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超大对撞机该不该上马?中科院专家与杨振宁掀论战

2019/11/12 6:00:55

超大对撞机该不该上马?中科院专家与杨振宁掀论战

最近物理界的一则“大新闻”在微信朋友圈闹得沸沸扬扬。和“明星离婚”、“师徒反目”这些热门话题相比,讨论大型对撞机的门槛要高得多。

 

科学“大咖”们最近在争论中国现在要不要建大型对撞机“这种超大超贵的机器”。争论缘起一则文章: 

 

2016年9月4日,微信公众号“知识分子”刊发诺贝尔奖获得者杨振宁博士的一篇文章《中国今天不宜建造超大对撞机》。然而一篇文章激起千层浪,丘成桐、王贻芳等大师级科学家也相继发声表达观点。中国该不该建造大型对撞机的争论也由学界讨论逐步进入公众视野。

 

9月5日,中科院高能物理研究所所长王贻芳发表文章《中国今天应该建造大型对撞机》,文中观点、立场与杨振宁刚好相反,并对杨振宁提出不宜建造大型对撞机的七点理由一一进行了反驳。

 

科学"大咖"们到底在争论什么?

 

总的来说,就是在争论一个问题:中国今天要不要开始建造超大对撞机?

 

分歧一:大加速器造价都是“无底洞”吗?

 

在此次双方的争论中,巨额的建造成本无疑成为各方关注的焦点。杨振宁认为:根据以往各国建造对撞机的经验,比如美国中止了项目,浪费了30亿美元;欧洲核子研究组织(CERN)现运行的大型强子对撞机LHC耗资100亿美元,对撞机的建造成本是无底洞。他预估,中科院高能所建议的超大对撞机预算将高于200亿美元(1336亿元人民币)。

 

此外,杨振宁表示,中国人均GDP少于巴西、墨西哥,有数亿农民与农民工,还有急待解决的环保、教育、医药健康等问题。建造超大对撞机,费用奇大,效果难以预料,中国现阶段更应关注民生问题。

 

王贻芳在次日的文章中回应,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400亿元。第二步质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在1000亿元以内,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300亿元(每年30亿元)和700亿元(每年70亿元),但不包括未来的通货膨胀。

 

王贻芳说,从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价并没有超过上世纪80年代的北京正负电子对撞机。王贻芳认为,在下一个五年计划开建大型对撞机,是高能物理领域领先国际的一个难得机遇。

 

分歧二:制造大型对撞机能破解难题?

 

杨振宁表示,建造大型对撞机不仅会大幅度挤压其它基础科学的科研经费,而且未来希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。

 

王贻芳则表示,目前中国的基础研究经费占研发经费的比重仅5%,低于发达国家的15%,这意味着基础研究经费仍有大约每年1000亿人民币以上的增长空间。

 

王贻芳认为,现在预言对撞机会发现或不会发现猜想中的粒子,过于武断,也不是国际高能物理学界的主流意见。造大型对撞机可以使我国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。

 

“此外,成立这样的大型科研项目,也有利于形成一个国际科学与技术中心引进吸收国外的智力资源,培养几千名物质科学及相关技术的顶尖人才。”王贻芳反驳道。

 

杨振宁则表示,有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”,但找超对称粒子已有很多年了,完全落空。

 

“国际上许多物理学家,包括自己在内,都认为超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想”。杨振宁说道。

 

分歧三:高能物理研究有益人类生活吗?

 

杨振宁认为,70年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也很难预测这类科研成果是否会给人类生活带来直接的影响和好处。“高能物理的突破之前没有、今后也无法在短中期内给人类生活带来益处,反而会对解决国内的民生问题不利。”杨振宁说道。

 

王贻芳表示无法认同高能物理与人类生活的脱节。“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。”

 

王贻芳表示,第一阶段300亿元的投入,至少使我们可以在一些技术方面实现国产化,并领先国际。分别是高性能超导高频腔;高效率、大功率微波功率源;大型低温制冷机以及高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片。

 

哈佛大学教授丘成桐说道:值得高兴的是,这一项目在美、欧等国和地区获得了广泛的支持。美国、欧洲的物理学家都对这个项目表示支持。伴随该项目的推进,中国不但可以成为相关领域的领跑者,还可以借助项目吸引大批世界顶尖科学家到中国交流工作,甚至扎根中国,这将对中国科学发展产生巨大而深远的影响。

 

丘成桐还表示,当前对第一阶段CEPC的建设,中国有一定的基础,也有信心能够完成。而升级为质子对撞阶段,国内外相关技术还需一段时间的发展,目前尚不具备。

 

对撞机世界发展状况怎样? 

