楊振寧反對花千億建大對撞機 中科院所長駁斥

王貽芳、楊振寧、丘成桐。（從左至右）

    9月4日，《知識分子》刊發了楊振寧先生的文章《中國今天不宜建造超大對撞機》，作為正在高能物理一線從事實驗工作的科學家、現任中國科學院高能物理研究所所長，我不能同意他的觀點。

　　（一）楊先生反對的第一點理由是造大型加速器是無底洞。這裡涉及三個問題，一個是SSC為什麼失敗？第二是中國的大型加速器需要多少錢？第三是這個估計可靠嗎，是不是又是一個無底洞？下面我一一回答。

　　美國超導超級對撞機（SSC）失敗的原因有很多，包括當時的政府赤字且與國際空間站爭奪經費、美國的兩黨政治鬥爭、德克薩斯與其他地區的區域競爭等。“預算超支”絕不是SSC失敗的主要原因。

　　對美國來説SSC半途下馬是極為錯誤的，它使美國的高能物理研究失去了發現希格斯粒子的機會，失去了國際領導地位，到現在還沒有翻身。當年美國科學界反對SSC的理由跟我們今天在中國聽到的很相似。事實上SSC的終止並沒有讓任何科學家獲得經費的增加。在此之後歐洲建造了大型強子對撞機（LHC），獲得了極大的成功。雖有超支，但並不是太多。

　　中國的政治與美國完全不同，對大工程建設實際上有優勢，因為偶然性較小。SSC失敗，不代表我們就不能建造大型加速器。

　　我們規劃的大型對撞機項目（以周長為100公里算）分兩步走：第一步正負電子對撞機（CEPC）建設階段，約在2022—2030年間，工程造價（不包括土地、“七通一平”等）約400億人民幣。

　　如果這第一步成功，CEPC有新物理的跡象，且高場磁鐵所需新型超導材料技術成熟，其價格降到合理水準（比如20元/千伏安米），我們可以走第二步，質子對撞機（SPPC）階段，工程造價在1000億人民幣以內，時間是在2040—2050年左右。這裡如果減去國際貢獻約30%，中國政府應該出資大約300億人民幣（每年30億）和700億人民幣（每年70億），但不包括未來的通貨膨脹。

　　過去50年間，國際上有許多成功的加速器工程（如LEP，LHC，PEPII，KEKB/SuperKEKB等），也有許多不太成功的加速器工程（ISABELLE，SSC，FAIR等）。這裡不成功的都是質子加速器，電子對撞機還沒有不成功的先例。原因主要還是質子加速器較為複雜，對超導技術的預估較難，不易在技術、造價與指標上有一個恰當的把握。

　　高能所建所40年以來，在北京正負電子對撞機、大亞灣中微子實驗、散裂中子源、ADS注入器等超過億元的大型加速器及探測器工程中，均按工期、指標完成，實際造價與預算相比，連5%都沒有超。我們有成熟的估價、建造、管理經驗。

　　對CEPC的估價我們採用了兩種辦法：（1）分解法：將各設備部件造價相加；（2）類比法：與國內外已完成的同類裝置與設備相比。在總價和系統級，兩種辦法得出的結果，誤差在20%以內。在完成了初步概念設計以後，我們産生了一個1000多項的設備清單，據此進行了造價估計，並邀請國內外專家進行了評審。

　　對第二階段SPPC的估計我們只採用了類比法。因為這不是現階段的任務，只是可能性。談論它的造價意義不大。不成熟不會啟動，所以怎麼會是無底洞呢？

　　（二） 楊先生反對的第二點理由是中國目前仍然是一個發展中國家，還有亟待解決的民生問題，超大型對撞機不是燃眉之急，目前不宜考慮。

　　民生問題當然要解決，但我們也要考慮長遠，發展要可持續，要有領先世界的能力。高能物理研究物質的最小結構及其規律，採用的手段從加速器、探測器到低溫、超導、微波、高頻、真空、電源、精密機械、自動控制、電腦與網路等，很大程度上引領了這些高技術的發展並得到廣泛應用。建造大型對撞機可以使我們領先國際達幾十年，使一些重要技術産品實現國産化並走到世界最前沿，可以形成一個國際科技中心吸收國外智力資源，可以培養幾千名能創新的的頂尖人才，怎麼不是燃眉之急，當務之急？

