【争鸣】王贻芳:中国今天应该建造大型对撞机

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作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

中国科学院高能物理研究所所长王贻芳教授近照。来源:王贻芳教授

  


中国今天应该建造大型对撞机

王贻芳

今天(9月4日)《知识分子》刊发了杨振宁先生的文章《中国今天不宜建造超大对撞机》,作为正在高能物理一线从事实验工作的科学家、现任中国科学院高能物理研究所所长,我不能同意他的观点。杨先生是我尊敬的前辈科学家,我更尊重科学和理性。如果以下言语有冒犯之处,还请原谅。

(一)杨先生反对的第一点理由是造大加速器是无底洞,因为美国的SSC造价飙升,半途而废,浪费了30亿美元。欧洲的强子对撞机花费了100亿美元。中国的大加速器不可能少于200亿美元,甚至是一个无底洞。

这里实际上有三个问题,一个是SSC为什么会失败,第二是中国的大加速器到底需要多少钱,第三是这个估计可靠吗? 是不是又一个无底洞。下面我一一回答。

(1)美国的SSC为什么会失败 ? 大加速器都是无底洞吗 ?

美国SSC失败的原因有很多,包括当时的政府赤字且与国际空间站争夺经费、美国的两党政治斗争、德克萨斯与其它地区的区域竞争,还有管理不善、预算错误、造价飙升、国际合作不够等。具体分析及历史资料见参考文献【2,3】。其实“预算超支”绝不是SSC失败的主要原因,而是有其特殊及偶然原因,主要是政治因素。

对美国来说SSC半途下马是一个极为错误的决定,它使美国的高能物理研究失去了发现希格斯粒子的机会,失去了未来发展的基础和机遇,失去了国际领导地位,到现在还没有翻身。这个决定对美国的大科学研究产生了极为负面的影响,并使一代美国人失去了梦想的勇气。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的有很多相似的地方。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加,当然SSC的启动也没有减少任何人的经费,很多当年反对的人后来也后悔了。

在此之后欧洲建造了大型强子对撞机(LHC),获得了极大的成功。虽有超支,但并不是太多。说明大型加速器并不一定是“无底洞”,是可以成功的。

中国的政治与美国完全不同,对大工程建设实际上有其优越性,偶然性较小。今天的中国已经干了很多美国人不干、或干不了的事,未来这样的事还会有。SSC失败,不代表我们就不能建造大型加速器。我们应该要科学仔细地分析,同时要做好国际合作,做好管理,控制预算。

(2)到底需要多少钱?我们规划的大型对撞机项目(以周长为100公里算)分两步走:第一步正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在2022-2030年间,工程造价(不包括土地、“七通一平”等)约400亿人民币。如果这第一步成功,CEPC有新物理的迹象,且高场磁铁所需新型超导材料技术成熟,其价格降到合理水平(比如~20元/千伏安米),我们可以走第二步  质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在1000 亿人民币以内,时间是在2040-2050年左右。这里如果减去国际贡献约30%,中国政府应该出资大约300亿人民币(每年30亿)和700亿人民币(每年70亿),但不包括未来的通货膨胀。这里有一个“第二阶段”是为了说明这个方案有极为长远的科学寿命,可以带动更重要的技术发展(如高温超导),是对“第一阶段”科学及技术意义的一个补充。我们现在讨论其设计也是为了保留未来发展的可能性,避免因为考虑不周,比如加速器隧道周长与截面大小等,把未来发展的可能性给堵死了。有这样一个第二阶段的长远目标也会对高能物理和相关技术的发展有重大意义。

(3) 这个价格估计是否可靠,是不是会成为无底洞而重蹈美国SSC的覆辙 ? 首先我们知道在过去50年间,国际上有许多成功的加速器工程(如LEP,LHC, PEPII, KEKB/SuperKEKB等),也有许多不太成功的加速器工程(ISABELLE,SSC,FAIR等)。这里不成功的都是质子加速器,电子对撞机还没有不成功的先例。原因主要还是质子加速器较为复杂,对超导技术的前瞻与预估较难,不易在技术、造价与指标上有一个恰当的把握。指标高了造价会超,指标低了又显得过于保守。

