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中国该不该斥资数百亿元建造大型对撞机?

峥嵘 发表于 2016-9-8 |1条回复 |1150次浏览

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目前的中国是不是下一代大型强子对撞机的合适选址?可见的是,科学界对此尚有争议。9月4日,著名物理学家杨振宁在《知识分子》发文,反对中国开始建造大型对撞机。次日,同在《知识分子》,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳刊文回应,一一反驳杨振宁的反对理由。

此前,菲尔兹奖获得者、著名华裔数学家丘成桐多次公开表示,支持中国建造大型对撞机,提出可以考虑将河北省秦皇岛市山海关附近作为选址。8月29日,丘成桐在公众号上再次针对大型对撞机发文,并表示对“杨振宁反对建造大型对撞机”一说存疑。此举引来杨振宁在《知识分子》上发文。

而早在2012年,在“上帝粒子”希格斯玻色子(Higgs boson)被欧洲核子研究组织(CERN)大型强子对撞机LHC发现的几个月后,王贻芳的团队就提出了到本世纪30年代在中国建成对撞机的计划。在这之后,据王贻芳在反驳文中所提,中国为主的研究团队已经完成了CEPC-SPPC(正负电子对撞机-质子对撞机)的《初步概念设计报告》。

在规划中,CEPC-SPPC项目将在50-100公里长的地下环形通道内,利用相同的隧道,建造两座超级对撞机:正负电子对撞机和质子对撞机。虽然正负电子对撞机的对撞能级将只有0.24-0.35TeV,但它的存在可以为建造质子对撞机削减大量成本。该质子对撞机和LHC相似,都在环形通道内使用质子进行对撞。但该对撞机的通道长度将是LHC的2-4倍,对撞能级可达70-100TeV或100-140TeV,远超LHC的14TeV。

目前,不仅是中国有研究团队提出建造大型对撞机的规划,日本也有意建造国际直线对撞机(ILC)。据报道,日本文部科学省(MEXT)被期望在今年,就日本是否会建造ILC作出表态。如通过,ILC将在2030年左右建成,投入实验。但目前,出于对高成本的顾虑,日本还想旁观,看在2018年年底前,LHC是否会在第一次最大能量(14TeV)运行周期内,有重大发现。此外,主持LHC的欧洲核子研究组织也在考虑建立新一代超导磁体,将LHC的能级极限从14TeV提升至20TeV,抑或是另建一座“超级LHC”。

在王贻芳看来,最近十年是中国建造大型对撞机的“窗口期”,“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。”欧洲核子研究所的LHC正面临能级触顶的困局,“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”。

尽管如此,在争论中国该不该建造大型对撞机时,要回答的是:造价几何?是利是弊?能解决科学难题吗?值不值得?这四个问题。

造价几何?

在此次杨振宁和王贻芳关于大型对撞机的公开讨论中,巨额的建造成本被摆放在争议的显眼位置。

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(1335亿人民币)。

在反驳文中,王贻芳详细地算了一笔账,并表示“有成熟的估价、建造、管理经验”。在王贻芳团队的规划中,正负电子对撞机和质子对撞机将先后建设。不包括土地、“七通一平”等,预计在2022-2030年竣工的正负电子对撞机工程造价约400亿人民币。质子对撞机是否建设建立在正负电子对撞机是否有新物理迹象的前提上,工程造价在1000亿人民币以内。其中,中国将承担70%的费用,即大约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。

王贻芳还强调,高能所在北京正负电子对撞机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。”并因为质子对撞机的启动条件是正负电子对撞机有所成绩,王贻芳认为这不会是无底洞。

巨额建设资金将如何筹得?据《自然》杂志报道,王贻芳的团队在去年得到科技部3500万人民币的资助,用于大型强子对撞机项目的开展,但在7月,发改委拒绝了该项目下一轮8亿人民币的资助请求。在国际高能物理大会(ICHEP)上,王贻芳表示将专注于提高国际社会对该项目的兴趣。

是利是弊?

