歐洲花費210億歐元新建大型對撞機(jī)，我國要跟進(jìn)嗎？

原標(biāo)題：歐洲花費210億歐元新建大型對撞機(jī)，我國要跟進(jìn)嗎？

《三體》中，那個鎖死人類基礎(chǔ)科學(xué)的智子實在是令人印象深刻。

當(dāng)三體人得知四光年外的地球上有人類這一存在之后，又開心又害怕，開心的是人類文明遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如三體文明，害怕的是人類文明的進(jìn)化速度非常之快。如果三體人用他們當(dāng)時最快的飛船趕到地球要花四百年時間，等真的趕過去可能就已經(jīng)被人類的科技水平虐成渣了。

所以，他們先發(fā)制人地發(fā)動了智子攻擊，用光速發(fā)出兩個質(zhì)子計算機(jī)，率先來到地球，暗戳戳搞破壞，不過兩個比原子還小的微粒能做什么壞事？

除了刺探下地球人的公開情報之外，就是給人類的粒子物理研究搗亂，影響人類最前沿的粒子加速對撞實驗，制造錯誤的實驗結(jié)果，搞瘋掉一批批人類最聰明的物理學(xué)家，最終鎖死人類的基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。如果人類無法在微觀層面發(fā)現(xiàn)新的物理定律，也就沒有更高的科技水平，也自然再也不能和三體人叫板了。

如此想來，是不是細(xì)思極恐了？我們不得不問一句，現(xiàn)在我們的物理學(xué)被三體人的智子給鎖死了嗎？

這倒沒有，不過基礎(chǔ)物理似乎正在被高額的研發(fā)費用給“鎖死”，因為建造這種高能物理實驗機(jī)器的代價實在是有點高昂。

今年的6月19日，歐洲核子中心（CERN）全票通過了《2020歐洲粒子物理戰(zhàn)略》，并計劃建造一臺全新的高能物理實驗機(jī)器——未來環(huán)形對撞機(jī)（Future Circular Collider，F(xiàn)CC），用于研究希格斯玻色子（即“上帝粒子”）和高能量前沿探索。

不過，這臺全長100公里的FCC環(huán)形對撞機(jī)的建造成本預(yù)計為210億歐元。這項計劃能夠通過，還得歸功于它的前輩—— “大型強(qiáng)子對撞機(jī)”（Large Hadron Collider，LHC）的成功。這一耗資50億瑞士法郎，耗時25年，全長27公里的對撞機(jī)，終于在2012年證實了希格斯玻色子的存在，證實了一個50年前提出的物理學(xué)猜想。

正是這一次的成功實驗給了CERN巨大的信心，使其計劃建造一個橫跨瑞士和法國，面積大13倍，周長大3.7倍的超大型環(huán)形對撞機(jī)，來發(fā)現(xiàn)更深層次的基本粒子，比如預(yù)言中的超對稱粒子，從而驗證那些可以解釋暗物質(zhì)、暗能量的超對稱理論。

為了驗證一項物理學(xué)假說，動用如此規(guī)模的資源，到底值不值？在中國同樣有一場關(guān)于要不要建造“環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)—大型質(zhì)子對撞機(jī)（CEPC-SPPC）”的激烈爭論。

那么，歐洲要建的這座大型對撞機(jī)，到底有何作用？既然歐洲已經(jīng)領(lǐng)跑了，那么我國的大型粒子對撞機(jī)，還有必要再建設(shè)么？

為什么要建大型粒子對撞機(jī)？

粒子對撞機(jī)是現(xiàn)代高能物理研究中最為重要的實驗設(shè)備。如果人類想要搞清楚宇宙的微觀層面，也就是弄清楚組成宇宙物質(zhì)的基本組成，搞清楚自然運(yùn)行的基本規(guī)律，就不僅僅需要提出一系列的科學(xué)假說，還要能夠證實或證偽這些假說的物理實驗，那么粒子對撞機(jī)就是必不可少的驗證和測量工具。

