中國科學(xué)家看世界的另一雙眼

徐珍

我們的主角——北京正負(fù)電子對撞機(jī)（BEPC）靜靜躺在中國科學(xué)院高能物理研究所的地下實(shí)驗(yàn)室中，30余年來，它用智慧的“眼睛”為世人揭開了許多奧秘，在物理、生物、材料、化學(xué)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

艱難的誕生歷程

BEPC是什么？盡管它在中國已誕生30余年，盡管它發(fā)揮著巨大的作用，但對民眾來說，它仍然十分陌生，對30年前的中國人更是如此。因此，當(dāng)物理學(xué)家建議建造BEPC時，這個計劃一直“難產(chǎn)”，甚至一度差點(diǎn)“流產(chǎn)”。

20世紀(jì)50年代初，美、蘇、歐等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)開始籌建高能加速器。當(dāng)時，我國雖然處于艱苦的初創(chuàng)階段，但一批深謀遠(yuǎn)慮的科學(xué)家已經(jīng)預(yù)見到加速器的廣闊用途，他們向國家領(lǐng)導(dǎo)人提議：我們也要建造自己的加速器。

加速器是做什么用的？建成后它能帶給我們什么？我們知道，世界萬物是由一些基本粒子組成的，但是如果不拆開物質(zhì)的外殼，我們就無法看到其中的粒子，而加速器正是起到“破殼”的作用。物質(zhì)在加速器中相互撞擊，脫去外殼，暴露出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣我們可以看到組成物質(zhì)的基本粒子，還可能發(fā)現(xiàn)新的基本粒子，更加深入地了解這個世界。

但是，當(dāng)時國家國力有限，起初愿意提供修建幫助的蘇聯(lián)又與我們關(guān)系惡化了，粒子加速器的制造計劃被一再推遲。直到20世紀(jì)80年代初，國家領(lǐng)導(dǎo)人鄧小平再次就建造高能加速器的問題，廣泛征求國內(nèi)外科學(xué)家的意見，經(jīng)過60多位專家的反復(fù)論證，終于定下了建造一臺正負(fù)電子對撞機(jī)的方案。方案提出后，鄧小平親自批示：“我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫。”“難產(chǎn)”多年的計劃正式敲定。

在上下求索中建造

1983年4月，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)， BEPC方案上馬，計劃4年完成。但是，國家對建造對撞機(jī)沒有理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該怎么辦呢？這時，以李政道為代表的華裔科學(xué)家提供了巨大的幫助。

BEPC建造過程中，中國派出幾百人次的科技人員赴美學(xué)習(xí)考察，并邀請美國專家來BEPC工程現(xiàn)場解決設(shè)計和研制中的問題，派人長駐美國采購所需器材，李政道在其中穿針引線，鋪路搭橋，成為最忙碌的人。為了向美國高校推薦中國學(xué)生或者邀請美國專家來華指導(dǎo)，李政道手寫了上千封書信，每一封都字跡工整，情深意切，他以自己的信譽(yù)為中國的物理學(xué)界搭起了一架架通往世界的橋梁。李政道每次回國，還會向領(lǐng)導(dǎo)人提出各種發(fā)展科技和教育的建議，不僅為BEPC的建造立下了汗馬功勞，也為中國的科技發(fā)展鑄就了堅實(shí)基礎(chǔ)。

除了國際上科學(xué)家的幫助，中國的科學(xué)家、工程師和建造工人也為BEPC的建造嘔心瀝血。對撞機(jī)建造涉及10多個門類的高新技術(shù)，數(shù)千臺設(shè)備的90%以上的部件都靠國內(nèi)自行設(shè)計制造。在全國數(shù)百個單位、上萬人的精心研制、安裝調(diào)試下，1988年10月，這臺中國科學(xué)家夢寐以求的機(jī)器終于完工：它由北向南臥在地下，形似一只羽毛球拍。球拍的“把”是一臺長202米的直線加速器，電子在加速管中不斷得到加速，通過共200米長的輸運(yùn)線注入周長為240米的球拍“框”——儲存環(huán)中，不斷地積累、儲存、加速、對撞，將萬物的奧秘破開，呈現(xiàn)在人們的眼前。

