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从《宇宙的琴弦》谈到巨型电子对撞机和振兴芯片产业

2019-01-07 eNet&Ciweek/轩中

琴弦激扬让宇宙尽显优雅和谐

 2018年4月,我重新读了一遍科普书《宇宙的琴弦》。这本书于1999年在美国出版,2007年,由李泳先生翻译后在中国的湖南科技出版社出版。2007年我还在读理论物理的研究生,而且对弦论也很有兴趣,所以当时我就读过一遍这个科普书,也加深了对弦论的印象。当然,那时候弦论的思想革命刚刚完成,学术圈对这个理论普遍看好——当时也忽视了一个关键的问题,那就是弦论到底是不是真的物理学,我们应该如何用实验来检验这个理论。

此书英文版的书名并不是“宇宙的琴弦”,而是the elegant universe, 如果按照直译,则应该翻译为“优雅的宇宙”——为什么说宇宙很优雅呢?原来在这本书中,写到的是由弦论刻画的宇宙,而弦论是一个很数学化的理论,从数学的角度来看,这个理论非常漂亮,犹如平面几何的一些结论,似乎反映了宇宙的优雅和谐。

弦论到底是数学还是物理?

《宇宙的琴弦》全书通篇都在讲弦论,从爱因斯坦的相对论讲到微观世界的量子论,随后讲到这两者的结合——弦论。但弦论到底是数学还是物理,现在却成了一个巨大的疑问。

一个数学物理理论,如果不能被物理实验检验,那么这样的理论只能是数学,而不能称之为物理。

弦论作为20世纪80年代以后崛起的理论物理思潮,其主要目的是统一广义相对论与量子力学,从而解释为什么我们的宇宙会起源于大爆炸,也解释各个基本粒子(比如电子)的质量的大小是怎么产生的,它还试图给出霍金的黑洞熵公式的微观起源。但是,到目前为止,弦论中使用的其中一个重要前提假设还没有被实验所证实,这个重要假设就是超对称性。

超对称性具有非常优雅的数学形式,也征服了很多数学物理学家。比如说在此书第10章讲到的“镜像对称”,描述了在几何上不同,但在物理上相同的卡拉比——丘成桐空间。这个优美的数学结构其实也犹如宇宙的琴弦发出的美妙旋律,让人感觉到宇宙的和谐。

卡拉比——丘成桐空间描述的是弦论所要求的6维的额外维空间(我们现实生活的宇宙看起来是一个巨大的4维时空,在4维时空的每一点上都有一个6维的卡拉比——丘成桐空间,就好像我们的脑袋的表面是2维的,在脑袋上每一点都长了一根1维的头发那样)。这个微小的卡拉比——丘成桐空间空间具有超对称的物理结构(虽然在实验上还没有被看到,就好象18世纪的人看不到原子那样)。

如何验证这样卡拉比——丘成桐空间在物理上真实存在,一直是困扰着科学家的难题。超对称性是卡拉比——丘成桐空间的本质。但是,假如超对称性不能被物理实验检验,那么弦论就不是一个合格的物理理论,只能称它为一个优雅的数学理论。

用巨型电子对撞机检验超对称性?

还记得两年前的2016年8月1日,我在清华大学参加“弦论2016”国际学术年会,并且对当时参加这个会议的弦论专家丘成桐、威腾、格罗斯、马德西纳、王贻芳、戴自海、瓦法等科学家进行了集体访谈。

当时的访谈活动由著名数学家丘成桐先生主持,丘成桐先生热心推动中国的科技事业发展,积极倡导在中国修建巨型电子对撞机——为此,他还特地与人合著了一本科普书《从万里长城到巨型对撞机》。

在“弦论2016”这个弦论大牛云集的弦论会议上,我看到在中国建设巨型的对撞机验证弦论在物理上的正确性已经成为会议的主题之一——弦论专家们渴望用实验来验证超对称性的存在,从而证明弦论是一个物理理论而不仅仅是一个数学理论。

因此优雅的“宇宙的琴弦”到底是数学猜想,还是真正的物理?回答这个问题需要巨型对撞机来验证。而建造巨型对撞机却需要几百亿人民币的投入。

几百亿人民币多吗?

