诺贝尔奖得主杰尔姆·弗里德曼在台湾畅谈粒子物理研究心得

2016年7月12日，诺贝尔物理学奖(1990)得主杰尔姆·弗里德曼（Jerome Isaac Friedman）教授应邀莅临国立清华大学，以《观察质子中的夸克》为题，发表了一场「2016诺贝尔大师在清华」的通俗讲座。会前Friedman教授应国家理论科学研究中心主任朱创新教授邀请，参访国家理论科学研究中心，并与中心研究人员进行交流。当天Friedman教授也与朱教授、张元翰教授等人做了一场会谈，会后并接受媒体记者採访。 Friedman教授于本次访谈中除了深入浅出地提及他当年发现夸克的实验过程，更分享了他自己求学、投身物理、专注研究后一路走来的经验与感想，并以他个人角度侃侃而谈对当今物理实验的发展、学生的训练与生涯规划等议题之洞见。

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主持人：

• 朱创新(国立清华大学物理系教授，国家理论科学研究中心主任；以下简称朱)
• 张元翰(国立中央大学物理系教授，科技部自然署物理学门召集人；以下简称张)

朱：你先前曾提过你由艺术转到物理研究是因为狭义相对论；不过那还是属于理论研究。所以我很好奇是谁引导你进入实验领域，并且缔造如此成功的职业生涯？

Friedman: 嗯，这是个相当有趣的问题。其实在我进入物理系时，我曾经想过成为一名理论学家。毕竟我读过爱因斯坦的著作，而他是一位理论学家，所以让我也萌生成为理论学家的念头。当恩里科·费米 给我们上入门课程时他说了：『在接下来的二十或三十年裡，最炙手可热也最重要的事情将会发生在实验领域；我建议你们全部进入实验领域。』当一个如此伟大的人这样说了，除了一、两个例外，几乎全班的人都进入了实验领域。当这位伟人说实验很重要，我们就深信不疑全投入了实验。结果显示他是对的，那段时间可说是一段黄金年代。首先他发现新的粒子确实是基本粒子，并且在接下来的十到十五年，我们找到了所有粒子；因此我们有幺正对称，然后有标准模型。标准模型在1973年奠定了其重要地位，但这还是要基于实验，当时我稍微深入思索了一阵。事实上，他过世时还在芝加哥做实验。费米发现了这整个系统中第一个新的基本粒子，这是物理中一件非常重要的事。

朱：你刚提到了费米。我们知道杨振宁跟李政道都是费米的学生。杨振宁原先也因为费米而想成为实验学家，但他实验做得不太顺利，所以之后就转做理论物理去了。

Friedman: 我不太清楚这件事情，不过还满有意思的。费米对于事情的理解相当深入，我认为他的意见具有极高的参考价值。

张：如你所知，我是做实验的。你提到了学生时代，所以我想问个关于学生的问题。我想目前学生的现况与你所经历的有不小差距；现在我们常面对相当大型的实验，执行过程也十分耗时，同时学生也必须经常处理与物理并不直接相关的工作，像是焊接或调整电子仪器之类的。即使在他们开始取得数据和做物理分析之后，可能也没有什么新发现。不同于你刚才所说的黄金年代，新的发现可能每二十年才有一次，所以身处这样的环境三、四年后，学生们常感到相当的挫折。他们在刚进入物理领域时对此怀有高度热诚，但在经过这样的训练与环境后，他们的兴趣很容易会被重复性的技术工作消耗殆尽。我想请问你是如何指导学生，让他们能够保有对物理的热情以及兴趣？

Friedman: 每个人都肩负一些我常说的『busy work』，我也不能避免。重要的是，要让学生保持对物理的兴趣，以及确保他们了解吸引他们的是什么。你们知道的，实验最终的数据分析才会被写进论文之中，我们不会将繁复冗长的技术步骤一并说明。大致上我们还是会了解到一些概念，或许不是全新的发现，但可能是新的看法；若非如此，这就不会是一篇论文了；一篇论文必定要包含新的事物。我们必须要强调这一点，引导学生如何追寻他们的热情所在。当然，我们还是不断地寻找并试图了解某些东西，只是有些时候我们一无所获。但在实验过程中我们还是可以得到新的资讯，而且有时出乎意料地重要。举个搜寻超对称的例子：你可以让你的学生在某个能量范围寻找超对称的迹象，但超对称依然没有被发现；虽然没有发现，但却提高了超对称的质量限制。不过你知道若超对称要在高质量的地方出现，他就无法完成我们期望他能达成的事情。所以这件事还是相当重要。