 

据介绍,早在20世纪50年代,欧洲、美国和苏联的科学家提出了各自建造对撞机的计划。1962年,世界上第一台对撞机在意大利弗拉斯卡蒂实验室建成。次年,美国和苏联也分别建成了正负电子对撞机。在这以后,对撞机随粒子物理的发展需求,如雨后春笋出现在世界各大高能物理实验室。 

 

据介绍,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器,它位于日内瓦附近、瑞士和法国交界地区地下100米深处的环形隧道内,隧道环的周长为27千米。 

 

中科院高能物理研究所副研究员朱宏博说,目前,国际上正在运行的除了欧洲大型强子对撞机,还有美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机,中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机等。拟建的有日本的国际直线对撞机,欧洲核子研究中心的未来环形对撞机和紧凑型高能直线正负电子对撞机等。 

 

过去50年,对撞机在基础物理领域特别是在验证、完善粒子物理的标准模型方面取得了丰硕成果。例如,2012年欧洲大型强子对撞机实验发现希格斯玻色子粒子,这是2013年诺贝尔物理学奖的实验基础;2008年的诺贝尔物理学奖获得者关于对称性破缺的重要工作,也是基于对撞机的实验验证。 

 

历史上也有遇挫的例子,比如为人熟知的美国的超导超级对撞机。遇挫的项目往往技术预研究不够充分就匆匆上马,工期延长,成本上升。所以,对于未来对撞机项目,需充分重视技术预研的重要性,细致工作、严密论证,为项目顺利实施奠定扎实基础。 

 

中国的对撞机发展如何? 

 

中国科学院物理研究所研究员曹则贤表示,中国目前在北京、合肥和上海三地有加速器,但只有北京的加速器作为正负电子对撞机使用,运行在十亿电子伏特的能量水平上。如果有大型对撞机,可以在更高能量水平上从事粒子物理研究。 

 

回顾我国对撞机的发展历程,朱宏博说,上世纪七八十年代,经李政道、潘诺夫斯基等建议,国内科学家设计并充分论证,经国家领导人批示,建造北京正负电子对撞机。 

 

北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。1988年10月16日,两束正负电子在北京西郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞,揭开了我国高能物理研究的新篇章。在稳定、高效运行了15年后,北京正负电子对撞机于2003年圆满完成了预定的科学使命。 

 

北京正负电子对撞机重大改造工程于2004年1月动工,耗资6.4亿元,于2009年5月成功通过验收,性能比改造前提高了30多倍,继续保持了我国在国际高能物理研究上的优势。“在中国工业基础薄弱的条件下,我们选择了自主研发各类关键技术设备,最终使得改造工程对撞机部件的国产化率达到85%。”朱宏博说。 

 

中科院高能物理研究所所长王贻芳此前表示,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建设阶段,约在2022年至2030年间;第二步质子对撞机阶段,需要经过充分的科技攻关,严密的技术论证。 

 

其中,正负电子对撞机可将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,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。正负电子对撞机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。

 

什么是对撞机?为什么要建?

 

简单地说,对撞机原理就是通过不断的提升能量和撞击次数,能够发现更多的新粒子或者粒子的新性质,从而有望解答我们在物理学中遇到的困惑。

 

从概念来看,对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种装置,其主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定束流强度及一定能量时使其在相向运动状态下进行对撞,以产生足够高的相互作用反应率。

 

上世纪以来,人类对于物质结构的认知已经从分子、原子、原子核层次,逐步深入到更小的结构单位夸克和轻子。如何对这些愈加微小粒子进行研究,这活儿只能让对撞机干。 

 

“对撞机是人类探索微观物质世界的‘超强显微镜’。科学家要研究的粒子愈微小,选用的对撞机体积就要愈庞大、粒子加速的能级也越高。现代大型加速器的周长可达数十千米,造价在几十亿到几百亿美元不等。”在国内外大型对撞机工作多年的上海应用物理研究所所长赵振堂说。 

 

中国科学院大学物理科技学院副院长郑阳解释说,用对撞机把能量加到很高,将动能转化成物质。对撞机可以产生很高能量,将动能转化成各种各样新奇的粒子。

 

