徐愚

摘 要：歐洲核子研究中心是大科學(xué)國(guó)際合作的典范，目前已有21個(gè)歐洲成員國(guó)，并且創(chuàng)立了觀察員制度。60多年中，CERN建造了眾多高能粒子物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施，取得了突出的科學(xué)貢獻(xiàn)，對(duì)我國(guó)大科學(xué)研究及政策富有啟示。最后，分析了大科學(xué)國(guó)際合作的兩種主要特征：第一，以工程為基礎(chǔ)的集中研究；第二，以共同目標(biāo)為核心的分散研究。

關(guān)鍵詞：歐洲核子研究中心 大科學(xué) 國(guó)際合作

中圖分類號(hào)：N20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（a）-0193-03

位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN）該名為“歐洲核子研究理事會(huì)”，1954年更名為歐洲核子研究中心。雖然名字改了，但CERN這個(gè)簡(jiǎn)稱卻被保留了下來(lái)，一直沿用至今。CERN是大科學(xué)國(guó)際合作的典范，它開(kāi)創(chuàng)了大科學(xué)國(guó)際合作的先河，并在創(chuàng)立后的近60年中做出了眾多富有價(jià)值的科學(xué)貢獻(xiàn)?，F(xiàn)如今，CERN不斷接納更多歐洲國(guó)家加入其中，并且持續(xù)加強(qiáng)與全球范圍內(nèi)科技強(qiáng)國(guó)的合作，探索并創(chuàng)新大科學(xué)國(guó)際合作的發(fā)展新方式。因而，梳理并研究CERN的發(fā)展歷程、機(jī)構(gòu)設(shè)置、重大成果對(duì)進(jìn)一步探討和制定我國(guó)科技政策以及我國(guó)大科學(xué)國(guó)際合作戰(zhàn)略等問(wèn)題都將有所幫助和啟示。

1 歐洲核子研究中心（CERN）的發(fā)展

作為世界上最大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，歐洲核子研究中心（CERN）目前有20個(gè)歐洲成員國(guó)，以及3000多名物理學(xué)家、工程技術(shù)人員和行政人員。除成員國(guó)外， CERN還將諸如美國(guó)、日本、俄羅斯、印度等非成員國(guó)吸納為觀察員，由此開(kāi)創(chuàng)國(guó)際合作的創(chuàng)新模式。

1.1 CERN的創(chuàng)立

CERN于1954年9月27日宣布成立，它的建立和發(fā)展早于歐洲國(guó)家的政治一體化。它的產(chǎn)生既有歐洲科學(xué)發(fā)展的實(shí)際需求因素，又由高能物理研究依賴高投入的大科學(xué)工程和科學(xué)設(shè)施的特點(diǎn)所決定。[1]

二戰(zhàn)之后，歐洲各國(guó)亟待發(fā)展以擺脫戰(zhàn)后頹勢(shì)，政治家和科學(xué)家都認(rèn)識(shí)到發(fā)展的動(dòng)力必將來(lái)自科學(xué)研究。然而，對(duì)于高能粒子物理研究，歐洲各國(guó)都面臨著同樣的難題：作為高能物理研究所需的實(shí)驗(yàn)工具，粒子加速器和探測(cè)器的建造和運(yùn)行都需要大量資金和人力，而這并非一國(guó)所能獨(dú)立承擔(dān)。在這樣的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和科研需求背景下，歐洲科學(xué)家們開(kāi)始推動(dòng)國(guó)際科研合作。1954年，包括比利時(shí)、丹麥、聯(lián)邦德國(guó)、法國(guó)、希臘、意大利、荷蘭、挪威、瑞典、瑞士、英國(guó)和南斯拉夫在內(nèi)的12個(gè)歐洲國(guó)家達(dá)成一致，決定開(kāi)始聯(lián)合在瑞士日內(nèi)瓦和法國(guó)的邊界上建設(shè)CERN。

1.2 CERN的觀察員

CERN不僅在持續(xù)吸納歐洲國(guó)家加入其中，并且還開(kāi)展了與其他地區(qū)和國(guó)家的合作。CERN根據(jù)其做出的貢獻(xiàn)及其合作態(tài)度，發(fā)展了一些國(guó)家和組織作為CERN的觀察員。觀察員不能夠參與CERN的決策過(guò)程，但是可以出席理事會(huì)會(huì)議，并有權(quán)獲得理事會(huì)的文件。其主要觀察員為美國(guó)、日本、俄羅斯和印度。

