激辯中國是否該建巨型對撞機

孫愛民

一場罕見的、針鋒相對的辯論，在科學界爆發(fā)。辯論焦點是“中國是否應該建造巨型對撞機”。支持方以華裔數(shù)學家丘成桐、中科院院士王貽芳為代表，反對方則有諾貝爾物理學獎得主楊振寧等。建造巨型粒子對撞機，是對是錯，或許需要幾十年甚至幾代人來證明

自2016年9月4日，一場罕見的、針鋒相對的辯論，在科學界爆發(fā)。這場辯論，幾乎在第一回合就引發(fā)“爆點”，并順勢越出科學界，引起公眾的普遍關(guān)注與廣泛討論。辯論的焦點是“中國是否應該建造巨型對撞機”。支持方以華裔數(shù)學家丘成桐，中科院院士、中科院高能物理所所長王貽芳為代表，反對方則有諾貝爾物理學獎得主楊振寧等。

巨型對撞機，全稱是“環(huán)形正負電子對撞機和超級質(zhì)子對撞機”（CEPC-SPPC），就是建造一個周長50公里-100公里的環(huán)形隧道，可以讓正負電子在這個隧道中發(fā)生對撞，以實驗、觀察“物質(zhì)世界到底是如何組成的”。

若建成，這將成為世界上最大的高能粒子對撞機。宇宙大爆炸后，物質(zhì)世界是如何組成的？一系列猜想與理論是否正確？這是對撞機的使命。然而，這個工程可能花費千億元，這還不算后期運行的經(jīng)費，以至于從它的科學意義、目標、科技成果轉(zhuǎn)化等，到與其需要耗費的資財、人力等是否相當，成為辯者的靶點。

這場摻雜了基礎(chǔ)科學理論、工程建設(shè)等各種因素的辯論，還在發(fā)酵。無論工程是否最終實施，辯論雙方究竟孰是孰非，或?qū)⑿枰獛资?、甚至幾代人來證明。

科學價值有多大？

“丘教授（丘成桐）的理解有誤！”9月4日，楊振寧發(fā)表署名文章《中國今天不宜建造超大對撞機》以此開篇，短時間內(nèi)在新媒體平臺上傳播量達到“10萬+”，瞬間引發(fā)中國科學界“地震”。

此前，8月29日，丘成桐發(fā)文稱，“（歐美不同地方的高能對撞機）實驗背后的基礎(chǔ)理論都用到楊（振寧）先生的學說，因此每一次突破后，我們對楊先生的學問有更進一步的景仰！所以說楊先生反對高能物理須要有更進一步的發(fā)展，使人費解！”

楊振寧發(fā)文翌日，王貽芳在同一新媒體平臺，發(fā)表題為《中國今天應該建造大型對撞機》的署名文章，文章針對楊文的七點看法，一一予以反駁。

“巨型電子對撞機”有什么用？“希格斯粒子”、“標準模型”是什么？

兩者都是為了探索“物質(zhì)世界到底是如何組成的”這一終極問題。上世紀六七十年代，科學家為了解答這一問題，建立了粒子物理的“標準模型”，用來解釋物質(zhì)世界是由什么（基本粒子）組成以及如何組成的。

雖然取名叫“模型”，實際是一套完整的理論體系?！皹藴誓Ｐ汀卑鸦緲?gòu)成粒子分為夸克、輕子和玻色子三大類別，共62種。基本粒子比人們熟知的原子、分子更小，再好的顯微鏡也不可能看到它們。質(zhì)子、中子的大小，只有原子的十萬分之一。

“標準模型”的理論認為，三個夸克結(jié)合成一個質(zhì)子，三個夸克結(jié)合成一個中子，質(zhì)子跟中子結(jié)合構(gòu)成原子核，原子核外面繞著電子，就構(gòu)成一個原子，然后再構(gòu)成物質(zhì)世界。

中科院高能物理所研究員曹俊接受《財經(jīng)》記者采訪時說，幾十年來，科學家先后通過實驗，證實了這些粒子的存在，“僅僅這一模型的建立與完善，就給物理界帶來18個諾貝爾獎”。