那么粒子對撞機(jī)是如何工作的呢？如同我們想要了解一個東西的內(nèi)部構(gòu)造，就會把它拆開來看看，物理學(xué)家同樣面對微觀粒子的時候也是采用同樣的思路。只是想要拆開比原子更小的基本粒子的難度會非常大，科學(xué)家們?yōu)榇讼氲搅艘獙⒒玖Ｗ硬粩嗉铀?，然后讓它們迎面相撞。以接近光速的速度相撞，釋放最大的能量才有可能把這些粒子拆開，然后人類才有可能觀察到粒子的更基本組成和各種物理性質(zhì)。

（LHC鉛離子對撞實驗，產(chǎn)生了大量新的物質(zhì)）

如何讓兩個如此微小的粒子相撞，其過程非常復(fù)雜，目前想到的唯一辦法就是同時加速上億個粒子，最后在一場粒子的暴風(fēng)驟雨中，只有幾對幸運(yùn)的粒子可以迎面撞上。而人類要做的就是在電光火石之間，測量出粒子相撞留下的痕跡（直接觀測粒子對撞是不可能的），這也對粒子對撞機(jī)的工程要求極為嚴(yán)苛。

那么，2012年人們在當(dāng)時的LHC對撞機(jī)中找到的希格斯玻色子，到底是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？因為這一上帝粒子的衰變期只有短暫的10的負(fù)22次方秒，探測器根本不可能直接捕捉到上帝粒子。所以，粒子探測器記錄的信號，來自上帝粒子衰變后的產(chǎn)物，也就是產(chǎn)生一對穩(wěn)定的正負(fù)電子和壽命較長的正負(fù)μ子。正是通過測量這些衰變后的粒子間的關(guān)聯(lián)，人們才間接地推出上帝粒子的存在。

(希格斯玻色子Higgs boson)

發(fā)現(xiàn)“希格斯玻色子”有什么重要價值呢？上個世紀(jì)60年代，科學(xué)家提出了粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，這是一套描述了強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。在這一理論中，希格斯玻色子被認(rèn)為是“質(zhì)量之源”。其他粒子通過和希格斯玻色子相互作用才能產(chǎn)生質(zhì)量。

因此，“希格斯玻色子” 的發(fā)現(xiàn)，成為補(bǔ)上“標(biāo)準(zhǔn)模型”中最后一塊 “拼圖”。既然“標(biāo)準(zhǔn)模型”的拼圖已經(jīng)完整，為什么人類還需要更大規(guī)模的粒子對撞機(jī)呢？

一個是，科學(xué)家們希望對希格斯玻色子進(jìn)行更深入的研究，而即使是對LHC不斷升級也就是加大對撞能量的能級，也無法得到足夠的希格斯玻色子，因此還需要建造規(guī)模更大的對撞機(jī)裝置。

再一個是，“標(biāo)準(zhǔn)模型”并不能完全解釋全部的物理學(xué)規(guī)律，比如它無法解釋中微子質(zhì)量、暗物質(zhì)、暗能量的來源以及物質(zhì)和反物質(zhì)不平衡的問題，還有融合四種力的大統(tǒng)一理論。粒子物理學(xué)的盛宴才剛剛開啟，需要更大的粒子對撞實驗來加以驗證。

（2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略）

因此，CERN下定決心要把研究希格斯玻色子和建造更高能粒子對撞機(jī)當(dāng)做“未來最高優(yōu)先級別的事情”。那么，中國在這一巨大科學(xué)工程上面，還存在哪些利弊之爭呢？

高能物理的頂級交鋒：到底該不該建CEPC？

目前，全球有三座正在規(guī)劃的“希格斯工廠”項目，也就是能夠產(chǎn)生更多的希格斯玻色子，并能夠?qū)ο８袼共Ｉ舆M(jìn)行極高精度下測量。三個項目分別為由中國物理學(xué)家在2012年9月提出的環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)—大型質(zhì)子對撞機(jī)（CEPC-SPPC）、日本正積極爭取的國際直線對撞機(jī)（ILC），以及CERN規(guī)劃的未來環(huán)形對撞機(jī)（FCC）。

