今年9月28日,欧洲核子中心(CERN)迎来了成立60周年的系列纪念。对一般公众而言,可能不一定搞得清楚CERN是一个怎样的机构,但若提起丁肇中领导的探寻反粒子、暗物质的阿尔法磁谱仪、提起大型强子对撞机(LHC)和希格斯粒子,许多关心科学发展的读者应该不会陌生,其实这些高能物理学的顶尖工作都和CERN有关。CERN到底是一个怎样的机构?为什么它在物理学界享有盛誉?就此我们采访了曾在CERN工作过一段时间的理论物理学家李新洲教授,听他讲述他所了解和感受的CERN。
 
 

 

CERN是一个怎样的研究机构

  CERN原本是1952年成立的欧洲核子研究理事会(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)的法语首字母缩写,到了1954年9月29日改称为欧洲核子研究组织(Organisation Européen pour la Recherche Nucléaire),其缩写首字母应为OERN,但CERN这个名称因历史原因而保留,以后欧洲粒子研究组织正式改为英文名称(European Organization for Nuclear Research),量子力学创始人之一的海森伯评论说,尽管改为英文,缩写词仍可以为CERN。一开始用法语缩写可能与选址有关,12个发起国选了永久中立国瑞士的日内瓦作为欧洲核子中心的所在地,研究人员进入CERN,必须要从日内瓦大门进去,而日内瓦是位于瑞士的法语区,所以一开始用法语名称就顺理成章了。
 
  当年发起成立的宣言中就言明,CERN的主要使命是探究自然,增进人类对自然有更深的理解。许多科学家进行理论或实验研究只是为了深入了解自然法则,而很少考虑研究的实用性。这样的研究通常被称为纯学术研究。纯学术研究的动机只有一个,那就是扩充人类的知识。CERN 60年大事记所记载的成就大致能说明此言不虚,尽管在CERN的纯学术研究中也产生了因特网这样的副产品。
 

CERN给我留下的初步印象

  我是在1984年应CERN理论部主席雅各布教授邀请,在那里作为期三个多月的合作研究。到了日内瓦,有专门的车将访客送到CERN。一到那我的第一感觉是地方大、建筑多,好大一片建筑简直望不到边。一天,雅各布建议我利用午休时间去感受一下CERN到底有多大,雅各布建议我只要绕着建筑走一圈就知道CERN有多大,而不要去地下实验室,因为地下部分实在太大了。我真的绕着建筑走了二个小时,但也只是其中的一小部分,这里的主要道路是用世界著名物理学巨擘的名字命名的,如玻尔路、汤川路、薛定谔路等等。
 
  我去的那年,中科院和CERN有合作计划,当时已经有一批公派的中国学者在那里参加丁肇中在CERN的项目。我是最早一批取得CERN提供薪金来此工作的中国学者。
 
  目前正在运转的大型强子对撞机(LHC)在2008年9月开始工作,它设置在100米地下的隧道之中,由5个实验对撞机所组成。环形隧道总长为27公里,以前曾供大型电子正子对撞机(LEP)使用,后者已在2000年11月停机并拆除。CERN现在有20个成员国、3 000多名员工,并有来自80个国家的大约6 500位科学工作者,代表500余个科学机构,在CERN从事科学研究。
 

成为精英必有超常付出

  来CERN前,我和许多国内同行都自认为中国人是最刻苦的,但到了CERN,面对世界上这么多理论物理界精英,才感到这种看法是偏颇的。我和意大利学者弗雷合用一个办公室,弗雷是一位著名的超引力学者,每天8点钟我俩在办公室做理论研究,但到了中午12点,按照中国人的惯例,就想去餐厅用餐了。不过弗雷仍端坐不动,仍在推导他那极其繁复的超引力算式,他不走我也不好意思走。到了午后2点钟,我确实没有工作效率了才动员他一起去餐厅。
 
