落户埃利斯

妈妈，别让你的孩子长大做牛仔。

别让他们挎着吉他开着老卡车。

让他们做医生、律师或者其他。

Ed and Patsy Bruce

得克萨斯州的埃利斯县坐落在曾经是世界最大棉花产地的中心。在县城瓦克萨哈奇，我们不难看到往日棉花繁荣的标志。小城的中心，最令人自豪的是庄严的1895年的红色花岗石县议会大楼，上面树立着高高的钟塔，几条大街从广场分开，街的两旁是维多利亚时代的房屋，看起来就像剑桥的布拉特大街迁移到西南来了。但它在今天穷多了。尽管在小麦和玉米地旁还种着些棉花，但价格已今非昔比。沿着35号州际公路向北，40分钟可以到达拉斯，几个富有的达拉斯人来到瓦克萨哈奇，他们喜欢郊外的宁静，不过，达拉斯欣欣向荣的航空业和计算机工业还没有来到埃利斯县。到1988年，瓦克萨哈奇的失业率停留在7%。所以，那年11月10日，县议会楼前轰动了，听说世界上最大最贵的科学仪器，超导超级对撞机，选在埃利斯县落户。

超级对撞机的计划在6年前就开始了。那时，能源部有一个棘手的计划，所谓的ISABELLE，已经在长岛的布鲁克海文国家实验室做了。ISABELLE计划原打算作为已有的费米实验室加速器的后继者。费米实验室是美国在芝加哥以外的基本粒子物理学的主要实验研究机构。计划从1978年开始以后，就停滞了两年，因为用来聚焦中子束的超导磁体的设计遇到了麻烦。不过，ISABELLE还有其他更深层的问题：虽然它完成以后将是世界上最大的加速器，但是它可能还不足以回答粒子物理学迫切需要回答的问题：为什么联系弱力和电磁力的对称性会破缺？

在基本粒子的标准模型里，弱力和电磁力的描述基于这些力以精确的对称性进入理论的方程。但是，正如我们看到的，这种对称性没有出现在方程的解中——也就是没有出现在粒子和力本身的性质中。允许这种对称破缺发生的任何形式的标准模型，都会有一些实验未曾发现的特征：一种新的叫希格斯粒子的弱相互作用粒子，或者一种新的额外的力。但是我们并不知道这些性质在自然界是否真的存在，这一点不确定的东西阻碍了我们超越标准模型的进步。

解决这个问题的惟一确定的方法是做大的实验，在实验中产生万亿伏特的能量，生成希格斯粒子或被额外强力束缚在一起的大质量粒子。为此目的，显然需要给一对碰撞的质子赋以40万亿伏特的能量，因为质子的能量在组成它的夸克和胶子间分配，一个质子的夸克和胶子跟另一个质子的夸克和胶子碰撞，大约只有1/40的能量用来产生新的粒子。而且，用40万亿伏特的质子束来轰击一个静态的目标还不够，因为那样一来，几乎所有的能量都将被打击质子的反冲所耗尽。为了可靠地解决弱电对称破缺的问题，我们需要两束20万亿伏特的质子流发生正面碰撞，这样，两个质子的动量相互抵消了，反冲不浪费一点儿能量。幸运的是，我们可以相信，能产生20万亿伏特强大质子束的加速器确实能解决弱电对称破缺的问题——它要么发现希格斯粒子，要么发现新强力的证据。

1982年，实验和理论物理学家中间开始流行一种观点：isa-belle计划该下马了，应该造更强大的新加速器，那样才能解决弱电对称破缺的问题。那年夏天，美国物理学会召开了一次非正式会议，第一次详细研究了能生成比ISABELLE能量高50倍的20万亿伏特质子束的加速器。来年2月，能源部高能物理学顾问团的一个小组在斯坦利·沃茨基（Stanley Wojcicki）领导下，召开了一系列探讨下一代加速器的会议。小组在华盛顿与总统科学顾问凯沃斯（Jay Keyworth）会谈，从他那儿得到线索，政府似乎很看好这样一个宏大的新计划。

