　丁肇中先生有一个“金字塔理论”：基础研究等于金字塔下面的底座，底部上面的塔身形成了很多应用领域。只有底部不断拓宽，塔身才能不断升高。丁先生说，应用科学的发展植根于基础研究，而基础研究需要大量的资源和长远的眼光。

　　现在常常听到关于“是支持无用的基础科学还是将资源集中于技术的转化和应用研究”的争议。从历史的观点看，后一种观点是目光短浅的，如果没有对基础研究和教育方面的投入，发展经济的实用主义途径是不可能持久的。许多人认为如果一个国家想要在技术和经济方面具有竞争力，必须集中在有市场效益的实用型技术的发展；然而如果一个社会将自己局限于技术转化，那么过一段时间后当基础研究不能发现新的知识和新的现象后，也就没有什么可以转化的了。

　　丁肇中认为基础研究需要充分的自由空间和长期的展望。他说从发现一个科学新现象到这一科学成果的市场化大约需要20年到30年的时间，对政治家和企业家来说这一时间显得过于漫长了，他们更愿意在自己的任期内看到科学研究带来的效益，但是基础性研究常常会让他们感到失望。尤其当研究工作深入到未知领域时，科学家很难作出短期的预言和展望，很难保证某一项研究会获得成功。在科学研究领域，错误常常是成功的一个组成部分，因此对基础研究需要给予充分的自由空间和长期的展望。

　　丁先生非常明确地说，他的研究动力就是兴趣，兴趣是科学家基础研究工作的原动力。随着基础研究越来越走到“金字塔”最外面的角落，因其远离日常生活而受到责难，但过一段时间以后，当“金字塔”的应用部分长高了，公众对新的现象熟悉了，它们才会被理解。

　　夏禹龙：

　　要搞创新就得提高对科学的兴趣。

　　丁先生说得好，科学源于兴趣，特别对基础学科是如此。没有对基础科学创新的兴趣，完全靠功利来推动创新的话，就只能是小打小闹，搞不出大的名堂来。我们要有一个探索宇宙各种奥秘的广泛的兴趣，这个兴趣本来是人类从生出来就有的本能，要好生加以培育。我们现今教育最大的问题是没有使这种创新的苗子好好生长起来，反而受了应试教育的遏制。我觉得这个问题要引起高度重视。

　　要说近代科学的发展，哥白尼、牛顿搞科学研究有什么功利呀，还不是凭兴趣嘛！那时研究所都没有，也没有什么科研经费。所以，我觉得搞创新，要在功利和兴趣之间取得一个平衡，光偏向一面不行。这是我们要向丁肇中学习的一条。第二条我们要学习丁肇中严谨的态度，要讲诚信，不要夸夸其谈，摆花架子。创新不是胡思乱想，要建立在严格尊重事实的基础上。否则，就会把宝贵的时间和精力浪费在不着边际的无谓争论上。

　　总之，在科学创新中上述两条要同时并提。还是两句话：我们一定要提倡创新，但是创新一定要有严谨的态度，不能缺乏根据地把前人的东西全盘否定。

　　对基础研究和人才培养的建议

　　张操：

　　现在中国科技有几个特点。一是科研经费投入大，动辄几十万、几百万。二是高薪引进科技人才，三是论文数量全世界第二，但原创性成果很少。我认为衡量基础研究成绩的标准，应当是实验上有中国人的新发现，理论上有中国人提出的公式。

　　我不认为应再大幅增加科研经费，不主张高薪引进人才，不主张追求论文数量。我主张应在改善中国科研的软环境上花更大的力气，要给大家自由探索的空间，要真正做到百家争鸣。

　　我主张应花大力气办好中国的科学期刊，学术期刊应该是原创性见解的保护器、学术交流的园地、成果的发布处。现在中国的科学期刊很少有人看，这是一个大问题。我主张所有的科学期刊都要开辟科学园地、争鸣园地。中国的期刊特别是《中国科学》要起到领头羊的作用。

