超大對撞機，現(xiàn)在該建嗎？

超大對撞機，現(xiàn)在該建嗎？

一場罕見的、針鋒相對的辯論在科學(xué)界爆發(fā)。辯論焦點是“中國是否應(yīng)該建造超大對撞機”。支持方以華裔數(shù)學(xué)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(xué)獎得主楊振寧等。建造超大對撞機是對是錯，或許需要幾十年甚至幾代人來證明。

最近，關(guān)于中國是否應(yīng)該建超大對撞機在科學(xué)界鬧得沸沸揚揚，并逐漸演變成公共話題。前有菲爾茲獎獲得者、著名華裔數(shù)學(xué)家丘成桐表態(tài)支持中國建造超大對撞機，后有華人諾貝爾物理學(xué)獎得主楊振寧撰文《中國今天不宜建造超大對撞機》，又有中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳稱“建大型對撞機正當其時”……

一時間，媒體、網(wǎng)友甚至普通民眾紛紛站隊，各抒己見。人們興奮于“親自參與重大科研項目的決斷”，也“堅信真理越辯越明”，最重要的是“科學(xué)界大咖們毫不留情地開撕”是多少年都沒見過的場景。

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(xué)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(xué)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晟踔翈状藖碜C明。

爭議集中在四個問題

目前的中國是不是下一代大型強子對撞機的合適選址？科學(xué)界對此尚有爭議。9月4日，楊振寧在《知識分子》發(fā)文，反對中國開始建造超大對撞機。次日，同在《知識分子》，王貽芳刊文回應(yīng)，反駁楊振寧的反對理由。

此前，丘成桐多次公開表示，支持中國建造超大對撞機，提出可以考慮將河北省秦皇島市山海關(guān)附近作為選址。8月29日，丘成桐在公眾號上再次針對超大對撞機發(fā)文，并表示對“楊振寧反對建造超大對撞機”一說存疑。此舉引來楊振寧在《知識分子》上發(fā)文。

早在2012年，在“上帝粒子”希格斯玻色子被歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機LHC發(fā)現(xiàn)的幾個月后，王貽芳團隊就提出了到本世紀30年代在中國建成對撞機的計劃。在這之后，據(jù)王貽芳在反駁文中所提，中國為主的研究團隊已經(jīng)完成了CEPC-SPPC（正負電子對撞機-質(zhì)子對撞機）的《初步概念設(shè)計報告》。

在規(guī)劃中，CEPC-SPPC項目將在50公里-100公里長的地下環(huán)形通道內(nèi)，利用相同的隧道，建造兩座超級對撞機：正負電子對撞機和質(zhì)子對撞機。雖然正負電子對撞機的對撞能級將只有0.24TeV-0.35TeV，但它的存在可以為建造質(zhì)子對撞機削減大量成本。該質(zhì)子對撞機和LHC相似，都在環(huán)形通道內(nèi)使用質(zhì)子進行對撞。但該對撞機的通道長度將是LHC的2倍至4倍，對撞能級可達70TeV-100TeV或100TeV-140TeV，遠超LHC的14TeV。

在王貽芳看來，最近十年是中國建造超大對撞機的“窗口期”，“在下一個五年計劃開建超大對撞機，是我們在高能物理領(lǐng)域領(lǐng)先國際的一個難得的機遇。歐洲核子研究所的LHC正面臨能級觸頂?shù)睦Ь郑瑲W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)境相對較好?！?/p>

盡管如此，在爭論中國該不該建造超大對撞機時要回答的是：造價幾何、是利是弊、能否解決科學(xué)難題、值不值得這四個問題。

造價幾何

巨額的建造成本，成為包括楊振寧在內(nèi)的反對者的首要“攻擊點”。

楊振寧認為，根據(jù)以往各國建造對撞機的經(jīng)驗，比如美國中止了項目，浪費了30億美元；CERN現(xiàn)運行的大型強子對撞機LHC耗資100億美元，對撞機的建造成本是無底洞。他預(yù)估，中科院高能所建議的超大對撞機預(yù)算將高于200億美元（1335億元人民幣）。

在反駁文中，王貽芳詳細地算了一筆賬，并表示“有成熟的估價、建造、管理經(jīng)驗”。在王貽芳團隊的規(guī)劃中，正負電子對撞機和質(zhì)子對撞機將先后建設(shè)。不包括土地、“七通一平”等，預(yù)計在2022年至2030年竣工的正負電子對撞機工程造價約400億元人民幣。質(zhì)子對撞機是否建設(shè)建立在正負電子對撞機是否有新物理跡象的前提上，工程造價在1000億元人民幣以內(nèi)。其中，中國將承擔70%的費用，即大約300億元人民幣（每年30億元）和700億元人民幣（每年70億元），但不包括未來的通貨膨脹。

王貽芳還強調(diào)，高能所在北京正負電子對撞機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%都沒超。”并因為質(zhì)子對撞機的啟動條件是正負電子對撞機有所成績，王貽芳認為這不會是無底洞。

