中科院專家反駁楊振寧：建大型對撞機正當其時

　　9月4日，《知識分子》刊發(fā)了楊振寧先生的文章《中國今天不宜建造超大對撞機》，作為正在高能物理一線從事實驗工作的科學(xué)家、現(xiàn)任中國科學(xué)院高能物理研究所所長，我不能同意他的觀點。

　　(一)楊先生反對的第一點理由是造大型加速器是無底洞。這里涉及三個問題，一個是SSC為什么失敗？第二是中國的大型加速器需要多少錢？第三是這個估計可靠嗎，是不是又是一個無底洞？下面我一一回答。

　　美國超導(dǎo)超級對撞機(SSC)失敗的原因有很多，包括當時的政府赤字且與國際空間站爭奪經(jīng)費、美國的兩黨政治斗爭、德克薩斯與其他地區(qū)的區(qū)域競爭等。“預(yù)算超支”絕不是SSC失敗的主要原因。

　　對美國來說SSC半途下馬是極為錯誤的，它使美國的高能物理研究失去了發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的機會，失去了國際領(lǐng)導(dǎo)地位，到現(xiàn)在還沒有翻身。當年美國科學(xué)界反對SSC的理由跟我們今天在中國聽到的很相似。事實上SSC的終止并沒有讓任何科學(xué)家獲得經(jīng)費的增加。在此之后歐洲建造了大型強子對撞機(LHC)，獲得了極大的成功。雖有超支，但并不是太多。

　　中國的政治與美國完全不同，對大工程建設(shè)實際上有優(yōu)勢，因為偶然性較小。SSC失敗，不代表我們就不能建造大型加速器。

　　我們規(guī)劃的大型對撞機項目(以周長為100公里算)分兩步走：第一步正負電子對撞機(CEPC)建設(shè)階段，約在2022—2030年間，工程造價(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，且高場磁鐵所需新型超導(dǎo)材料技術(shù)成熟，其價格降到合理水平(比如20元/千伏安米)，我們可以走第二步，質(zhì)子對撞機(SPPC)階段，工程造價在1000億人民幣以內(nèi)，時間是在2040—2050年左右。這里如果減去國際貢獻約30%，中國政府應(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)，但不包括未來的通貨膨脹。

　　過去50年間，國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，電子對撞機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，對超導(dǎo)技術(shù)的預(yù)估較難，不易在技術(shù)、造價與指標上有一個恰當?shù)陌盐铡?

　　高能所建所40年以來，在北京正負電子對撞機、大亞灣中微子實驗、散裂中子源、ADS注入器等超過億元的大型加速器及探測器工程中，均按工期、指標完成，實際造價與預(yù)算相比，連5%都沒有超。我們有成熟的估價、建造、管理經(jīng)驗。

　　對CEPC的估價我們采用了兩種辦法：(1)分解法：將各設(shè)備部件造價相加；(2)類比法：與國內(nèi)外已完成的同類裝置與設(shè)備相比。在總價和系統(tǒng)級，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)計以后，我們產(chǎn)生了一個1000多項的設(shè)備清單，據(jù)此進行了造價估計，并邀請國內(nèi)外專家進行了評審。

　　對第二階段SPPC的估計我們只采用了類比法。因為這不是現(xiàn)階段的任務(wù)，只是可能性。談?wù)撍�的造價意義不大。不成熟不會啟動，所以怎么會是無底洞呢？

　　(二) 楊先生反對的第二點理由是中國目前仍然是一個發(fā)展中國家，還有亟待解決的民生問題，超大型對撞機不是燃眉之急，目前不宜考慮。

　　民生問題當然要解決，但我們也要考慮長遠，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、探測器到低溫、超導(dǎo)、微波、高頻、真空、電源、精密機械、自動控制、計算機與網(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。建造大型對撞機可以使我們領(lǐng)先國際達幾十年，使一些重要技術(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)國產(chǎn)化并走到世界最前沿，可以形成一個國際科技中心吸收國外智力資源，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，當務(wù)之急？

