超大對(duì)撞機(jī)，現(xiàn)在該建嗎？

一場(chǎng)罕見(jiàn)的、針鋒相對(duì)的辯論在科學(xué)界爆發(fā)。辯論焦點(diǎn)是“中國(guó)是否應(yīng)該建造超大對(duì)撞機(jī)”。支持方以華裔數(shù)學(xué)家丘成桐、中科院院士王貽芳為代表，反對(duì)方則有諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主楊振寧等。建造超大對(duì)撞機(jī)是對(duì)是錯(cuò)，或許需要幾十年甚至幾代人來(lái)證明。

最近，關(guān)于中國(guó)是否應(yīng)該建超大對(duì)撞機(jī)在科學(xué)界鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，并逐漸演變成公共話題。前有菲爾茲獎(jiǎng)獲得者、著名華裔數(shù)學(xué)家丘成桐表態(tài)支持中國(guó)建造超大對(duì)撞機(jī)，后有華人諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主楊振寧撰文《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》，又有中科院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳稱“建大型對(duì)撞機(jī)正當(dāng)其時(shí)”……

一時(shí)間，媒體、網(wǎng)友甚至普通民眾紛紛站隊(duì)，各抒己見(jiàn)。人們興奮于“親自參與重大科研項(xiàng)目的決斷”，也“堅(jiān)信真理越辯越明”，最重要的是“科學(xué)界大咖們毫不留情地開(kāi)撕”是多少年都沒(méi)見(jiàn)過(guò)的場(chǎng)景。

宇宙大爆炸后，物質(zhì)世界是如何組成的？一系列猜想與理論是否正確？這是對(duì)撞機(jī)的使命。然而，這個(gè)工程可能花費(fèi)千億元，這還不算后期運(yùn)行的經(jīng)費(fèi)，以至于從它的科學(xué)意義、目標(biāo)、科技成果轉(zhuǎn)化等，到與其需要耗費(fèi)的資財(cái)、人力等是否相當(dāng)，成為辯者的靶點(diǎn)。

這場(chǎng)摻雜了基礎(chǔ)科學(xué)理論、工程建設(shè)等各種因素的辯論還在發(fā)酵。無(wú)論工程是否最終實(shí)施，辯論雙方究竟孰是孰非，或?qū)⑿枰獛资晟踔翈状藖?lái)證明。

爭(zhēng)議集中在四個(gè)問(wèn)題

目前的中國(guó)是不是下一代大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的合適選址？科學(xué)界對(duì)此尚有爭(zhēng)議。9月4日，楊振寧在《知識(shí)分子》發(fā)文，反對(duì)中國(guó)開(kāi)始建造超大對(duì)撞機(jī)。次日，同在《知識(shí)分子》，王貽芳刊文回應(yīng)，反駁楊振寧的反對(duì)理由。

此前，丘成桐多次公開(kāi)表示，支持中國(guó)建造超大對(duì)撞機(jī)，提出可以考慮將河北省秦皇島市山海關(guān)附近作為選址。8月29日，丘成桐在公眾號(hào)上再次針對(duì)超大對(duì)撞機(jī)發(fā)文，并表示對(duì)“楊振寧反對(duì)建造超大對(duì)撞機(jī)”一說(shuō)存疑。此舉引來(lái)?xiàng)钫駥幵凇吨R(shí)分子》上發(fā)文。

早在2012年，在“上帝粒子”希格斯玻色子被歐洲核子研究組織（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)月后，王貽芳團(tuán)隊(duì)就提出了到本世紀(jì)30年代在中國(guó)建成對(duì)撞機(jī)的計(jì)劃。在這之后，據(jù)王貽芳在反駁文中所提，中國(guó)為主的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了CEPC-SPPC（正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)）的《初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》。