“標準模型”中的62種粒子，最后被實驗證實的，是被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子。2012年7月4日，歐洲核子研究中心在大型強子對撞機（LHC）的ATLAS和CMS實驗中，發(fā)現(xiàn)了這一粒子。

希格斯粒子解釋了為什么一些基本粒子具有質(zhì)量。正是希格斯粒子，讓楊振寧和米爾斯提出了一種看似與現(xiàn)實世界沒有任何關(guān)系的規(guī)范場論，最終成為“標準模型”的基礎(chǔ)。希格斯粒子作為質(zhì)量之源，在137億年前的宇宙大爆炸初始就不再自然存在。科學家要再次捕獲希格斯粒子的蹤跡，只能建造高能對撞機，通過高能粒子的對撞，來模擬宇宙起源的時刻。

“復活”大批希格斯粒子，并進行測量、研究，正是環(huán)形正負電子對撞機設(shè)計的初衷。

既然歐洲已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，為何還要再建另外的高能對撞機？中國科技大學物理學院教授劉建北對《財經(jīng)》記者解釋，雖然發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”，但是科學家對其屬性研究得還不透。要做精確測量，必須建正負電子對撞機。

在實驗中，高能力碰撞時，質(zhì)子中的很多成分會遍地開花，產(chǎn)生一大堆東西，但科學家真正感興趣的只是其中一部分，這給測量帶來很大干擾。

按劉建北的觀點，從某種意義上講，建大型對撞機不存在物理上的風險。人類已經(jīng)知曉如何產(chǎn)生希格斯粒子。把能量調(diào)到某種程度，必然能產(chǎn)生希格斯粒子，也必然能夠進行測量。

然而，中科院物理所一名不愿具名的研究員與劉的觀點相左，“國內(nèi)粒子物理的研究水平不夠，在國際高能物理學領(lǐng)域，中國物理學家的分量很低”，即便建成，也很難出成果。

該研究員同時表示，國內(nèi)整體的工業(yè)水平，也難以滿足整個工程的設(shè)備制造需求，“國內(nèi)物理學界使用的科學儀器，幾乎都是進口的?，F(xiàn)有的科學儀器廠，只能制造低端設(shè)備”。

對于此觀點，曹俊表示，物理所的儀器幾乎都是進口，其他領(lǐng)域如生物也是這樣，但跟高能物理和對撞機無關(guān)。根據(jù)發(fā)改委鑒定報告，正在運行的北京正負電子對撞機（BEPC，下稱北京對撞機）的國產(chǎn)化率是85%（按經(jīng)費量）。“大亞灣中微子實驗沒有正式統(tǒng)計過，國產(chǎn)化應該超過90%?！?/p>

時任北京對撞機工程領(lǐng)導小組辦公室主任柳懷祖告訴《財經(jīng)》記者，北京對撞機科學目標論證的比較充分，抓住了t-粲物理研究的窗口，大大降低了風險?！艾F(xiàn)在談CEPC的工程經(jīng)費與運行還為時尚早，應該對其科學目標進行嚴謹而充分的論證，讓學界不同意見充分討論，以達到初步共識。”

目前，新項目還處于預研階段，預研將持續(xù)到2020年，而后續(xù)還將在同一隧道中建造質(zhì)子對撞機（SPPC）的設(shè)想，這一預研階段將持續(xù)到2040年。王貽芳告訴《財經(jīng)》記者，“我們要通過預研把所有的技術(shù)問題都解決，才會進入工程建設(shè)?！?