2012 年 9 月我國提出的 CEPC-SPPC 項目分兩步，一期工程為 CEPC，可作為希格斯工廠；二期工程為SPPC，建造一臺高能質(zhì)子對撞機(jī)。CERN提出的歐洲粒子物理戰(zhàn)略確定的FCC路線圖與我們的CEPC-SPPC設(shè)想其實是高度一致的。FCC的總投資是210億歐元，而我們的投資規(guī)模預(yù)計是第一階段工程造價大約400億人民幣，建設(shè)時間計劃在2022-2030年間；第二階段的工程造價是1000億人民幣，其投資規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CERN的投資計劃的，建設(shè)時間是在2040-2050年期間。

（貴州平塘500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）

但不管怎樣，CEPC-SPPC大型對撞機(jī)項目的花銷也比現(xiàn)有的大科學(xué)工程高出兩個數(shù)量級。比如，位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），耗資僅僅6.67億元。江門中微子實驗正在建設(shè)，預(yù)計投資20億元。

盡管這筆研發(fā)費用是按照數(shù)十年時間分批支出的，但是對于我國當(dāng)前的科研經(jīng)費來說仍然是一筆“巨款”。在是否支持建造CEPC-SPPC大型對撞機(jī)項目上面，我國的科學(xué)界也分成了旗幟鮮明的兩方。

2016年，在回應(yīng)著名數(shù)學(xué)家丘成桐提議的“關(guān)于中國建設(shè)高能對撞機(jī)“的觀點，知名華裔物理學(xué)家楊振寧先生專門發(fā)表文章，表示“中國今天不宜建造超大對撞機(jī)”，成為公開反對建造大型對撞機(jī)的權(quán)威代表。楊先生給出的理由主要如下：

一來，大型對撞機(jī)的建造和后期的探測項目耗資巨大，且可能是一個“無底洞”，美國超導(dǎo)大型對撞機(jī)（SSC）半途中斷，浪費了30億美元，可謂是前車之鑒；二則，中國仍然是一個發(fā)展中國家，更多的財政經(jīng)費應(yīng)該投入到民生當(dāng)中；第三，勢必會擠壓其他基礎(chǔ)科研經(jīng)費，第四，就是高能物理的結(jié)果短期內(nèi)對于人類生活沒有什么實際的好處。

另外還有就是從學(xué)術(shù)本身來提出的反對意見。楊振寧先生認(rèn)為，物理學(xué)家希望通過大型對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)“超對稱粒子”，是一件不可能的事情。另外，由于我國在高能物理學(xué)中的貢獻(xiàn)率不高，成就不大，建造大型對撞機(jī)之后的運(yùn)轉(zhuǎn)和分析將有90%由外國專家來主導(dǎo)。最后，他還提出了一種新的高能物理研究途徑，比如研究新的加速器原理，從幾何理論上探索基本原理。

當(dāng)然，楊振寧先生的考慮自有其判斷的依據(jù)和道理。但同樣支持大型對撞機(jī)建設(shè)的一方，來自中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳教授也有充足的理由：

首先，建造第一期CEPC項目，是有大量成功經(jīng)驗的，預(yù)算也是可控的。美國SSC的中斷正是讓美國失去了發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的機(jī)會，也失去了在高能物理學(xué)領(lǐng)域的國際領(lǐng)導(dǎo)地位。第二階段的質(zhì)子加速器雖然還沒有成功的先例，但我們有足夠的時間去開發(fā)、研究，不成熟不啟動，還談不上“無底洞”的投入。我國已經(jīng)有大量大型科學(xué)工程的建造經(jīng)驗，都已經(jīng)能夠很好的控制工程造價。

