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科学时报:“中国将成为国际高能物理重要力量”
2009-01-07  【 】【打印】【关闭

本报记者独家专访五位美国物理学家:“中国将成为国际高能物理重要力量”

 在中国科学院卡弗里研究所大楼中庭举行的讨论会
 
 
 
▲马丁·艾因霍恩
 
 
▲埃德蒙·路斯斯·伯杰
 
 
 ▲乔安妮·休伊特
 

 ▲安德鲁·科恩
 

 ▲戈登·凯恩
 
一年多前,在中国科学院支持、美国卡弗里基金会的资助下,一个崭新的国际交流平台——中国科学院卡弗里理论物理研究所(KITPC)在北京中关村成立了。不同于传统研究所、大学研究院的运作方式,甚至不同于中国科学院理论研究所以支持人为主的“人才驱动”模式,作为一个平台,它以项目或问题为驱动力,吸引国内外一流科学家和年轻科学家到研究所进行实质性访问,开展合作研究。
 
这个研究所只有30多名正式研究人员,而一年中到这里访问合作与参加会议的学者人数超过了500人。中国科学院院士、理论物理学家、KITPC所长吴岳良说:“我们希望通过这种方式,创造一个自由、宽松、争论、合作的学术氛围,并快速提高中国理论物理学家的水平。”
 
2008年9月~11月,20多位来自美国、欧洲、韩国、日本的理论物理学家来到KITPC,参加一项为期3个月的研究项目——超越标准模型的新物理。在此期间,参加这个项目的5位美国科学家接受了《科学时报》采访。
 
他们分别是:美国加州大学圣巴巴拉分校卡弗里理论物理研究所(KITP-UCSB)副所长马丁·艾因霍恩;美国阿贡国家实验室科学家埃德蒙·路斯斯·伯杰;美国斯坦福线形加速器中心教授乔安妮·休伊特;美国波斯顿大学物理学教授安德鲁·科恩;美国密歇根理论物理研究中心主任戈登·凯恩。
 
卡弗里的种子基金
 
加州大学圣巴巴拉分校的理论物理研究所是由美国国家科学基金会和加州大学于1979年共同创办的,其目的是支持跨越传统学科科学问题的研究,促进理论物理的发展。其显著特点,是通过营造一种开放、交流的环境,促进研究所的物理学家们与访问学者之间的合作研究,对觉察到的科学机会作出快速灵活的反应。1988年诺贝尔化学奖得主、理论物理学家沃尔特·科恩出任第一任所长。在科恩的领导下,研究所很快发展成物理学界的领先研究中心,其“项目驱动”的运作模式被广泛效仿。1988年,普林斯顿大学物理学教授大卫·格罗斯接过科恩的衣钵。
 
格罗斯出任所长后不久,研究所的成长遇到了瓶颈。比如,2001年,分别有400多位科学家报名参加研究所举办的纳米科学和量子信息项目,但研究所只能分别接待40%和23%的申请者。为保持研究所的领导地位,格罗斯希望增强研究所的实力。首先,他需要找到一笔钱,来扩大研究所捉襟见肘的空间。
 
正在为钱发愁的格罗斯遇到了希望资助科学研究的慈善家弗莱德·卡弗里。
 
卡弗里1933年出生于挪威,1955年到美国创业,并取得巨大成功。2000年,他以3.34亿美元的价格将公司出售,同时创立了以自己名字命名的基金会,用以支持和奖励“对人类幸福有长远影响的研究和教育事业”。他找到了格罗斯,征求他对捐赠教授席位的意见。格罗斯努力让他相信:就影响力而言,这是一种昂贵而且基本上无效的方法。俩人突然想到了创建卡弗里研究所的主意,第一笔就用于格罗斯的研究所。因为,这个成长中的研究所急需新空间。
 
2001年,卡弗里为格罗斯的研究所捐资750万美元,这笔钱足够在现有大楼中附建一座两层小楼。2004年,新楼落成投入使用,研究所被冠名为卡弗里理论物理研究(KITP)。从此,750万美元就成为资助未来卡弗里研究所的一个标准。也是在这一年,格罗斯荣获2004年度诺贝尔物理学奖,马丁·艾因霍恩出任研究所副所长。
 
新楼建成,成绩显著。艾因霍恩说:“十年前,我们的研究所只有5位永久性教授和14位职员,每年运作4个项目;现在,我们的职员人数没变,但每年能运作8个项目,世界各地来参加项目或会议的学者人数达到了1000余人。”
 