  弗雷和我年龄相仿,后来我想到首先要改变的是上海人的早餐习惯,为了整个上午能集中脑力高效工作,早餐必须吃些肉类食物,我如此照办后也能工作到下午2点。这也使我理解到西方学者为什么将14点称作上午的缘故了,我也由此感悟到西方学者中真的不乏刻苦拼搏之辈。晚上我往往8点钟后离开办公室,但我注意到整个理论部办公室到了晚8点以后至少仍有一半灯火通明。后来我明白了能受邀到CERN来工作的人绝不是凭侥幸,而是锲而不舍努力的结果。
 

有幸受到李政道点拨

  来CERN工作的人中不乏物理学中最顶尖的学者,譬如我在那里工作期间就有幸见到李政道先生并得到他的当面点拨。当时李先生在CERN作为期一个月的研究。CERN安排办公室是按姓氏笔画,我和李先生同姓,故我俩就成为隔壁邻居。
 
  李先生到CERN的第二天,我拨打李先生办公室电话说要向他请教,问可以吗?李问我在哪里,我说就在你隔壁。他见我第一句话问我是哪里人,我用英语回答是上海人,他马上用上海话说,侬是上海人啊,讲上海话。李问我现在在做什么研究,我说在做规范模型和超对称理论。李先生说这些理论做还是可以做的。我就说或许我做的工作仅仅是绣花工作,李马上说,锦上添花的工作未尝不可。我问李先生正在做什么,李说他现在关心两方面的研究,一个是离散时间,一个是非拓扑孤子,这两个方向都是极有意义的。李先生这一句话给了我深深启发。
 
  我在后来的工作中讨论了拓扑孤子和非拓扑孤子中的第三种孤子――杂合孤子,这种杂合孤子是结合上述两种孤子的新的一种,这实际上是受了李先生的指导,在指导博士生的工作中我也提出了兼有两种孤子特征的另一种新型的孤子星。李先生对时空的深刻分析,也促使我在日后对时空理论产生了浓厚的科学兴趣。
 

科学发现的确认是需要时间的

  看了CERN的大事记,我认为其中最重要的科学发现是下述几件事:1973年CERN重液泡室通过中微子实验,证实了弱电统一理论所预言的中性流,这使得格拉肖、温伯格和萨拉姆获得了1979年的诺奖;1983年CERN的UA1与UA2发现了W、Z°粒子,CERN的科学家卢比亚和范德米尔由此获得了1984年的诺奖;因对粒子探测器革命性的进展,夏帕克获得了1992年的诺奖;1995年CERN成功制造出反氢原子和2012年希格斯粒子的发现等。此外,万维网是CERN的询问计划(ENQUIRE)的产物,是CERN科学家伯纳斯-李在1989年发起的。他提出了建立一个分布式信息系统的构想。1993年,CERN宣布开放万维网供所有想使用的人使用。于是,现代概念的因特网从此诞生。
 
  这里重点讲讲W、Z°粒子。我查了资料,觉得这份大事记在这两种粒子的发现时间上没有讲得很清楚。我记得W粒子的发现大概在1983年6月,那时雅各布正访问上海由我接待,当时已看到Z°粒子的迹象了。我就问雅各布,Z°粒子何时发现,他说还需要一年,我问为什么,不是已有迹象了吗?他回答需要亮度的积累,大约需要一年。
 
  一年后我正好在CERN工作,一天发现雅各布十分忙碌,我问他是否有重大事情发生,他回答Z°粒子将要确认了。过了几天,全球报纸都刊登了公布了Z°粒子的确认消息。这个例子能说明现代科学的发现绝不是只看到迹象就能宣布成功的,而需要统计的积累。希格斯粒子的发现也提示了同样的道理,2012年就发现了希格斯粒子存在的迹象了,而到了2013年12月才确认。对于现代科学而言,“罗马不是一天能建成的”这句谚语应改成“科学发现不是在一天能确定的”。
 

本文作者为上海师范大学天体物理研究中心主任、教授

责任编辑 则 鸣