唐靖宇：超級對撞機是面對20年後的世界

撰文唐靖宇（中國科學院特聘研究員、高能物理研究所研究員、加速器專家）1序言

最近丘成桐先生、楊振寧先生和王貽芳院士關於在中國建造超級對撞機 CEPC-SPPC 的辯論激發了全國性的辯論。我本人也從大家的意見收穫了不少啟發。我自以為這場大辯論是好事，有利於我國普通大眾科學意識的提高。前兩位是國際頂尖的科學家，更是我從上大學時就景仰的前輩；後者是我的同齡人，也是我的領導，同樣也是國際頂尖的科學家（中國首個獲得國際基礎科學突破獎的人）。我在這裡不直接對他們的意見進行評價，而是作為活躍在國內加速器領域的一個不是很知名的加速器專家，根據自己三十年來的經歷和體會發表一些個人意見，主要不是參加爭論而是起一點科普的作用。

粒子加速器（通常簡稱加速器）是發明於20世紀二十年代的物理學研究的儀器設備，以將帶電的微小粒子如電子、質子等加速到很高的能量或儘可能接近光速。只是隨著核物理學和粒子物理學發展的需要，加速器變得越來越複雜、規模越來越大，從最初的由幾個實驗物理學家自已動手建造變得由一個專門的加速器隊伍來設計建造，而對撞機則是加速器類型中最為複雜的。大型加速器涉及到的學科也比較廣，包括物理學（束流物理或加速器物理，物理學的一個研究方向）、核科學技術和很多工科技術的交叉（包括加速器磁鐵技術、電源技術、射頻和微波技術、信號測量和電子學技術、真空技術、控制技術、輻射防護技術、超算技術、精密機械和準直測量技術等），還包括大科學工程的組織管理。因為涉及到幾百名甚至上千名科學家和工程師的協同工作，這就不再是簡單的工程建設，而是其中很多系統具有相當技術風險的科學工程。在一定程度上像上世紀六十年代的兩彈一星工程和現在的航天工程，只是困難程度和風險程度不同。這絕對不是一個一般國力的國家可以做的，在一定程度上或一個方面也代表了一個國家在科學技術方面的能力。

在回答高能物理的研究成果有什麼用時，王貽芳院士曾在一個公眾場合明確地回答「沒有什麼用」。很多人同意，基礎科學研究在短時期內是不能明確看到其實際應用的，但我們現在所有的技術幾乎都來自基礎科學研究。很多人也對加速器提出了這個問題。我在平常的生活中也經常碰到熟悉和不熟悉的人問我這個問題。我在給學生講課時，有時也會講到這個問題。我倒是想說「加速器還是挺有用的」。

前面提到了加速器是隨著核物理和粒子物理的發展而發展起來的，那它肯定就是這兩個學科的發展需要了。但科學的發展通常都會在你一開始並不知道的方向上發展出各種應用和技術來，並大量造福於人類。加速器的發展也不例外，現在加速器已廣泛應用於人們生活的方方面面，從醫院裡的發射治療、疾病診斷和滅菌，到農業育種和保鮮，再到工業 CT 和高性能電纜。在服務科學研究方面，它也大大地拓展了。現在基於同步輻射光源和散裂中子源的大型多學科應用平台幾乎覆蓋了所有的科學研究領域，有人統計70-80%的學科領域。同步輻射光（包括自由電子激光）和經過慢化的中子都是極好的物質結構研究探針。當然，不同學科方向目前在光源和中子源上的應用程度是很不一樣的。它也能對一些工程技術的發展提供支持，這就是為什麼歐美日的一些大公司會在光源或中子源上投資建造部分專用的應用終端。加速器還有另外一個重要作用，就是促進相當一部分技術的發展。因為大型加速器都會採用非常先進的技術，其部件的研製會顯著帶動一個國家的工業技術的發展，如上面提到的多種交叉工科技術。我們國家30多年來加速器所帶動的工業技術的發展經歷也完全符合這個國際上的模式。而且新的加速器還要用到新的技術或者對原有的技術提出了更高的要求，基本上都是人類目前尚未掌握的。國際上的主要加速器實驗室都會在啟動前進行若干年甚至一二十年的關鍵技術研究，基本成熟後才轉移給工業界。這也是國際上目前建造下一代超級質子對撞機（如我們的 SPPC）還不成熟的原因，還需要10-20年的時間來發展強場超導磁鐵技術，而超導磁鐵技術的發展必然會極大地促進它在其它工業領域的應用，如電力工業。我們以 SPPC 的需求為引導，組織國內很多科研院校和企業聯合發展高溫超導材料技術，就收到了非常好的響應。而且我國在高溫超導材料特別是鐵基超導材料方面具有很好的基礎，在國際上也處於前列，如果能夠協同攻關在15年左右的時間內掌握這項技術，就可以大大降低 SPPC 的造價（質子對撞機的磁鐵系統要佔總經費的50%以上），也會使我國在該技術上全面處於國際領先和帶動相關產業的發展。