　　另外，建议办好电子论文库，这次超光速论文没有送到《自然》、《科学》发表，而是先挂到论文数据库上，这个论文库不是一般的论文库。相比之下，美国的论文数据库更有权威性，他们有专人来管，不是审稿，而是看文章是否符合规格、基础知识对不对，对就放上去，挂上去以后就相当于是半正式发表。论文数据库起到一个很好的作用，是不花钱、少花钱的新思想的保护器、学术交流的园地。

　　艾小白：

　　对我国的基础研究，我建议：1）大投入与小投入的课题并举；2）跟踪课题与自主创新课题并举；3）主流课题与非主流课题并举；4）主流课题与专挑主流毛病的课题并举。研究单位在今后的年终总结中，不仅要总结紧跟国际主流学派的工作成果，还应总结本单位在该年度出了什么非主流的学术思想，完成了什么非主流的研究，这种新的总结方式应当形成规范，形成制度。尽管这类研究一时可能得不到国内‘同行’的首肯与国家级科研经费的支持，具体单位也应当关注、支持本单位学者产出的非主流的学术思想、学术观点。

　　钮卫星：

　　现在大家都在强调创新，但是大学培养人才的教法我觉得缺少一种创新所依据的“现场感”。我当年在大学里学物理的时候——考察几本现在的大学物理教科书大致也是如此——老师就是教怎么解题，在什么理想条件下，把答案解出来。主要就是做演绎。演绎当然也很重要，希腊人就很会演绎。但是也有人批评演绎不能给出新知识。真正的知识来自经验观察，所以实验肯定是非常重要的。

　　沈葹：

　　事实上，要使基础研究多出原创性成果，关键在于人才培养以及持续性的思想教育。可是，我们的基础工作领域恰恰在这方面多有疏忽。譬如说，中小学教学大搞“题海战术”，往往会扼杀青少年的好奇心和科学兴趣；大学本科、研究生教学中经常忽视科学精神倡导和科学思想方法教学；往往有意无意地用物质奖励和官位刺激去激发年轻学者的科研热情，并单纯以论文发表篇数以及项目经费数量作为其科研业绩计算以至学术水准衡量的主要依据。于是乎，某些基础研究项目的管理部门和工作团队就把对尽可能多的科研资金的申请、管理、使用当作工作轴心来对待。其实，基础研究项目对经费的需求相对较少；特别是基础理论研究，经费并非其开展工作的必要条件，我就亲身了解一位专家，他不要点滴经费、不报任何奖项，却做出载入史册的一流创新工作，被学术界推崇为当代宗师。

　　对于旨在探索自然奥秘的基础研究工作者来说，功利主义思想是最要不得的，急功近利只会毁了他们的事业；基础研究的管理者和领军人物，或许更当引以为戒。钮卫星：我还想谈一下大科学时代的公众参与问题。现在的研究跟以前不一样，牛顿、伽利略时代还属于个人时代，现在是大科学时代。大科学时代的特征就是团队作战，项目竞争。我记得温伯格在《纽约时报》上写过文章，猛批载人航天，认为这是浪费钱财和时间，他认为航天员在太空做的实验，机器人都可以做到。钱就这么多，社会资源就这么多，竞争肯定是要有的。一方面是专业内的竞争，送人还是机器人上去，上对撞机还是上别的什么项目，这会有竞争。另一方面是更大范围的竞争，整个社会层面上的资源竞争。你强调搞科研，但为什么不搞别的呢？比如希望工程也需要很多钱。这当中就涉及到怎么平衡的问题。

　　在公众层面，相关工作也要开展起来。在美国一个项目上马、下马，纳税人是有发言权的。我想慢慢的中国也会学习起来。现在有一个比较大的词叫科学文化，这个词我觉得还是可以用的。在大众文化层面，科学现在被当作众多娱乐的元素之一了。如何用既严谨又通俗的方式把科学的概念传递到公众层面去，让公众真正理解科学，对所要行使表决权的科研项目和这个项目的研究意义有一个真正的了解，这些方面还有很多工作要做。