沃茨基小组于1983年6月29日至7月1日在维切斯特县哥伦比亚大学纳维斯回旋加速器实验室举行了会议。与会的物理学家一致赞同建造一台新的能产生10万亿〜20万亿伏特能量质子碰撞束的加速器。会议决定本身不会引起多大注意，任何领域的科学家一般都可能推出一个新的研究计划。更重要的是，赞成与反对停止ISABELLE计划的票数为10比7。这是一个艰难的决定，遭到了布鲁克海文实验室主任萨缪斯（Nick Samios）的强烈反对（会后，萨缪斯说，“这是高能物理学有史以来做出的最令人失望的决定”）^[211]。这个决定不但使顾问小组对新加速器的支持戏剧化了，还使它成为一个政治难题——能源部很难再向国会伸手要ISABELLE的经费；如果这个计划停下来，又没有新的计划，能源部就一个高能物理学的建设项目也没有了。

10天以后，沃茨基小组的决定得到了它的“娘家”——能源部高能物理顾问团的一致认可。这样，建议的新加速器第一次有了它现在的名字：超导超级对撞机，或简称SSC。8月11日，能源部授权高能物理顾问团草拟实施SSC项目需要的研究和发展计划。1983年11月16日，能源部长霍德尔（Donald Hodel）宣布停止ISABELLE计划，并向参议院拨款委员会要求授权将经费从ISABELLE转到SSC。^[1]

寻求弱电对称破缺的机制绝非超级对撞机的惟一动机。跟CERN和费米实验室的其他加速器一样，我们总希望一个新的加速器在提高到新的能量水平后，能够揭示一些新的有启发的现象。这种愿望差不多都实现了。例如，建在CERN的老的质子同步加速器没有明确的目标，不知道它会发现什么；当然没有人知道用它产生的中微子束进行的实验会发现中性流的弱力，这一发现在1973年证明了我们现在的弱力和电磁力的统一理论。今天的大加速器的前身是30年代初劳伦斯（Emst'Lawrence）的伯克利回旋加速器，当年是为了把质子加速到足够的高能，以打破原子核周围的静电斥力。劳伦斯并不知道质子进入原子核时会发生什么事情。有时候也可能预先知道某个特殊的发现。例如，50年代在伯克利特别建造的质子加速器是为了有足够的能量（不过60亿伏特）来产生反质子，即所有普通原子核里都有的质子的反粒子伙伴。现在CERN运行的巨型电子-正电子对撞机原先是为了有足够的能量来产生大量的Z粒子，用它们来对标准模型进行急迫需要的实验检验。但是，即使新加速器是为了某个具体问题设计的，它最重要的发现往往也在意料之外。质子加速器当然也是这种情形；它确实产生了反质子，但它最大的贡献是产生了大量意想不到的强相互作用粒子。同样，人们从一开始就期待着超级对撞机的实验能发现比弱电对称破缺的机制更重要的东西。

高能加速器如超级对撞机上的实验，甚至还能解决现代宇宙学面临的最重要问题：关于丢失的暗物质的问题。我们知道，星系的大部分质量，甚至星系团的大部分质量，都是看不见的，跟太阳那样的发光恒星的物质不一样。为了解释宇宙膨胀速率，普通宇宙学理论还需要更多的暗物质。这样的暗物质不可能是普通形式的原子；假如是的话，大量的中子、质子和电子将影响我们对宇宙膨胀最初几分钟产生的轻元素丰度的计算，于是计算结果将不再与观测一致。

那么，什么是暗物质呢？多年来，物理学家猜想过它可能由这样那样的奇异粒子构成，但至今还没有确定的结果。假如加速器能揭示一类新的长寿命粒子，那么，通过测量它的质量和相互作用，我们有可能计算自大爆炸以来留下了多少那样的粒子，从而确定它们是否能构成宇宙中所有的暗物质。

