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王贻芳:中国建造大型对撞机正当其时

来源:光明网    发布时间:2016-09-06

      9月4日,《知识分子》刊发了杨振宁先生的文章《中国今天不宜建造超大对撞机》,作为正在高能物理一线从事实验工作的科学家、现任中国科学院高能物理研究所所长,我不能同意他的观点。

  (一)杨先生反对的第一点理由是造大型加速器是无底洞。这里涉及三个问题,一个是SSC为什么失败?第二是中国的大型加速器需要多少钱?第三是这个估计可靠吗,是不是又是一个无底洞?下面我一一回答。

  美国超导超级对撞机(SSC)失败的原因有很多,包括当时的政府赤字且与国际空间站争夺经费、美国的两党政治斗争、德克萨斯与其他地区的区域竞争等。“预算超支”绝不是SSC失败的主要原因。

  对美国来说SSC半途下马是极为错误的,它使美国的高能物理研究失去了发现希格斯粒子的机会,失去了国际领导地位,到现在还没有翻身。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的很相似。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加。在此之后欧洲建造了大型强子对撞机(LHC),获得了极大的成功。虽有超支,但并不是太多。

  中国的政治与美国完全不同,对大工程建设实际上有优势,因为偶然性较小。SSC失败,不代表我们就不能建造大型加速器。

  我们规划的大型对撞机项目(以周长为100公里算)分两步走:第一步正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在2022—2030年间,工程造价(不包括土地、“七通一平”等)约400亿人民币。

  如果这第一步成功,CEPC有新物理的迹象,且高场磁铁所需新型超导材料技术成熟,其价格降到合理水平(比如20元/千伏安米),我们可以走第二步,质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在1000亿人民币以内,时间是在2040—2050年左右。这里如果减去国际贡献约30%,中国政府应该出资大约300亿人民币(每年30亿)和700亿人民币(每年70亿),但不包括未来的通货膨胀。

  过去50年间,国际上有许多成功的加速器工程(如LEP,LHC,PEPII,KEKB/SuperKEKB等),也有许多不太成功的加速器工程(ISABELLE,SSC,FAIR等)。这里不成功的都是质子加速器,电子对撞机还没有不成功的先例。原因主要还是质子加速器较为复杂,对超导技术的预估较难,不易在技术、造价与指标上有一个恰当的把握。

  高能所建所40年以来,在北京正负电子对撞机、大亚湾中微子实验、散裂中子源、ADS注入器等超过亿元的大型加速器及探测器工程中,均按工期、指标完成,实际造价与预算相比,连5%都没有超。我们有成熟的估价、建造、管理经验。

  对CEPC的估价我们采用了两种办法:(1)分解法:将各设备部件造价相加;(2)类比法:与国内外已完成的同类装置与设备相比。在总价和系统级,两种办法得出的结果,误差在20%以内。在完成了初步概念设计以后,我们产生了一个1000多项的设备清单,据此进行了造价估计,并邀请国内外专家进行了评审。

  对第二阶段SPPC的估计我们只采用了类比法。因为这不是现阶段的任务,只是可能性。谈论它的造价意义不大。不成熟不会启动,所以怎么会是无底洞呢?

  (二)杨先生反对的第二点理由是中国目前仍然是一个发展中国家,还有亟待解决的民生问题,超大型对撞机不是燃眉之急,目前不宜考虑。

  民生问题当然要解决,但我们也要考虑长远,发展要可持续,要有领先世界的能力。高能物理研究物质的最小结构及其规律,采用的手段从加速器、探测器到低温、超导、微波、高频、真空、电源、精密机械、自动控制、计算机与网络等,很大程度上引领了这些高技术的发展并得到广泛应用。建造大型对撞机可以使我们领先国际达几十年,使一些重要技术产品实现国产化并走到世界最前沿,可以形成一个国际科技中心吸收国外智力资源,可以培养几千名能创新的的顶尖人才,怎么不是燃眉之急,当务之急?

  而且一个大国,没有对人类文明的贡献,很难说话响亮,这影响中国在世界上获取利益。

  从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价(即使包括SPPC)并没有超过1980年代的北京正负电子对撞机,也低于国际上的LEP、LHC、SSC、ILC等各类已完成的和计划中的设施。

  下一个五年计划开建大型对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。首先新发现的希格斯粒子质量很低,使我们有可能提出环形正负电子对撞机这个方案来研究它,还有机会改造成质子对撞机,有50年以上的科学寿命;其次,欧洲、美国和日本手头都有项目,20年之内很难腾出手来,我们的竞争环境好;第三,我们有北京正负电子对撞机的经验,我们有技术和人员队伍的积累,还有极好的大型地下工程施工经验。这个机遇窗口只有10年,失去了,下一次就不知道是什么时候。

  (三)杨先生反对的第三点理由是建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费。

  中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%,国际上发达国家一般是15%。中国的基础研究经费还有巨大的增长空间,大约每年1000亿人民币以上,CEPC不会挤压其他基础科学研究的经费。

  另一方面,增加的经费应该向哪个方面投呢?大家都知道我国的基础科学研究经费中相当大的比重是用来购买外国仪器。如果我们突然平均地增加基础研究经费,或向某些领域倾斜,估计会大大拉动美欧日的GDP。而如果我们花10年的时间投入300亿建造加速器,90%以上的钱会花在国内。而CEPC的投入从长期来看,是使各领域的比例与国际上基本一致(目前国内粒子物理、核物理比例严重偏低)。国家现在提出发起和领导国际大科学工程和计划,CEPC是一个极好的候选项目。