杨振宁认为,对撞机的项目必将挤压其他基础科学的经费。

但王贻芳认为,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。

此外,王贻芳认为,对撞机的项目会拉动国内科学仪器的发展,且和其他基础科学并不矛盾,“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)。”

再者,杨振宁认为,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。

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。”

值得一提的是,万维网的创始人蒂姆·伯纳斯·李(Tim Berners-Lee)正是为了打破信息孤岛,解决欧洲原子核研究会的核物理学家数据互通的问题,而开发了万维网。

就大型对撞机而言,王贻芳认为,它对中国科技带来的裨益是多方面的,不仅可以让相关技术实现国际化,领先国际,还可以将顶尖的科学家和工程师引进到中国,让中国成为国际化的科学中心。在他看来,这和民生问题一样,是中国亟待解决的问题,不可偏废。他还提醒,“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。”

能破解科学难题吗?

在杨振宁看来,对撞机是否能帮助物理学家找到猜想中的超对称粒子仍未知。他认为,中国高能所成立以来,成果不明显,并建议,相比超大对撞机,寻找新加速器原理和寻找美妙的几何结构是更为经济和符合总趋势的研究方向。

LHC近期平淡的表现让有些科学家在通过对撞机来破解基础物理难题这一路径上打上问号。LHC已经完成了寻找希格斯玻色子的任务,但之后一度沉寂,尚未在发现标准模型外的新粒子上有新进展。

去年12月,LHC疑似发现比希格斯玻色子更重的粒子的迹象,但今年8月5日,来自LHC的两个独立实验——ATLAS和CMS的代表在美国芝加哥召开的国际高能物理大会上宣布,该迹象只是统计涨落,通过分析5倍于去年12月的数据,该迹象几乎衰减至无。

对于动则几十亿、几百亿人民币的大科学装置,项目对科学本身的效益是关键因素之一。

对此,王贻芳的回应认为,由于在希格斯粒子上,CEPC较LHC高10倍的测量精度,CEPC在确认希格斯粒子的性质、自耦和、是否与标准模型预言完全一致等上会有所突破,“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。”

对于CEPC能否成功建设,王贻芳在回应文中表示了信心,并提到:“电子对撞机还没有不成功的先例。”而对于技术要求较高的质子对撞机(SPPC),王贻芳承认,“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。”同时,他表示:“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。”

值不值得?

另一方面,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)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。”


杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机

8月29日微信公众号《老顾谈几何》中有一篇文章,题目是《丘成桐:关于中国建设高能对撞机的几点意见并回答媒体的问题》,讲到他(丘)赞成中国建造超大对撞机,而我(杨)反对,他难相信。其中一段如下:

这些实验背后的基础理论都用到杨先生的学说。每一次突破后,我们对杨先生的学问更加佩服!所以说杨先生反对高能物理需要有更进一步的发展,使人费解!

丘教授的理解有误!我绝不反对高能物理继续发展。我反对的是中国今天开始建造超大对撞机,原因如下:

(一)建造大对撞机美国有痛苦的经验: 1989 年美国开始建造当时世界最大对撞机,预算开始预估为30亿美元,后来数次增加,达到80亿美元,引起众多反对声音,以致1992 年国会痛苦地终止了此计划,白费了约30亿美元。这项经验使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。

目前世界最大对撞机是CERN 的LHC。2012 年6000 位物理学家用此对撞机发现了Higgs 粒子,是粒子物理学的大贡献,验证了“标准模型”。LHC 的建造前后用了许多年,建造费加上探测器费等等加起来一共不少于100亿美元。高能所建议的超大对撞机预算不可能少于200亿美元。

(二)高能所倡议在中国建造超大对撞机,费用由许多国家分摊。可是其中中国的份额必极可观。今天全世界都惊叹中国GDP已跃居世界第二。可是中国仍然只是一个发展中国家,人均GDP还少于巴西,墨西哥或马来西亚,还有数亿农民与农民工,还有急待解决的环保问题,教育问题,医药健康问题,等等。建造超大对撞机,费用奇大,对解决这些燃眉问题不利,我认为目前不宜考虑。

(三)建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费,包括生命科学,凝聚态物理,天文物理,等等。

(四)为什么有不少高能物理学家积极赞成建造超大对撞机呢?原因如下:

A.高能物理学是二战后的一个新兴领域,此领域七十年来有了辉煌的成就,验证了“标准模型”,使人类对物质世界中三种基本力量有了深入了解。可是还有两项大问题没有解决:

甲)对剩下的第四种基本力量,引力,的深入了解还有基本困难。

乙) 还没有能了解如何统一力量与质量。希望解决此二问题当然是所有物理学家的愿望。

B.有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”,从而为人类指出解决此二问题的方向。

但是找超对称粒子已经有很多年了,完全落空。今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子,只是一部份高能物理学家的一个猜想。多数物理学家,包括我在内,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。

(五)七十年来高能物理的大成就对人类生活有没有实在好处呢?没有。假如高能所建议的超大对撞机能实现,而且真能成功地将高能物理学更推进一大步,对人类生活有没有实在好处呢?我认为短中期内不会有,三十年,五十年内不会有。而且我知道绝大多数物理学家都同意我的这个说法。

(六)中国建立高能所到今天已有三十多年。如何评价这三十多年的成就?今天世界重要高能物理学家中,中国占有率不到百分之一、二。建造超大对撞机,其设计,以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人来主导。如果能得到诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?

(七)不建超大对撞机,高能物理就完全没有前途了吗?不然。我认为至少有两个方向值得探索:A. 寻找新加速器原理。B.寻找美妙的几何结构,如弦理论所研究的。这两方面的研究都不那么费钱,符合当今世界经济发展的总趋势。


丘成桐: 关于中国建设高能对撞机的几点意见并回答媒体的问题

2016-08-29 丘成桐

为忠实原文,以便读者对照不同意见,特此附上

最近有很多媒体关注在中国有没有可能建造对撞机,这是好事,毕竟这个事情也是全球科学家都有兴趣的事情。不幸的是,有些媒体,急于发表自己的意见,炒作新闻,不是无中生有,就是对被访问者的说话,断章取义。

对我个人而言,就发生过几次这样的媒体报导。举例来说,财新周刊在我拒绝他们的访问后,就制造了一个类似访问我的稿子,凭想像和网上看到的谣言制造了一些新闻,并基于此而对我做人身攻击。

最近又有记者不断来问我一些可笑的问题,他们要我跟某个我从来没有听过的叫做王孟源的先生对话,要我评论他最近写的一篇关于对撞机的文章。同时记者坚持王先生是高能物理的专家:原因是王先生毕业于哈佛大学物理系,得过博士。对我来说,这事实在有点意外。因为我兼任哈佛大学物理系和数学系的教授,却从来没有听过王先生的名字(在哈佛大学这么多年来,我是唯一由校长正式聘任并在两个系内都可以投票的教授)。接到记者来信后,我求问哈佛大学物理系做高能物理的教授朋友们,谁认识王先生?结果没有人听过他的名字。经过多次访寻后,终于有人找到他的导师名字,是一个没有在系中升职的助理教授,难怪系中资深的高能物理学家们不认识王先生,据说王先生在他的博士论文后没有再做任何有意思的文章,做生意已经廿多年了。听到这个消息后,我不觉惊讶于中国媒体访问科技专业的能力,实在有限得很!

据说王先生对我有很多指责,本来我不在乎,毕竟我每个星期都收到一些业余学者解决大问题的来信,见怪不怪了。但是记者坚持要我扯上杨振宁教授,一下子从地下升到天上了,我想应该说几句话吧。

我认识杨先生已经四十五年了。除了我的老师陈省身教授外,他一向是我最尊敬的科学家,他在上世纪五十年代和六十年代在统计物理和高能物理的工作都使人敬佩,影响最大的莫过于他推广Weyl 的规范场的工作到非交换规范埸的理论,在七十年代由欧美诸人完成的高能物理的标准模型,可以说是人类有史以来对自然界认识最深刻的理论,这个模型的建立须要用到非交换的规范场理论。

五十年来在欧美不同地方的高能对撞机每一次得出来的重要结果,都能震撼人心,因为它显示了大自然最基本结构的一部分。每一次实验的突破,都代表着人类进一步地了解了人类历史以来最想知道的事情:天地是如何建立起来的?

