中國(guó)需要建造像萬里長(zhǎng)城一樣引人矚目的大型加速器嗎？支持者和反對(duì)者最近就遙遠(yuǎn)的科學(xué)目標(biāo)和龐大的經(jīng)費(fèi)等一系列問題展開了激烈的爭(zhēng)論。

南方周末特約撰稿 張淼

中國(guó)該不該建造超級(jí)對(duì)撞機(jī)？最近，這個(gè)本屬高能物理領(lǐng)域的專業(yè)問題突然進(jìn)入了普通人的視野。

2016年9月4日，著名物理學(xué)家、94歲高齡的楊振寧公開發(fā)表《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》一文，用七條理由反對(duì)了此前數(shù)學(xué)家丘成桐的“幾點(diǎn)意見”。一天后，楊振寧的文章便收到了中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳的逐一反駁，后者正大力推動(dòng)在中國(guó)建造超級(jí)對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目。隨后王貽芳的論述，又遭到了曾參與美國(guó)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）項(xiàng)目的哈佛大學(xué)物理學(xué)博士王孟源的反駁。

幾個(gè)回合的公開辯論，讓正在預(yù)研中的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）及更長(zhǎng)遠(yuǎn)的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）陷入爭(zhēng)論的漩渦中。

昂貴的工程

科幻小說《三體》中，三體人的智能機(jī)器“智子”通過大型粒子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)化，完全抹殺了物理進(jìn)步的可能性。很多科學(xué)家難以在現(xiàn)有理論體系找到一個(gè)自洽的結(jié)果，最終在壓力下自殺。直接導(dǎo)致了人類物理知識(shí)無法進(jìn)步，使人類在與三體人的戰(zhàn)爭(zhēng)中不堪一擊。

盡管小說中把對(duì)撞機(jī)對(duì)物理學(xué)科進(jìn)步的貢獻(xiàn)作了些夸張，但對(duì)撞機(jī)成為推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展的“利器”已經(jīng)無需再做證明。

二十世紀(jì)被譽(yù)為物理學(xué)的“黃金世紀(jì)”，正依賴于高能物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的蓬勃發(fā)展。相對(duì)論和量子力學(xué)相繼誕生，從理論上有效解釋了微觀世界在高能環(huán)境中現(xiàn)象。

從原理上看，對(duì)撞機(jī)通過提高粒子運(yùn)動(dòng)的速度，獲得高能量的粒子，對(duì)另一個(gè)粒子進(jìn)行撞擊。和宏觀世界中的物體之間大力撞擊一樣，微觀粒子也將會(huì)被撞擊成許多小碎片——可能產(chǎn)生出新的粒子，也可能會(huì)造成兩者的相互作用，進(jìn)而與探測(cè)器中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

這樣，科學(xué)家們就可以通過比較撞擊前后各種粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推斷出新粒子的性質(zhì)。

同時(shí)，對(duì)撞機(jī)還能夠從微觀尺度上模擬宇宙大爆炸初期的形態(tài)，探索夸克、暗物質(zhì)與反物質(zhì)、引力等物理學(xué)基本問題的本質(zhì)。

上世紀(jì)五十年代初，提高粒子的速度成為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家亟待解決的關(guān)鍵問題。

中國(guó)粒子加速器之父謝家麟在其著作《加速器與科技創(chuàng)新》中寫道：“在解決了原理問題后，提高能量受到了經(jīng)濟(jì)上的限制?！彪S著能量的提高，加速器中使用的磁鐵重量和造價(jià)急劇上升。同時(shí)，由于橫向聚焦力不夠，加速器中的真空盒尺寸必須很大，造成磁鐵的磁極間隙大，依然需要很重的磁鐵。

1954年，美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成一臺(tái)6.2億電子伏特（GeV）能量的同步加速器，磁鐵的總重量高達(dá)1萬噸。