在規(guī)劃中，CEPC-SPPC項(xiàng)目將在50公里-100公里長(zhǎng)的地下環(huán)形通道內(nèi)，利用相同的隧道，建造兩座超級(jí)對(duì)撞機(jī)：正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。雖然正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞能級(jí)將只有0.24TeV-0.35TeV，但它的存在可以為建造質(zhì)子對(duì)撞機(jī)削減大量成本。該質(zhì)子對(duì)撞機(jī)和LHC相似，都在環(huán)形通道內(nèi)使用質(zhì)子進(jìn)行對(duì)撞。但該對(duì)撞機(jī)的通道長(zhǎng)度將是LHC的2倍至4倍，對(duì)撞能級(jí)可達(dá)70TeV-100TeV或100TeV-140TeV，遠(yuǎn)超LHC的14TeV。

在王貽芳看來(lái)，最近十年是中國(guó)建造超大對(duì)撞機(jī)的“窗口期”，“在下一個(gè)五年計(jì)劃開(kāi)建超大對(duì)撞機(jī)，是我們?cè)诟吣芪锢眍I(lǐng)域領(lǐng)先國(guó)際的一個(gè)難得的機(jī)遇。歐洲核子研究所的LHC正面臨能級(jí)觸頂?shù)睦Ь?，歐洲、美國(guó)和日本手頭都有項(xiàng)目，20年之內(nèi)很難騰出手來(lái)，我們的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境相對(duì)較好?！?/p>

盡管如此，在爭(zhēng)論中國(guó)該不該建造超大對(duì)撞機(jī)時(shí)要回答的是：造價(jià)幾何、是利是弊、能否解決科學(xué)難題、值不值得這四個(gè)問(wèn)題。

造價(jià)幾何

巨額的建造成本，成為包括楊振寧在內(nèi)的反對(duì)者的首要“攻擊點(diǎn)”。

楊振寧認(rèn)為，根據(jù)以往各國(guó)建造對(duì)撞機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，比如美國(guó)中止了項(xiàng)目，浪費(fèi)了30億美元；CERN現(xiàn)運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC耗資100億美元，對(duì)撞機(jī)的建造成本是無(wú)底洞。他預(yù)估，中科院高能所建議的超大對(duì)撞機(jī)預(yù)算將高于200億美元（1335億元人民幣）。

在反駁文中，王貽芳詳細(xì)地算了一筆賬，并表示“有成熟的估價(jià)、建造、管理經(jīng)驗(yàn)”。在王貽芳團(tuán)隊(duì)的規(guī)劃中，正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和質(zhì)子對(duì)撞機(jī)將先后建設(shè)。不包括土地、“七通一平”等，預(yù)計(jì)在2022年至2030年竣工的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)工程造價(jià)約400億元人民幣。質(zhì)子對(duì)撞機(jī)是否建設(shè)建立在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是否有新物理跡象的前提上，工程造價(jià)在1000億元人民幣以內(nèi)。其中，中國(guó)將承擔(dān)70%的費(fèi)用，即大約300億元人民幣（每年30億元）和700億元人民幣（每年70億元），但不包括未來(lái)的通貨膨脹。

王貽芳還強(qiáng)調(diào)，高能所在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等超過(guò)億元的大型加速器及探測(cè)器工程中，“均按工期、指標(biāo)完成，實(shí)際造價(jià)與預(yù)算相比，連5%都沒(méi)超?！辈⒁?yàn)橘|(zhì)子對(duì)撞機(jī)的啟動(dòng)條件是正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)有所成績(jī)，王貽芳認(rèn)為這不會(huì)是無(wú)底洞。

巨額建設(shè)資金將如何籌得？據(jù)《自然》雜志報(bào)道，王貽芳的團(tuán)隊(duì)在去年得到科技部3500萬(wàn)元人民幣的資助，用于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的開(kāi)展，但在7月，發(fā)改委拒絕了該項(xiàng)目下一輪8億元人民幣的資助請(qǐng)求。在國(guó)際高能物理大會(huì)（ICHEP）上，王貽芳表示將專注于提高國(guó)際社會(huì)對(duì)該項(xiàng)目的興趣。

利弊幾何

楊振寧認(rèn)為，對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目必將擠壓其他基礎(chǔ)科學(xué)的經(jīng)費(fèi)。