这些实验背后的基础理论都用到杨先生的学说,因此每一次突破后,我们对杨先生的学问有更进一步的景仰!所以说杨先生反对高能物理须要有更进一步的发展,使人费解!这更不是华尔街一般的商人能够理解的事情。

记者说杨教授反对在这个科学界最基本的学问领域上継续做硏究,我不敢肯定这句话的真实性。毕竟我和杨教授多有过从,却还没有亲耳听到过他反对建立对撞机的事实。所以此话只能作为存疑。

但是重要科学的创作,都包含众多科学家的贡献在内,不属于某人所有,真理只在反复的推理和实验下,才能得到大家的认同,所以古希腊哲学家说:吾爱吾师,吾更爱真理。要发掘宇宙间最基本的真理,更要有这种勇气,这种毅力,才能完成。西方国家,无论是科学家,或是政府,为了暸解大自然的奥祕,都愿意无条件的付出大量的精力!一百多年来,多少智慧,多少金钱,投入在一些看来没有用的基础科学上。但是这些投资却成就了今天西方国家文化的基础。

今日的中国,已非吴下阿蒙,难道不需要为这个人类最崇高的理想做点贡献?难道我们只是在游戏机,在房地产,在互联网上赚点好处,就心满意足?在我记忆所及,中外古今都还没有过这样的大国!

我们扪心自问,中国当今的国力,没有能力做这个对撞机吗?中国领导说的和平崛起,可以没有重要的文化意涵,没有探索宇宙奥秘的勇气吗?现在在中国反对建做对撞机的科学家们,有谁是高能物理的实验专家?为什么有深厚经验的外国专家意见变得不重要了?

我和Steve Nadis 的书上已经解释很清楚做对撞机对科学,对中国的重要性,希望大家用理性的态度来看这事!


中科院高能所所长王贻芳回应杨振宁:中国建大型对撞机,正是时机

《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【文末注2,注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【文末注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。

王孟源:答王贻芳所长,高能所更该攻克什么技术

当SSC在美国国会经历评审的时候,刚好是我博士毕业,到德州加入了Weinberg的研究团队。Weinberg是SSC背后的最重要推手,在那段时间 为SSC到处奔走。每周组里开会,也必然会把最新发展和大家分享,所以我对SSC预算被裁的来龙去脉有真正的内线消息,比起王所长所依据的那些书应该还要 准确些。

SSC原本的预算在1987年是44亿美元,到1993年被裁的时候,总进度不到20%,隧道挖了不到1/3,但是预算已经涨到120亿美元。国会决定放 弃已投入的20亿美元资金之后,Weinberg在组里会议总结教训的时候,很后悔一开始把预算数字压得低过头了:若是早把实际上接近200亿美元 (1993年币值,相当于330亿2016年美元,超支比率约为450%)的真正费用分发到各个工业州的转包商去,德州议员就不会在国会孤立无援。

SSC被裁之后,LHC仍然继承了高能物理低估预算的传统,不过在程度上汲取SSC的教训而轻了些。在1998年开建时预算是26亿美元,到2008年完 工实际花费了90亿美元(相当于101亿2016年美元币值),超支比率只有346%,这就是王所长所说的“虽有超支,但并不是太多”。

当然LHC比SSC便宜,并不止是因为它的能阶低一些,更重要的是因为它沿用了CERN既有的现成隧道和基础设施,包括水、电、路和建筑。在SSC的预算 里,这些项目占大约一半,所以如果LHC必须从头建起,总花费应该在200亿2016年美元左右。建成之后,LHC的运作花费大约是每年12亿美元,至今 八年,总共又花了将近100亿美元。

王所长计划建造的CEPC和SSPC,总预算是1400亿人民币,假设这是今年的币值,依当前的汇率等同210亿美元,基本上和LHC的总价一样。但是 SSPC的尺寸比LHC大四倍,能阶高七倍多,照理应该贵四到七倍之间。所以在逻辑上这有两个可能:第一是王所长能保证在未来30多年的建设期间,有一连 串举世独创的突破,不但打破全球对撞机价钱随时间上升快于通货膨胀的传统,而且反其道而行,能压低造价四倍以上。第二是高能物理界造对撞机的传统依然健 在,包括低估预算四倍左右。

