9月4日，《知識(shí)分子》刊發(fā)了楊振寧先生的文章《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》，作為正在高能物理一線從事實(shí)驗(yàn)工作的科學(xué)家、現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)，我不能同意他的觀點(diǎn)。
(一)楊先生反對(duì)的第一點(diǎn)理由是造大型加速器是無(wú)底洞。這里涉及三個(gè)問題，一個(gè)是SSC為什么失�。康诙侵袊�(guó)的大型加速器需要多少錢？第三是這個(gè)估計(jì)可靠嗎，是不是又是一個(gè)無(wú)底洞？下面我一一回答。
美國(guó)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)(SSC)失敗的原因有很多，包括當(dāng)時(shí)的政府赤字且與國(guó)際空間站爭(zhēng)奪經(jīng)費(fèi)、美國(guó)的兩黨政治斗爭(zhēng)、德克薩斯與其他地區(qū)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)等�！邦A(yù)算超支”絕不是SSC失敗的主要原因。
對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)SSC半途下馬是極為錯(cuò)誤的，它使美國(guó)的高能物理研究失去了發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的機(jī)會(huì)，失去了國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)地位，到現(xiàn)在還沒有翻身。當(dāng)年美國(guó)科學(xué)界反對(duì)SSC的理由跟我們今天在中國(guó)聽到的很相似。事實(shí)上SSC的終止并沒有讓任何科學(xué)家獲得經(jīng)費(fèi)的增加。在此之后歐洲建造了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，獲得了極大的成功。雖有超支，但并不是太多。
中國(guó)的政治與美國(guó)完全不同，對(duì)大工程建設(shè)實(shí)際上有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榕既恍暂^小。SSC失敗，不代表我們就不能建造大型加速器。
我們規(guī)劃的大型對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目(以周長(zhǎng)為100公里算)分兩步走：第一步正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)建設(shè)階段，約在2022—2030年間，工程造價(jià)(不包括土地、“七通一平”等)約400億人民幣。
如果這第一步成功，CEPC有新物理的跡象，且高場(chǎng)磁鐵所需新型超導(dǎo)材料技術(shù)成熟，其價(jià)格降到合理水平(比如20元/千伏安米)，我們可以走第二步，質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(SPPC)階段，工程造價(jià)在1000億人民幣以內(nèi)，時(shí)間是在2040—2050年左右。這里如果減去國(guó)際貢獻(xiàn)約30%，中國(guó)政府應(yīng)該出資大約300億人民幣(每年30億)和700億人民幣(每年70億)，但不包括未來(lái)的通貨膨脹。
過去50年間，國(guó)際上有許多成功的加速器工程(如LEP，LHC，PEPII，KEKB/SuperKEKB等)，也有許多不太成功的加速器工程(ISABELLE，SSC，F(xiàn)AIR等)。這里不成功的都是質(zhì)子加速器，電子對(duì)撞機(jī)還沒有不成功的先例。原因主要還是質(zhì)子加速器較為復(fù)雜，對(duì)超導(dǎo)技術(shù)的預(yù)估較難，不易在技術(shù)、造價(jià)與指標(biāo)上有一個(gè)恰當(dāng)?shù)陌盐铡?
