北京正負(fù)電子對撞機(jī)：對撞30年

文 李 莉

北京正負(fù)電子對撞機(jī)砥礪前行30年

“這項工程已進(jìn)行到這個程度，不宜中斷，我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫?！?981年12月22日，時任中共中央軍委主席的鄧小平在一份“緊急報告”上作出以上批示。關(guān)于報告中提到的事情，鄧小平已是第三次強(qiáng)調(diào)“不再猶豫”。

這份來自中國科學(xué)院高能物理研究所的“緊急報告”中寫道：“請求中央批準(zhǔn)我們12月5日上報的正負(fù)電子對撞機(jī)方案……”抬頭除了給鄧小平、胡耀邦同志外，還加上了萬里和姚依林兩位副總理。

報告提交3天后，鄧小平會見熱心于中美高能物理合作的李政道。會見前，他對時任中國科學(xué)院黨組書記李昌說：“要堅持，下決心，不要再猶豫了?！痹谡劦焦こ踢M(jìn)度和經(jīng)費時，他對姚依林說：“5年為期，經(jīng)費要放寬一些，不要再猶豫不決了，這個益處是很大的?！?/p>

3 8 年前，正是這三個“不再猶豫”，讓北京正負(fù)電子對撞機(jī)項目得以順利啟動，并于1988年正式建成，由此揭開了中國高能物理研究的新篇章。

如今，這臺裝置已年滿30歲。2018年10月20日，一場紀(jì)念研討活動在中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）舉辦，何祚庥、方守賢、柳懷祖等一群白發(fā)蒼蒼的歷史見證者再次走到一起，為大科學(xué)裝置慶生。那些鐫刻在記憶深處的艱辛曲折，點點滴滴被重新提起。

“七上七下”挫折中誕生

“這個東西不能吃、不能喝、不能用，還要搞它干什么？”

“加速器會不會有放射性污染？這塊地方上風(fēng)上水，能建在這里？”

“我們一共就這么點錢，都給你了，別人怎么辦？”

北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建造，一直伴隨著這樣的質(zhì)疑聲。

科學(xué)的初衷是探索未知。20世紀(jì)的物理學(xué)告訴人們：世界是由一些基本粒子組成的?，F(xiàn)在已知的基本粒子有60多種，不過仍有一些粒子尚未被人類捕獲，一旦抓到并發(fā)現(xiàn)它們的特性，就有可能運用這些新知識為人類服務(wù)。

最為常見的“抓捕”工具就是加速器、對撞機(jī)。用加速器把某種粒子加速到高能，轟擊一個固定的靶位，與組成靶的粒子相互作用，就有可能產(chǎn)生新的基本粒子。

1956年，我國第一次有了建造對撞機(jī)的計劃。在那一年制定的“12年科技遠(yuǎn)景規(guī)劃”（《1956—1967年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃》）中，提出了“制造適當(dāng)?shù)母吣芗铀倨鳌钡臉?gòu)想。然而，直到20世紀(jì)80年代，這一設(shè)想都未能落地。在中國科學(xué)院院士，曾任北京正負(fù)電子對撞機(jī)國家實驗室主任的方守賢的記憶里，北京正負(fù)電子對撞機(jī)是在“七上七下”的挫折中誕生的。

1958年，在蘇聯(lián)專家的指導(dǎo)下，我國已經(jīng)設(shè)計出20億電子伏電子同步加速器。但在當(dāng)時的形勢下，這一設(shè)計因“保守落后”被否。此為“第一下”。之后，20億電子伏的方案被改為建造150億電子伏質(zhì)子同步加速器，卻又受到蘇聯(lián)專家冷遇，他們認(rèn)為中國只能在蘇聯(lián)原有的70億電子伏加速器技術(shù)上加以修補(bǔ)。這一方案遭到了我方設(shè)計人員的抵制，此為“第二下”。