其次，基礎(chǔ)科學(xué)的研究與民生建設(shè)并不沖突。建造大型對撞機(jī)可以讓我國在基礎(chǔ)科學(xué)和高科技領(lǐng)域占據(jù)國際領(lǐng)先地位，培養(yǎng)大批科研人才，可以對其他高科技領(lǐng)域形成技術(shù)溢出效應(yīng)。

第三，我國基礎(chǔ)科學(xué)的研究經(jīng)費還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。建造大型對撞機(jī)的費用，可以從提高基礎(chǔ)科研經(jīng)費中獲得，并且建造加速器的投資，會有90%用在國內(nèi)的設(shè)備采購上。

第四，高能物理對于人類生活沒有好處的觀點需要商榷。基礎(chǔ)研究帶來直接好處的影響可能不大，但是高能物理衍生出的同步輻射光源、自由電子激光和散裂中子源等裝置，對生物醫(yī)學(xué)、材料、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都有極大幫助?，F(xiàn)在我們所使用的萬維網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)）就是歐洲核子研究中心在大規(guī)模協(xié)作中產(chǎn)生的溝通工具。新建的大型對撞機(jī)加速器會在基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)、高溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)磁體等應(yīng)用技術(shù)方面實現(xiàn)重大突破。

此外，關(guān)于新的大型對撞機(jī)能否發(fā)現(xiàn)高能物理假設(shè)的“超對稱粒子”，這一目標(biāo)并非是這一項目的唯一目標(biāo)，CEPC可以將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，這就可以確認(rèn)希格斯粒子的性質(zhì)，判斷其是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言完全一致。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。

至于中國人能不能主導(dǎo)對撞機(jī)此后的實驗和分析，正需要我們主動發(fā)力從建造大型對撞機(jī)開始培養(yǎng)更多人才，才能擁有更大話語權(quán)。至于要不要建造這樣的大型加速器，王教授認(rèn)為，理論物理研究很重要，但是實驗物理的手段更是必不可少。

那么，到底該不該建造這一“耗資巨大，有可能失敗，也有可能帶來無限榮光”的大型工程呢？仁者見仁智者見智，現(xiàn)在CERN給出了明確的答案，全力押注大型對撞機(jī)的建設(shè)。那么，作為后來者的我們是否應(yīng)該跟進(jìn)呢？

建或不建，一場可能事關(guān)“國運(yùn)”的選擇

前不久，網(wǎng)傳位于西南的貴州貧困縣獨山縣，被曝出地方負(fù)債一度高達(dá)400億，留下來的正是一座座爛尾的形象工程。官方通報稱政府融資的資金中絕大多數(shù)用于基礎(chǔ)設(shè)施、脫貧攻堅、民生工程等項目建設(shè)，發(fā)揮了較好作用。

我們也不知道這些發(fā)揮了哪些較好的作用。不過400億的負(fù)債還是讓人們吃驚不已。但400億恰好是建造第一期CEPC項目的投資金額。

雖然沒有特別直接的可比性，但與其花費巨資在大興土木的這種基建上面，確實不如增加基礎(chǔ)科研費用的規(guī)模和比例，投入到大型對撞機(jī)CEPC項目當(dāng)中。

況且我們是成功經(jīng)驗的，上世紀(jì)80年代，中國在經(jīng)濟(jì)情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及現(xiàn)在的情況下，成功建設(shè)了北京正負(fù)電子對撞機(jī)，培養(yǎng)了一代高能物理人才，在τ-粲物理領(lǐng)域取得了不錯的科學(xué)成果，不過距離前沿領(lǐng)域差距明顯。

（歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)）

而現(xiàn)在，面對高能物理領(lǐng)域出現(xiàn)的這一次全新升級的窗口期，我國第一次有機(jī)會跟歐美日等國家同臺競爭，如果錯失這一次機(jī)會，可能未來高能物理的牌桌上，就沒有中國的機(jī)會了。