国内大型工程成功的案例很多,高能所建所40年以来,在北京正负电子对撞机、大亚湾中微子实验、散裂中子源、ADS注入器等超过亿元的大型加速器及探测器工程中,均按工期、指标完成,实际造价与预算相比,连5%都没有超。我们有成熟的估价、建造、管理经验。

事实对CEPC的估价我们采用了两种办法:

1)分解法:将各设备部件造价相加;

2)类比法:与国内外已完成的同类装置与设备相比。

在总价和系统级,两种办法必须在20%以内一致。

在完成了初步概念设计【1】以后,我们产生了一个1000多项的设备清单,据此进行了造价估计,并邀请国内外专家进行了评审。如果杨先生不相信我们的估价,可以组织再次评审。

对第二阶段SPPC的估计我们只采用了类比法。因为这不是现阶段的主要任务,也不是一定要上的,只是一个可能性。谈论它的造价意义不大。因为我们说过了,不成熟(包括造价)不会启动,所以怎么会是无底洞呢 ?

(二)杨先生反对的第二点理由是中国目前仍然是一个发展中国家,还有亟待解决的民生问题,超大对撞机不是燃眉之急,目前不宜考虑。

任何一个国家,特别是对中国这样一个大国,必须考虑当下和长远,不可偏废。民生问题当然要解决,而且这也确实是目前国家预算支出的主要内容。但我们也要考虑长远,要有合适的比例进行基础科学研究,要能够不断发展,要有领先世界的能力。清末的中国,人民富庶,GDP世界第一,虽然有能力购买枪炮,但不掌握科学,没有可持续发展能力,最后还是被动挨打,民生也无从谈起。

几百年来,对物质微观结构的研究,从分子、原子到原子核、基本粒子,在相当程度上引领了人类科学的发展。高能物理研究物质的最小结构及其规律,采用的手段覆盖领域宽广,从加速器、探测器到低温、超导、微波、高频、真空、电源、精密机械、自动控制、计算机与网络等,在很大程度上引领了这些高技术的发展并得到广泛应用,是基础科学及高技术研究中具有标志性的一个重大领域。建造大型对撞机可以使我们在这样一个重大的、有引领作用的科学领域领先国际达几十年,可以在相关技术领域领先国际,使一些重要产品实现国产化并走到世界最前沿,可以形成一个国际科学与技术中心引进吸收国外的智力资源,可以培养几千名有创新能力的物质科学及相关技术的顶尖人才,怎么不是燃眉之急,当务之急 ? 

事实上,中国政府和普通民众给全世界人民的感觉是很有钱,也很势利。一个大国,没有对人类文明的贡献,大概很难说话响亮,有软实力和影响力。这也反过来影响了中国在世界上获取利益。从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价(即使包括SPPC)并没有超过上世纪80年代的北京正负电子对撞机,也低于国际上的LEP、LHC、SSC、ILC等各类已完成的和计划中的设施。

在下一个五年计划开建大型对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。首先新发现的希格斯粒子质量很低,使我们有可能提出环形正负电子对撞机这个方案来研究它,而且这个环形对撞机还有机会改造成质子对撞机,有长达50年以上的科学寿命;其次,欧洲、美国和日本手头都有项目,20年之内很难腾出手来,我们的竞争环境相对较好;第三,我们有北京正负电子对撞机的经验,刚好这个机会是我们的长项,有技术和人员队伍的积累。这个机遇期的时间窗口只有10年,失去这个机会,下一次就不知道是什么时候了。同时我们有极好的大型地下工程施工经验,中国的经济仍处于高速发展期,也处于转型期,有建设能力和科学需求。因此大型对撞机是一个各方面都合适的项目。