其实也不多,据了解,投资在武汉的存储芯片研发制造公司长江存储上的钱就达到了1600亿人民币的规模。这个规模投入显然也超过了建造巨型电子对撞机的费用。

目前的中国,经济总量已经很大,但在投资建造巨型电子对撞机的决策上还是趋向于保守。在这个过程中也出现了不少反对的声音。

巨型对撞机需要用到芯片,科学家可以参与开发芯片

哥伦比亚大学高能物理学博士赵天池透露,在巨型对撞机中需要用很多技术含量很高的专用芯片,这些专用芯片用于对撞机中与上百万路的探测器模拟信号输出的放大、数字化信号收集和处理存储,以及数据分析。比如像欧洲核心中心的大型强子对撞机的探测器CMS 实验组就开发了APV25芯片,这是一个著名的信号放大数字化芯片——这个芯片与智能手机里用到的芯片是差不多一样的。

中国目前还没有像欧洲核子中心那样的巨型对撞机,但在北京正负电子对撞机等高能物理实验中,中国科学院的高能物理研究所,中国科学技术大学以及清华大学工程物理系自己设计一些简单的芯片,由代工厂制造用于高能物理实验,但目前这些芯片大约相当于西方十几年前的水平。

据了解,目前中国正在进行的高能物理实验——江门中微子实验也自己开发了一些芯片,用于中微子探测的信号采集与处理等。

因此,总得说来 ,包括大型对撞机在内的高能物理实验对高精尖的芯片具有天然的需求。参加这些科学项目的科学家也天然地具有开发芯片的能力与动机。一旦大型对撞机项目在中国启动,必然会培养出一批擅长于开发芯片的科学家。

造巨型电子对撞机可以促进高科技在中国的发展

建造巨型电子对撞机虽然投资巨大,但这种投向前沿科学领域的投入往往是不会白费的——最后一定会转化为现实的生产力,也会带动我们国家的高科技产业的发展。

除了芯片,巨型对撞机所需要用到的超导磁铁就可以带动一片巨大的产业——超导磁铁可以用到核磁共振仪器的开发,可以用到低损耗输电,可以用到高精度信号滤波器,甚至可以用到开发脑电波仪器等……

所以,投资搞巨型对撞机,表面上看是验证弦论在物理上的正确性,其实能给国家的科技带来新的突破,这是一个非常好的契机。

当然了,从另外一方面上,投资巨大的高能物理学实验其实已经对社会已经产生了巨大的推动。比如,改变20世纪后半页人类文明的互联网发源于美国国防部和基金委支持的项目,其中www万维网就是由欧洲核子中心发明的。而中国互联网起源于中国科学院高能物理研究所也是不争的事实——当时,高能物理学权威、诺贝尔物理学奖得主李政道先生推动中美政府上层的关注才成功开通了中国的互联网。

振兴芯片产业

最近,中兴通讯被美国禁运芯片,这给我们中国的高科技发展敲响了警钟。

我们必须在高科技上做更多投入,未雨绸缪,自力更生,才可以突破西方国家对我们的高科技封锁。而事在人为,目前中国有一个很好的选项是发展巨型电子对撞机,从侧面带动芯片产业的振兴。

巨型电子对撞机需要建造巨大的电子轨道(类似于北京的五环那么大的真空隧道),从这个电子轨道上可以产生亮度极高的同步辐射光。这个同步辐射光可以在芯片加工中取代光刻机中的紫外光的作用,对我们国家的芯片产业的提升有巨大的帮助——同步辐射x射线光刻机是公认的下一代光刻机的候选者,这也是中国在光刻机领域弯道超车的好机会。一旦巨型电子对撞机建成,那么围绕这个巨型对撞机可以建造很多芯片加工厂,这些加工厂出产的芯片具有比7纳米更细的工艺制程,远远超过目前的世界一流水平。

而且,巨型电子对撞机的信号提取与分析也需要开发高质量的抗辐射的数据采集芯片,这能吸引一大批科学家参与到这个项目中来,因此这批科学家对中国芯片产业的发展也会有助推作用。

振兴芯片产业,可以寻找新的思路,通过建设巨型对撞机来振兴芯片产业,也许是一个值得思考的选项。

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