所以学生仍然有很多事情可以做，最重要的是要让他们专注在这些事情上。我认为有些学生对此失去热情，是因为他们没有确实地被引导到物理世界中。

张：是的，我们还是会发现有些学生在此过程中逐步提升他们的兴趣，并在最终做出成果；但有一些人就失去兴趣，并转向技术方面的工作。

Friedman: 我想这部分并没有对错。假使我的学生因为喜欢技术方面进入业界而不继续钻研物理，诚如我刚说的，你应该做自己喜爱的事情。他们进入业界，并且做出贡献，这也不错啊！如果他们不做粒子物理，这也不会是什么悲剧；假若你真心喜欢粒子物理，你就会继续留在这个领域里，物质所得不会是你在意的首要条件。物理学的范围十分广泛，而你训练了他们成为物理学者，一名物理学者应该具备转换领域的判断能力与执行力，实际上也的确有不少这样的前例。若我们试图将人限制在一个窄小的范围内，就不能称得上是一个好的导师。而这也是粒子物理目前要面对并反思的一个问题。

朱：某种程度上来说，目前研究现况和大约六十年前已不太相同；现在我们已拥有不少完备的理论。许多实验学家经常尝试验证或尝试提高限制，但问题是我们需要新的发现，不像六十年前，我们能够不断地获取新的发现、新粒子与新现象。我们该如何面对这个瓶颈？

Friedman: 在某种意义上，这可以说是科学的成功，不过在这种成功之下也比较难做出新的发现。标准模型相当的让人惊讶，同时也非常的厉害，但即使如此，我们还是知道其中有不少缺陷存在；我们相信有些尚未被发现的东西可以指引甚至修正这些缺陷。在这个领域中，我们不自觉习惯性等著理论学家做出一些预测；我们常等着一些理论学家做出预测，然后再去验证这个预测是否合理。某些时候，我们应该找出新的现象，而不是总期望着计划性的发现。例如quark bound ，这就是一个不依赖理论的粒子。当时我们其实是想了解质子里面有些什么，有些人认为质子很奇怪，于是我们就仔细地观察质子。我们并没有在寻找夸克。我们的小组并没有刻意在寻找甚么，然而最终我们发现了夸克。这个发现可以说是个计划，但它并不在我们的计划之中，因为我们根本没有预设任何立场，没有任何理论给我们提示说：『做这个，你就会发现夸克！』就结论而言这真的很有趣。

朱：他们没有模型。

Friedman: 的确没有模型。比方说，有些想法是在大气中或是物质中找夸克，但终究没有找到。我们该怎麽面对这状况呢？盖尔曼写了一本书，书中有一只狮子做了结论，说我的朋友发现了一个寻找夸克的方法。但以某种角度而言这并不算是我们的功劳，因为我们实验的目的并不是为了寻找夸克，我们只是想要看看质子里面有些什么而已。当时我们做了一些类比预测，试图打破一个质子然后观察散射的电子，普遍人都无法接受这想法；大家觉得我们就这样试图从质子里面找东西，真是疯了。

朱：我了解，这像是我持续敲打并击碎一台车，然后想要知道车子的结构是什麽。

Friedman: 对，就像是你用子弹不断射击一台车，破坏它，最后它爆炸了，碎片散落一地。结果我们不去看什麽从车裡面跑出来，甚至不去检查那些碎片，然后说：『我要找出这台车有些什麽！』

朱：一定有什么深刻的东西让你知道这是可行的。

Friedman: 嗯，这正是一切的核心，后续有许多关于这方法何以成功的讨论。参与实验的每个人都有不同的动机，并且对做这实验有不同的想法或方法，我只能说我自己的想法；有人觉得，肯德尔（Henry Way Kendall，与弗里德曼共享1990年诺贝尔奖。） 说要这样做，然后他会整理好理论部分。但其实当时他并没有这样说，更没有叫我们这麽做，至少我没有接收到这项指令。至于我的动机说来其实挺有趣的，之前只有我一个人在做粒子物理实验。很难想像吧！然后我测试了一个模型，这模型说如果我们可以计算这东西，我们就可以把所有激发态加总起来，然后可以发现与交换力（exchange force）有关的东西。这结论让人十分惊讶。你知道，当你在量子力学里面加和所有激发态后，你就可以知道束缚态是什么。所以我想：『既然我不确定，为何不用质子来试试？或许会得到什么新的激发。』所以我总是想做非弹性散射，然后再延伸到深部非弹性散射（deep elastic scattering） 。但这其实不是一个很具体的想法，仅仅是个臆测，最终我们执行了。在实验进行前我们请了两、三位理论学家预测电子跟质子散射会发生什么事、怎么预测cross section，他们说：『做这没意义啊！别做这个！不有趣还浪费时间！』当然他们的说法比较委婉礼貌，但我们得到的回应大致就是这个意思。所以在我们开始做实验的时候，我们其实没有线索去了解我们得到的结果。这时我就想啊：『费米 会怎么想？』当然我不是他，但至少我在他那里学到了一些东西。所以我从一个简单的模型出发，我可以跟你描述一下这个模型。当你做电子散射时，你实际上是在做光子生成。所以你大概有一个电子跟一个藏在质子里的光子，之后他们作用产生各式各样的粒子。所以这是一个虚光子生成的过程，而且可以直接量测。放入一个电子的propagator，大概是q 平方分之一，然后还有一个vertex function ，q 平方，；如果放进这个，你就必须要有个大小尺度，使得最后的单位是cross section 。在这边你可以想到的大小尺度就是质子的大小了！所以当你有一个q 平方乘上质子的大小，这是什么？这是form factor ！所以你在做的就是有光生成cross section 乘上质子的form factor 及propagator。这就是你解出来的东西。