(三)杨先生反对的第三点理由是建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费

中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%,国际上发达国家一般是15%。我们是发展中国家向发达国家迈进,同时又是一个大国,我认为应该逐步增加到10%,直至最后向15%迈进。所以从数字看,基础研究经费还有巨大的增长空间(大约每年1000亿人民币以上),不存在挤压其他基础科学研究经费的情况。

另一方面,增加的经费应该向哪个方面投呢? 大家都知道我国的基础科学研究经费中有相当大的一个比重是用来购买仪器,而且主要是外国仪器。所以如果我们突然平均地增加基础研究经费,或向某些领域倾斜,估计会大大拉动美欧日的GDP。而如果我们花10年的时间投入300亿建造加速器,90%以上的钱会花在国内,会推动国内企业的技术进步和市场占有率,会培养成千上万的有能力自己设计与建造设备的科学家和工程师,这将大大推动我国科学仪器设备的发展,同时也会推动其它领域的发展。事实上这个投入也没有大大改变各领域的投资比例,从长期来看,是使各领域的比例与国际上基本一致(目前国内粒子物理、核物理比例严重偏低是一个事实)。国家现在提出发起和领导国际大科学工程和计划,CEPC就是一个极好的候选项目。这与发展其它基础科学也不矛盾。

(四)杨先生反对的第四点理由是高能物理学家想寻找的“超对称粒子”和“量子引力化”都未被发现,未来希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。

建造大型对撞机的科学目标自然不是杨先生所说的那样。在我亲手交给杨先生的《CEPC 初步概念设计报告》(英文)【1】中,我们清楚地描述了科学目标。简言之,粒子物理目前的标准模型只是一个在低能情形下的有效理论,需要继续发展更深层次的理论,虽然现在已有一些超出该模型的实验证据,但需要更多的实验证据指明未来的发展方向。目前已知的标准模型中的问题,大部分与希格斯粒子有关,因此更深层次的新物理应该会从希格斯粒子处露出蛛丝马迹。CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,比LHC好10倍,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。同时CEPC还有望首次测量希格斯粒子的自耦合,确定希格斯场参与的真空相变的形式,这对宇宙的早期演化具有重要意义。因此,无论LHC是否发现新物理,CEPC都是需要的,这是粒子物理发展中跳不过去的一步。

如果有新的希格斯粒子耦合形式,新的伴随粒子,非点结构的希格斯粒子,或其它与标准模型的偏差,我们可以进行第二阶段,建造大型质子对撞机,直接寻找造成偏差的原因。这个原因当然可能是超对称粒子,也可能是其他粒子。对我们实验物理学家来说,我们会关心理论物理学家的预言,但绝不会依赖他们。现在就预言对撞机会发现或不会发现猜想中的粒子,有点过于武断了,这也不是国际高能物理学界的主流意见。

(五)杨先生反对的第五点理由是七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也不会有好处。

七十年来,高能物理有许多成绩,其发展出来的技术与人类生活息息相关。没有高能物理,就没有同步辐射光源(发展自正负电子环形对撞机)、自由电子激光(发展自正负电子直线对撞机)和散裂中子源等装置,我们现在的许多生物、地质、环境、材料、凝聚态等方面的进步就无从谈起。没有高能物理,今天在医院里的很多检查与治疗(MRI,PET, 癌症的放射性治疗等)就不会存在,或者不会那么先进,或者会推迟出现,许多人的生命会被缩短,生活质量会被降低。没有高能物理,就没有(或者推迟出现)触摸屏,智能手机就是一个梦想;没有高能物理,就没有WWW网页,大家就不能上网,网络经济更是无从谈起。人类从WWW网页中得到的收益,已远远大于此前对高能物理的全部投入。