巨額建設(shè)資金將如何籌得？據(jù)《自然》雜志報道，王貽芳的團隊在去年得到科技部3500萬元人民幣的資助，用于大型強子對撞機項目的開展，但在7月，發(fā)改委拒絕了該項目下一輪8億元人民幣的資助請求。在國際高能物理大會（ICHEP）上，王貽芳表示將專注于提高國際社會對該項目的興趣。

利弊幾何

楊振寧認為，對撞機的項目必將擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)的經(jīng)費。

但王貽芳認為，目前中國的基礎(chǔ)研究經(jīng)費占研發(fā)經(jīng)費的比重僅5%，低于發(fā)達國家的15%，這意味著基礎(chǔ)研究經(jīng)費仍有大約每年1000億元人民幣以上的增長空間。

此外，王貽芳認為，對撞機的項目會拉動國內(nèi)科學(xué)儀器的發(fā)展，且和其他基礎(chǔ)科學(xué)并不矛盾。“事實上這個投入也沒有大大改變各領(lǐng)域的投資比例，從長期來看，是使各領(lǐng)域的比例與國際上基本一致?！?/p>

再者，楊振寧認為，高能物理的突破之前有、今后也無法在短中期內(nèi)給人類生活帶來益處，反而會對解決國內(nèi)的民生問題不利。

王貽芳表示無法認同高能物理與人類生活的脫節(jié)，“沒有高能物理，就沒有或者推遲出現(xiàn)觸摸屏，智能手機就是一個夢想；沒有高能物理，就沒有WWW網(wǎng)頁，大家就不能上網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟更是無從談起。人類從WWW網(wǎng)頁中得到的收益，已遠遠大于此前對高能物理的全部投入?！敝档靡惶岬氖?，萬維網(wǎng)的創(chuàng)始人蒂姆·伯納斯·李正是為了打破信息孤島，解決歐洲原子核研究會的核物理學(xué)家數(shù)據(jù)互通的問題而開發(fā)了萬維網(wǎng)。

對撞機，他國如何取舍？

歐洲：謹慎決定未來方向

歐洲擁有全球最大、能量最高的粒子加速器LHC，其質(zhì)子對撞能量為14TeV，軌道長度27公里，有來自30多個國家的超過2000名物理學(xué)家參與。研究者所屬的大學(xué)與實驗室共同出資興建這一耗資約80億美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日內(nèi)瓦與法國交界地區(qū)已發(fā)展為一座匯聚全球研究者的科學(xué)中心,有100多位中國研究者在那里工作。

2012年，科學(xué)家宣布利用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所謂的“標準模型”。然而，LHC目前已經(jīng)達到其設(shè)計能量，要進一步尋找新粒子，需建設(shè)能量和精度更高的機器。

CERN發(fā)言人阿諾·馬爾索利耶說，未來10年LHC將進行大規(guī)模升級，并運行至2035年，屆時產(chǎn)生的對撞能量將是現(xiàn)在的數(shù)倍。此后，CERN計劃建設(shè)對撞能量達100TeV的新一代環(huán)形(質(zhì)子)對撞機，軌道總長將達100公里。CERN將在5年內(nèi)公布“未來環(huán)形對撞機”的完整設(shè)計報告和造價。

“但在任何關(guān)于新對撞機的決定敲定前，我們需要積累更多來自LHC的結(jié)果，這些結(jié)果將決定未來選擇的方向?！瘪R爾索利耶說。英國《自然》雜志認為,直到本世紀30年代中期，CERN都將忙于提高LHC的質(zhì)子束密度而非增強能量。

日本：注重“經(jīng)濟實用”

日本已經(jīng)完成了下一代超大對撞機的初步工程設(shè)計，并得到美國能源部和CERN的支持。與歐洲不同，日本選擇建設(shè)更加“經(jīng)濟實用”的直線對撞機。

日本高能加速器研究機構(gòu)(KEK)岡田安弘介紹，日本研究界一直在向政府建議由日本主導(dǎo)國際直線對撞機(ILC)計劃。

岡田安弘說，ILC將在總長約31公里的地下隧道開展正負電子對撞，雖然對撞能量僅為1TeV，卻可以更好地分析對撞后新粒子特性，在精密測定希格斯粒子、探尋新物理方面的能力遠超LHC，還可在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子方面加強同LHC的互補性研究。ILC的造價約為78億美元，日本東北地區(qū)的巖手縣及宮城縣被列為候選建設(shè)地，預(yù)計將于本世紀20年代后期開始運轉(zhuǎn)。

不過，文部科學(xué)省下設(shè)的專家小組表示，日本將等到2018年歐洲的LHC首次最大能量運行后再作決定。日方也在研究經(jīng)費的不確定性和相關(guān)風險。岡田安弘說，日本的出資比例還需通過政府間交涉決定。由日本文部科學(xué)省和美國能源部組成的聯(lián)合小組正在討論如何降低ILC開支,認為造價還可降低15%。