經(jīng)費投入值嗎？

龐大的經(jīng)費，成為包括楊振寧在內(nèi)的反對者的首要“攻擊點”。在上世紀七八十年代，圍繞投入2.4億元建設(shè)的北京對撞機，就發(fā)生過一次類似的討論，當時這錢花得值不值就是爭議點之一。

1988年10月，北京對撞機竣工，當月，便實現(xiàn)了第一次對撞。該裝置歷經(jīng)了多年的爭論與科學論證，柳懷祖對此記憶猶新，楊振寧曾對他說，“中國現(xiàn)在這么窮，為什么不多買、多造一些鐵甲車（坦克），而要花這么錢搞高能加速器？”

當年，不僅在科學界，中央領(lǐng)導、人大、政協(xié)中，不乏反對北京對撞機上馬的聲音，擔心其會成為廢銅爛鐵。

最終，在鄧小平的支持下，北京對撞機通過了立項、奠基、工程建設(shè)?！爱敃r心情非常的緊張，非常脆弱，生怕會失敗?！绷鴳炎嬲J為，鄧小平之所以堅定地支持北京對撞機，是將其視為“科學技術(shù)是第一生產(chǎn)力”與改革開放的一次實踐。

至今運轉(zhuǎn)30年后，與國際其他設(shè)備相比，北京對撞機雖在能量上差好幾個數(shù)量級，但王貽芳認為，取得的成果，還是可以與國際上其他裝置比肩的，至少仍然是國際高能物理領(lǐng)域四大實驗室之一。然而，“現(xiàn)在楊振寧先生反對的理由，跟上世紀七八十年代反對的理由沒有差別，完全是同樣的說法。當時他就說，對撞機對國家經(jīng)濟、國防沒有意義，還不如多造一些武器，多做一些跟工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更直接的事。30多年來，他的觀點沒變、理由沒變，認識也沒變?！?/p>

《財經(jīng)》記者從互聯(lián)網(wǎng)上的評論看到，楊振寧關(guān)于將對撞機經(jīng)費用于民生、經(jīng)濟、軍事等領(lǐng)域的看法，得到了相當一部分網(wǎng)民的支持。

整個項目將花多少錢？

預估第一步CEPC建設(shè)階段，工程造價約400億元，若可以走到SPPC階段，工程造價在1000億元以內(nèi)。

清華大學高能物理研究中心主任高原寧，在今年8月份召開的第十二屆全國粒子物理學術(shù)會議上表示，按照設(shè)計，中央政府將投入70%-80%的科學設(shè)施建設(shè)費用與部分運行費，地方政府、國際合作、私人與企業(yè)贊助、中國科學院將承擔其他費用。

CEPC未來預研計劃中，加速器預研經(jīng)費需要8.2億元，探測器需要0.8億元，同步輻射裝置需要0.3億元，土建和通用設(shè)施需要0.7億元。

王貽芳對《財經(jīng)》記者分析，對于經(jīng)費，有的人覺得值，有的人覺得可以用于民生，實際上，大家沒有在一個基礎(chǔ)上討論。“從國家的角度講，科學的錢與民生的錢，完全是兩碼事，任何國家永遠不可能拿科學的錢做民生。一個國家就算經(jīng)濟水平很低，也不可能不做科學，將錢全部用于扶貧?！?/p>

《2014年全國科技經(jīng)費投入統(tǒng)計公報》顯示，2014年全國共投入研究與試驗發(fā)展經(jīng)費（R&D）13015.6億元，其中，全國用于基礎(chǔ)研究的經(jīng)費支出，僅為613.5億元，占比4.7%。雖然全國R&D近些年一直處于上升趨勢，但基礎(chǔ)研究的投入并不是投入的主要興趣所在。

作為一個基礎(chǔ)研究項目，CEPC提出方預計，項目的第一階段出資大約300億元、每年30億元，若到第二階段，數(shù)據(jù)則分別為700億元和70億元。這意味著，若項目得以立項、開建，將占財政科技支出中每年30億元，甚至70億元，這還不算上工程建設(shè)中超出預算的經(jīng)費，及后期的運行經(jīng)費。

楊振寧也不是一貫地堅決反對。柳懷祖稱，“到北京對撞機建設(shè)前后，楊振寧的態(tài)度有些緩和，他對北京對撞機未來的應用產(chǎn)生了興趣，尤其是同步輻射的應用。”

未來將證明

人類共建27個粒子加速器，尚有7個在運行，分別在中國、日本、俄羅斯、美國和歐洲?，F(xiàn)在，不止中國科學家提出的這個巨無霸方案，國際上正在醞釀的超高能對撞機，還有國際直線對撞機（ILC）、緊湊型直線對撞機（CLIC）、大型正負電子對撞機（LEP3）、極高能大型正負電子對撞機（TLEP）、未來環(huán)形對撞機（FCC）、超大型強子對撞機（VLHC）、繆子對撞機（MC）等。