從一開始，加速器建造便是一項(xiàng)昂貴的工程。

與此同時(shí)，理論物理學(xué)家也在原理上開始不斷探索。美國(guó)科學(xué)家柯?。‥.D. Courant）等人于1952年發(fā)表了“強(qiáng)聚焦原理”的論文。論文中寫道，根據(jù)這一原理建造強(qiáng)聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁鐵的造價(jià)大大降低。

高能物理界普遍認(rèn)為，這一原理上的創(chuàng)新是加速器發(fā)展史上的一次革命。此后建造的加速器中則普遍采用了強(qiáng)聚焦原理。1953年建成的美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）質(zhì)子同步加速器“COSMOTRON”，能量達(dá)到33GeV磁鐵總重量只有4000噸。

在科學(xué)家對(duì)加速器高能量孜孜不倦的追求中，對(duì)撞機(jī)誕生了——如果采取兩束加速粒子對(duì)撞的方式，可以使加速的粒子能量充分用于高能反應(yīng)或新粒子的產(chǎn)生。

1960年，意大利科學(xué)家陶歇克（B.Touschek）首次提出了對(duì)撞機(jī)的新原理，并在意大利的Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對(duì)撞機(jī)。

據(jù)謝家麟總結(jié)，截至2000年前后，自世界上建造第一臺(tái)加速器以來，七十多年中加速器的能量大致提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)?！叭绱梭@人的發(fā)展速度在所有的科學(xué)領(lǐng)域都是少見的！”他評(píng)價(jià)道。

LHC物有所值

上世紀(jì)七十年代，“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論逐漸豐滿，建造起物理學(xué)的大廈。物理學(xué)家認(rèn)為，自然界具有四種基本的力，包括強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力。廣義相對(duì)論能夠描述引力，而標(biāo)準(zhǔn)模型理論則可以描述強(qiáng)力、弱力、電磁力三種基本力及基本粒子，能夠很好地解釋基本粒子的特性和相互作用。

根據(jù)中科院高能物理所官方網(wǎng)站提供的資料，標(biāo)準(zhǔn)模型理論研究肇始于科學(xué)家對(duì)楊振寧等人提出的“規(guī)范場(chǎng)理論”（也被稱為“楊-米爾斯理論”），與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)不符。在規(guī)范場(chǎng)理論中，“對(duì)稱性”禁止了一種被稱為“規(guī)范玻色子”的粒子帶有質(zhì)量。如果不解決理論和實(shí)驗(yàn)之間的矛盾，物理學(xué)在這一領(lǐng)域的研究就失去了基礎(chǔ)。

丘成桐曾對(duì)“規(guī)范場(chǎng)理論”給予極高的評(píng)價(jià)，他（楊振寧）影響最大的工作莫過于把規(guī)范場(chǎng)理論推廣至“非交換”的情況，到七十年代完成的高能物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，則依賴非交換的規(guī)范場(chǎng)理論。

不僅如此，2003年，在歐洲核子中心（CERN）召開的一次紀(jì)念會(huì)上，理論物理學(xué)家史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）也對(duì)“規(guī)范場(chǎng)理論”進(jìn)行了高度贊揚(yáng)：“這是一個(gè)優(yōu)美的理論，正是讓粒子理論學(xué)家們從心底里感到高興的東西。”

回顧歷史，六十年以來，在高能對(duì)撞機(jī)上每一次得出的重要結(jié)果，都能震撼人心。丘成桐看到，這些實(shí)驗(yàn)背后的基礎(chǔ)，都用到了這一理論，“每一次突破后，我們對(duì)楊先生的學(xué)問更加佩服”。

對(duì)于高能物理而言，2008年是一個(gè)里程碑。人們已經(jīng)期待了二十多年時(shí)間的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）終于在CERN落成——這是世界上最大的機(jī)器，能量高達(dá)14萬億電子伏（TeV），數(shù)百萬計(jì)的粒子在全長(zhǎng)26.659公里的環(huán)形隧道中以接近光速的速度狂飆；兩束粒子發(fā)生碰撞的地點(diǎn)溫度達(dá)到太陽(yáng)中心溫度的10萬倍，而超流體氦冷卻技術(shù)將加速腔內(nèi)的溫度降至接近絕對(duì)零度。