前面提到，現代大型加速器已非常複雜，需要專門的知識和技術。很多資深加速器專家常年研究加速器物理和技術，而並不是特別了解大型加速器的科學目標。我本人雖然有很多年的加速器研究經歷，也直接參与 CEPC-SPPC 項目第二階段 SPPC 的前期研究，但對高能物理了解也只是皮毛，對其科學目標不敢妄加評論，通常只能是謙虛地請教我們的理論物理學家或者實驗物理學家。作為加速器專家，我們更多的時候是根據粒子物理學家或核物理學家的要求來設計、研製和運行加速器裝置，或者根據更大的科學家群體的要求設計建造作為多學科應用平台的光源和中子源的加速器，也參與研製和發展應用純應用型的加速器（如X射線治療和質子-重離子治療的加速器）。還有一些加速器專家在退休後發揮餘熱，積极參加應用型加速器的研發，國際上不少小型加速器公司就是這些人發展起來的。

CEPC-SPPC（CEPC 是環形正負電子對撞機的英文縮寫，又稱為希格斯工廠，其核心科學目標是希格斯粒子的精細研究）的建造是得到國際高能物理界多數人認可的非常重要且較為緊迫的工作。當然，CEPC 上也還可以開展希格斯物理之外的一些其他重要的物理研究目標。位於瑞士日內瓦歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機LHC雖然發現了希格斯粒子，但它是個發現型加速器，不適用於開展精細研究。而建造 CEPC 所需要的加速器技術在國際基本上是成熟的，採用更先進的技術是為了降低其造價和運行費用。儘管其造價仍然非常高，但300-400億人民幣在國際上也被認為可以接受的（國際上15-20億美元或歐元的大科學工程已有不少）。中國的國力加上國際合作也是在承受範圍之內的，如果獲得支持就可以很快就可以啟動。作為質子對撞機，SPPC 也將是一台發現型的加速器器，但它要在比 LHC 高5-7倍的能區尋找超出粒子物理標準模型以外的物理現象，包括發現新粒子和驗證新的模型。當然，這不僅是粒子物理的問題，也是宇宙學的問題，因為它要回答宇宙起源的問題。然而，建造 SPPC 的條件還不成熟，其中最為關鍵的是我們還沒有掌握磁場強度達到16-20T的磁鐵技術。國際上認為通過今後15-20年的協同攻關，我們有希望發展出這項技術並在極大程度上降低其造價。應該說，我國科學家提出的兩步走路線是非常科學的和符合中國國情的，即先用15年左右的時間建造和運行 CEPC，然後再根據科學目標的需要和技術成熟度視機啟動 SPPC 的建造，CEPC 階段建造的對撞機隧道和大量基礎設施可以用於 SPPC 的建造，從而節省經費和時間。

我本人也並不認為中國必須建造 CEPC-SPPC，其科學目標是否足夠令人信服？時機是否最佳？是否還有其他更緊急的項目需要支持？目前國家的財政狀況是否可以承受？這些都可以通過圈內、圈外科學家的討論，再由相關的決策機構決定。這過程中也應該歡迎公眾參與討論，但肯定不能採用公眾投票來決定是否建造，因為一般公眾對理解這樣的項目對國家的作用的能力是很有限的，肯定遠不如英國公投脫歐的情況。如果大家在發表意見前，先通過有關渠道（如網頁和書籍等）學習一些高能物理、加速器的初步知識，就太好了，那麼這次全民辯論將肯定是一次對公眾進行科學普及和教育的大好機會。CERN 每年都會吸引成千上萬的普遍百姓來參觀，他們不是來學習高能物理的，而是來看看我們人類如何的偉大，建造如此複雜的裝置來回答自然界的根本問題，並了解到加速器技術的發展竟然同我們的生活是息息相關的。

大型科學設施尤其是 CEPC-SPPC 這樣超大型裝置需要好多年的時間作準備，進行設計優化和關鍵技術的預研，以及研製隊伍的組織和國際合作框架的建立。因此，在進一步研判是否批准建造前，應該給予一定的預研經費進行研究，這樣即使最終決定不建造，所獲得的技術進展仍然是很有價值的。而 SPPC 是面向20年以後的世界和目前還沒有掌握的關鍵技術，也是需要提前布置的。儘管美國已明確表示將不牽頭建造超級對撞機，但仍花相當多的經費來組織他們國內的科研單位開展強場超導磁鐵技術的研發，這使他們在今後參加國際合作時處於有利地位，也有利於將新技術用於其他領域。