美國：主動放棄“燒錢”競爭

美國超導(dǎo)超級加速器(SSC)建設(shè)項目在20世紀的“夭折”是美國科學(xué)史上的傷心往事，不少高能物理研究人員提起此事都嘆息連連。美國從超大對撞機競爭中“出局”，此后也未就開建新一代超大對撞機有新規(guī)劃。

在SSC項目選址地得克薩斯州愛麗絲，已建成的22.5公里的地下隧道被棄。美國物理學(xué)會會士韓濤說：“宣布終止SSC讓高能物理研究的中心從美國移到歐洲。”

SSC對撞能量達40TeV。然而該項目經(jīng)過幾年建設(shè)，在完成了約20%、花掉了20億美元后于1993年被美國國會取消。

當年美國物理學(xué)界分為兩派，反對建設(shè)方主要擔心對撞機擠占其他基礎(chǔ)科學(xué)研究經(jīng)費,影響力最大的聲音來自諾貝爾獎得主菲利普·安德森。

93歲的菲利普·安德森說：“我認為反對建設(shè)超級對撞機終究還是對的?！彼J為，粒子物理學(xué)家太執(zhí)著于高能量對撞這個代價極大的單一研究方式，而忽略了其他重要的實驗事實(比如暗能量、丟失零點能、暗物質(zhì)等問題)比追逐高能量還有意義。

就超大對撞機而言，王貽芳認為，它對中國科技帶來的裨益是多方面的，不僅可以讓相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)國際化，領(lǐng)先國際，還可以將頂尖的科學(xué)家和工程師引進到中國，讓中國成為國際化的科學(xué)中心。在他看來，這和民生問題一樣，是中國亟待解決的問題，不可偏廢。他還提醒：“從占GDP的比例來看，超大對撞機的造價（即使包括SPPC）并沒有超過20世紀80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?！?/p>

能破解科學(xué)難題嗎

在楊振寧看來，對撞機能否幫助物理學(xué)家找到猜想中的超對稱粒子仍未可知。他認為，中國高能所成立以來的成果不明顯，并建議，相比超大對撞機，尋找新加速器原理和尋找美妙的幾何結(jié)構(gòu)是更為經(jīng)濟和符合總趨勢的研究方向。

LHC近期平淡的表現(xiàn)讓有些科學(xué)家在通過對撞機來破解基礎(chǔ)物理難題這一路徑上打上問號。LHC已經(jīng)完成了尋找希格斯玻色子的任務(wù)，但之后一度沉寂，尚未在發(fā)現(xiàn)標準模型外的新粒子上有新進展。

去年12月，LHC疑似發(fā)現(xiàn)比希格斯玻色子更重的粒子的跡象，但今年8月5日，來自LHC的兩個獨立實驗ATLAS和CMS的代表在美國芝加哥召開的國際高能物理大會上宣布，該跡象只是統(tǒng)計漲落，通過分析5倍于去年12月的數(shù)據(jù)，該跡象幾乎衰減至無。

對于動則幾十億、幾百億元人民幣的大科學(xué)裝置，項目對科學(xué)本身的效益是關(guān)鍵因素之一。

對此，王貽芳回應(yīng)，由于在希格斯粒子上，CEPC較LHC高10倍的測量精度，CEPC在確認希格斯粒子的性質(zhì)、自耦和、是否與標準模型預(yù)言完全一致等上會有所突破，“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?！?/p>

對于CEPC能否成功建設(shè)，王貽芳在回應(yīng)文中表示了信心，并提到：“電子對撞機還沒有不成功的先例?！倍鴮τ诩夹g(shù)要求較高的質(zhì)子對撞機（SPPC），王貽芳承認：“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?！蓖瑫r，他表示：“我們還有二十多年，可以實現(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，這個目標是可以完成的?！?/p>

值不值得

另一方面，在耗資巨大的CEPC能否成為一個“高壽”的科學(xué)裝置這一問題上，CERN國際關(guān)系部部長、物理學(xué)家魯?shù)细瘛の炙共┦勘硎玖藫鷳n：“如果真要建造一部富于前瞻性的、有潛質(zhì)的新機器，那么50公里的隧道長度會太短。粒子物理學(xué)研究50年的經(jīng)驗已經(jīng)表明，利用大型加速器，要想從一代升級到下一代，要想真正有可能做出重要的新發(fā)現(xiàn)，你通常需要增加10倍的能量?！?/p>

魯?shù)细瘛の炙乖u論稱：“CEPC-SPPC項目本身非常有趣，從純科學(xué)的角度來看，它很值得去做。但從歐洲的角度來看，這個項目是用大量資金投入去研究一個范圍極為有限的科學(xué)問題。這就提出了金錢投入的科學(xué)價值的問題，也就是金錢投入在建設(shè)一個富于前瞻性、長期的科學(xué)未來方面的可能性問題?！保ū究C合）※