美國(guó)在LHC項(xiàng)目中投資約5.31億美元，其中投入ATLAS和CMS項(xiàng)目各1.65億美元，其余的2.01億美元支援LHC的工程建造。由此，1997年CERN將美國(guó)納入到觀察員的行列。而日本成為觀察員國(guó)家的時(shí)間則更早一些，日本在1995年之前就聲稱要向CERN繳付50億日元，作為L(zhǎng)HC的建造費(fèi)用，并且之后逐步提高了數(shù)倍金額，最終日本在1995年CERN理事會(huì)上取得了觀察員地位。

另外，俄羅斯也是ATLAS和CMS探測(cè)器合作的重要合作國(guó)家，并在其中承擔(dān)了非常重要的任務(wù)。俄羅斯的杜布納研究所向CERN提供了價(jià)值不菲的橫向減震系統(tǒng)，以及大量高水平的研究員和工程師。這些來(lái)自俄羅斯的研究人員在LHC探測(cè)器研發(fā)和制造等方面所做出的貢獻(xiàn)十分巨大。最后，作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，印度一直以來(lái)與CERN保持密切合作，為L(zhǎng)HC項(xiàng)目貢獻(xiàn)了約1250萬(wàn)美元。除此之外，印度也向CERN派出了大量科學(xué)家?guī)椭瓿蒐HC對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)、建造和實(shí)驗(yàn)。

2 歐洲核子研究中心（CERN）的科研成就

2.1 CERN建造的大科學(xué)裝置

CERN歷史上共有三臺(tái)直接加速器，其作用在于為質(zhì)子同步加速器（Proton Synchrotron）提供低能量的粒子。質(zhì)子同步加速器于1957年建造完成，1959年調(diào)試完畢，直徑約為200 m，曾是當(dāng)時(shí)世界上功率最大的加速器，也是CERN加速器中使用時(shí)間最久且用途最廣的加速器。利用質(zhì)子同步加速器，可以將質(zhì)子加速到28 GeV的高能量，而且據(jù)此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了強(qiáng)聚焦原理。經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)試之后，質(zhì)子同步加速器不僅可以加速質(zhì)子、反質(zhì)子，還能加速電子和重離子，可為之后建造功率更大加速器提供粒子束。

1971年，CERN建造了質(zhì)子交叉儲(chǔ)存環(huán)（ISR）。該設(shè)備將質(zhì)子對(duì)撞能量提高到56 GeV，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)高能量的世界紀(jì)錄。科學(xué)家在ISR上完成了一系列重要的實(shí)驗(yàn)，但遺憾的是ISR已于1984年被拆除。

在質(zhì)子同步加速器之后，CERN開(kāi)始向超級(jí)質(zhì)子同步加速器（SPS）邁進(jìn)。SPS從1971年開(kāi)始建造，1976年投入運(yùn)行，其主加速器平均直徑達(dá)2200 m，能量輸出范圍為300～450 GeV。利用SPS產(chǎn)生的質(zhì)子束進(jìn)行靜止靶實(shí)驗(yàn)，完成了中微子散射等重要試驗(yàn)。[2]通過(guò)提出統(tǒng)計(jì)冷卻原理，超級(jí)質(zhì)子同步加速器于1983年被改造為最高能量達(dá)800 GeV的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)撞器。正是在這臺(tái)設(shè)備上，CERN的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了傳遞弱相互作用的媒介子三種玻色子。2007年后，超級(jí)質(zhì)子同步加速器開(kāi)始為L(zhǎng)HC注入中子及重離子。與此同時(shí)，1983年CERN開(kāi)始建造大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），其總投資達(dá)6億美元。LEP的周長(zhǎng)為27 km，主環(huán)跨越法國(guó)和瑞士國(guó)界，占地36公頃。1989年8月13日LEP正式投入運(yùn)行，直至2000年被拆除。

20世紀(jì)末，美國(guó)和歐洲在加速器建設(shè)方面形成一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但是美國(guó)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)SSC計(jì)劃被美國(guó)國(guó)會(huì)否決，與此同時(shí)CERN成員國(guó)理事會(huì)批準(zhǔn)了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）計(jì)劃，由此二者競(jìng)爭(zhēng)的天平開(kāi)始傾斜。從2001年開(kāi)始，CERN在LEP原有的隧道中建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，將實(shí)現(xiàn)總撞擊能量高達(dá)14 TeV，主要用于開(kāi)展模擬宇宙大爆炸的實(shí)驗(yàn)。

在LHC的不同對(duì)撞點(diǎn)上建有四個(gè)大型探測(cè)器：緊湊型子螺旋型磁譜儀（CMS）、超環(huán)面儀器（ATLAS）、研究CP破缺實(shí)驗(yàn)裝置（LHCb）以及大型離子對(duì)撞機(jī)（ALICE）。其中，CMS和ATLAS探測(cè)器的主要物理目標(biāo)就是尋找希格斯玻色子，以及研究CP破缺和超對(duì)稱，這正是2014年7月報(bào)告發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的兩個(gè)研究組。除上述這些大科學(xué)裝置以外，CERN歷史上還有一些裝置，例如：反質(zhì)子積累器、低能反質(zhì)子環(huán)、反質(zhì)子收集器AC以及后來(lái)由AC改造而成的反質(zhì)子減速器。