在20多年里，計劃上馬，再下馬，一共反復(fù)七次。而放眼全球，世界加速器已經(jīng)發(fā)展了近半個世紀(jì)。

中國科學(xué)院辦公廳原副主任、原北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室主任柳懷祖回憶說，除了政治環(huán)境影響，當(dāng)年圍繞計劃上與不上的另一個原因就是資源分配問題，說白了就是“沒有錢”。

這似乎是一個全世界范圍內(nèi)的問題。柳懷祖還談到美國超級超導(dǎo)對撞機(jī)（SSC）引發(fā)爭論的情況，美國國會一位議員反對建造該裝置，就對科學(xué)家們說：“你們不是要找希格斯玻色子——上帝粒子嗎？可以。如果上帝說要找他的‘兒子’，我就投票！”大科學(xué)裝置上馬之艱辛可見一斑。

后來，在廣泛聽取國內(nèi)外科學(xué)家意見的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院在1981年12月，向中央提出了關(guān)于建造能量為2×22億電子伏的正負(fù)電子對撞機(jī)的報告。鄧小平在聽取了這個方案的匯報后，當(dāng)日就在報告上批示：“我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫?！?983年4月，國務(wù)院批準(zhǔn)了這個計劃。同年12月，中央書記處會議上確定北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程為國家重點建設(shè)項目，稱為“8312工程”。

不過，工程上馬之后，仍非坦途。柳懷祖清晰地記得，現(xiàn)場開工在即，曾有人拿著方案圖問：“這個地方要搞加速器的話，會有輻射吧，那不能動工！”

這件事僵持不下，最終還是找到了國家領(lǐng)導(dǎo)人。柳懷祖在匯報時說：“他們說放射性，其實沒有，德國電子同步加速器D E S Y，就建在漢堡公園的底下?！眹翌I(lǐng)導(dǎo)人聽后隨即拍板：“那就沒得問題！”

除了這些，來自內(nèi)行的爭議，更讓科學(xué)家們焦頭爛額。

20世紀(jì)80年代，對撞機(jī)是加速器發(fā)展的主流，這比傳統(tǒng)的打靜止靶的加速器性能要好，但技術(shù)難度也大。按照國際發(fā)展慣例，都是先建打靜止靶加速器，后建對撞機(jī)?！爱?dāng)時就有人提出，中國連打靜止靶加速器都沒有做過，一步就要造對撞機(jī)，相當(dāng)于‘一步登頂’，風(fēng)險太大！”方守賢說。

甚至有人指出：“想要跳過建設(shè)固定靶加速器的經(jīng)驗積累，直接建設(shè)電子對撞機(jī)，就好比站在月臺上，想跳上一列飛馳而來的特快列車。如果跳上了，從此走在世界前列，否則將粉身碎骨?！?/p>

即便是在高能所自己的隊伍中，也有這樣的擔(dān)心：“對撞機(jī)包含許多頂尖技術(shù)，難度比一般加速器大得多，中國能造出來嗎？”這些專家更傾向于建造質(zhì)子同步加速器，因為已經(jīng)開展了相應(yīng)的預(yù)制研究，在技術(shù)上比較有把握。

20世紀(jì)80年代，建設(shè)中的北京正負(fù)電子對撞機(jī)。

北京正負(fù)電子對撞機(jī)超導(dǎo)磁鐵支架

各種各樣的質(zhì)疑聲此起彼伏。比如：國外專家估計，造價不到2000萬美元（按當(dāng)時的匯率恰好為9000萬元人民幣），但中國的國情不同，造價將是多少？對撞機(jī)技術(shù)復(fù)雜，中國在加速器技術(shù)方面很落后，能做出來嗎？中國對大工程的管理缺少經(jīng)驗，能管理這個尖端工程嗎？有人說有物理窗口，幾年以后還有嗎？

質(zhì)疑聲后是一輪又一輪的論證和調(diào)研，為了對比權(quán)衡兩條路線的優(yōu)缺點，中國科學(xué)院院士謝家麟、朱洪元曾多次組織國內(nèi)科學(xué)家進(jìn)行反復(fù)論證，甚至還曾赴美取經(jīng)，經(jīng)過充分的調(diào)研和論證后，終于拍板確定了北京正負(fù)電子對撞機(jī)的方案。