高能所建所40年以來(lái)，在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)、散裂中子源、ADS注入器等超過億元的大型加速器及探測(cè)器工程中，均按工期、指標(biāo)完成，實(shí)際造價(jià)與預(yù)算相比，連5%都沒有超。我們有成熟的估價(jià)、建造、管理經(jīng)驗(yàn)。
對(duì)CEPC的估價(jià)我們采用了兩種辦法：(1)分解法：將各設(shè)備部件造價(jià)相加；(2)類比法：與國(guó)內(nèi)外已完成的同類裝置與設(shè)備相比。在總價(jià)和系統(tǒng)級(jí)，兩種辦法得出的結(jié)果，誤差在20%以內(nèi)。在完成了初步概念設(shè)計(jì)以后，我們產(chǎn)生了一個(gè)1000多項(xiàng)的設(shè)備清單，據(jù)此進(jìn)行了造價(jià)估計(jì)，并邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了評(píng)審。
對(duì)第二階段SPPC的估計(jì)我們只采用了類比法。因?yàn)檫@不是現(xiàn)階段的任務(wù)，只是可能性。談?wù)撍脑靸r(jià)意義不大。不成熟不會(huì)啟動(dòng)，所以怎么會(huì)是無(wú)底洞呢？
(二) 楊先生反對(duì)的第二點(diǎn)理由是中國(guó)目前仍然是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，還有亟待解決的民生問題，超大型對(duì)撞機(jī)不是燃眉之急，目前不宜考慮。
民生問題當(dāng)然要解決，但我們也要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)，發(fā)展要可持續(xù)，要有領(lǐng)先世界的能力。高能物理研究物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)及其規(guī)律，采用的手段從加速器、探測(cè)器到低溫、超導(dǎo)、微波、高頻、真空、電源、精密機(jī)械、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)等，很大程度上引領(lǐng)了這些高技術(shù)的發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。建造大型對(duì)撞機(jī)可以使我們領(lǐng)先國(guó)際達(dá)幾十年，使一些重要技術(shù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化并走到世界最前沿，可以形成一個(gè)國(guó)際科技中心吸收國(guó)外智力資源，可以培養(yǎng)幾千名能創(chuàng)新的的頂尖人才，怎么不是燃眉之急，當(dāng)務(wù)之急？
而且一個(gè)大國(guó)，沒有對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)，很難說(shuō)話響亮，這影響中國(guó)在世界上獲取利益。
從占GDP的比例來(lái)看，大型對(duì)撞機(jī)的造價(jià)(即使包括SPPC)并沒有超過1980年代的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，也低于國(guó)際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計(jì)劃中的設(shè)施。
下一個(gè)五年計(jì)劃開建大型對(duì)撞機(jī)，是我們?cè)诟吣芪锢眍I(lǐng)域領(lǐng)先國(guó)際的一個(gè)難得的機(jī)遇。首先新發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子質(zhì)量很低，使我們有可能提出環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)這個(gè)方案來(lái)研究它，還有機(jī)會(huì)改造成質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，有50年以上的科學(xué)壽命；其次，歐洲、美國(guó)和日本手頭都有項(xiàng)目，20年之內(nèi)很難騰出手來(lái)，我們的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境好；第三，我們有北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，我們有技術(shù)和人員隊(duì)伍的積累，還有極好的大型地下工程施工經(jīng)驗(yàn)。這個(gè)機(jī)遇窗口只有10年，失去了，下一次就不知道是什么時(shí)候。
(三)楊先生反對(duì)的第三點(diǎn)理由是建造超大對(duì)撞機(jī)必將大大擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)的經(jīng)費(fèi)。
中國(guó)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)目前占研發(fā)經(jīng)費(fèi)的比重大約是5%，國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家一般是15%。中國(guó)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)還有巨大的增長(zhǎng)空間，大約每年1000億人民幣以上，CEPC不會(huì)擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)研究的經(jīng)費(fèi)。