　　而且一個大國，沒有對人類文明的貢獻，很難説話響亮，這影響中國在世界上獲取利益。

　　從佔GDP的比例來看，大型對撞機的造價（即使包括SPPC）並沒有超過1980年代的北京正負電子對撞機，也低於國際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計劃中的設施。

　　下一個五年計劃開建大型對撞機，是我們在高能物理領域領先國際的一個難得的機遇。首先新發現的希格斯粒子品質很低，使我們有可能提出環形正負電子對撞機這個方案來研究它，還有機會改造成質子對撞機，有50年以上的科學壽命；其次，歐洲、美國和日本手頭都有項目，20年之內很難騰出手來，我們的競爭環境好；第三，我們有北京正負電子對撞機的經驗，我們有技術和人員隊伍的積累，還有極好的大型地下工程施工經驗。這個機遇窗口只有10年，失去了，下一次就不知道是什麼時候。

　　（三）楊先生反對的第三點理由是建造超大對撞機必將大大擠壓其他基礎科學的經費。

　　中國的基礎研究經費目前佔研發經費的比重大約是5%，國際上發達國家一般是15%。中國的基礎研究經費還有巨大的增長空間，大約每年1000億人民幣以上，CEPC不會擠壓其他基礎科學研究的經費。

　　另一方面，增加的經費應該向哪個方面投呢？大家都知道我國的基礎科學研究經費中相當大的比重是用來購買外國儀器。如果我們突然平均地增加基礎研究經費，或向某些領域傾斜，估計會大大拉動美歐日的GDP。而如果我們花10年的時間投入300億建造加速器，90%以上的錢會花在國內。而CEPC的投入從長期來看，是使各領域的比例與國際上基本一致（目前國內粒子物理、核物理比例嚴重偏低）。國家現在提出發起和領導國際大科學工程和計劃，CEPC是一個極好的候選項目。

　　（四）楊先生反對的第四點理由是高能物理學家想尋找的“超對稱粒子”和“量子引力化”都未被發現，未來希望用對撞機發現猜想中的粒子也是不會成功的。

　　建造大型對撞機的科學目標不是那樣。我們的科學目標，簡言之：粒子物理目前的標準模型只是一個在低能情形下的有效理論，需要繼續發展更深層次的理論，雖然現在已有一些超出該模型的實驗證據，但需要更多的實驗證據指明未來的發展方向。

　　目前已知的標準模型中的問題，大部分與希格斯粒子有關，因此更深層次的新物理應該會從希格斯粒子處露出蛛絲馬跡。CEPC可以將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，比LHC好10倍，這就可以確認希格斯粒子的性質，判斷希格斯粒子是否與標準模型預言完全一致。同時CEPC還有望首次測量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場參與的真空相變的形式，這對宇宙的早期演化具有重要意義。因此，無論LHC是否發現新物理，CEPC都是需要的，這是粒子物理髮展中跳不過去的一步。

　　如果有新的希格斯粒子耦合形式、新的伴隨粒子、非點結構的希格斯粒子，或其他與標準模型的偏差，我們可以進行第二階段，建造大型質子對撞機，直接尋找造成偏差的原因。這個原因當然可能是超對稱粒子，也可能是其他粒子。現在還無法預言對撞機會不會發現猜想中的粒子。

　　（五）楊先生反對的第五點理由是七十年來高能物理的大成就對人類生活沒有實在的好處，未來也不會有好處。

　　七十年來，高能物理髮展出的技術與生活息息相關。沒有高能物理，就沒有同步輻射光源、自由電子鐳射和散裂中子源等裝置，我們現在的許多生物、地質、環境、材料、凝聚態等方面的進步就無從談起。沒有高能物理，今天在醫院裏的很多檢查與治療（MRI，PET， 癌症的放射性治療等）就不會存在，或者會推遲出現，許多人的生命會被縮短，生活品質會降低。沒有高能物理，觸摸屏就會推遲出現，智慧手機就是一個夢想；沒有高能物理，就沒有WWW網。人類從WWW網中得到的收益，遠大於對高能物理的全部投入。