中国建大加速器对我们有什么实际的好处呢 ? 第一阶段300亿人民币的投入(2022年起,每年30亿),至少使我们可以在以下技术方面实现国产化,并领先国际:

a) 高性能超导高频腔(应用于几乎所有的加速器)

b) 高效率、大功率微波功率源(也可应用于雷达、广播、通讯、加速器等)

c) 大型低温制冷机(也可应用于科研设施、火箭发动机、医疗设备等)

d) 高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等。

同时我们还可以在精密机械、微波、真空、自动控制、数据获取与处理,计算机与网络通讯等技术方面领先国际,可以培养上千名顶尖的物理学家和工程师,引进上千名国际顶尖的科学家和工程师,形成一个国际化的科学中心。如果有第二阶段,2040年起每年70亿人民币的投入,可以带动高温超导材料、超导磁体等应用技术的实用化,并国际领先。这个产业的规模大概远远超过700亿人民币。除此之外,也许还有出人意料的新发现、新技术。至于高能物理科学发现的直接应用,目前我们无法预料,但这已经不重要了。对物质结构和基本粒子的研究,其重要性怎么强调都不为过。中国人可以嘲笑古希腊人及后来的欧洲人研究原子、天体运行规律、量子力学、希格斯粒子没有用,但最后吃苦头的还是自己。

(六)杨先生反对的第六点理由是高能所三十年来的成就不高,超大对撞机90%的工作将由非中国人来主导,诺贝尔奖也不会是中国人。

高能所从建立到现在已有四十多年,其发展主要还是最近三十多年,从建立北京正负电子对撞机开始。国家对高能所在高能物理研究方面(高能所还有天体物理、多学科及应用研究)的投入,除人员建筑、实验室及设备、研究经费之外,主要科学设施是北京正负电子对撞机(2.4亿元,1984年),北京正负电子对撞机重大改造工程(6.4亿,2004年),和大亚湾中微子实验(1.7亿,2007年)等,一共约10亿元人民币(当然1984年的2.4亿还是很多的)。与国内其它领域相比,比如杨先生提到的生物、凝聚态、天文物理等,无论是总数还是人均,都绝对不算多。这些投入取得的成果、各种国内外奖励,这里不一一列举,与国内其它领域相比,绝对不少。这点投资,与国际上比,差好几个数量级;但取得的成果,还是可以跟他们比肩的,至少我们现在是国际高能物理领域四大实验室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)

我们中国的科学家2012年在国际上独立地首次提出CEPC-SPPC的设想,得到国际上的积极响应与支持。随后我们开展了初步概念设计,虽然有国际参与(特别是从开展国际合作考虑),但主要是以我们为主完成了《初步概念设计报告》【1】。所以将来超大对撞机70%的工作将由中国人来主导完成,至少会与我们的出资比例一致。杨先生要是还没有信心,可以去问问国际上主要的国家实验室主任们。

事实上,高能所有三十多年正负电子对撞机的经验,提出CEPC是经过深思熟虑的。高能所参加过80年代北京正负电子对撞机设计与建设的专家都说,当年的困难比起今天的CEPC,只大不小。相信我们不会一代不如一代,有信心、能力和勇气独立完成CEPC。当然从国际合作考虑,还是需要放手一些工作内容。

至于未来第二阶段质子加速器的工作,我们目前确实经验不足,需要努力。但我们还有二十多年,可以实现“完成工作与出资比例相当”这个最低目标。以我们过去三十多年进步的记录来看,这个目标是可以完成的。

至于中国人得诺贝尔奖,我觉得无法预料,也不是国家对基础科学投入的目的,更不是我们个人从事科学研究的目的。我们追求的是对自然界的理解和掌握。CERN发现了希格斯粒子,爱丁堡的希格斯拿到了诺贝尔奖。我们希望中国有一个CERN这样的研究机构、研究成果和技术能力,至于有没有爱丁堡这样的机构和希格斯这样的人去得诺贝尔奖,并不重要。

(七)杨先生反对的第七点理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“几何理论”,不在大型加速器。

“新加速原理”确实是一个加速器发展的重要方向,也许将来(几十年内)能用于高能物理固定靶实验,或某些对束流品质要求不高的应用领域。在高能对撞机方面,无论是束流品质还是能量利用效率,都还有太长的路要走。在此期间,高能物理不能停止发展,等待这个新技术成熟。至于“几何理论”,或是“弦理论”,更是虚无缥缈,与实验有太多的距离,不是我们现在考虑的问题。