但疑惑卻并未就此打住。1986年年初，磁鐵、高頻機(jī)、速調(diào)管、調(diào)制器等8大難度較高的專用設(shè)備試制成功，路線問題得到了初步解決。然而，能否按期完成仍是個大大的疑問。直到1987年年初，批量生產(chǎn)的部件按質(zhì)按期陸續(xù)交貨，才不再有人擔(dān)心這個問題。

但接下來，對撞機(jī)的主要性能——亮度，到底能達(dá)到多高？又成了一個問題。直到1988年年底，即對撞后的兩個月，才得到了回答——其亮度是世界上同能量加速器中最高的，為美國正負(fù)電子對撞機(jī)SPEAR的4倍以上。

北京正負(fù)電子對撞實驗發(fā)現(xiàn)新粒子

科學(xué)探索不等人

這些歷史瞬間已經(jīng)過去了30年，回顧過去，中國科學(xué)院院士、高能所所長王貽芳經(jīng)過梳理，總結(jié)出了一條經(jīng)驗——要敢于接受技術(shù)上的挑戰(zhàn)，對于北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建造如此，后來的改造也是如此。

在決策對撞機(jī)重大改造方案前，面對美國康奈爾大學(xué)加速器CESR的正面競爭，我國科學(xué)家也是經(jīng)過反復(fù)計算、研討和評估風(fēng)險，最終把改造方案從麻花軌道單環(huán)方案修改為雙環(huán)方案，從原來計劃把對撞機(jī)性能提高7倍左右，提高到了100倍左右。

2004年至2009年，北京正負(fù)電子對撞機(jī)的重大改造工程（BEPCⅡ）啟動實施并順利完成。投入運行后，C E S R關(guān)閉了，在其中工作的美國6所大學(xué)的物理學(xué)家，轉(zhuǎn)而參加了中國對撞機(jī)實驗的合作。

至今提起那次改造升級，時任高能所所長的陳和生院士有一肚子的話要說：“到現(xiàn)在還有人抱怨，說我們是做賠本生意，把1億元投到大科學(xué)裝置，投到科學(xué)項目里去，為啥不把改造升級的錢用來建辦公樓，建實驗樓？”

那是1998年，高能所年度經(jīng)費7000多萬元，其中北京正負(fù)電子對撞機(jī)的運行費占到2700萬元。根據(jù)陳和生的回憶，當(dāng)時設(shè)備逐漸老化，缺乏維護(hù)更新，故障率增高，影響運行效率，改造在即。高能所向時任中國科學(xué)院院長路甬祥提出一個6.4億元的改造方案，這其中國家支持5.4億元，高能所自籌1億元。

為什么會是這個方案？按照陳和生的說法是：“如果所有資金都請國家支持，就增加了60%的預(yù)算，而且方案很可能還要回到國家科技領(lǐng)導(dǎo)小組去討論，但科學(xué)探索不等人??！”

如今再說起來，陳和生很是感慨：“高能所到現(xiàn)在為止，僅新修了一棟實驗辦公大樓。我們的錢去哪兒了？都去修大科學(xué)裝置了。修到阿里去了——全球海拔最高的原初引力波觀測站；修到稻城去了——高海拔宇宙線觀測站；修到東莞去了——中國散裂中子源。我們不僅要修建，還要運行開放?！标惡蜕f。

在他看來，這也是中國大科學(xué)裝置設(shè)計者、建設(shè)者的情懷所在，優(yōu)先保證的永遠(yuǎn)是中國高能物理的科學(xué)研究能夠持續(xù)發(fā)展。

貢獻(xiàn)不可限量

北京正負(fù)電子對撞機(jī)坐落于北京西郊八寶山東側(cè)。從外形來看，它就像一個巨大的羽毛球拍，主要由注入器、儲存環(huán)、北京譜儀和同步輻射裝置四大部分組成，占地5萬平方米。第一次來到這里的人往往會問：這個大家伙有什么用？