但王貽芳認(rèn)為，目前中國(guó)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)占研發(fā)經(jīng)費(fèi)的比重僅5%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家的15%，這意味著基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)仍有大約每年1000億元人民幣以上的增長(zhǎng)空間。

此外，王貽芳認(rèn)為，對(duì)撞機(jī)的項(xiàng)目會(huì)拉動(dòng)國(guó)內(nèi)科學(xué)儀器的發(fā)展，且和其他基礎(chǔ)科學(xué)并不矛盾?！笆聦?shí)上這個(gè)投入也沒(méi)有大大改變各領(lǐng)域的投資比例，從長(zhǎng)期來(lái)看，是使各領(lǐng)域的比例與國(guó)際上基本一致。”

再者，楊振寧認(rèn)為，高能物理的突破之前有、今后也無(wú)法在短中期內(nèi)給人類生活帶來(lái)益處，反而會(huì)對(duì)解決國(guó)內(nèi)的民生問(wèn)題不利。

王貽芳表示無(wú)法認(rèn)同高能物理與人類生活的脫節(jié)，“沒(méi)有高能物理，就沒(méi)有或者推遲出現(xiàn)觸摸屏，智能手機(jī)就是一個(gè)夢(mèng)想；沒(méi)有高能物理，就沒(méi)有WWW網(wǎng)頁(yè)，大家就不能上網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)更是無(wú)從談起。人類從WWW網(wǎng)頁(yè)中得到的收益，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此前對(duì)高能物理的全部投入?！敝档靡惶岬氖?，萬(wàn)維網(wǎng)的創(chuàng)始人蒂姆·伯納斯·李正是為了打破信息孤島，解決歐洲原子核研究會(huì)的核物理學(xué)家數(shù)據(jù)互通的問(wèn)題而開(kāi)發(fā)了萬(wàn)維網(wǎng)。

對(duì)撞機(jī)，他國(guó)如何取舍？

歐洲：謹(jǐn)慎決定未來(lái)方向

歐洲擁有全球最大、能量最高的粒子加速器LHC，其質(zhì)子對(duì)撞能量為14TeV，軌道長(zhǎng)度27公里，有來(lái)自30多個(gè)國(guó)家的超過(guò)2000名物理學(xué)家參與。研究者所屬的大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室共同出資興建這一耗資約80億美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日內(nèi)瓦與法國(guó)交界地區(qū)已發(fā)展為一座匯聚全球研究者的科學(xué)中心,有100多位中國(guó)研究者在那里工作。

2012年，科學(xué)家宣布利用LHC發(fā)現(xiàn)了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。然而，LHC目前已經(jīng)達(dá)到其設(shè)計(jì)能量，要進(jìn)一步尋找新粒子，需建設(shè)能量和精度更高的機(jī)器。

CERN發(fā)言人阿諾·馬爾索利耶說(shuō)，未來(lái)10年LHC將進(jìn)行大規(guī)模升級(jí)，并運(yùn)行至2035年，屆時(shí)產(chǎn)生的對(duì)撞能量將是現(xiàn)在的數(shù)倍。此后，CERN計(jì)劃建設(shè)對(duì)撞能量達(dá)100TeV的新一代環(huán)形(質(zhì)子)對(duì)撞機(jī)，軌道總長(zhǎng)將達(dá)100公里。CERN將在5年內(nèi)公布“未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)”的完整設(shè)計(jì)報(bào)告和造價(jià)。

“但在任何關(guān)于新對(duì)撞機(jī)的決定敲定前，我們需要積累更多來(lái)自LHC的結(jié)果，這些結(jié)果將決定未來(lái)選擇的方向?！瘪R爾索利耶說(shuō)。英國(guó)《自然》雜志認(rèn)為,直到本世紀(jì)30年代中期，CERN都將忙于提高LHC的質(zhì)子束密度而非增強(qiáng)能量。

日本：注重“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”

日本已經(jīng)完成了下一代超大對(duì)撞機(jī)的初步工程設(shè)計(jì)，并得到美國(guó)能源部和CERN的支持。與歐洲不同，日本選擇建設(shè)更加“經(jīng)濟(jì)實(shí)用”的直線對(duì)撞機(jī)。