超現(xiàn)實(shí)的規(guī)模和技術(shù)意味著巨大的開銷。為了盡可能地節(jié)省經(jīng)費(fèi)，LHC首先利用了CERN原來已有正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）現(xiàn)成的隧道，節(jié)省了大筆隧道的建造費(fèi)用。根據(jù)CERN提供的官方資料，包括人力和材料在內(nèi)的對(duì)撞機(jī)本身的總費(fèi)用，高達(dá)60.3億瑞士法郎，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)的人民幣約410億。

另外，兩個(gè)巨大的探測(cè)器超環(huán)面儀器（ATLAS）和緊湊渺子線圈（CMS）僅材料費(fèi)用就分別為5.4億瑞士法郎和5億瑞士法郎，相當(dāng)于人民幣約37億、34億元。兩個(gè)中型探測(cè)器大型離子對(duì)撞機(jī)（ALICE）和底夸克探測(cè)器（LHCb）分別為1.14億瑞士法郎、0.75億瑞士法郎，相當(dāng)于人民幣約7.8億、5.1億。

盡管歐洲人省了又省，但LHC的花銷仍然是一筆天文數(shù)字。尋求國(guó)際合作成為L(zhǎng)HC籌集經(jīng)費(fèi)的重要途徑，34個(gè)國(guó)家超過2000位物理學(xué)家所屬的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都參與了LHC的建造。

中國(guó)也不例外。時(shí)任科技部基礎(chǔ)司司長(zhǎng)張先恩在2009年1月的《中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)》雜志上發(fā)表特稿，稱“中國(guó)科學(xué)家參與了LHC全部4個(gè)大型探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的合作，出色完成了所承擔(dān)的探測(cè)器部件研制、建造與安裝工作，取得了數(shù)據(jù)分析的入場(chǎng)券”。當(dāng)然，這些項(xiàng)目得到了來自中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部及科技部的資金支持。

LHC進(jìn)行了高能對(duì)撞、迷你爆炸等實(shí)驗(yàn)，其中最知名的莫過于找到希格斯粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型理論將粒子分成費(fèi)米子和玻色子兩大類，共預(yù)言了61個(gè)基本粒子。其中，當(dāng)1995年美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏特加速器“Tevatron”發(fā)現(xiàn)了頂夸克之后，最后一個(gè)基本粒子“希格斯粒子”（Higgs boson）遲遲未在實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)身，成為標(biāo)準(zhǔn)模型是否成立面臨的最大挑戰(zhàn)。

2011年12月13日、2012年7月4日、2012年7月31日，CERN多次公布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明希格斯玻色子存在的“跡象”。2013年，CERN宣布，之前的種種“跡象”被確認(rèn)，他們找到的新粒子確實(shí)是希格斯玻色子。曾預(yù)測(cè)希格斯玻色子存在的比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒和英國(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

至此，在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)理論與實(shí)驗(yàn)的發(fā)展后，標(biāo)準(zhǔn)模型隨著希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)而最終得到了驗(yàn)證。許多理論物理學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)年花在LHC上的錢也算值了。

“中國(guó)計(jì)劃”的爭(zhēng)議

找到希格斯玻色子之后，物理學(xué)還能干什么？

2012年9月，中國(guó)科學(xué)家提出建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）并適時(shí)改造為高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）的方案，分別將精確測(cè)量希格斯粒子、深入研究對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制以及尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子、理解宇宙中暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)作為科學(xué)目標(biāo)。

根據(jù)2015年初完成的《CEPC初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》，這一項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)周長(zhǎng)50-100公里、能量250GeV的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，加上比LHC能量高7倍的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，CEPC-SppC聽上去比當(dāng)初的LHC更加激動(dòng)人心。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主大衛(wèi)·格羅斯（David Gross）所言，這是“中國(guó)的偉大加速器”，“和萬里長(zhǎng)城一樣引人矚目”。