兩彈一星元勛、核物理學(xué)家王淦昌說過這樣一番話：“有人說，北京正負(fù)電子對撞機(jī)是繼原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星等之后，我國取得的又一偉大成就，依我看，這話說得一點也不過分?！?/p>

如果用獎項和成果拉個對撞機(jī)的成績單，可能兩三頁也未必能寫完：1988年10月該裝置建造成功，成為國際上τ-粲物理能區(qū)性能最好的對撞機(jī)，相繼斬獲1990年度國家科技進(jìn)步獎特等獎、2016年度國家科技進(jìn)步獎一等獎、5項國家自然科學(xué)獎二等獎；2013年3月，該裝置發(fā)現(xiàn)四夸克物質(zhì)，入選美國物理學(xué)會年度重要成果，并位列榜首。

2004年至2009年，北京正負(fù)電子對撞機(jī)重大改造工程的啟動實施并順利完成，使中國高能物理在加速器和探測器技術(shù)上又實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

30年來，以北京正負(fù)電子對撞機(jī)為基礎(chǔ)，高能所開拓了中微子研究領(lǐng)域，利用大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)了中微子新的振蕩模式，并開始了江門中微子實驗的建設(shè)；中國在高海拔和空間宇宙線實驗、暗物質(zhì)探測、X射線天體物理研究等方面也取得了長足的進(jìn)步，“慧眼”衛(wèi)星得以遨游太空。此外，在北京正負(fù)電子對撞機(jī)的技術(shù)帶動下，北京同步輻射裝置、蘭州重離子加速器、合肥同步輻射加速器等大型加速器在全國相繼建成。

不僅如此，北京正負(fù)電子對撞機(jī)的建成和北京正負(fù)電子對撞機(jī)的重大改造工程還帶動了高穩(wěn)定電源、高性能磁鐵、精密機(jī)械、計算機(jī)自動控制等高新技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化對我國廣播通信、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域都做出了重要貢獻(xiàn)。

最能引發(fā)共鳴的一個例子，可能還是人們?nèi)缃裼|手可及的互聯(lián)網(wǎng)。

1986年我國建成第一條國際計算機(jī)通信線路，并向國外發(fā)出中國第一封Email，1993年建成第一根國際互聯(lián)網(wǎng)專線，一年后，建立中國第一個萬維網(wǎng)（WWW）網(wǎng)站。這一切，都和北京正負(fù)電子對撞機(jī)直接相關(guān)。

在高能所的檔案室里，保存著一封不尋常的信件，這是美國高能物理及加速器物理學(xué)家潘諾夫斯基于1991年6月寫給中國科學(xué)家的，其中表達(dá)了這樣一層意思：時值北京正負(fù)電子對撞機(jī)基本建成以及實驗數(shù)據(jù)開始獲取之際，必須有一條新的高速的電子數(shù)據(jù)網(wǎng)線。

高能所計算中心研究員、網(wǎng)絡(luò)安全實驗室首席科學(xué)家許榕生回憶：“當(dāng)時提起要建立一條因特網(wǎng)連線，有美國人開玩笑說‘你是想到月球上去嗎？’，并稱‘這是很不可能的事！’”

最終，許榕生作為這項工程的具體負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)年輕人奮戰(zhàn)了18個月，在1993年3月，建成了中國第一條與國際互聯(lián)網(wǎng)正式接通的網(wǎng)絡(luò)。這之后，高能所還引進(jìn)了基于網(wǎng)格技術(shù)的集群計算替代集中式的大型計算機(jī)，也就是今天熱議的“云計算”雛形。

王貽芳說，歐洲核子中心為了解決科學(xué)家之間的數(shù)據(jù)共享傳輸問題，發(fā)明了萬維網(wǎng)——一個今天幾乎沒有人能夠離開的技術(shù)。這和北京正負(fù)電子對撞機(jī)帶動國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的道路何其相像，這些技術(shù)從根本上改變了人類生活，其貢獻(xiàn)已無法用金錢衡量。