另一方面，增加的經(jīng)費(fèi)應(yīng)該向哪個(gè)方面投呢？大家都知道我國(guó)的基礎(chǔ)科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)中相當(dāng)大的比重是用來(lái)購(gòu)買外國(guó)儀器。如果我們突然平均地增加基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)，或向某些領(lǐng)域傾斜，估計(jì)會(huì)大大拉動(dòng)美歐日的GDP。而如果我們花10年的時(shí)間投入300億建造加速器，90%以上的錢會(huì)花在國(guó)內(nèi)。而CEPC的投入從長(zhǎng)期來(lái)看，是使各領(lǐng)域的比例與國(guó)際上基本一致(目前國(guó)內(nèi)粒子物理、核物理比例嚴(yán)重偏低)。國(guó)家現(xiàn)在提出發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)國(guó)際大科學(xué)工程和計(jì)劃，CEPC是一個(gè)極好的候選項(xiàng)目。
(四)楊先生反對(duì)的第四點(diǎn)理由是高能物理學(xué)家想尋找的“超對(duì)稱粒子”和“量子引力化”都未被發(fā)現(xiàn)，未來(lái)希望用對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子也是不會(huì)成功的。
建造大型對(duì)撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)不是那樣。我們的科學(xué)目標(biāo)，簡(jiǎn)言之：粒子物理目前的標(biāo)準(zhǔn)模型只是一個(gè)在低能情形下的有效理論，需要繼續(xù)發(fā)展更深層次的理論，雖然現(xiàn)在已有一些超出該模型的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)指明未來(lái)的發(fā)展方向。
目前已知的標(biāo)準(zhǔn)模型中的問題，大部分與希格斯粒子有關(guān)，因此更深層次的新物理應(yīng)該會(huì)從希格斯粒子處露出蛛絲馬跡。CEPC可以將希格斯粒子的測(cè)量精度提高至1%左右，比LHC好10倍，這就可以確認(rèn)希格斯粒子的性質(zhì)，判斷希格斯粒子是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言完全一致。同時(shí)CEPC還有望首次測(cè)量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場(chǎng)參與的真空相變的形式，這對(duì)宇宙的早期演化具有重要意義。因此，無(wú)論LHC是否發(fā)現(xiàn)新物理，CEPC都是需要的，這是粒子物理發(fā)展中跳不過去的一步。
如果有新的希格斯粒子耦合形式、新的伴隨粒子、非點(diǎn)結(jié)構(gòu)的希格斯粒子，或其它與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏差，我們可以進(jìn)行第二階段，建造大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，直接尋找造成偏差的原因。這個(gè)原因當(dāng)然可能是超對(duì)稱粒子，也可能是其他粒子。現(xiàn)在還無(wú)法預(yù)言對(duì)撞機(jī)會(huì)不會(huì)發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子。
(五)楊先生反對(duì)的第五點(diǎn)理由是七十年來(lái)高能物理的大成就對(duì)人類生活沒有實(shí)在的好處，未來(lái)也不會(huì)有好處。
七十年來(lái)，高能物理發(fā)展出的技術(shù)與生活息息相關(guān)。沒有高能物理，就沒有同步輻射光源、自由電子激光和散裂中子源等裝置，我們現(xiàn)在的許多生物、地質(zhì)、環(huán)境、材料、凝聚態(tài)等方面的進(jìn)步就無(wú)從談起。沒有高能物理，今天在醫(yī)院里的很多檢查與治療(MRI，PET, 癌癥的放射性治療等)就不會(huì)存在，或者會(huì)推遲出現(xiàn)，許多人的生命會(huì)被縮短，生活質(zhì)量會(huì)降低。沒有高能物理，觸摸屏就會(huì)推遲出現(xiàn)，智能手機(jī)就是一個(gè)夢(mèng)想；沒有高能物理，就沒有WWW網(wǎng)。人類從WWW網(wǎng)中得到的收益，遠(yuǎn)大于對(duì)高能物理的全部投入。
中國(guó)建大加速器對(duì)我們有什么實(shí)際的好處呢？第一階段300億人民幣的投入(2022年起，每年30億)，至少使我們可以在以下技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并領(lǐng)先國(guó)際：
a)高性能超導(dǎo)高頻腔(應(yīng)用于幾乎所有的加速器)
b)高效率、大功率微波功率源(也可應(yīng)用于雷達(dá)、廣播、通訊、加速器等)
c)大型低溫制冷機(jī)(也可應(yīng)用于科研設(shè)施、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、醫(yī)療設(shè)備等)
d)高速、抗輻照硅探測(cè)器、電子線路與芯片等