　　物理学研究中一些值得关注的方向

　　苏汝铿：

　　1999年，李政道先生接着20世纪物理学有两朵乌云的说法，说21世纪物理学的晴朗天空里有四朵乌云。一是看不见的夸克；二是缺失的对称性；三是类星体的能源到底是什么；最后一个是暗物质能量。过了几年他又做了一个报告，说这四朵乌云现在变成了一团黑雾。不管怎么说，李先生这样说一定有他的道理，事实上，暗物质、暗能量的研究已经成为现在的一个很热门的方向。

　　最近又有很多新的实验是值得好好研究的，比如超光速问题，现在出来的文章有很多。有三种类型：一是对其实验的可靠性质疑，二是如果存在超光速现象，怎么来解释？包括洛仑兹破缺等等，这仅仅是一些猜测，三是有没有办法做新的实验来验证这个事情。美国费米实验室正在准备启动相关实验。

　　除了这些是不是还有许多很有兴趣的问题呢？有，还有精彩的，天文学家发现在北天区和南天区测出来的精细结构常数α值不一样。国内已经有不少地方准备做实验讨论这些问题，比如武汉的数学物理所准备用深度冷冻的激光方案来量α。

　　赵君亮：

　　暗能量研究一定是未来的重点之一，这涉及到所谓Ia型超新星。通常认为此类超新星爆发时最大光度是恒定的，于是可以用作“标准烛光”来确定远方星系的距离，并引出了宇宙加速膨胀和暗能量的概念。我们能不能来怀疑一下？星光到达地球而为我们所见到是需要时间的，太阳光从发出到达地球约需8.3分钟时间，我们看到的太阳是它8.3分钟之前的样子，我们永远无法看到太阳“现在的模样”。所以，我们看到的越远的超新星，也就是越年轻的超新星。你有什么理由说不同年龄的超新星爆发时的最大光度是恒定的呢？事实上已经发现在距离差不多的2个星系内，2颗Ia型超新星的星等居然相差0.8等，如果这不是一个特例，那么超新星极大光度的“标准烛光”特性便很值得进一步的探究。

　　张操：

　　关于未来物理学的方向，一个是宇宙学，一个是粒子物理学，统一起来是大统一理论。我认为在实验方面搞一些大型项目是应该的，如大亚湾的中微子探测器，北京高能所的电子对撞机，但我认为实验上主要还是要参与国际合作，加强国际合作，但是理论方面我不主张跟着国际已有的理论走，我们要开辟自己的理论。特别最近30年来搞大统一理论成为物理学的主流，问题很大，我认为这不一定是物理学的进步，甚或是一种退步，这不是我一个人的看法。现在主流科学家把一些理论的研究成果称之为是成熟的科学，其实不是。譬如宇宙大爆炸说，到底是不是爆炸了？尽管谱线变长了，但没有一个实验证明这个星系速度往外走了，现有的都是理论上的推测，推测出来宇宙大爆炸，是不是可以允许其他理论存在呢？

　　姚诗煌：

　　丁肇中先生说，现在物理学基础研究正在朝两个方向发展，一是朝研究微观的粒子、夸克发展，一个是向研究宇观的恒星、宇宙系发展。AMS实验同时体现了这两个方向，一个是微观的，一个是宇观的。

　　此次采访中，丁先生谈了对航天技术未来发展的看法。他认为，航天技术的发展应该与基础研究相结合，中国的航天事业取得了很大的成就尤其是神舟系列的发射，但航天不能长期停留于为国争光，而要为发展基础研究服务。美国国际空间站就是一个例子，国际空间站多年来颇受美国科学界批评，指责其没有体现出重大积极的价值。

　　李世昌院士也对我说，今后探测器也可能会放到卫星上，卫星可以调整方向，可以对准某个有超高能量辐射的星体或区域，超导磁体也可以不用液氦，而用太阳能冷却，甚至可以把探测器放在月球上，中国正在发展登月技术，现在中国就可以培养这方面的人才，将来就能在这方面有所作为。

　　艾小白：

　　人类研究宇宙深度空间的探测器将来肯定要放到卫星上，放到空间站上，放到月球上，所以上海从现在起就应当动手准备了，按照仪器、设备需乘火箭去外太空的技术要求出主意，集思广益，想课题，提方案，搞设计，都是该做的事了。