中國建造大型對撞機(jī)正當(dāng)其時

　　中科院高能物理研究所所長 王貽芳

　　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(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)任中國科學(xué)院高能物理研究所所長，我不能同意他的觀點(diǎn)。

　　（一）楊先生反對的第一點(diǎn)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(jì)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(jī)（SSC）失敗的原因有很多，包括當(dāng)時的政府赤字且與國際空間站爭奪經(jīng)費(fèi)、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(jī)會，失去了國際領(lǐng)導(dǎo)地位，到現(xiàn)在還沒有翻身。當(dāng)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(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)子對撞機(jī)（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(shí)際上有優(yōu)勢，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)劃的大型對撞機(jī)項(xiàng)目（以周長為100公里算）分兩步走：第一步正負(fù)電子對撞機(jī)（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(jī)（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(xiàn)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(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，對超導(dǎo)技術(shù)的預(yù)估較難，不易在技術(shù)、造價與指標(biāo)上有一個恰當(dāng)?shù)陌盐铡?

　　高能所建所40年以來，在北京正負(fù)電子對撞機(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器工程中，均按工期、指標(biāo)完成，實(shí)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(yàn)。

　　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(jì)以后，我們產(chǎn)生了一個1000多項(xiàng)的設(shè)備清單，據(jù)此進(jìn)行了造價估計(jì)，并邀請國內(nèi)外專家進(jìn)行了評審。

　　對第二階段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(diǎn)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(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、探測器到低溫、超導(dǎo)、微波、高頻、真空、電源、精密機(jī)械、自動控制、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。建造大型對撞機(jī)可以使我們領(lǐng)先國際達(dá)幾十年，使一些重要技術(shù)產(chǎn)品實(shí)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(dāng)務(wù)之急？

　　而且一個大國，沒有對人類文明的貢獻(xiàn)，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(jī)的造價（即使包括SPPC）并沒有超過1980年代的北京正負(fù)電子對撞機(jī)，也低于國際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計(jì)劃中的設(shè)施。

　　下一個五年計(jì)劃開建大型對撞機(jī)，是我們在高能物理領(lǐng)域領(lǐng)先國際的一個難得的機(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)電子對撞機(jī)這個方案來研究它，還有機(jī)會改造成質(zhì)子對撞機(jī)，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(xiàng)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(fù)電子對撞機(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)。這個機(jī)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(diǎn)理由是建造超大對撞機(jī)必將大大擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)的經(jīng)費(fèi)。

　　中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)目前占研發(fā)經(jīng)費(fèi)的比重大約是5％，國際上發(fā)達(dá)國家一般是15％。中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)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(fèi)。

　　另一方面，增加的經(jīng)費(fèi)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(fèi)中相當(dāng)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(fèi)，或向某些領(lǐng)域傾斜，估計(jì)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(yán)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(jì)劃，CEPC是一個極好的候選項(xiàng)目。

　　（四）楊先生反對的第四點(diǎn)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(jī)發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子也是不會成功的。

　　建造大型對撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)不是那樣。我們的科學(xué)目標(biāo)，簡言之：粒子物理目前的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)證據(jù)，但需要更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)指明未來的發(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(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(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)子對撞機(jī)，直接尋找造成偏差的原因。這個原因當(dāng)然可能是超對稱粒子，也可能是其他粒子。現(xiàn)在還無法預(yù)言對撞機(jī)會不會發(fā)現(xiàn)猜想中的粒子。

　　（五）楊先生反對的第五點(diǎn)理由是七十年來高能物理的大成就對人類生活沒有實(shí)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(jìn)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(jī)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(yuǎn)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(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(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)動機(jī)、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(jī)械、微波、真空、自動控制、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(shí)用化，并國際領(lǐng)先。這個產(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）楊先生反對的第六點(diǎn)理由是高能所三十年來的成就不高，超大對撞機(jī)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(fù)電子對撞機(jī)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(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)電子對撞機(jī)（2.4億元，1984年），北京正負(fù)電子對撞機(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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(dú)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(jì)，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(jì)報(bào)告》。所以將來超大對撞機(jī)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(fù)電子對撞機(jī)設(shè)計(jì)與建設(shè)的專家都說，當(dāng)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(dú)立完成CEPC。當(dāng)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(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)”這個最低目標(biāo)，以我們過去三十多年進(jìn)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(jī)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(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(shí)驗(yàn)，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(jī)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(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。