毋庸置疑，它也將是一項(xiàng)更加昂貴的工程。王貽芳在反駁楊振寧意見一文中提到，CEPC第一步建造階段，造價(jià)約為400億人民幣，第二步建造SPPC階段造價(jià)在1000億人民幣以內(nèi)。“如果減去國(guó)際貢獻(xiàn)約30%，中國(guó)政府在兩個(gè)階段出資分別為300億人民幣和700億人民幣?！?/p>

而支持者丘成桐的意見是強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不僅會(huì)使中國(guó)成為粒子物理學(xué)的新中心，項(xiàng)目建成后，至少還會(huì)有五六千名各國(guó)一流科學(xué)家為做實(shí)驗(yàn)舉家遷往中國(guó)，且長(zhǎng)期居住。他認(rèn)為，這對(duì)中國(guó)的科技水平有極大的促進(jìn)作用。除此之外，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)有利于增強(qiáng)民族自豪感，也是中國(guó)的民族尊嚴(yán)得到體現(xiàn)的表現(xiàn)。

歸根結(jié)底，這一項(xiàng)目的性價(jià)比成為此次爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

首先，楊振寧對(duì)用超大對(duì)撞機(jī)找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的“超對(duì)稱粒子”表示悲觀，認(rèn)為超對(duì)稱粒子的存在“只是一個(gè)猜想”，沒有任何實(shí)驗(yàn)根據(jù)。他質(zhì)疑了中國(guó)科學(xué)家SppC科學(xué)目標(biāo)的可行性。

關(guān)于CEPC的“精確測(cè)量”的科學(xué)目標(biāo)，曾參與法國(guó)巴黎直線對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的中科院高能物理所副研究員阮曼奇表示，以LHC為代表的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)能產(chǎn)生更高的對(duì)撞能量，但巨大的“噪聲”讓其精度受限。而正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的特點(diǎn)則恰恰相反，在精細(xì)測(cè)量上擁有不可替代的優(yōu)勢(shì)?！斑@兩種對(duì)撞機(jī)之間一般具有良好的互補(bǔ)性?！比盥娼谧姆Q，“在希格斯粒子測(cè)量方面尤為如此。”

不過，史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）的博士生王孟源認(rèn)為，升級(jí)后的LHC和日本正在修建的ILC已經(jīng)能夠承擔(dān)這一科學(xué)目標(biāo)。但迄今尚未有其他的高能物理學(xué)家詳細(xì)闡述這一點(diǎn)。

英國(guó)牛津大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家伊恩·希普西告訴南方周末，就在十年前，中國(guó)粒子物理學(xué)家對(duì)修建這樣一座大型機(jī)器還有所猶豫?！暗诒本┱?fù)電子對(duì)撞機(jī)和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)取得的屢次成功中，特別是2012年發(fā)現(xiàn)了中微子第三種變化，”伊恩表示，“中國(guó)科學(xué)家應(yīng)該對(duì)建造這臺(tái)新機(jī)器報(bào)以極大的信心。”

更大的爭(zhēng)議集中在經(jīng)費(fèi)上。

2013年6月12日至14日，以討論科學(xué)前沿問題為主的香山科學(xué)會(huì)議召開了一次與“下一代高能正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”密切相關(guān)的討論會(huì)。中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳在會(huì)議中非常贊成CEPC-SppC項(xiàng)目。他表示：“特別是未來的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，將使我國(guó)的粒子物理遠(yuǎn)超國(guó)際上任何其他國(guó)家。”當(dāng)時(shí)就有專家提出，環(huán)形對(duì)撞機(jī)技術(shù)尚不成熟、造價(jià)高，“三百億的項(xiàng)目國(guó)家不一定能批準(zhǔn)”。

楊振寧認(rèn)為，高能所建議的超大對(duì)撞機(jī)預(yù)算不可能少于200億美元。他還以美國(guó)建造超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）的失敗經(jīng)驗(yàn)作為案例，稱“造大對(duì)撞機(jī)是進(jìn)無底洞”。1989年，美國(guó)開始建造當(dāng)時(shí)世界最大的對(duì)撞機(jī)，預(yù)算開始預(yù)估為30億美元，后來數(shù)次增加，達(dá)到80億美元。1993年，盡管帶著遺憾和痛苦，美國(guó)國(guó)會(huì)還是終止了這一計(jì)劃。