同時(shí)我們還可以在精密機(jī)械、微波、真空、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)獲取與處理，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)方面領(lǐng)先國(guó)際，可以培養(yǎng)上千名頂尖的物理學(xué)家和工程師，引進(jìn)上千名國(guó)際頂尖的科學(xué)家和工程師。
如果有第二階段，2040年起每年70億人民幣的投入，可以帶動(dòng)高溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)磁體等應(yīng)用技術(shù)的實(shí)用化，并國(guó)際領(lǐng)先。這個(gè)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模大概遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過700億人民幣。除此之外，也許還有出人意料的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)。
(六)楊先生反對(duì)的第六點(diǎn)理由是高能所三十年來(lái)的成就不高，超大對(duì)撞機(jī)90%的工作將由非中國(guó)人來(lái)主導(dǎo)，諾貝爾獎(jiǎng)也不會(huì)是中國(guó)人。
從建立北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)開始。國(guó)家對(duì)高能所在高能物理研究方面的投入，除人員建筑、實(shí)驗(yàn)室及設(shè)備、研究經(jīng)費(fèi)之外，主要科學(xué)設(shè)施是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(2.4億元，1984年)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程(6.4億，2004年)，和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)(1.7億，2007年)等，一共約10億元人民幣。與國(guó)內(nèi)其它領(lǐng)域相比，比如楊先生提到的生物、凝聚態(tài)、天文物理等，無(wú)論是總數(shù)還是人均，都絕對(duì)不算多。這些投入取得的成果、各種國(guó)內(nèi)外獎(jiǎng)勵(lì)，與國(guó)內(nèi)其它領(lǐng)域相比絕對(duì)不少。這點(diǎn)投資與國(guó)際上比差好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；但我們的成果可以跟他們比肩，至少我們現(xiàn)在是國(guó)際高能物理領(lǐng)域四大實(shí)驗(yàn)室之一(CERN，F(xiàn)ermi，KEK，IHEP)。
我們中國(guó)的科學(xué)家2012年在國(guó)際上獨(dú)立地首次提出CEPC-SPPC的設(shè)想，得到國(guó)際上的積極響應(yīng)與支持。隨后我們開展了初步概念設(shè)計(jì)，雖然有國(guó)際參與，但主要是以我們?yōu)橹魍瓿闪恕冻醪礁拍钤O(shè)計(jì)報(bào)告》。所以將來(lái)超大對(duì)撞機(jī)70%的工作將由中國(guó)人來(lái)主導(dǎo)完成，至少會(huì)與我們的出資比例一致。
高能所參加過1980年代北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)設(shè)計(jì)與建設(shè)的專家都說(shuō)，當(dāng)年的困難比起今天的CEPC，只大不小。我們不會(huì)一代不如一代。我們有信心和能力獨(dú)立完成CEPC。當(dāng)然從國(guó)際合作考慮，還是需要放手一些工作內(nèi)容。
至于未來(lái)第二階段質(zhì)子加速器的工作，我們目前確實(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，需要努力。但我們還有二十多年，實(shí)現(xiàn)“完成工作與出資比例相當(dāng)”這個(gè)最低目標(biāo)，以我們過去三十多年進(jìn)步的記錄來(lái)看，是可以完成的。
至于中國(guó)人得諾貝爾獎(jiǎng)，我覺得無(wú)法預(yù)料，也不是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)投入的目的。我們希望中國(guó)有一個(gè)CERN這樣的研究機(jī)構(gòu)，至于有沒有希格斯這樣的人去得諾貝爾獎(jiǎng)，并不重要。
(七)楊先生反對(duì)的第七點(diǎn)理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“幾何理論”，不在大型加速器。
“新加速原理”確實(shí)是一個(gè)加速器發(fā)展的重要方向，也許將來(lái)幾十年內(nèi)能用于高能物理固定靶實(shí)驗(yàn)，或某些對(duì)束流品質(zhì)要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域。在高能對(duì)撞機(jī)方面，無(wú)論是束流品質(zhì)還是能量利用效率，都還有太長(zhǎng)的路要走。高能物理不能等待這個(gè)新技術(shù)成熟。至于“幾何理論”，或是“弦理論”，虛無(wú)縹緲，不是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家現(xiàn)在考慮的問題。
高能物理的前途在哪里，見仁見智。我們應(yīng)該更多地聽取科研一線新生代科學(xué)家的意見。(中科院高能物理研究所所長(zhǎng) 王貽芳)
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