最近，这些观点通过宇宙背景探测卫星（COBE）的观测有了戏剧性的结果。那颗卫星上的灵敏的微波接收器发现了天空不同区域的辐射温度的细微差别，那辐射是宇宙在30万年的时候留下的。人们相信，温度的不均匀性来自那时不太均匀的物质分布的引力场的作用。大爆炸30万年之后的那个时刻在宇宙历史上有着极重要的意义；宇宙那时第一次变得对辐射透明，而一般认为分布不均匀的物质也正好从那时开始在自身引力作用下坍缩，最终形成我们今天在夜空看到的星系。但是根据COBE的观测所推想的不均匀物质分布并不是年轻的星系；COBE只研究非常大尺度的不规则现象，今天一个星系的物质在宇宙30万年时所占据的空间要比那个尺度小得多。假如把COBE的观测结果外推到小得多的原生星系的尺度，然后计算在这些相对小尺度下的物质分布的不均匀程度，我们会遇到一个问题：星系尺度的非均匀性在宇宙30万年的时候会很微弱，不足以在自身引力作用下生成今天的星系。解决问题的途径之一是假定星系尺度的不均匀性在宇宙第一个30万年期间已经开始引力收缩了，这样，把COBE的观测外推到更小的星系尺度是没有意义的。但是，如果宇宙物质多数由寻常的电子、质子和中子组成，那条路就行不通。因为在宇宙变得对辐射透明以前，这样的寻常物质的非均匀性不可能经历任何显著的增长；初始的任何物质聚集都将在自身的辐射压力下破碎分裂。另一方面，由中性粒子组成的奇异暗物质可能会在更早的时间变成辐射透明的，从而引力收缩在距宇宙开端更近的时候就开始了，^[2]它将产生比从COBE外推的结果更强的非均匀性，也许强得足以生成今天的星系。假如超级对撞机产生了暗物质粒子，将证实这种星系起源的猜想，从而说明宇宙的早期历史。

在超级对撞机那样的大加速器上还可能发现很多其他的新东西：组成质子的夸克里的粒子，超对称理论所要求的已知粒子的超对称伙伴，与新的内部对称性相关的新类型的力，等等。我们不知道是否真的存在那些东西，即使存在，也不知道能否在超级对撞机发现。这样，我们又有了一点保证，至少我们预先知道，超级对撞机有望做出一个极其重要的发现，那就是弱电对称破缺的机制。

能源部决定建造SSC后，还经过了多年的计划和设计。过去的经验告诉我们，像这样的工程，虽然得到了联邦政府的资助，但最好还是请民间机构来执行。于是，能源部把项目研究和起步阶段的管理委托给大学研究协会，那是由69所大学组成的一个非赢利团体，曾管理过费米实验室。协会反过来又请大学和企业的科学家组成董事会，监督SSC的执行。我们从康乃尔的泰格纳（Maury Tigner）领导的伯克利中心设计小组接过了加速器设计的具体工作。到1986年4月，中心设计小组完成了他们的设计：10英尺（1英尺约为0.305米）宽的地下隧道形成一个83千米长的椭圆环路（相当于绕华盛顿一圈），两束20万亿伏特的质子细流沿相反的方向运动。质子在3840个磁铁（每个磁铁长17米）作用下保持它们的环行路线，磁体共用41500吨铁，19400千米超导线，在200万升液氦中保持冷却。

1987年1月30日，白宫批准了这一计划。4月，能源部开始了选址工作，办法是让有兴趣的各州提出建议。1987年9月2日截止时，收到了愿意接纳SSC的州的43个建议书（堆起来有3吨重）。国家科学和工程研究院指定的委员会把地址限定在7个“最具资格”的地方。1988年11月10日，部长宣布了能源部的决定：SSC将落户在得克萨斯州埃利斯县。