在關(guān)鍵拐點發(fā)力

北京正負(fù)電子對撞機(jī)工程2018年剛剛過了它的30歲生日。曾為它的建成做出重要貢獻(xiàn)的諾貝爾物理學(xué)獎得主李政道專門發(fā)來賀信：“熱烈祝賀北京正負(fù)電子對撞機(jī)建成30周年，這是中國在國際高能物理領(lǐng)域占一席之地并取得一系列重大成果的30年。衷心祝愿祖國科學(xué)家利用對撞機(jī)做出更多世界一流的成果，在粲物理和τ輕子研究方面繼續(xù)保持國際領(lǐng)先地位，為人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘做出更大的貢獻(xiàn)。”

多年過去，很少有人再記得，在北京正負(fù)電子對撞機(jī)建成前，我國科學(xué)家只能參與別的國家主導(dǎo)的高能物理實驗。方守賢說，20世紀(jì)60年代，中蘇在高能物理研究方面的合作中斷后，中國科學(xué)家都憋著一口氣，這口氣就轉(zhuǎn)化為一股巨大的力量，決心在中國大地上建造自己的加速器。

“盡管工資很低，但沒有人抱怨和計較，也沒有人在意能拿到多少科研經(jīng)費，更沒有評院士的概念，增選停過好多年……”方守賢停頓了一下說，“那時確實是無私奉獻(xiàn)，因為大家都想干成事！這背后是一代又一代科學(xué)家的接力和堅守?！?/p>

如今，他們又想干成另一件事：瞄準(zhǔn)世界物理最前沿?zé)狳c——希格斯玻色子粒子研究，規(guī)劃建設(shè)中國的新一代對撞機(jī)——環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)。

2013年，歐洲核子中心宣布探測到希格斯玻色子粒子，基礎(chǔ)物理學(xué)走到了一個關(guān)鍵的拐點。王貽芳說，研究希格斯玻色子粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，正好給我國的高能物理發(fā)展提供了一個趕超、領(lǐng)先的絕佳機(jī)遇。即便面對再多爭議，他始終相信一點，即大科學(xué)裝置研制一定是高科技發(fā)展的沃土。在他的描述中，一旦環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)建成，中國將成為全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師來華工作，并作為龍頭帶動一系列核心技術(shù)的發(fā)展，在核物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等許多方面將大有作為。

在北京正負(fù)電子對撞機(jī)建成30周年紀(jì)念活動現(xiàn)場，柳懷祖站在演講臺上，給王貽芳打氣：“你不要有什么負(fù)擔(dān)，當(dāng)年反對建正負(fù)電子對撞機(jī)的人，絕不比今天少，而且是更多！反對、爭議沒啥了不起的。”

當(dāng)然，也有教訓(xùn)擺在面前。曾任高能所所長的中國科學(xué)院院士葉銘漢就提到，回過頭來反思高能物理事業(yè)的得失，1980年的北京正負(fù)電子對撞機(jī)“第七下”即“八七工程”下馬，對我國高能事業(yè)來說，是“塞翁失馬，焉知非?！?。假如沿著原來的“大高能”走下去，物理上步人后塵，難出成果，攤子又鋪得過大，經(jīng)費勢難維持，結(jié)果將是不上不下，造成極大浪費，后果不堪設(shè)想。

因此綜合考慮前沿科學(xué)目標(biāo)、國家實力與需求、學(xué)科自身發(fā)展目標(biāo)來選擇裝置建造方案就成為必須慎重考慮的問題。站在北京正負(fù)電子對撞機(jī)的肩膀上，目前新一代對撞機(jī)——環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)已完成概念設(shè)計，并獲國際評審認(rèn)可，預(yù)研工作已全面展開。若該方案順利實現(xiàn)，我國或可一躍成為世界重要前沿基礎(chǔ)科學(xué)的領(lǐng)頭羊。在粒子物理面臨暗物質(zhì)和暗能量嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的重大歷史性突破的前夜，中國理應(yīng)為此做出一個大國應(yīng)有的貢獻(xiàn)。