　　中國建大加速器對我們有什麼實際的好處呢？第一階段300億人民幣的投入（2022年起，每年30億），至少使我們可以在以下技術方面實現國産化，並領先國際：

　　a）高性能超導高頻腔（應用於幾乎所有的加速器）

　　b）高效率、大功率微波功率源（也可應用於雷達、廣播、通訊、加速器等）

　　c）大型低溫製冷機（也可應用於科研設施、火箭發動機、醫療設備等）

　　d）高速、抗輻照硅探測器、電子線路與晶片等

　　同時我們還可以在精密機械、微波、真空、自動控制、數據獲取與處理，電腦與網路通訊等技術方面領先國際，可以培養上千名頂尖的物理學家和工程師，引進上千名國際頂尖的科學家和工程師。

　　如果有第二階段，2040年起每年70億人民幣的投入，可以帶動高溫超導材料、超導磁體等應用技術的實用化，並國際領先。這個産業的規模大概遠遠超過700億人民幣。除此之外，也許還有出人意料的新發現、新技術。

　　（六）楊先生反對的第六點理由是高能所三十年來的成就不高，超大對撞機90%的工作將由非中國人來主導，諾貝爾獎也不會是中國人。

　　從建立北京正負電子對撞機開始。國家對高能所在高能物理研究方面的投入，除人員建築、實驗室及設備、研究經費之外，主要科學設施是北京正負電子對撞機（2.4億元，1984年），北京正負電子對撞機重大改造工程（6.4億，2004年），和大亞灣中微子實驗（1.7億，2007年）等，一共約10億元人民幣。與國內其他領域相比，比如楊先生提到的生物、凝聚態、天文物理等，無論是總數還是每人平均，都絕對不算多。這些投入取得的成果、各種國內外獎勵，與國內其他領域相比絕對不少。這點投資與國際上比差好幾個數量級；但我們的成果可以跟他們比肩，至少我們現在是國際高能物理領域四大實驗室之一（CERN，Fermi，KEK，IHEP）。

　　我們中國的科學家2012年在國際上獨立地首次提出CEPC-SPPC的設想，得到國際上的積極響應與支援。隨後我們開展了初步概念設計，雖然有國際參與，但主要是以我們為主完成了《初步概念設計報告》。所以將來超大對撞機70%的工作將由中國人來主導完成，至少會與我們的出資比例一致。

　　高能所參加過1980年代北京正負電子對撞機設計與建設的專家都説，當年的困難比起今天的CEPC，只大不小。我們不會一代不如一代。我們有信心和能力獨立完成CEPC。當然從國際合作考慮，還是需要放手一些工作內容。

　　至於未來第二階段質子加速器的工作，我們目前確實經驗不足，需要努力。但我們還有二十多年，實現“完成工作與出資比例相當”這個最低目標，以我們過去三十多年進步的記錄來看，是可以完成的。

　　至於中國人得諾貝爾獎，我覺得無法預料，也不是國家對基礎科學投入的目的。我們希望中國有一個CERN這樣的研究機構，至於有沒有希格斯這樣的人去得諾貝爾獎，並不重要。

　　（七）楊先生反對的第七點理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“幾何理論”，不在大型加速器。

　　“新加速原理”確實是一個加速器發展的重要方向，也許將來幾十年內能用於高能物理固定靶實驗，或某些對束流品質要求不高的應用領域。在高能對撞機方面，無論是束流品質還是能量利用效率，都還有太長的路要走。高能物理不能等待這個新技術成熟。至於“幾何理論”，或是“弦理論”，虛無縹緲，不是實驗物理學家現在考慮的問題。

　　高能物理的前途在哪，見仁見智。我們應該更多地聽取科研一線新生代科學家的意見。（中科院高能物理研究所所長 王貽芳）