一旦未來中美在基礎(chǔ)科學(xué)的研究也受到更多政治爭端的影響，那我國的基礎(chǔ)科研將處在更為被動的局面上了。

從現(xiàn)實情況來看，我國已經(jīng)具備建造如此大規(guī)模科學(xué)工程的資金實力和技術(shù)基礎(chǔ)。而且巨額的投入也會反過來促進(jìn)我國國產(chǎn)的高精密儀器、基礎(chǔ)材料、加工設(shè)備等技術(shù)的升級，大項目將推動這些技術(shù)的國產(chǎn)率。同時，還能讓我國成為高能物理的研究重地，吸引全球的最頂尖的智力資源來中國定居和長期訪問，在中國建成領(lǐng)先的科研中心，培養(yǎng)更大規(guī)模的基礎(chǔ)科研人才。

當(dāng)然，在國家如此多的重大科研項目當(dāng)中，支持哪個，又不支持哪個，都涉及眾多的研究機(jī)構(gòu)的博弈和科研資源的分配，需要國家做出慎重的考慮，對于不同科研項目之間輕重緩急的發(fā)展給出不同階段、不同等級的支持。

大型對撞機(jī)也需要在同其他科研項目的公平競爭中，獲得能夠立項建造的機(jī)會。而這才是對待我們是否要立即啟動這項巨大科學(xué)工程的重要理由。

從長遠(yuǎn)角度來看，發(fā)展大型對撞機(jī)仍然是實現(xiàn)我國在高能物理領(lǐng)域突破的必經(jīng)之路。對于基礎(chǔ)科研的投入，不僅僅是一個投入產(chǎn)出比的問題和當(dāng)下是否獲益的功利考慮，更是關(guān)乎一個國家的未來國運(yùn)的發(fā)展問題。

堅持對基礎(chǔ)科研的投入，可能短期內(nèi)不能看到反饋民生、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實際效果，但是將在未來帶給一個國家乃至整個世界能夠持續(xù)發(fā)展，甚至突破的全新技術(shù)和方法。

1970年，贊比亞修女 Mary Jucunda 給NASA的Marshall太空航行中心科學(xué)副總監(jiān)Ernst Stuhlinger寫了一封信，問道：地球上還有這么多小孩子吃不上飯，怎么舍得為火星項目花費數(shù)十億美元？

Stuhlinger用一篇《為什么要探索宇宙》為標(biāo)題的回信中說道：通往火星的航行并不能直接提供食物解決饑荒問題。然而，它所帶來大量的新技術(shù)和新方法可以用在火星項目之外，這將產(chǎn)生數(shù)倍于原始花費的收益。而事實正是如此?；A(chǔ)科學(xué)的每一次突破，都為現(xiàn)實生活帶來眾多意想不到的實用技術(shù)和重大發(fā)明。

無論是對于CERN最新支持的FCC項目，還是中國科學(xué)家正在努力爭取的CEPC項目，盡管會在執(zhí)行過程中遭遇這樣那樣的困難和質(zhì)疑，但是我們不應(yīng)否定科學(xué)家在宇宙基本粒子科學(xué)上的好奇心和探索熱情，也不應(yīng)從什么“陰謀論”、“私心論”的角度來去詆毀這些科研投入。

在人類的歷史上，如果有一件創(chuàng)新事業(yè)，我們選擇不做的話，我們可能未必知道自己錯過了什么，但如果我們勇敢地選擇去做的話，盡管前途有失敗的可能，我們也將知道自己可能錯過了什么，同樣也會知道自己得到了什么。

更值得我們認(rèn)真對待的是，在高能物理領(lǐng)域，如果一旦喪失新理論發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)，就有可能再也錯失整個未來物理學(xué)的大廈，中國也就沒有任何的話語權(quán)了。

相比于那些花費巨資建設(shè)的形象工程，我們是不是該想想辦法建成一座能讓國人驕傲、“外邦來朝”的未來大科學(xué)工程呢？

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