这个选择的部分理由深藏在得克萨斯乡村的地下。奥斯汀往北向德拉斯是8000万年的老地层，著名的奥斯汀白垩在白垩纪时在海底沉积下来，覆盖了得克萨斯的大部分地区。白垩不透水，质地软，容易钻探，而且强度很大，没有必要再加固隧道边墙。对于超级对撞机的隧道挖掘，几乎很难再找到其他更好的材料了。

这时候，争取SSC资金的活动也刚开始。对这样一个项目来说，最关键的时刻是第一次建设拨款。那个时刻以前，计划只不过是研究和形成的问题，开始容易，终止也一样容易。计划一旦实施起来，要终止它就成了拙劣的政治行为，因为那样就意味着默许以前建设资金浪费了。1988年2月，里根总统向国会要求3.63亿美元的建设资金，但国会只下拨了1亿美元，而且特别说明钱是用来做研究的，不是造机器的。

SSC计划在继续，仿佛它的未来已经有了保证。1989年1月决定了一个执行管理小组，哈佛大学的施威特（Roy Schwitters）被选做SSC实验室的主任。施威特是实验物理学家，一脸胡须，年纪并不大，那时44岁。他曾在费米实验室领导过万亿伏特对撞机（那是美国领先的高能机器）的实验大协作，表现了非凡的才能。1989年9月7日，我们听到一个好消息：参众两院会议委员会同意在1990财政年度为SSC拨款2.25亿美元，其中的1.35亿用来造机器。SSC计划终于超越了加速器的研究和开发。

斗争还没有结束。SSC每年都向国会要钱，支持或反对它的争论每年都发生。^[3]只有天真到家的物理学家才会惊讶，那些争论竟然几乎跟弱电对称破缺和自然的终极理论无关。但是，也只有玩世不恭的物理学家才不为这样的事情感到一丝悲哀。

影响政治家支持或反对SSC的最重要的一个因素是它的直接经济效益。国会里最坚决的反对者雷特（Don Ritter）议员把SSC计划比做议员们为了捞取政治好处而追求的“猪肉桶”计划，称它是“夸克桶”计划。^[212]在SSC选址之前，希望计划能在家门口落户的那些州都支持它。1987年，我在参议院委员会为SSC辩护时，一个议员对我说，这时几乎有100个议员支持SSC，不过地址选定以后，支持者可能只会剩下两个。支持固然减少了些，但那位参议员的估计也过于悲观了，因为遍及全国的公司都在接受SSC不同部门的合同；不过我想那也反映了大众对这一计划的内在重要性的一定认识。

多数SSC的反对者都拿急需减少联邦赤字作理由。参议院里SSC的最大反对者、阿肯色州的邦佩斯（Dale Bumpers）参议员就反复提出这个问题。我理解赤字问题，但是我不理解为什么自然科学的前沿研究成了减少赤字的对象。我们可以看到许多其他计划，如空间站计划、海狼潜艇计划，它们的花费比SSC大得多，而实在价值却小得多。难道继续那些项目是为了保留多数人的饭碗吗？把那些项目的钱花在SSC也能提供同样多的就业机会。说句牢骚话，空间站和海狼潜艇得到了航天和国防部门的太多的政治保护，才没有被取消，而SSC则是象征性减少赤字的最方便的开刀对象。

围绕SSC还有一个论战不休的问题，关于所谓大科学与小科学的争论。有些科学家喜欢传统的更温和的科学作风，一个教授带着一个研究生在大学的某个地下室里做实验——他们当然是反对SSC的。今天多数在大型加速器实验室工作的科学家也喜欢那样的作风。不过，以前的成功经验告诉我们，现在的问题不是卢瑟福当年的绳索和封蜡可以说明的。我想今天还有飞行员怀念过去开放的驾驶舱，可是那样的飞机是飞不过大西洋的。