日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)岡田安弘介紹，日本研究界一直在向政府建議由日本主導(dǎo)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)計(jì)劃。

岡田安弘說(shuō)，ILC將在總長(zhǎng)約31公里的地下隧道開(kāi)展正負(fù)電子對(duì)撞，雖然對(duì)撞能量?jī)H為1TeV，卻可以更好地分析對(duì)撞后新粒子特性，在精密測(cè)定希格斯粒子、探尋新物理方面的能力遠(yuǎn)超LHC，還可在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子方面加強(qiáng)同LHC的互補(bǔ)性研究。ILC的造價(jià)約為78億美元，日本東北地區(qū)的巖手縣及宮城縣被列為候選建設(shè)地，預(yù)計(jì)將于本世紀(jì)20年代后期開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

不過(guò)，文部科學(xué)省下設(shè)的專家小組表示，日本將等到2018年歐洲的LHC首次最大能量運(yùn)行后再作決定。日方也在研究經(jīng)費(fèi)的不確定性和相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。岡田安弘說(shuō)，日本的出資比例還需通過(guò)政府間交涉決定。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開(kāi)支,認(rèn)為造價(jià)還可降低15%。

美國(guó)：主動(dòng)放棄“燒錢”競(jìng)爭(zhēng)

美國(guó)超導(dǎo)超級(jí)加速器(SSC)建設(shè)項(xiàng)目在20世紀(jì)的“夭折”是美國(guó)科學(xué)史上的傷心往事，不少高能物理研究人員提起此事都嘆息連連。美國(guó)從超大對(duì)撞機(jī)競(jìng)爭(zhēng)中“出局”，此后也未就開(kāi)建新一代超大對(duì)撞機(jī)有新規(guī)劃。

在SSC項(xiàng)目選址地得克薩斯州愛(ài)麗絲，已建成的22.5公里的地下隧道被棄。美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士韓濤說(shuō)：“宣布終止SSC讓高能物理研究的中心從美國(guó)移到歐洲。”

SSC對(duì)撞能量達(dá)40TeV。然而該項(xiàng)目經(jīng)過(guò)幾年建設(shè)，在完成了約20%、花掉了20億美元后于1993年被美國(guó)國(guó)會(huì)取消。

當(dāng)年美國(guó)物理學(xué)界分為兩派，反對(duì)建設(shè)方主要擔(dān)心對(duì)撞機(jī)擠占其他基礎(chǔ)科學(xué)研究經(jīng)費(fèi),影響力最大的聲音來(lái)自諾貝爾獎(jiǎng)得主菲利普·安德森。

93歲的菲利普·安德森說(shuō)：“我認(rèn)為反對(duì)建設(shè)超級(jí)對(duì)撞機(jī)終究還是對(duì)的。”他認(rèn)為，粒子物理學(xué)家太執(zhí)著于高能量對(duì)撞這個(gè)代價(jià)極大的單一研究方式，而忽略了其他重要的實(shí)驗(yàn)事實(shí)(比如暗能量、丟失零點(diǎn)能、暗物質(zhì)等問(wèn)題)比追逐高能量還有意義。

就超大對(duì)撞機(jī)而言，王貽芳認(rèn)為，它對(duì)中國(guó)科技帶來(lái)的裨益是多方面的，不僅可以讓相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)際化，領(lǐng)先國(guó)際，還可以將頂尖的科學(xué)家和工程師引進(jìn)到中國(guó)，讓中國(guó)成為國(guó)際化的科學(xué)中心。在他看來(lái)，這和民生問(wèn)題一樣，是中國(guó)亟待解決的問(wèn)題，不可偏廢。他還提醒：“從占GDP的比例來(lái)看，超大對(duì)撞機(jī)的造價(jià)（即使包括SPPC）并沒(méi)有超過(guò)20世紀(jì)80年代的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，也低于國(guó)際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計(jì)劃中的設(shè)施?！?/p>