國內(nèi)反對的聲音會對未來項目立項與審批產(chǎn)生影響。在國家層面，政府是否支持該項目，王貽芳坦言“不清楚”。

2016年6月2日，中國物理學會高能物理分會委員會擴大會議，集中討論后決定，以“大型環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）關(guān)鍵技術(shù)驗證裝置”名稱，來申請“十三五”國家發(fā)改委項目。

但在發(fā)改委的投票中，CEPC僅因一票之差，未能進入下一輪的評審。這意味著CEPC無法在“十三五”期間，獲得來自國家發(fā)改委的支持。

14天后，科技部初步批準3600萬元用于CEPC的探測器和加速器部分關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計預研究?！拔覀兤诖茖W院、科技部、基金委未來能夠繼續(xù)給予CEPC支持?！蓖踬O芳表示。

短期內(nèi)獲得更多的科研經(jīng)費遇阻，新的超大對撞機的研究方向會否改變？

楊振寧在文章中提到，“希望用超大對撞機來找到超對稱粒子，只是一部分高能物理學家的一個猜想。多數(shù)物理學家，包括我在內(nèi)，認為超對稱粒子的存在只是一個猜想，沒有任何實驗根據(jù)，希望用極大對撞機發(fā)現(xiàn)此猜想中的粒子更只是猜想加猜想?！辈⒔ㄗh，中國高能物理學界應該將研究重點轉(zhuǎn)向“尋找新加速器原理，及尋找美妙的幾何結(jié)構(gòu)，如弦理論所研究”。

“楊先生的說法沒有太多道理，這兩方面都談不上是高能物理的主要方向，不是主流。少量的人做些研究是沒有問題的，但是高能物理的發(fā)展如果依賴于非主流的研究，那就風險太大了?！蓖踬O芳告訴《財經(jīng)》記者，“就像引力波，大家找了幾十年，中間如果放棄了尋找，就不會有今天。”到目前為止，歐洲粒子物理研究中心的大型強子對撞機（LHC）只獲得了計劃獲取數(shù)據(jù)的2%，尚有98%的數(shù)據(jù)還沒取到，遠遠不到下結(jié)論的時候。

超出“標準模型”的新物理，到底是什么形式，科學界有很多理論，科學家也不確定哪種理論是正確的。

劉建北接受《財經(jīng)》記者采訪時表示，超對稱是為了解釋目前標準模型解釋不了的現(xiàn)象，“雖然未必是正確的，但需要實驗去檢驗。目前的實驗沒看到超對稱理論預言的現(xiàn)象，但不能叫失敗”。

截至記者發(fā)稿，楊振寧未對辯論予以回應。

國際合作，是超大對撞機目前唯一可以確定的。大型對撞機的設(shè)備主要由加速器與探測器構(gòu)成。其中，加速器是主體，主要是所在國承擔大部分經(jīng)費，而進行科學實驗的探測器，一般是高度國際合作建造的。劉建北分析，“歐洲LHC基本采取這種方式，探測器的成本一般占到10%以上，不會超過20%?！?/p>

對于中國高能物理學界，國際合作一點都不陌生。

柳懷祖介紹，美國在建設(shè)超導超級對撞機（SSC）期間，就與中國科學家展開了合作，中方用磁鐵、磁鐵支架等產(chǎn)品入股。不僅如此，中方還成立了朱镕基為組長、宋健為副組長的“國務院超級對撞機國際合作領(lǐng)導小組”。而在北京對撞機建設(shè)期間，美國科學家也為中國項目提供科學方面的幫助。

“中國是否需要建巨型粒子對撞機，或許需要幾十年，甚至幾代人來證明?！绷鴳炎姹硎荆暗?，探索世界的物質(zhì)構(gòu)成，是人類共同的事業(yè)，需要大家的智慧共同出錢來做，新項目一定要進行充分的國際合作?！?