高能物理的前途在哪里,见仁见智。中国现在没有诺贝尔物理学奖获得者,但国际上有,而且很多,杨先生的看法显然与大家不同。不仅现在不同,过去几十年都不同。据有关资料,杨先生对高能物理的未来发展自60年代起就是悲观的,所以与粒子物理标准模型失之交臂。自70年代起就反对中国建造高能加速器【4】。幸亏小平同志听从了李政道等其他著名科学家的建议,才有了今天的高能物理所、北京正负电子对撞机和大亚湾中微子实验及其重大成果,也有了我们的同步辐射光源、散裂中子源等大科学平台为全国的科技界服务。面对未来,我们应该更多地听取科研一线新生代科学家的意见,他们才能引领我们的科技事业兴旺发达,领先国际。

(编者注:文中红色部分为王贻芳先生标注)

参考文献:

【1】http://cepc.ihep.ac.cn/preCDR/volume.html 

【2】S. Wojcicki, Rev. of Acce. Sci. and Tech. Vol. 1 (2008) 259–302; Vol. 2 (2009) 265–301

【3】M.Riordan, L. Hoddeson and A. Kolb, Tunnel Vision – The rise and fall of the Superconducting Super Collider, The University of Chicago Press,2015 

【4】高能物理研究所1972-1980 年报

杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机


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网友评论14

  1. 沙发
    科研宝宝:

    有不同的声音,不论有没有道理,也是科研领域的进步

    2016-09-06 上午10:44
  2. 板凳
    蓝天:

    这篇文章我看过了,很多地方逻辑有问题

    2016-09-06 上午10:52
  3. 地板
    蓝天:

    第三条,科研经费有增长空间,但并不是要增长就该投给加速器,其他很多领域也要增长。而且科研经费主要用来买仪器了,是当前科研存在的问题,需要解决,但不能因为这个就不给其他领域经费了吧。

    2016-09-06 上午10:53
  4. 4楼
    蓝天:

    第五条,他所列举的进步,都是其他领域获得的进步,没有一个是因为加速器获得的科学成果而取得的。也许研制加速器的过程中带动了一些,但研制别项目的也是可以带动的。

    2016-09-06 上午10:54
  5. 5楼
    方平:

    基础物理目前停滞不前主要原因在于对基本粒子的认知太缺乏

    2016-09-06 上午11:03
  6. 6楼
    方平:

    粒子对撞机就是认知基本粒子的最好工具

    2016-09-06 上午11:04
    • 人家也不是说不建,只是暂时不需要。

      2016-09-06 上午11:08
      • 当然,这需要科学家们跳出对金钱与权利的迷恋,追逐真理

        2016-09-06 上午11:11
        • 中国目前还处于追赶阶段,短板补得差不多了再考虑为全人类做贡献吧。

          2016-09-06 上午11:12
  7. 7楼
    方平:

    目前不适合建我倒觉得不是经济的问题,也不是科学家能力的问题,而是….科学上网

    2016-09-06 上午11:13
  8. 8楼
    蓝天:

    我觉得高能物理放十年没问题,反正暂时也没什么用。现在比较急迫的是生态恢复和环境治理>可控核聚变>材料科学>量子计算机。基础科学可以慢慢搞,不用那么突飞猛进。现在许多宝贵的物种资源马上就灭绝了,一旦灭绝不可恢复,这个比较紧急。

    2016-09-06 上午11:17
  9. 9楼
    ayc:

    按照老杨的意思,70年代不易,今天也不易,有这种想法的话应该一直都追不上吧。要看出成果来考虑经费,那基础研究怎么搞。

    2016-09-06 上午11:24
  10. 10楼
    lidalong:

    所占的立场不同,得出的结论也不同,不必盲信与任何一方吧

    2016-09-07 上午8:45
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