能破解科學(xué)難題嗎

在楊振寧看來(lái)，對(duì)撞機(jī)能否幫助物理學(xué)家找到猜想中的超對(duì)稱粒子仍未可知。他認(rèn)為，中國(guó)高能所成立以來(lái)的成果不明顯，并建議，相比超大對(duì)撞機(jī)，尋找新加速器原理和尋找美妙的幾何結(jié)構(gòu)是更為經(jīng)濟(jì)和符合總趨勢(shì)的研究方向。

LHC近期平淡的表現(xiàn)讓有些科學(xué)家在通過(guò)對(duì)撞機(jī)來(lái)破解基礎(chǔ)物理難題這一路徑上打上問(wèn)號(hào)。LHC已經(jīng)完成了尋找希格斯玻色子的任務(wù)，但之后一度沉寂，尚未在發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型外的新粒子上有新進(jìn)展。

去年12月，LHC疑似發(fā)現(xiàn)比希格斯玻色子更重的粒子的跡象，但今年8月5日，來(lái)自LHC的兩個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)ATLAS和CMS的代表在美國(guó)芝加哥召開(kāi)的國(guó)際高能物理大會(huì)上宣布，該跡象只是統(tǒng)計(jì)漲落，通過(guò)分析5倍于去年12月的數(shù)據(jù)，該跡象幾乎衰減至無(wú)。

對(duì)于動(dòng)則幾十億、幾百億元人民幣的大科學(xué)裝置，項(xiàng)目對(duì)科學(xué)本身的效益是關(guān)鍵因素之一。

對(duì)此，王貽芳回應(yīng)，由于在希格斯粒子上，CEPC較LHC高10倍的測(cè)量精度，CEPC在確認(rèn)希格斯粒子的性質(zhì)、自耦和、是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言完全一致等上會(huì)有所突破，“無(wú)論LHC是否發(fā)現(xiàn)新物理，CEPC都是需要的，這是粒子物理發(fā)展中跳不過(guò)去的一步?！?/p>

對(duì)于CEPC能否成功建設(shè)，王貽芳在回應(yīng)文中表示了信心，并提到：“電子對(duì)撞機(jī)還沒(méi)有不成功的先例。”而對(duì)于技術(shù)要求較高的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC），王貽芳承認(rèn)：“未來(lái)第二階段質(zhì)子加速器的工作，我們目前確實(shí)經(jīng)驗(yàn)不足，需要努力?！蓖瑫r(shí)，他表示：“我們還有二十多年，可以實(shí)現(xiàn)‘完成工作與出資比例相當(dāng)’這個(gè)最低目標(biāo)。以我們過(guò)去三十多年進(jìn)步的記錄來(lái)看，這個(gè)目標(biāo)是可以完成的?！?/p>

值不值得

另一方面，在耗資巨大的CEPC能否成為一個(gè)“高壽”的科學(xué)裝置這一問(wèn)題上，CERN國(guó)際關(guān)系部部長(zhǎng)、物理學(xué)家魯?shù)细瘛の炙共┦勘硎玖藫?dān)憂：“如果真要建造一部富于前瞻性的、有潛質(zhì)的新機(jī)器，那么50公里的隧道長(zhǎng)度會(huì)太短。粒子物理學(xué)研究50年的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，利用大型加速器，要想從一代升級(jí)到下一代，要想真正有可能做出重要的新發(fā)現(xiàn)，你通常需要增加10倍的能量?！?/p>

魯?shù)细瘛の炙乖u(píng)論稱：“CEPC-SPPC項(xiàng)目本身非常有趣，從純科學(xué)的角度來(lái)看，它很值得去做。但從歐洲的角度來(lái)看，這個(gè)項(xiàng)目是用大量資金投入去研究一個(gè)范圍極為有限的科學(xué)問(wèn)題。這就提出了金錢投入的科學(xué)價(jià)值的問(wèn)題，也就是金錢投入在建設(shè)一個(gè)富于前瞻性、長(zhǎng)期的科學(xué)未來(lái)方面的可能性問(wèn)題?！保ū究C合）※