卡弗里相信科学是全球化的,他希望在亚洲太平洋地区建研究所,格罗斯积极推动和参与了中科院卡弗里研究所的创立。2005年2月,中国科学院院长路甬祥聘请格罗斯为中科院理论物理研究所首届国际顾问委员会主席。2005年9月,格罗斯来到北京中关村,与中方一起为中科院卡弗里理论物理研究所大楼奠基,并为大楼的内部设计提出诸多实质性的改进意见。
 
2007年5月,中科院卡弗里研究所正式运行,艾因霍恩来北京参加了最初的项目。今年9月,他再次到中科院卡弗里所参加项目。他说:“两个卡弗里研究所虽有所不同,但它们的运行非常类似,首要任务是组织前沿科学领域的研究项目。”
 
艾因霍恩介绍了KITP运作模式。“我们选择项目的范围非常广泛,目前的项目内容涉及生物物理学、气候科学、环境科学、全球变暖。项目运作时间从2个星期到5个月不等,世界各地的最优秀物理学家来到这里,共同生活和工作一段时间,彼此间有更好的理解,这比在会议期间短暂交流的效果更好。”项目的运作经费来自美国国家科学基金会和加州大学的资助。“卡弗里先生的钱大部分用在了大楼的建设,因为他更愿意将钱用于建立新的研究所而不是支持我们的运作,但他确实为我们提供了种子基金,我们非常感谢他!”
 
其实,卡弗里的钱还提供了另一种种子基金。
 
利用卡弗里先生建大楼剩下的钱,格罗斯还创建了一些特别项目,其中包括新闻记者驻研究所项目和中学老师会议项目。
 
新闻记者项目是邀请记者和科学作家到研究所待5个月,目的是在记者、科学作家和科学编辑与前沿领域工作的物理学家之间建一座沟通的桥梁,促进科学新闻业的发展;中学老师会议项目每年为期一天,组织来自全美国中学的科学老师到研究所,在这里,作研究的前沿物理学家们为他们作科普报告,午餐时和他们非正式地交流和讨论。
 
艾因霍恩很高兴能有机会再次来到北京:“因为这样我可以集中精力作我的研究,而不必为行政事务分心。这不是抱怨,这是现实的困难,自从2004年格罗斯获得诺贝尔奖以后,他外出访问的时间就更多了,我也就更忙了,我常常面临如何分配自己时间的问题。”
 
伯杰和他的儿子
 
“这是在20年时间里,我第四次来到中国,我看到了太多太多的进步,也许人们在表面上看到的中国基础设施的巨大成就,比如北京宽阔的道路、漂亮的地铁、一幢幢崭新的高楼,但中国人民非常富有创造力,你们还有那么好的博物馆。”
 
在中科院卡弗里研究所办公室,美国阿贡国家实验室科学家埃德蒙·路斯斯·伯杰对《科学时报》记者说。
 
“我第一次到中国是在1988年,当时中国科学院高能物理研究所新建的加速器开始运行,如今,这台加速器运行得相当好,在粲夸克粒子研究方面提供了极为精确的信息和研究,为世界物理学作出了贡献。现在,中国正在大亚湾建反应堆中微子实验项目,这个新的核反应堆对中微子的研究具有极高价值,这是一个国际合作项目,包括美国科学家在内的世界许多科学家都会利用这套设施来作研究。因此我相信,在不久的将来,中国将领导这一领域的研究。”
 
伯杰这次来是参加与欧洲大型强子加速器有关的物理学前沿研讨项目。他说:“大型强子加速器远在瑞士和法国,但许多国家的物理学家到中科院卡弗里理论物理研究所,在这里研究这台新加速器可能带来的新物理学。”
 
中国科学并不如美国发达,为什么伯杰还愿意来这里呢?“因为好想法可以来自世界的任何地方,在这里我可以遇见来自世界各地的科学家,而且中国有非常好的物理学家,他们非常聪明、勤奋。”
 
伯杰非常喜欢中国。“我对中国的兴趣就像我对科学的兴趣。这次我要在这里待4个星期,平时我作研究,周末就作文化之旅。这一次,我和太太参观了西安的陕西博物馆、山东的孔府和女诗人李清照的故居。中国人民具有非凡的创造力,你们还那么好的博物馆和文化! 这些在美国的博物馆是看不到的。”
 