為了最大限度地節(jié)省經(jīng)費(fèi)，工程師們還修建了額外部件，讓這臺機(jī)器能“一機(jī)兩用”：在“球拍”的切線方向，安放了同步輻射裝置（BSRF），實(shí)驗(yàn)室能開展同步輻射相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。同步輻射就是帶電粒子接近光速時，若在電磁場中偏轉(zhuǎn)，就會沿切線方向發(fā)射出一種電磁輻射，像下雨天旋轉(zhuǎn)雨傘，水滴會從傘的邊緣飛射出去一樣。這種電子的自發(fā)輻射，是探究原子、分子世界的有力工具，在生命科學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

無論是加速器建設(shè)，還是讓它穩(wěn)定運(yùn)行，我國的科研工作者付出了常人難以想象的艱辛。他們白天用穿孔紙帶計算數(shù)據(jù)，晚上值班提心吊膽地等待著突如其來的電話，由數(shù)十萬組件集合而成的大科學(xué)裝置，任何一個小元件的損壞故障都會使BEPC停運(yùn)。最初3年時間， BEPC有近30%的時間花費(fèi)在設(shè)備維護(hù)上，經(jīng)過3年的努力，工程師將故障率降到5%以下，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行至今。

不可替代的作用

這臺耗費(fèi)大量物力人力建成的機(jī)器，是否如人們預(yù)期的那樣，給中國的科學(xué)乃至社會經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)呢？答案是肯定的。

1992年，BEPC給出了τ輕子質(zhì)量的精準(zhǔn)測量，精度比原來提高了10倍，更新了粒子物理學(xué)數(shù)據(jù)權(quán)威《粒子物理手冊》，被認(rèn)為是當(dāng)年國際上最好的粒子物理成果。J/ψ粒子的衰變規(guī)律、粲夸克的物理性質(zhì)和X（1835）等新粒子的發(fā)現(xiàn)等在國內(nèi)外引起轟動的物理新知都是依托BEPC取得的成果。

在生物科學(xué)領(lǐng)域，BEPC也不容小覷。2004年，中國科學(xué)家利用BSRF完成了“菠菜主要捕光復(fù)合物（LHC-II）2.72埃分辨率晶體結(jié)構(gòu)”的測定工作，在世界上率先完成了這一具有高度挑戰(zhàn)性的國際前沿課題，推動了我國光合作用機(jī)理與膜蛋白三維結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入國際領(lǐng)先水平。揭秘SARS病毒主蛋白酶結(jié)構(gòu)、尋找SARS病毒克星、在分子水平上揭示砒霜治療白血病機(jī)理的研究等都是通過BSRF完成的。

另外，古生物學(xué)家還利用 BSRF對一塊琥珀進(jìn)行了無損成像，得到了隱藏在琥珀中的恐龍尾部椎骨的高質(zhì)量投影圖像，進(jìn)而構(gòu)建出恐龍尾部的高清3D形態(tài)。憑借此技術(shù)，人類有史以來第一次在琥珀中發(fā)現(xiàn)了恐龍化石……

更重要的是，BEPC的建設(shè)對各種加速器、同步輻射裝置起到了奠基作用，推動了我國工業(yè)發(fā)展。比如加速器中運(yùn)用到的高頻微波技術(shù)、超導(dǎo)低溫技術(shù)、束流測量技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、真空技術(shù)、磁鐵技術(shù)、電源技術(shù)等，BEPC的建設(shè)和改進(jìn)將這些技術(shù)及相關(guān)工藝提高到國際先進(jìn)水平，為后續(xù)的大科學(xué)裝置的建設(shè)如中國散裂中子源（CSNS）、加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)（ADS）奠定了良好基礎(chǔ)。同步輻射裝置中運(yùn)用的核成像技術(shù)和輻射防護(hù)技術(shù)則大大推動了醫(yī)療健康、安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

這些學(xué)術(shù)和工業(yè)成果，正印證著我國社會各個領(lǐng)域從跟跑到并跑，到今天部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的發(fā)展?fàn)顩r，而在這一過程中，BEPC起到了不可替代的作用。

（樹摘自《大科技》2023年第3期）