琴弦激揚讓宇宙盡顯優雅和諧
2018年4月，我重新讀了一遍科普書《宇宙的琴弦》。這本書于1999年在美國出版，2007年，由李泳先生翻譯后在中國的湖南科技出版社出版。2007年我還在讀理論物理的研究生，而且對弦論也很有興趣，所以當時我就讀過一遍這個科普書，也加深了對弦論的印象。當然，那時候弦論的思想革命剛剛完成，學術圈對這個理論普遍看好——當時也忽視了一個關鍵的問題，那就是弦論到底是不是真的物理學，我們應該如何用實驗來檢驗這個理論。
此書英文版的書名并不是“宇宙的琴弦”，而是the elegant universe， 如果按照直譯，則應該翻譯為“優雅的宇宙”——為什么說宇宙很優雅呢？原來在這本書中，寫到的是由弦論刻畫的宇宙，而弦論是一個很數學化的理論，從數學的角度來看，這個理論非常漂亮，猶如平面幾何的一些結論，似乎反映了宇宙的優雅和諧。
弦論到底是數學還是物理？
《宇宙的琴弦》全書通篇都在講弦論，從愛因斯坦的相對論講到微觀世界的量子論，隨后講到這兩者的結合——弦論。但弦論到底是數學還是物理，現在卻成了一個巨大的疑問。
一個數學物理理論，如果不能被物理實驗檢驗，那么這樣的理論只能是數學，而不能稱之為物理。
弦論作為20世紀80年代以后崛起的理論物理思潮，其主要目的是統一廣義相對論與量子力學，從而解釋為什么我們的宇宙會起源于大爆炸，也解釋各個基本粒子（比如電子）的質量的大小是怎么產生的，它還試圖給出霍金的黑洞熵公式的微觀起源。但是，到目前為止，弦論中使用的其中一個重要前提假設還沒有被實驗所證實，這個重要假設就是超對稱性。
超對稱性具有非常優雅的數學形式，也征服了很多數學物理學家。比如說在此書第10章講到的“鏡像對稱”，描述了在幾何上不同，但在物理上相同的卡拉比——丘成桐空間。這個優美的數學結構其實也猶如宇宙的琴弦發出的美妙旋律，讓人感覺到宇宙的和諧。
卡拉比——丘成桐空間描述的是弦論所要求的6維的額外維空間（我們現實生活的宇宙看起來是一個巨大的4維時空，在4維時空的每一點上都有一個6維的卡拉比——丘成桐空間，就好像我們的腦袋的表面是2維的，在腦袋上每一點都長了一根1維的頭發那樣）。這個微小的卡拉比——丘成桐空間空間具有超對稱的物理結構（雖然在實驗上還沒有被看到，就好象18世紀的人看不到原子那樣）。
如何驗證這樣卡拉比——丘成桐空間在物理上真實存在，一直是困擾著科學家的難題。超對稱性是卡拉比——丘成桐空間的本質。但是，假如超對稱性不能被物理實驗檢驗，那么弦論就不是一個合格的物理理論，只能稱它為一個優雅的數學理論。
用巨型電子對撞機檢驗超對稱性？
還記得兩年前的2016年8月1日，我在清華大學參加“弦論2016”國際學術年會，并且對當時參加這個會議的弦論專家丘成桐、威騰、格羅斯、馬德西納、王貽芳、戴自海、瓦法等科學家進行了集體訪談。
當時的訪談活動由著名數學家丘成桐先生主持，丘成桐先生熱心推動中國的科技事業發展，積極倡導在中國修建巨型電子對撞機——為此，他還特地與人合著了一本科普書《從萬里長城到巨型對撞機》。
在“弦論2016”這個弦論大牛云集的弦論會議上，我看到在中國建設巨型的對撞機驗證弦論在物理上的正確性已經成為會議的主題之一——弦論專家們渴望用實驗來驗證超對稱性的存在，從而證明弦論是一個物理理論而不僅僅是一個數學理論。
因此優雅的“宇宙的琴弦”到底是數學猜想，還是真正的物理？回答這個問題需要巨型對撞機來驗證。而建造巨型對撞機卻需要幾百億人民幣的投入。
幾百億人民幣多嗎？
其實也不多，據了解，投資在武漢的存儲芯片研發制造公司長江存儲上的錢就達到了1600億人民幣的規模。這個規模投入顯然也超過了建造巨型電子對撞機的費用。