像SSC这样的“大科学”计划，反对者还来自另一些科学家，他们宁愿看到把钱花在其他研究（如他们自己的）上面。不过我想他们是在迷惑自己。国会削减SSC需要的预算后，多余的钱投向了水计划，而不是其他学科。许多这样的水计划才真是“猪肉”的，它们把钱从SSC拿走了。

SSC也激起了其他人的反对，他们怀疑里根总统建造SSC的决定跟他的“星球大战”反导弹系统和空间站是完全一致的：对任何新技术宏大计划的没有头脑的狂热。另一方面，在我看来任何SSC的反对却源于同样的对任何新技术宏大计划的没有头脑的厌恶。专栏作家们喜欢把SSC跟空间站相提并论，作为大科学的可怕典型。他们忽略了这样的事实：空间站根本不是一个科学计划。关于大科学与小科学的争论，是避免考虑个别计划价值的好办法。

SSC也得到了政治方面的重要支持，那些人把它看做一个工业温床，能刺激各种关键技术的进步：低温技术、磁设计技术、在线计算技术，等等。SSC还代表着智力资源，能帮助我们的国家保持一支杰出的科学家骨干力量。没有了SSC，我们将失去一代高能物理学家，他们只好到欧洲或日本去做研究。即使对这些物理学家的发现漠不关心的人，也会认为高能物理学家群体代表着一个科学天才的人才库，为我们的国家做出过巨大的贡献，如过去的曼哈顿计划，今天的同样伟大的超级计算机计划。

这些都是国会支持SSC的很好而重要的理由，但是没有触及物理学家的心。我们对一个完整的SSC的急切渴望源于我们的一点认识：没有它，我们就不可能继续我们寻找自然终极理论的理性历险。

1991年晚秋，我回到埃利斯来看SSC落户的地方。这里跟得克萨斯的很多地方一样，地势像起伏的小波浪，无数的小溪在流淌，溪边长满了亭亭的三叶杨。在这个季节没有好看的风光，多数庄稼都收割了，为了种冬天的小麦而开出的田地还满是泥泞。只有零星的一些因为下雨耽误了收割的田地，还盛开着雪白的棉花。老鹰在天空翱翔，盼着能抓一只偷穗的耗子。这不是牛仔的家乡。我在田野看到一群安格斯黑牛和一匹孤单的白马。不过市场的牲畜大多来自远在埃利斯北部和东部的农场。去未来的SSC园区，需要经过从农场到市场的漂亮的州级公路，然后走上简陋的乡村小道，跟一百年前棉农走的那条尘埃小道没有什么不同。

当我经过等着拆迁的农家木板房，我知道已经走进了得克萨斯为SSC园区征购的土地。向北1英里（1英里约为1.609千米）左右的地方，我可以看到一个巨大的新建筑，那是磁铁设计大楼。一片橡树林外是一个高耸的钻塔，是从海湾的油田买来为SSC钻试验孔的，孔宽16英尺，深265米，直达奥斯汀白垩的底层。我捡起一块钻出的白垩，想起了赫胥黎。

看着那大楼和钻塔，我知道项目经费可能要停了。我能想象，什么时候试验钻孔可能被填充，磁铁大楼空空如也；只有几个农夫能依稀记得，一个伟大的科学试验室曾经落户在小小的埃利斯。也许我还生活在赫胥黎的维多利亚式的乐观主义下，我不能相信会发生那样的事情，也不相信自然终极理论的研究会被我们的时代拋弃。

谁也不知道一个加速器能否让我们迈出通向终极理论的最后一步。在大科学仪器的历史进程中，我们今天有布鲁克海文、CERN、DESY、费米实验室、KEK和SLAC加速器，过去有劳伦斯的回旋加速器、汤姆逊的阴极射线管，更早的还能追溯到夫琅和费的光谱仪和伽利略的望远镜。我不知道SSC的那些机器是不是这一历程的必然延续。不管自然的终极定律能否在我们的时代发现，我们都在继续一个伟大的传统事业——检验大自然，一次又一次地问它为什么是那样的。