溫伯格是這一計(jì)劃的力推者。聲稱了解SSC評(píng)審情況的溫伯格的博士生王孟源表示，這是因?yàn)镾SC的預(yù)算被溫伯格低報(bào)了?！霸绢A(yù)算是44億美元，1993年被裁的時(shí)候總進(jìn)度不到20%，隧道挖了不到三分之一，預(yù)算已經(jīng)漲到120億美元了?！蓖趺显丛谧罱瘩g王貽芳的文章中寫道。

2016年6月2日，中國(guó)物理學(xué)會(huì)高能物理分委會(huì)擴(kuò)大會(huì)議集中討論了“十三五”發(fā)改委“先進(jìn)加速器驗(yàn)證裝置”項(xiàng)目申請(qǐng)，決定為CEPC申請(qǐng)“十三五”發(fā)改委項(xiàng)目，資金約為8億元人民幣。不過，該項(xiàng)目因一票之差未能進(jìn)入下一輪評(píng)審，失去了未來五年來自發(fā)改委的經(jīng)費(fèi)支持。

而科技部則在十幾天后初步批準(zhǔn)3600萬人民幣用于CEPC探測(cè)器和加速器部分關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研。

這些跡象都表明，無論科學(xué)家的呼聲多高，CEPC-SppC項(xiàng)目的性價(jià)比是當(dāng)前能夠獲得中國(guó)政府資助的關(guān)鍵。

稍縱即逝的“窗口”

中國(guó)高能物理學(xué)家還有一個(gè)重要的理由——當(dāng)前，在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，建造大型對(duì)撞機(jī)的時(shí)間“窗口”正在顯現(xiàn)。王貽芳曾表示，一旦用CEPC-SppC占領(lǐng)世界物理制高點(diǎn)，中國(guó)高能物理將由此打開一個(gè)全新的局面，站到世界最前列。

據(jù)南方周末了解，中國(guó)在高能物理領(lǐng)域的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手包括日本和歐洲，即ILC和升級(jí)后的LHC。據(jù)《自然》（Nature）雜志報(bào)道，2016年，日本文部科學(xué)省會(huì)就是否在國(guó)內(nèi)開展ILC項(xiàng)目作出表態(tài)。如果批準(zhǔn)通過，實(shí)驗(yàn)將于2030年啟動(dòng)。

但是，為文部科學(xué)省提供顧問服務(wù)的日本專家小組2015年卻表示，研究希格斯粒子和頂夸克的機(jī)會(huì)本身不構(gòu)成建造ILC的充足理由，日本將等到2018年LHC首次最大能量運(yùn)行后再作決定。

高達(dá)100億美元的預(yù)算和同樣有爭(zhēng)議的科學(xué)目標(biāo)，也成為ILC遲遲未獲批準(zhǔn)的原因。日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)總干事Masanori Yamauchi透露，一個(gè)由日本文部科學(xué)省和美國(guó)能源部組成的聯(lián)合小組正在討論如何降低ILC的開支。“開支還可以減少大約15%。”他說。

歐洲核子中心（CERN）已經(jīng)開始組織對(duì)未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)的設(shè)計(jì)研究，有意建造周長(zhǎng)為100公里的環(huán)形對(duì)撞機(jī)，其能量將達(dá)到LHC的7倍多，是CEPC的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。不過，在2030年之前，CERN都會(huì)將主要精力放在提高LHC的質(zhì)子束密度而非增強(qiáng)能量。

在中國(guó)高能物理學(xué)家看來，上述兩種情況恰恰為中國(guó)提供了建造超級(jí)對(duì)撞機(jī)的最好時(shí)機(jī)?！斑@個(gè)機(jī)遇期的時(shí)間窗口只有10年，失去這個(gè)機(jī)會(huì)，下一次就不知道什么時(shí)候了?！蓖踬O芳稱。