伯杰对中国的兴趣最初来自中学时代的历史课本,他知道了“毛泽东”、“蒋介石”和“中国革命”等,随着年龄的增长,他开始读报纸。“当时是20世纪50年代,因朝鲜战争中美两国比较对立,报纸上对中国大陆的报道是比较负面的。”1978年,在中国实行改革开放的政策后,他第一次遇见来自中国大陆的科学家,“我与这些中国科学家交谈,才知道他们非常友好、愿意交流和讨论问题,我才发现中国人和美国人其实很像,思维都很开放。我很希望到中国来看看。”
 
“我发现很多东西与书上讲的不一样,我打开思维,用自己的眼睛看。我是科学家,我相信自己看到东西。”1988年,伯杰第一次来自中国,亲身经历后的感觉完全不一样了。
 
也许是伯杰对中国的兴趣影响了他的小儿子。“2000年暑期,他到北京高能所附近的一所中学教英语,2001年暑期,又到北京师范大学学中文,后来到香港工作了5年,现在在美国工作。”但伯杰强调这是儿子自己的决定:“他对中国的文化、历史、语言和人民非常感兴趣。”
 
虽然美国有很好的物理学家,但伯杰说这远远不够,还需要更多优秀的人才,他非常乐意和中国科学家合作。“我们合作,彼此学习,在讨论中会有新的想法出来,最重要的是有新想法,不必在乎是谁第一个提出来;如果这个想法是在中国想出来的,就是这里的成果,大家同样会受到鼓舞。”
 
勇敢的女物理学家
 
对于美国斯坦福线形加速器中心的理论物理学家乔安妮·休伊特来说,2008年是悲喜交加的一年:
 
在获博士学位20年后的2008年,她被晋升为斯坦福线形加速器中心的正教授。
 
在经过25年的等待之后的2008年,世界上能量最高的欧洲大型强子对撞机终于建成。“我一直在预测在LHC上会看到什么样的实验,如今,看到它即将运行,我真是激动!”
 
不幸的是,同样是2008年初,她被诊断患了乳腺癌;9月,又被诊断患上了皮肤癌。
 
2008年10月,她如期到来中科院卡弗里研究所,要在这里工作3个星期。这是她第一次来中国。
 
其实,在采访中,休伊特根本没有提及她患病的事。因为采访前了解到她时常在电台节目中给公众讲解物理学知识,在采访时又发现她是唯一的女性科学家,于是采访从这两个问题开始:为什么会花时间作科普?作为一名女性科学家,如何平衡家庭与事业的关系?
 
休伊特说:“我会在广播里接受记者采访,谈科学和科学家的生活。我还开博客,写我的科学和我个人的生活,以及那些非常触动我的人和事。为什么要这样做?因为我发现公众对科学非常有兴趣,他们渴望知道我们究竟在做什么。”她在记者的采访本上留下了自己的博客地址。
 
谈到工作与生活如何平衡的问题时,她说:“我相信,丈夫和我应该平等地做每一件事,而且,我坚信女性不应该在家庭中有更多的责任,丈夫和妻子应平等地承担责任。在我个人的生活中,丈夫和我有共同的信念,我们彼此分担责任、互相支持,他也是一位科学家。”
 
对准备以科学为事业的年轻女性学者,她建议说:“如果您热爱科学,您就应追随您的热情并坚持下去,因为越多的女性作科学,对下一位从事科学的女性来说,这条路就越容易。今天,我如此庆幸自己走了这条路,作科学是一件很‘酷’的事。”
 
虽然这是她第一次到中国,但休伊特对卡弗里研究所已经很熟悉了,因为她曾多次参加加州大学圣巴巴拉分校卡弗里研究的项目。“那里的研究气氛真是非常好,在那里,你和愿意在同一个题目上作研究的人共同工作、讨论,这是一种很好的研究方式。中科院卡弗里研究所和圣巴巴拉分校的研究所非常类似,所以,我愿意到这里来。”
 
休伊特这次到中科院卡弗里研究所,还因为大型强子对撞机的新物理学正是她的兴趣所在。“25年前,在我做研究生的第一年,科学家们就提出了建造这类大型对撞机的提议。在这25年里,我一直在预测我们会在大型强子对撞机中看到什么样的实验,如今,看到LHC的实验即将开始,就像看到一个即将出生的孩子,我真的非常激动!”
 