　　而且一個大國，沒有對人類文明的貢獻，很難說話響亮，這影響中國在世界上獲取利益。

　　從占GDP的比例來看，大型對撞機的造價(即使包括SPPC)并沒有超過1980年代的北京正負電子對撞機，也低于國際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計劃中的設(shè)施。

　　下一個五年計劃開建大型對撞機，是我們在高能物理領(lǐng)域領(lǐng)先國際的一個難得的機遇。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)形正負電子對撞機這個方案來研究它，還有機會改造成質(zhì)子對撞機，有50年以上的科學(xué)壽命；其次，歐洲、美國和日本手頭都有項目，20年之內(nèi)很難騰出手來，我們的競爭環(huán)境好；第三，我們有北京正負電子對撞機的經(jīng)驗，我們有技術(shù)和人員隊伍的積累，還有極好的大型地下工程施工經(jīng)驗。這個機遇窗口只有10年，失去了，下一次就不知道是什么時候。

　　(三)楊先生反對的第三點理由是建造超大對撞機必將大大擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)的經(jīng)費。

　　中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費目前占研發(fā)經(jīng)費的比重大約是5%，國際上發(fā)達國家一般是15%。中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費還有巨大的增長空間，大約每年1000億人民幣以上，CEPC不會擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)研究的經(jīng)費。

　　另一方面，增加的經(jīng)費應(yīng)該向哪個方面投呢？大家都知道我國的基礎(chǔ)科學(xué)研究經(jīng)費中相當大的比重是用來購買外國儀器。如果我們突然平均地增加基礎(chǔ)研究經(jīng)費，或向某些領(lǐng)域傾斜，估計會大大拉動美歐日的GDP。而如果我們花10年的時間投入300億建造加速器，90%以上的錢會花在國內(nèi)。而CEPC的投入從長期來看，是使各領(lǐng)域的比例與國際上基本一致(目前國內(nèi)粒子物理、核物理比例嚴重偏低)。國家現(xiàn)在提出發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)國際大科學(xué)工程和計劃，CEPC是一個極好的候選項目。

　　(四)楊先生反對的第四點理由是高能物理學(xué)家想尋找的“超對稱粒子”和“量子引力化”都未被發(fā)現(xiàn)，未來希望用對撞機發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子也是不會成功的。

　　建造大型對撞機的科學(xué)目標不是那樣。我們的科學(xué)目標，簡言之：粒子物理目前的標準模型只是一個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驗證據(jù)，但需要更多的實驗證據(jù)指明未來的發(fā)展方向。

　　目前已知的標準模型中的問題，大部分與希格斯粒子有關(guān)，因此更深層次的新物理應(yīng)該會從希格斯粒子處露出蛛絲馬跡。CEPC可以將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，比LHC好10倍，這就可以確認希格斯粒子的性質(zhì)，判斷希格斯粒子是否與標準模型預(yù)言完全一致。同時CEPC還有望首次測量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場參與的真空相變的形式，這對宇宙的早期演化具有重要意義。因此，無論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、非點結(jié)構(gòu)的希格斯粒子，或其它與標準模型的偏差，我們可以進行第二階段，建造大型質(zhì)子對撞機，直接尋找造成偏差的原因。這個原因當然可能是超對稱粒子，也可能是其他粒子�，F(xiàn)在還無法預(yù)言對撞機會不會發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子。

　　(五)楊先生反對的第五點理由是七十年來高能物理的大成就對人類生活沒有實在的好處，未來也不會有好處。

　　七十年來，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)等方面的進步就無從談起。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)就不會存在，或者會推遲出現(xiàn)，許多人的生命會被縮短，生活質(zhì)量會降低。沒有高能物理，觸摸屏就會推遲出現(xiàn)，智能手機就是一個夢想；沒有高能物理，就沒有WWW網(wǎng)。人類從WWW網(wǎng)中得到的收益，遠大于對高能物理的全部投入。