  (四)杨先生反对的第四点理由是高能物理学家想寻找的“超对称粒子”和“量子引力化”都未被发现,未来希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。

  建造大型对撞机的科学目标不是那样。我们的科学目标,简言之:粒子物理目前的标准模型只是一个在低能情形下的有效理论,需要继续发展更深层次的理论,虽然现在已有一些超出该模型的实验证据,但需要更多的实验证据指明未来的发展方向。

  目前已知的标准模型中的问题,大部分与希格斯粒子有关,因此更深层次的新物理应该会从希格斯粒子处露出蛛丝马迹。CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,比LHC好10倍,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。同时CEPC还有望首次测量希格斯粒子的自耦合,确定希格斯场参与的真空相变的形式,这对宇宙的早期演化具有重要意义。因此,无论LHC是否发现新物理,CEPC都是需要的,这是粒子物理发展中跳不过去的一步。

  如果有新的希格斯粒子耦合形式、新的伴随粒子、非点结构的希格斯粒子,或其它与标准模型的偏差,我们可以进行第二阶段,建造大型质子对撞机,直接寻找造成偏差的原因。这个原因当然可能是超对称粒子,也可能是其他粒子。现在还无法预言对撞机会不会发现猜想中的粒子。

  (五)杨先生反对的第五点理由是七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也不会有好处。

  七十年来,高能物理发展出的技术与生活息息相关。没有高能物理,就没有同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等装置,我们现在的许多生物、地质、环境、材料、凝聚态等方面的进步就无从谈起。没有高能物理,今天在医院里的很多检查与治疗(MRI,PET, 癌症的放射性治疗等)就不会存在,或者会推迟出现,许多人的生命会被缩短,生活质量会降低。没有高能物理,触摸屏就会推迟出现,智能手机就是一个梦想;没有高能物理,就没有WWW网。人类从WWW网中得到的收益,远大于对高能物理的全部投入。

  中国建大加速器对我们有什么实际的好处呢?第一阶段300亿人民币的投入(2022年起,每年30亿),至少使我们可以在以下技术方面实现国产化,并领先国际:

  a)高性能超导高频腔(应用于几乎所有的加速器)

  b)高效率、大功率微波功率源(也可应用于雷达、广播、通讯、加速器等)

  c)大型低温制冷机(也可应用于科研设施、火箭发动机、医疗设备等)

  d)高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等

  同时我们还可以在精密机械、微波、真空、自动控制、数据获取与处理,计算机与网络通讯等技术方面领先国际,可以培养上千名顶尖的物理学家和工程师,引进上千名国际顶尖的科学家和工程师。

  如果有第二阶段,2040年起每年70亿人民币的投入,可以带动高温超导材料、超导磁体等应用技术的实用化,并国际领先。这个产业的规模大概远远超过700亿人民币。除此之外,也许还有出人意料的新发现、新技术。

  (六)杨先生反对的第六点理由是高能所三十年来的成就不高,超大对撞机90%的工作将由非中国人来主导,诺贝尔奖也不会是中国人。

  从建立北京正负电子对撞机开始。国家对高能所在高能物理研究方面的投入,除人员建筑、实验室及设备、研究经费之外,主要科学设施是北京正负电子对撞机(2.4亿元,1984年),北京正负电子对撞机重大改造工程(6.4亿,2004年),和大亚湾中微子实验(1.7亿,2007年)等,一共约10亿元人民币。与国内其它领域相比,比如杨先生提到的生物、凝聚态、天文物理等,无论是总数还是人均,都绝对不算多。这些投入取得的成果、各种国内外奖励,与国内其它领域相比绝对不少。这点投资与国际上比差好几个数量级;但我们的成果可以跟他们比肩,至少我们现在是国际高能物理领域四大实验室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)。

  我们中国的科学家2012年在国际上独立地首次提出CEPC-SPPC的设想,得到国际上的积极响应与支持。随后我们开展了初步概念设计,虽然有国际参与,但主要是以我们为主完成了《初步概念设计报告》。所以将来超大对撞机70%的工作将由中国人来主导完成,至少会与我们的出资比例一致。

  高能所参加过1980年代北京正负电子对撞机设计与建设的专家都说,当年的困难比起今天的CEPC,只大不小。我们不会一代不如一代。我们有信心和能力独立完成CEPC。当然从国际合作考虑,还是需要放手一些工作内容。

  至于未来第二阶段质子加速器的工作,我们目前确实经验不足,需要努力。但我们还有二十多年,实现“完成工作与出资比例相当”这个最低目标,以我们过去三十多年进步的记录来看,是可以完成的。

  至于中国人得诺贝尔奖,我觉得无法预料,也不是国家对基础科学投入的目的。我们希望中国有一个CERN这样的研究机构,至于有没有希格斯这样的人去得诺贝尔奖,并不重要。

  (七)杨先生反对的第七点理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“几何理论”,不在大型加速器。

  “新加速原理”确实是一个加速器发展的重要方向,也许将来几十年内能用于高能物理固定靶实验,或某些对束流品质要求不高的应用领域。在高能对撞机方面,无论是束流品质还是能量利用效率,都还有太长的路要走。高能物理不能等待这个新技术成熟。至于“几何理论”,或是“弦理论”,虚无缥缈,不是实验物理学家现在考虑的问题。

  高能物理的前途在哪里,见仁见智。我们应该更多地听取科研一线新生代科学家的意见。(王贻芳)

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