如果LHC的实验与自己的预测不符合呢?“这是很好的事,我并不是在等待实验证明我的理论是正确的,我等待的是新揭示出的新物理学。目前有许多关于这种新物理学的理论和想法,我想知道究竟哪一个是正确的。”
 
今年的诺贝尔物理学奖让休伊特异常激动,两位日本物理学家小林诚和益川敏英因解释对称性破缺的起源并预测出至少3种夸克家族的存在而获奖。“2004年,几乎是同时的,我所在的斯坦福线形加速器中心和日本高能加速器研究机构分别独立在实验上测量到了电荷宇称的不守恒,我们的实验互相证实,并证实了这两位物理学家的理论。”
 
因为没有钱,斯坦福线形加速器最近被关闭了,休伊特很难过。“中国经济在发展,你们建了自己的加速器,美国虽然比较富裕,但我们的加速器却被关闭了,我们有问题,我们未能说服自己的政府资助科学。”
 
休伊特身材颀长,一头金色板寸让她显得格外精神,她放慢语速耐心地回答记者的提问,原定15分钟的采访延长了30分钟。当记者回到办公室阅读她的博客时,却吃惊地发现,她的最新博文的标题是《当癌症袭来》,文章写于2008年10月17日。这是文中的一些片断:
 
“2008年初,我被诊断患上了乳腺癌……我没有问‘为什么是我’这个问题……我用尽全力力气问医生,‘我能否保住我的头发?’手术后的情况比想象的更严重。”
 
“三周前,我又被诊断患上了黑色素瘤……幸运的是,我接受了世界上最好的治疗,最重要的是,我还活着!……我已经学会了如何处理担心疾病复发的焦虑,我一天比一天变得更加强壮,我决定要重新开始全部的生活!我希望自己能够长寿……”
 
在博客首页的照片上,站在黑板前的休伊特长发披肩。算一算时间,她是在中科院卡弗里理论物理所访问时写这篇博文的,也就是说,她在来中国前不久被诊断患上了黑色素瘤,但她还是如期履行了合作研究的协议。
 
真是一位勇敢的女物理学家!
 
冲着新想法来中国
 
与休伊特一样,美国波斯顿大学的理论物理学家安德鲁·科恩为大型强子对撞机的建成激动不已,并来到中科学院卡弗里理论物理研究所,参加在这里举行的大型强子对撞机与新物理的项目。
 
“40多年前,高能物理学界就一直存在着一些困惑和谜团,物理学家们等待实验来帮助解开这些谜团;20多年前,我在作博士研究时成为一名物理学家,我也一直在等待实验解开这些谜团。我们希望解开这些谜团的第一个实验是超导超级对撞机实验。17年前,美国开始建造超导超级对撞机,但因为昂贵的建设费用(预算约82.5亿美元),工程在开工后几年被迫中止。对科学家来说,这是太糟糕的事,每个人都很失望。但它表明一个事实:这类实验非常昂贵,不可能由一个国家单独来做。”
 
“我们又等了15年,终于可以在大型强子对撞机上作实验了,终于可以看到萦绕已久的科学问题可以被实验解开,这就是为什么我们每个人都如此激动的原因。”
 
科恩说,高能物理的研究非常需要合作,与越多的人交谈,就能提出越多的新想法,“这就是我为什么要来这里的原因”。
 
科恩来到中科院卡弗里理论物理研究所的另一个理由是:“这是一个年轻的研究所,正在成长之中。我认为,在这个过程中,全球物理学家对它的支持非常重要,因为国际学术界都知道中国有一个研究所得到了卡弗里基金会的资助,但他们不确定这个研究所的运行是否能成功。因此,国际上许多物理学家都想支持它,确保它能成功。”
 
科恩说,高能物理的实验越来越昂贵,LHC的费用已高达100亿美元,没一个国家可以单独承受,必须通过国际合作;而且,LHC也不能解决今天面临的所有问题,LHC之后将还会有更大、更复杂的实验。“我认为,中国很有希望成为这些实验强有力的参与者。”
 
科恩对今年的诺贝尔物理学奖有自己的看法。他评论说:“小林诚和益川敏英提出的是一种特殊理论,解释了电荷宇称破缺,影响力不如南部一朗的理论。其实,李政道和杨振宁早已预言电荷宇称破缺会在自然界中出现,实验也证实了他们的预言;而小林诚和益川敏英的理论是对这种破缺的解释。这是一个很重要但很特别的理论,影响力并没有那么大。”
 
与休伊特一样,科恩热衷于向公众介绍科学。“我经常以不同的方式作科普,比如接受报纸记者采访、在美国不同的地方作公众演讲。作科普最重要的就是要用简单的语言讲清楚事情,如果听众还是不懂,那么就试试其他方法。作科普不需要特别的技巧,但需要实践。”
 