　　中國建大加速器對我們有什么實際的好處呢？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)方面實現(xiàn)國產(chǎn)化，并領(lǐng)先國際：

　　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、廣播、通訊、加速器等)

　　c)大型低溫制冷機(也可應(yīng)用于科研設(shè)施、火箭發(fā)動機、醫(yī)療設(shè)備等)

　　d)高速、抗輻照硅探測器、電子線路與芯片等

　　同時我們還可以在精密機械、微波、真空、自動控制、數(shù)據(jù)獲取與處理，計算機與網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)方面領(lǐng)先國際，可以培養(yǎng)上千名頂尖的物理學(xué)家和工程師，引進上千名國際頂尖的科學(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，可以帶動高溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)磁體等應(yīng)用技術(shù)的實用化，并國際領(lǐng)先。這個產(chǎn)業(yè)的規(guī)模大概遠遠超過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)楊先生反對的第六點理由是高能所三十年來的成就不高，超大對撞機90%的工作將由非中國人來主導(dǎo)，諾貝爾獎也不會是中國人。

　　從建立北京正負電子對撞機開始。國家對高能所在高能物理研究方面的投入，除人員建筑、實驗室及設(shè)備、研究經(jīng)費之外，主要科學(xué)設(shè)施是北京正負電子對撞機(2.4億元，1984年)，北京正負電子對撞機重大改造工程(6.4億，2004年)，和大亞灣中微子實驗(1.7億，2007年)等，一共約10億元人民幣。與國內(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，無論是總數(shù)還是人均，都絕對不算多。這些投入取得的成果、各種國內(nèi)外獎勵，與國內(nèi)其它領(lǐng)域相比絕對不少。這點投資與國際上比差好幾個數(shù)量級；但我們的成果可以跟他們比肩，至少我們現(xiàn)在是國際高能物理領(lǐng)域四大實驗室之一(CERN，F(xiàn)ermi，KEK，IHEP)。

　　我們中國的科學(xué)家2012年在國際上獨立地首次提出CEPC-SPPC的設(shè)想，得到國際上的積極響應(yīng)與支持。隨后我們開展了初步概念設(shè)計，雖然有國際參與，但主要是以我們?yōu)橹魍瓿闪恕冻醪礁拍钤O(shè)計報告》。所以將來超大對撞機70%的工作將由中國人來主導(dǎo)完成，至少會與我們的出資比例一致。

　　高能所參加過1980年代北京正負電子對撞機設(shè)計與建設(shè)的專家都說，當年的困難比起今天的CEPC，只大不小。我們不會一代不如一代。我們有信心和能力獨立完成CEPC。當然從國際合作考慮，還是需要放手一些工作內(nèi)容。

　　至于未來第二階段質(zhì)子加速器的工作，我們目前確實經(jīng)驗不足，需要努力。但我們還有二十多年，實現(xiàn)“完成工作與出資比例相當”這個最低目標，以我們過去三十多年進步的記錄來看，是可以完成的。

　　至于中國人得諾貝爾獎，我覺得無法預(yù)料，也不是國家對基礎(chǔ)科學(xué)投入的目的。我們希望中國有一個CERN這樣的研究機構(gòu)，至于有沒有希格斯這樣的人去得諾貝爾獎，并不重要。

　　(七)楊先生反對的第七點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”確實是一個加速器發(fā)展的重要方向，也許將來幾十年內(nèi)能用于高能物理固定靶實驗，或某些對束流品質(zhì)要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域。在高能對撞機方面，無論是束流品質(zhì)還是能量利用效率，都還有太長的路要走。高能物理不能等待這個新技術(shù)成熟。至于“幾何理論”，或是“弦理論”，虛無縹緲，不是實驗物理學(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 王貽芳)