接下来就开始做量测啦。我们开始不断提高能量，十倍、一百倍、一千倍，之后就了解到里头的物理。然后我们发现到在质子裡还有个小得多的大小尺寸使得cross section 更大。接着我们花了不少时间，从这个提示做了一些计画，排除了许多可能的因素。我们需要一些其他的量测，于是做了背景的deep inelastic scattering 。我们开始引起一些人的兴趣，他们觉得：『喔！真是有趣！』所以他们给我们很多时间，我们也获得很多关注。举个例子，如果碳原子核的准弹性散射，那我们把碳给毁掉，这时候看散射的电子，就不是在看激发态，而是一片连续带。对连续带的中心做q 平方分析，就可以得到碳原子核中质子组成的平均form factor ，所有中子跟质子的平均。我们尝试过这个分佈，大概是平的。等一下的演讲中会有一些简单的方程式。这些就是我们做的。

朱：我了解，深刻的结果其实经常是可以透过一些简单的估计而获得。我们应该要训练学生，培养他们拥有这种敏锐直觉。

Friedman: 正是如此。就像我刚才说的，不管你做些什么，都要能从这种基础观点去了解。就像费米说的，如果你不能从这种估计去理解，那你就不知道你在做些什么。他真的是这方面的大师！他在这方面有许多故事。像是当他航越大西洋的时候，他看到海面上的波动，依据流体力学所做的估计，然后就预测出了距离。他就是一个反应如此敏捷的人。像是他们试爆核弹的时候，他丢下一些碎纸，然后就估计出爆炸的能量。他真的很深刻的了解物理，所有人在他面前都相形见绌。

张：接着我想问个有意思的问题，实验领域的学生应该了解理论到什么程度？就举个你刚提到的超对称探测当例子，对实验领域的学生来说这理论有相当的难度，我不觉得我们之中大多数的人可以很深入的理解超对称，但学生有些时候会花上许多时间去了解他的方程式或是结果。

Friedman: 这问题挺有趣的，但这其实没什么答案。就说说我的学生吧。我要求他们了解他的推论及意义，或是为什么会提出超对称。当然，我希望他们了解超对称到底是什么、为什么需要以及它有些什么含义。一个学生能了解到这些，大致上就够了。至少他们要了解到为什么我们需要这个理论，为什么会想要这理论。像是一些hierarchy 问题，或是些其他的议题。超对称是个漂亮而杰出的概念，它的表达也相当准确。

朱：这是非常技术性的。

Friedman: 是的，因为其中有极其大量的参数。其中一个关于超对称理论，我想起来的就有超过三百个，其他或许还有更多。所以若超对称真的是对的理论，想像一下有多少参数要测量才能了解整个理论与所有的现象！在某种程度上，我希望能有其他理论达成相同的目标，而且不那么复杂。我并没有紧迫关注这部分，但我想应该会有。你们大概知道现在的极限在哪。

张：事实上，这也是个问题，因为越来越难侦测到超对称的信号，理论学家开始做些更多参数也更复杂的理论。这让我们有点挫折。我们需要了解为什么今天突然有个参数要测量，或者应该将之排除。坦白说，我自己都很难了解所有理论上的原因，并且每天都会有新的想法。但我觉得你的建议很非常好，我会让我的学生知道关于超对称我们应该了解到什么样的程度，而不光是把所有东西都塞到脑袋里。

Friedman: 问题是所有东西都很复杂，并不是说学生没有能力做所有的计算，而是他们没太多闲暇，只是坐下来计算这些东西要耗费庞大的时间！不过我认为理解比较重要。