科恩作科普有多个理由。“第一,最重要的是科学家们必须认识到,因为有公众的支持我们才能作科学,大型强子对撞机的费用也是公众支付的。因此,作为一名科学家,我有责任将研究工作和结果告诉公众。第二,当人们受到更好的教育时,社会就进步了。因此,像我这样的科学家应该尽可能多地做教育工作。第三,作科普很有趣,和许多做完全不同工作但非常聪明的人交谈是非常快乐的事,这也是许多科学家愿意到中国来的原因。”
 
“我想知道这个世界从哪里来”
 
“人类是从哪里来的?世界是以什么方式运行的?为什么它是以这种方式而不是别的方式运行呢……”
 
30多年前,当戈登·凯恩还是美国密歇根大学的助理教授时,他读到一本由记者写的爱因斯坦传记,“这时,我才第一次知道,一个人还可以思考和研究这样的问题。于是,我就想研究这些问题。我很高兴自己能作这样的研究”。
 
在之后30多年里,凯恩一直在密歇根大学做教授,并成为密歇根理论物理研究中心的主任,他一直在思考这些问题:如果宇宙诞生于大爆炸,当时产生的物质和反物质是等量的,那为什么今天的世界是由物质而不是反物质构成的?自然界的基本作用力如何将粒子构建成物质?暗物质是什么?为什么会有暗物质?
 
“就像一个孩子会问自己从哪里来,我一直没有停止成为一个小孩。我想知道这个世界从哪里来,我想知道所有这些事情。”凯恩说。
 
“当你想弄清楚这些基本问题时,你需要在细致的问题上作研究,这样才可以得出结论,所以,我们需要作实验。”他说,人类不可能回到宇宙大爆炸之初去寻找这些证据,但可以通过实验来模拟大爆炸之初的情景。经过长久的等待,大型强子对撞机终于建成,这是迄今为止人类建造的最庞大实验室。
 
凯恩将LHC称为一台“为什么机器”,因为它是一台回答有关物质是怎么形成的、暗物质是什么等问题的机器。他说,LHC不同于世界上其他任何科学,其他科学都会谈结果,但LHC在出结果之前就如此令人激动,因为它是人类探索自然的一个新工具。
 
对凯恩而言,LHC意味着可以在实验室验证弦理论、发现暗物质等,一个超越标准模型的新物理学也许即将诞生。他说:“自伽利略和牛顿以来,物理学家们经过400多年的努力,终于提出了描述世界的一套理论——标准模型。如今,这套理论经过许多实验的验证,是迄今为止对物理世界最好的描述。现在,我们想超越标准模型,因为人类想知道为什么世界是以今天这种方式运行的。”
 
凯恩曾多次到欧洲粒子研究中心,参与LHC实验的建议和讨论,这一次,为了研究LHC的物理学问题,他来到中科院卡弗里理论物理研究所。这是他在20年的访问时间里第三次来到中国。1988年和2002年,他应邀访问了中国科学院理论物理研究所。他说:“20年间,中国发生了太多令人钦佩和羡慕的事,对科学家来说最重要的事情是:20年前学生们不问问题,现在,学生们不仅提问题,而且问的是大问题。今天,中国有许多优秀的物理学家,老一代物理学家培养了许多优秀人才,他们正在做重要的工作。”
 
凯恩说,他来到中国是为了解决物理问题,“物理学需要更多的人才,中国能提供大量的优秀人才。中国有占世界总人口1/4的人,其中许多人正在进行优异的科学研究工作。美国有很好的物理学家,但这远远不够,中国的聪明人比美国多三倍,当他们都学习时,他们就充满智慧,就能回答这些问题。我希望自己能在这方面提供帮助。”
 
结束语
 
中科院卡弗里理论物理研究所的办公室大楼是一座6层高的中庭式建筑,白天,来自正中顶层玻璃天花板的日光直接洒向二楼至六楼的中庭和环廊,环廊四周的办公室和会议室通体明亮,室内有来自窗外的光,室外则有来自楼顶的光。
 
站在三楼办公室门外的走廊上,透过大楼北面咖啡区的落地玻璃窗,中国科学院卡弗里理论物理研究所所长吴岳良指着距此1000米远的中科院理论物理所说:“那边是以支持人为主,这里以支持项目为主。作为中国科学院理论物理研究所的国际交流平台,KITPC 肩负着国内和国际发展的两个目标。它将吸引国内外的顶尖科学家和年轻的有才华的科学家访问和作长期研究项目,并且,希望通过这种交流快速提高国内研究人员的水平。”
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