专题:  对撞机
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中国该不该斥巨资造大型对撞机,得回答这四个问题

来源:澎湃新闻网 作者: 2016年09月09日 08:32

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(R diger 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。”

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[责任编辑:马嘉悦]
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