郑阳认为“此前欧洲大型对撞机上发现的希格斯粒子,就因其是让整个宇宙产生质量的原因,而被称作‘上帝粒子’。本来宇宙空无一物,‘上帝粒子’却让物质产生了重量”。

 

对撞机家族成员众多。按照对撞粒子的种类分,可分为电子对撞机、质子-质子对撞机、电子-质子对撞机和重离子对撞机等;按照对撞机的形状分,可分为环形对撞机和直线对撞机。 

 

曹则贤介绍,虽然对撞机的种类各有不同,但对撞机中用于碰撞的两束粒子一般会选择一对正反粒子,如电子与正电子或者质子与反质子。 

 

“一对高能正反粒子碰撞会湮灭,然后产生新的粒子。所以,对撞机可以帮助我们研究这些新粒子的内在性质、产率及其能量和动量的分布,理解粒子之间的基本相互作用,从而回答一些基础物理问题,如到底有哪些基本粒子,有怎样的相互作用,粒子的质量从哪里来,物质的起源等。”曹则贤说。 

 

在科学家眼中,对撞机就像一个具有神奇法力的“大魔盒”。因为当粒子被加速到极高能量、进行对撞后,没准儿就会产生地球上极为稀少的重要物理现象,通过捕捉、测量这些新现象,人类可以进一步发现自然世界的基本规律。 

 

“此前,最大的大型强子对撞机(LHC)位于日内瓦附近的侏罗山地下。大型强子对撞机直到现在,也没有发现任何超对称粒子存在的迹象。有科学家认为,这可能仍然是LHC的设计局限造成的。或许新的粒子中绝大多数的质量都超出了LHC可探测的能标。那么,一台更大、更强的强子对撞机,应该就能够回答我们的困惑。这也是很多科学家对中国建设新的强子对撞机寄予期待的原因。”一位中国科技大学物理专业某研究人员告诉记者。

 

朱宏博说,过去50年,粒子物理学界最为成功的理论模型就是标准模型,这一模型很大程度上是通过对撞机实验的充分验证而逐渐确立的。历史上,近20位诺贝尔物理学奖获得者的工作都与确立标准模型有关,代表着主流科学社会对于对撞机及其实验研究的高度认可。 

 

当然,对撞机并不是科学“大咖”们的专利品,它对社会经济民生以及人类科技发展也有巨大的推进作用。“比如从加速器技术发展出质子治癌技术,提高癌症治愈率。从加速器技术衍生出的散裂中子源、同步辐射光源等为材料、生物研究提供先进技术手段等;从对撞机实验发展出的诸多精密探测器技术也在国土安全、航空航天、工业探测、医疗成像等领域得到广泛应用。”朱宏博说。 

 

值得不值得?

 

在耗资巨大的CEPC能否成为一个“高寿”的科学装置这一问题上,欧洲核子研究组织国际关系部部长、物理学家鲁迪格·沃斯(Rüdiger Voss)博士在去年接受澎湃新闻专访时,表示了担忧,“如果真要建造一部富于前瞻性的、有潜质的新机器,那么50公里的隧道长度会太短。粒子物理学研究50年的经验已经表明,利用大型加速器,要想从一代升级到下一代,要想真正有可能做出重要的新发现,你通常需要增加10倍的能量。”

 

鲁迪格·沃斯评论称:“CEPC-SPPC(环形正负电子对撞机和超级质子对撞机)本身是一个非常有趣的项目,从纯科学的角度来看,它很值得去做。这一点毫无疑问。从欧洲的角度来看,担心在于,这个项目是用大量资金投入去研究一个范围极为有限的科学问题。这就提出了金钱投入的科学价值的问题,也就是金钱投入在建设一个富于前瞻性、长期的科学未来方面的可能性问题。”

 

说了这么多,无论建与不建,以上科学家个个都是著作等身、誉满全球,他们大可见好就收、沽名钓誉。然而他们却选择放下身段,认认真真的辩论一番,如果这都不算科学家追求真理,这都不算是爱国敬业,还要怎么样才是追求真理、爱国敬业呢?

 

在娱乐圈一个出轨新闻动不动几亿阅读量的时候,这些科学家的声音就像一股清流。我们在这场争论里看到的恰恰是一片久违的赤子之心。要是能多几位这样的先生中国科学研究何愁不崛起?