目前的中國，經濟總量已經很大，但在投資建造巨型電子對撞機的決策上還是趨向于保守。在這個過程中也出現了不少反對的聲音。
巨型對撞機需要用到芯片，科學家可以參與開發芯片
哥倫比亞大學高能物理學博士趙天池透露，在巨型對撞機中需要用很多技術含量很高的專用芯片，這些專用芯片用于對撞機中與上百萬路的探測器模擬信號輸出的放大、數字化信號收集和處理存儲，以及數據分析。比如像歐洲核心中心的大型強子對撞機的探測器CMS 實驗組就開發了APV25芯片，這是一個著名的信號放大數字化芯片——這個芯片與智能手機里用到的芯片是差不多一樣的。
中國目前還沒有像歐洲核子中心那樣的巨型對撞機，但在北京正負電子對撞機等高能物理實驗中，中國科學院的高能物理研究所，中國科學技術大學以及清華大學工程物理系自己設計一些簡單的芯片，由代工廠制造用于高能物理實驗，但目前這些芯片大約相當于西方十幾年前的水平。
據了解，目前中國正在進行的高能物理實驗——江門中微子實驗也自己開發了一些芯片，用于中微子探測的信號采集與處理等。
因此，總得說來 ，包括大型對撞機在內的高能物理實驗對高精尖的芯片具有天然的需求。參加這些科學項目的科學家也天然地具有開發芯片的能力與動機。一旦大型對撞機項目在中國啟動，必然會培養出一批擅長于開發芯片的科學家。
造巨型電子對撞機可以促進高科技在中國的發展
建造巨型電子對撞機雖然投資巨大，但這種投向前沿科學領域的投入往往是不會白費的——最后一定會轉化為現實的生產力，也會帶動我們國家的高科技產業的發展。
除了芯片，巨型對撞機所需要用到的超導磁鐵就可以帶動一片巨大的產業——超導磁鐵可以用到核磁共振儀器的開發，可以用到低損耗輸電，可以用到高精度信號濾波器，甚至可以用到開發腦電波儀器等……
所以，投資搞巨型對撞機，表面上看是驗證弦論在物理上的正確性，其實能給國家的科技帶來新的突破，這是一個非常好的契機。
當然了，從另外一方面上，投資巨大的高能物理學實驗其實已經對社會已經產生了巨大的推動。比如，改變20世紀后半頁人類文明的互聯網發源于美國國防部和基金委支持的項目，其中www萬維網就是由歐洲核子中心發明的。而中國互聯網起源于中國科學院高能物理研究所也是不爭的事實——當時，高能物理學權威、諾貝爾物理學獎得主李政道先生推動中美政府上層的關注才成功開通了中國的互聯網。
振興芯片產業
最近，中興通訊被美國禁運芯片，這給我們中國的高科技發展敲響了警鐘。
我們必須在高科技上做更多投入，未雨綢繆，自力更生，才可以突破西方國家對我們的高科技封鎖。而事在人為，目前中國有一個很好的選項是發展巨型電子對撞機，從側面帶動芯片產業的振興。
巨型電子對撞機需要建造巨大的電子軌道（類似于北京的五環那么大的真空隧道），從這個電子軌道上可以產生亮度極高的同步輻射光。這個同步輻射光可以在芯片加工中取代光刻機中的紫外光的作用，對我們國家的芯片產業的提升有巨大的幫助——同步輻射x射線光刻機是公認的下一代光刻機的候選者，這也是中國在光刻機領域彎道超車的好機會。一旦巨型電子對撞機建成，那么圍繞這個巨型對撞機可以建造很多芯片加工廠，這些加工廠出產的芯片具有比7納米更細的工藝制程，遠遠超過目前的世界一流水平。
而且，巨型電子對撞機的信號提取與分析也需要開發高質量的抗輻射的數據采集芯片，這能吸引一大批科學家參與到這個項目中來，因此這批科學家對中國芯片產業的發展也會有助推作用。
振興芯片產業，可以尋找新的思路，通過建設巨型對撞機來振興芯片產業，也許是一個值得思考的選項。