朱：帮助他们做连结。

Friedman: 是啊！但我相信你们都了解，许多因素会影响大型强子对撞机（LHC） 的数据，这跟LHC 有关，这之中有非常多可能的探索。你或许会想：『啊！这可能性几乎可说是无法计量，我为什么还要做这些呢？』但你还是该看一看、想一想。举个例，有人建议 d 夸克的某个东西很重要，所以应该有 b 粒子。但谁能肯定呢？我的意思是，总有些东西是可以做做看的。看看那些数据，可能一次实验就有一海票数据点。以往通常是一种途径一项研究，路径是很清晰明确的；但现在是数条途径同时出现，你可以测量到所有东西。

朱：我们该进行最后一个问题了。

张：我还有一个问题需要借助你的智慧。

Friedman: 谢谢你称呼我有智慧。 （笑）

张：现在我们有很多大型的实验，像是CMS 跟ATLAS ，并且每一年也都会要求我们提供更多的资源。他们需要更多的经费以利升级探测器。同时像我刚才提过的，我们也参与一些比较小的实验。可是经费的总额是有限的，所以我们现在面临一个选择：我们究竟该继续维持大实验而牺牲小实验呢？或做其他的决定？我们该怎么面对这样的状况呢？

Friedman: 这的确是个相当棘手的问题。我们可以由很多层面方式来思考，其中一个想法是：哪一个可以对科学做出最大贡献。科学是什么？科学的重要性又是什么？对我来说最关键的差别就是『我们是否身处于那项实验之中』。另一方面，同时做太多事情总是容易造成问题。我并没有特别倾向哪一种方式，所以我并不想直接给你意见。但你还是要注意，如果把人太过分散，很多事情就无法达成。当然，即使你是在大实验中的一个小型群组，也不代表你不能做出重要的事。我说这些话的原因是现在所有人都能取得数据，所以你不需要同时有一大群人处理数据的问题。你是指比较少的人吗？大概十个？

张：是的。

Friedman: 那就是个有效率的数目了，十个人已经足够进行探索；但你还是要去寻找些什么。当你在进行所谓的『计画性的实验』，同时间可能已经有一千个人在做相同的事情了，因为大家都会想做这些事。例如Higgs ，大家都想做Higgs，因为它是一个很重要的问题。在这种状况下，要有独特的影响力就显困难了。不过你可以找一些稍微偏离主流、但依旧能做出结果的方向，这样也可以在这些方向上做出好的成果。这不是件坏事，你还是可以在大实验中做出影响，但是要确保仍旧有足够的人员进行这项工作。举个例子，一个人在ATLAS 一个人在CMS ，这样就会比较困难。但如果你有一群人，那你就可以找一些项目，并且做出贡献。

朱：好吧，时间剩下不多了，我们留一点时间给现场听众吧。如果你有问题想问请提出来。

学生：当你还是学生时，粒子物理的未来一片光明，但现在跟当时已经有很大的差距了。所以你现在还会推荐学生加入这个领域吗？或是对研究有些什么建议呢？

Friedman: 我认为你只有真的喜爱粒子物理才会进入这个领域。我的意思是，如果你开始考虑未来所有的可能性，你绝对不会知道该做些什么。你必须要根据你的兴趣去选择你真的会想做的事。假如，因为某些原因粒子物理这个领域消失——我是说假如啦，这不会发生——你还是可以做天文物理啊。就很多方面来说，这领域并不会真的消失。领域之间彼此都有很深的连结。如果你想，你也可以把你学到的拿投入凝聚态物理啊。我想，如果你真的了解物理，只要经过一些学习辅助，你会有能力转换领域的。如果你真的深深了解物理，这不会成为一个大问题。如果你因为喜欢而去做，那就尽管去做；就算有什么状况发生，你也能克服。别担心所有可能发生的事，那只会绑手绑脚。当我还是个学生时，的确不断有资金投入物理界，但我其实不知道是不是还有其他的阻碍；我只是单纯觉得有趣、很享受做这件事，最后的确是有不错的发展与回馈。其实也有可能并没有那些新的粒子，我也可能没那么有兴趣；但这终究是个非常精彩的历程。你永远也不知道接下来会发生什么事，有可能我们在LHC 发现新东西，然后持续的建造更大的加速器。未来真的无法预测，就尽管做自己喜欢的吧！别担心太多，不然终将一无所获。我了解你的担忧，但谁也无法确定任何领域的未来。

朱：其实在物理的历史中，每当我们觉得不乐观的时候，就是有什么惊天动地要发生的时候了。

Friedman: 没错，这就是科学！试着想像五十年后科学的样貌，但实在太难想像了。谁知道未来会发现些什么？我都不知道750 GeV 到底是真的还假的了。

朱：或是暗物质？ （笑）

Friedman: 是啊，如果是真的，我的天啊，接下来就会有一连串的问题出现。如果这不是真的，或许会有其他东西蹦出来也说不定。

朱：谢谢你今天来到这边并且与我们进行这场座谈。让我们再次感谢今天莅临的大家。