不论实际预算是多少,一个超千亿人民币级的计划必然会挤压其他基础科学方面的投资,这不但是常识,而且和中国的基础科学总预算是否增长是两回事。王所长说 因为总预算要增加,所以其他科目不会受挤压,只是纯粹玩弄语法;如果没有这个计划,总预算的增长就可以真正提升许许多多对国家社会有立即直接贡献的研究。 正如王所长自己提到的,中国的基础科研资金比先进国家少了三倍,如果给凝态物理、量子纠缠、天文物理、声学、光学、生物物理、混沌理论、化学物理、宇宙 学、低温物理、结晶学、流体力学、高压物理、核物理和非对撞机的高能物理(基础科学还包括化学、生物、数学等等大类,受篇幅所限,这里只列出部分物理领 域)的资金因为新对撞机而停滞不前,不正是王所长宣称不愿见到的吗?

王所长反驳杨先生的第四点理由时,说建CEPC的理由不是要找超对称粒子,而是要研究Higgs;这又是玩弄语法的例子。CEPC的能阶与LHC相 当,LHC找不到超对称粒子,那么CEPC当然也找不到。懂高能物理的读者都知道杨先生指的是SSPC;所以王所长真正应该回答的问题是SSPC的科学目 标是什么?

至于CEPC要花400亿人民币(相当于60亿美元,假设没有被低估)来研究Higgs,这对懂高能物理的读者同样是很奇怪的,因为不但LHC这个质子对 撞机已经在研究Higgs了,日本也即将建造ILC(国际线性对撞机)来做同样的研究,它的性能和CEPC完全相当,同样是电子对撞机,只不过因为是线性 的,所以不但价钱低些(目前预算是50亿美元),运作费用也远低于CEPC这样的环形对撞机(因为它没有同步辐射,所以用电省了很多倍),而且会比 CEPC早好几年运行,CEPC的任何发现,都必然会早已被ILC发表过了,因此CEPC的科学价值绝对是零。

那么它在逻辑上唯一可能的作用,就是作为一个开门的楔子,以便有借口先投入预算来挖掘隧道,使国家考虑是否升级至SSPC时,已经有沉没成本。王所长对SSPC的科学目标语焉不详,实在也直接影响到CEPC的全部合理性。

杨先生说高能物理对人类未来不会有好处,王所长举了很多个以往的例子。姑且不论过去不能精确预测未来,而且很不幸的,这些例子都与王所长想做的新对撞机没 有关联,例如同步辐射,这是1945年开发出新的Synchrotron后发现的副作用,但是CEPC和SSPC并不是新设计,只不过是既有的环形对撞机 的放大版本,怎么可能偶然发现新的作用呢?

又如放射治疗所用的高能粒子,也是在1940年代或之前就发现了,如果王所长想用70年前的历史来预测未来30年的科学发展,是不是应该先解答为什么过去 70年在对撞机上投资一直成指数曲线增加,却没有更多的类似贡献呢?(其实这是因为粒子的能阶越高,就越不稳定。高能物理到1950年代之后,能阶已经高 到新粒子必然极不稳定,还没有飞出一个原子的直径就已经衰变了,那当然不可能有什么实际用处。这个道理王所长应该也懂才对啊。)

至于WWW,那是一个CERN的职员发明的,但是和高能物理却没有关系;就好像爱因斯坦写下相对论的时候,是专利局的雇员,但是我们不能把相对论算成专利法的好处之一,不是吗?

其实我们不需要考虑这么多细节,也可以很快地估计新对撞机对经济和社会的可能贡献。这是因为它们只是既有环形对撞机的放大版,完全可以比照LHC的例子: 在花费了300亿美元和6000多名博士级以上的研究人员20年的精力之后,LHC给人类社会带来了什么附加好处吗?完全没有。

LHC最重要的技术是超导磁铁,但是欧洲因此而在磁浮列车上有了突破吗?完全没有,最新一代的磁浮技术是日本推出的,只花了不到LHC一半的时间和少于5%的预算。

理工科出身的人都应该明白这个道理:现代科技已经极度专精,同样是超导磁铁,用在对撞机和用在磁浮列车上的就不完全一样,而真正困难的研究,就在于这些不 一样的地方。王所长列举的一些技术,全都是对撞机专用的,若要转移到实体工业上,所需的研究等同从头开始,实在远不如把那几千亿人民币直接投入有实际需要 的方向。