2.2 CERN幾十年來(lái)取得的成績(jī)

1984年，CERN的科學(xué)家卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）和西蒙· V·范德梅爾（Simon Van Der Meer）由于在發(fā)現(xiàn)弱作用傳播子中所起到的決定性作用和杰出貢獻(xiàn)，而榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此項(xiàng)研究結(jié)果確認(rèn)了弱力和電磁力的統(tǒng)一，也即確認(rèn)了標(biāo)準(zhǔn)模型的電弱理論。這也是在CERN工作的科學(xué)家第一次獲此項(xiàng)殊榮。然而，僅僅幾年之后，CERN的科學(xué)家喬治·夏帕克（Georges Charpark）就再次斬獲1992年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他在他在粒子探測(cè)器以及多絲正比室方面的突出成果。

如今我們“賴以生存”且發(fā)展迅猛的萬(wàn)維網(wǎng)也可以認(rèn)為是CERN的成果之一。1990年，CERN的計(jì)算機(jī)學(xué)家蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）發(fā)明了萬(wàn)維網(wǎng)，他甚至在2004年被英國(guó)女王伊麗莎白二世晉封為二等高級(jí)英帝國(guó)勛爵士。萬(wàn)維網(wǎng)是由CERN的大型高能物理合作組發(fā)明并發(fā)展起來(lái)的，由于需要在全球范圍內(nèi)不同大學(xué)和研究所之間交流科研信息，因此，促使了萬(wàn)維網(wǎng)的誕生。

另一個(gè)重要的成就即為希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)。在所有解釋質(zhì)量起源的機(jī)制中，希格斯機(jī)制是最簡(jiǎn)單、最被寄予厚望的一種。希格斯機(jī)制假定宇宙普遍存在著“希格斯場(chǎng)”，希格斯場(chǎng)能夠與基本粒子相互作用產(chǎn)生希格斯玻色子。所以，希格斯玻色子是粒子物理學(xué)期待已久的發(fā)現(xiàn)，希格斯玻色子的確認(rèn)對(duì)希格斯機(jī)制給予了極大的肯定。

3 國(guó)際科技合作的啟示

3.1 大科學(xué)的興起

“大科學(xué)”的概念源于《小科學(xué)與大科學(xué)》，此書是美國(guó)耶魯大學(xué)科學(xué)家普賴斯（D.Price）1962年在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所作的四次“培格萊姆講演”（Pegram Lectures）基礎(chǔ)上寫就而成。書中開(kāi)篇就寫道：“由于當(dāng)今的科學(xué)大大超過(guò)了以往的水平，顯然已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，那是清除了一切陳腐卻保留著基本傳統(tǒng)的時(shí)代?，F(xiàn)代科學(xué)的大規(guī)模性，面貌一新且強(qiáng)而有力使人們以‘大科學(xué)一詞來(lái)美譽(yù)之?！盵3]

然而，早在1961年美國(guó)科學(xué)家艾爾文·溫伯格（Alvin Weinberg）在《大規(guī)?？茖W(xué)對(duì)于美國(guó)的影響》中已經(jīng)注意到了“大規(guī)?？茖W(xué)”所帶來(lái)的問(wèn)題。普賴斯在書中也寫道“我從溫伯格的文章中受惠匪淺”。對(duì)于大科學(xué)的內(nèi)涵，溫伯格曾做過(guò)這樣的概括：“科學(xué)愈來(lái)愈龐大有兩個(gè)不同的意義。一方面是指，現(xiàn)代科學(xué)的許多活動(dòng)——核物理學(xué)、基本粒子物理學(xué)，或空間研究——要求非常精密的儀器設(shè)備和專業(yè)人員的巨大隊(duì)伍。另一方面，科學(xué)事業(yè)，小科學(xué)和大科學(xué)兩者，都在爆炸式地增長(zhǎng)，并且變得非常復(fù)雜?！盵4]

大科學(xué)（Big Science）指需要大規(guī)模的儀器設(shè)備和巨額資金的研究，其中涉及規(guī)模巨大的多學(xué)科的研究隊(duì)伍，包括科學(xué)家和工程師。[5]從管理結(jié)構(gòu)來(lái)看，大科學(xué)研究項(xiàng)目更加復(fù)雜且多層次，需要多方面協(xié)作完成；從作用影響來(lái)看，大科學(xué)研究項(xiàng)目所關(guān)注的是更為基礎(chǔ)的科學(xué)理論，擁有更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)設(shè)施、更高水平的人才隊(duì)伍、更巨額的資本投入，因此，所產(chǎn)生的影響相較于“小科學(xué)”而言則更加廣泛且深遠(yuǎn)。