杨先生说高能所的成就不高,王所长不同意;这是中国物理界内部的人事问题,我不知详情,就不予作评,这里只谈谈我对中国高能物理未来发展的一些评论和建 议。首先,当年欧美会花大钱建Tevatron、SSC和LHC,并不只是为了找标准模型中最后的几个粒子(即t-quark和Higgs),更重要的是 为了找超越标准模型的粒子。Higgs的质量是125GeV,其实是出奇的轻,这叫做Hierarchy Problem,它背后的机制是过去40年高能物理研究的绝对焦点。很多物理学家认为这个机制包括了质量和Higgs差不多的粒子(这个观念叫做 Naturalness,超对称是最流行的理论),所以SSC和LHC都被针对性地设计来找这些粒子。上个月LHC正式宣布什么都没找到,那么超对称固然 是错的,Naturalness也一样错了,而且是错到1/100的精度。现在我们对Hierarchy Problem的机制一无所知,Naturalness有可能一直错到1/10000000000000000。王所长的SSPC只比LHC的能阶高7 倍,所以基本上是拿几千亿来赌Naturalness只错到1/700,这显然是胜算很小的赌博,就算赌赢了,也对国家社会完全没有贡献,顶多得到一个诺 贝尔奖的虚名。

其实事先预测Naturalness会出错的论文是有的(我指的是真正逻辑自洽而且简洁的理论,不是超对称利用几百个自由度撑出来的硬拗;我所记得的,一 般预测Naturalness错到1/10000000000000,还没有预测只错到1/700的,所以在这个问题上要豪赌个诺贝尔奖,是完全没有理论 依据的),但是高能物理的主流对他们一向嗤之以鼻,很多期刊连审都不审。这是因为高能物理界一直在全力劝说政府投资到昂贵的对撞机上,如果走漏了风声,让 评审者知道有可能什么都找不到,就可能拿不到钱。

还好高能物理理论在30年前就是第一个建立了论文预印本(Preprint)的互联网档案库的学科,所以回头挖坟并不难。中国高能理论着重在现象学和 QCD上,两者都是不错的研究题材,但是如果有余裕,可以考虑是否组织起来,有系统地去找出这些预测正确的论文,然后择优深入研究。

既然大自然已经选择了要打破Naturalness,高能实验面临了一个大沙漠,环形对撞机的投资与报酬完全不成比例,实在应该另谋着力点。我建议专注在 中微子上。中微子实验的耗费远低于对撞机,而实验成果是有理论保证的。除了大亚湾这类中微子振荡实验之外,至今还没有专注于洪荒中微子 (Primordial Neutrino)的研究。只不过这类研究需要的不是大笔公家资金(费用应该远在一亿之下),而是研究者的巧思,必须能从头设计,因此很值得有志的实验者 探求。

最后谈谈王所长所举的附加好处中,唯一有新实用意义的例子,也就是自由电子激光。正如环形对撞机缩减尺寸和能级之后,可以用来做同步辐射光源,线性对撞机 缩减尺寸和能级之后,就成为自由电子激光。不过同步辐射是老技术,中国早就有了,台湾和上海在过去两年先后启用了相当先进的同步辐射光源,而线性对撞机和 自由电子激光,却是中国没有的经验和技术,偏偏它是目前最佳的硬X光源(亦即波长很短的X光,同步辐射是软X光),脉冲极短、分辨率极高,不止可以看见个 别原子,甚至可以看见个别电子从一个原子跳到另一个原子的过程,是研究化学反应的最先进工具,在军事上也有发展成太空武器的潜力。正因如此,美国虽然不愿 意自己掏钱来建ILC,也不肯转移技术给中国,最后硬是把日本拉出来买单。

笔者建议,从国家的整体利益考虑,应该组织高能所全力攻关这项被美国封锁的技术,那么只需不到10亿美元(不需要达到ILC的能级和尺寸,只要足够当光源就行了),就可以帮助许多中国的化学家角逐未来的诺贝尔奖,比起SSPC那个打水漂的计划,要强多了。

来源:知识分子
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wx_JegAaLLv 发表于 2016-9-8 22:03:56 ( 加好友 |打招呼 |发消息 )
杨说的切合实际。数千年来朝代发展的规律没让那些人觉悟。
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