3.2 大科學(xué)國(guó)際合作的特點(diǎn)

綜上所述，大科學(xué)項(xiàng)目國(guó)際合作研究的特點(diǎn)主要是：第一，投資強(qiáng)度大，一國(guó)之力難以承擔(dān)；第二，多學(xué)科多領(lǐng)域交叉，需要大量高水平科研人員；第三，研究目標(biāo)多為基礎(chǔ)且宏大的課題，對(duì)人類知識(shí)體系及社會(huì)發(fā)展將產(chǎn)生難以估計(jì)的影響。但是，從研究性質(zhì)和研究類別來(lái)看，大科學(xué)國(guó)際合作有兩種不同的特征。

首先，以工程為基礎(chǔ)的集中研究。這些大科學(xué)研究需要建設(shè)大規(guī)模工程設(shè)施，需要投入巨額研發(fā)資金、眾多科研人員，主要方法是在擁有大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提下進(jìn)行研究探索。這就意味著其中包含了工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)等一系列研究開(kāi)發(fā)活動(dòng)。例如：歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）、Cassini衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃、Gemini望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃等都可劃分為此類大科學(xué)研究。[6]

其次，以共同目標(biāo)為核心的分散研究。該類大科學(xué)項(xiàng)目的主要特點(diǎn)是研究場(chǎng)所相對(duì)分散，全位于全世界的各個(gè)科學(xué)家、科學(xué)團(tuán)體朝著一個(gè)相同研究目標(biāo)開(kāi)展協(xié)同合作。雖然相對(duì)分散，但其中卻不乏組織性，即分工明確，又相互補(bǔ)充。人類基因組計(jì)劃、全球變化研究以及海洋與大陸科學(xué)鉆探等大科學(xué)項(xiàng)目都具備此特征。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，CERN的LHC粒子撞擊總能量已達(dá)到發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的兩倍，并且正在以最高能量運(yùn)行，試圖探測(cè)微型黑洞，以此可以驗(yàn)證宇宙中額外維度或者“平行宇宙”是否真的存在。無(wú)論結(jié)果如何，CERN都將繼續(xù)拓展對(duì)于粒子物理學(xué)以及宇宙空間的認(rèn)知邊界。2015年10月底，黨的十八屆五中全會(huì)強(qiáng)調(diào)要牢固樹(shù)立并切實(shí)貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念。其中，“實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，就要深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)施一批國(guó)家重大科技項(xiàng)目，在重大創(chuàng)新領(lǐng)域組建一批國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，努力取得一批原創(chuàng)性科研成果，增強(qiáng)國(guó)家自主創(chuàng)新能力。積極參與國(guó)際科技合作，提出并牽頭組織國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程。加快科技成果產(chǎn)業(yè)化，使創(chuàng)新深度融入經(jīng)濟(jì)發(fā)展之中。”[7]據(jù)媒體稱，我國(guó)將于2020年至2025年間開(kāi)始建造世界上最大的粒子加速器，其大小將是LHC的兩倍，最高能量將是LHC的數(shù)倍以上。因此，研究CERN的發(fā)展與成就，借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)與模式，中國(guó)將在大科學(xué)國(guó)際合作領(lǐng)域、粒子物理加速器領(lǐng)域同全世界科學(xué)家們一起開(kāi)拓未來(lái)的科學(xué)征程。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永濤.歐洲核子中心50年發(fā)展歷程和輝煌成就[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)，2004（6）：52.

[2] 張闖.科研上國(guó)際合作的典型——?dú)W洲核子研究中心簡(jiǎn)介[J].科學(xué)中國(guó)人，1996（12）：26-28.

[3] （美）普賴斯，著.小科學(xué)與大科學(xué)[M].宋劍耕，戴振飛，譯.上海：世界科學(xué)社，1982：2.

[4] 萬(wàn)勁波，孫中鋒，全利平.大科學(xué)時(shí)代中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃的制定[J].科研管理，2003（12）：12-15.

[5] 樊春良.全球化時(shí)代的科技政策[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：265.

[6] 劉云，常青.我國(guó)大科學(xué)研究國(guó)際合作的現(xiàn)狀分析與政策建議[J].科技發(fā)展，2000（9）：63-67.

[7] 王一鳴.貫徹五大發(fā)展理念 實(shí)現(xiàn)百年奮斗目標(biāo)[N].人民日?qǐng)?bào)，2015-10-30（3）.