CEPC-SPPC 作為國際上最為強大的加速器，必然會吸引國際上高能物理領域的實驗物理學家和理論物理學家以及加速器專家來這裡工作和做實驗，就像現在全世界的科學家都去CERN一樣，更不要說會吸引大量國內的優秀年青人從事相關的研究了。世界上的優秀年青人也會以來中國參加在這裡的工作為榮。長期以往必然會形成一個極好的引智氛圍，而不限於在CEPC-SPPC上工作和學習。想一想美國的科技水平是怎樣在希特勒迫害猶太人時和第二次世界大戰之後極其迅速提高的，大批優秀外來人才的到來也是起到了很關鍵的作用。面我們中國歷史上的盛唐時間，也是不拘一格地使用外來人才。

經過改革開放30多年來的發展，我國的科技水平包括基礎研究也有了非常大的進步，在少部分領域或研究方向上已與國際最先進水平看齊甚至領先。但這些點的突破所造成的影響仍不如中心開花的效果，即直接摘取基礎研究的皇冠上的明珠-超級對撞機和高能物理的前沿研究。

當今世界雖然避免了大規模的戰爭，但局部衝突和國家間的仇視不斷，而高能物理的良好合作精神和氛圍對消除這些敵意絕對是有利的。我們常常說科學是沒有國界的、科學家是有祖國的，想想大家共同出資並派人員在肩並肩地一起工作，難道不會促進相互的理解或諒解嗎？有人舉了中東一些歷史上相互完全敵對的國家合作建造一個同步輻射光源 SESAME 作為例子。我這裡還舉另一個例子，即中國和美國的國家間科技交流。大家都知道是乒乓外交打開了中美關係的大門，很多人不知道是高能物理幫助打開了中美科技合作的大門。從上世紀70年代起，美國科學家就幫助中國設計和建造高能加速器，前期是北京質子同步加速器，1980年後改為幫助建設北京正負電子對撞機，除了人員支持外，也提供了很多加速器技術。自1979年以來，每年均召開中美高能物理會談，輪流在兩國進行，前期每次都由兩國的部長級官員帶隊，代表團還會受到國家領導人的接見。正是在這樣的合作牽引下，其他方面的科技合作也逐漸打開了。我也在設想，近些年來對中國和中國人表示不友好的日本科學家和學生來 CEPC-SPPC 工作和學習的情形。

一個國家要處於世界優秀民族之林、甚至冒尖，一定要對世界的文明做出重要貢獻。中國在歷史上的很長時期是做到這一點的，為世界上貢獻了四大發明、儒家文化、道家文化等等。然而，近300百年來，中國沒有發起也沒有趕上近代科學的發展，導致全面落後和挨打。儘管我們在19世紀上半葉 GDP 佔世界的約三分之一，我們還是輸了鴉片戰爭和隨後的對外戰爭，從而導致全面的國力潰退。我們在上中學和大學時，看到課本中的各種定律、定理、理論幾乎完全是以洋人命名的，心裡多少有些不是滋味。改革開放打開國門之後，我輩奮勇去西方學習先進的知識和方法，其謙虛之情是自然的。經過幾十年的發展，我國不僅經濟實力大增，科學研究的實力也是不能同日而語，已能在部分領域和方向上處於國際前列甚至是領先。展望10年甚或20年之後，我國的國力和科技實力也必然會進一步提高。難道我們不應該做一些引領世界的科學研究嗎？還要繼續跟在西方國家後面謙虛地學習嗎？

一個國家在國際上要站得住、站得高，不僅要有硬實力，包括經濟實力、國防實力，也要有軟實力，包括文化實力、制度實力、科技實力等。而建造全世界科學家都翹楚期望的超級對撞機以滿足人類對自然之本的探索興趣應該是其中一個好例子。

不少人知道美國費米實驗室首任主任 R.威爾遜上世紀六十年代在美國國會回答議員為什麼要建這麼花錢的大加速器時說過一個名句：「我們要建的裝置不能幫助保衛美國，但會讓美國更值得我們保衛。」我這裡要講一個親身經歷的小故事，一位從事高能物理實驗技術研究的美國科學院院士參加我們 SPPC 的合作研究，他曾對我說，他對美國目前的現狀極其擔憂，美國已失去了領先世界的動力，與他上世紀六十年代末到美國時的感覺完全不一樣了。那時，感覺到處都是夢想，你有很好的想法去努力奮鬥，就很有希望能實現，而現在人們已不再做夢了。你們中國現在的形勢很好，到處都是希望。

我就用這個故事跟我們的年青人講，年青人要有夢想，做自己的中國夢，我們這一代基本是在跟隨西方國家走，在學習、在追趕，你們這一代要有自信、要超越西方。儘管我沒有機會直接參加 SPPC 的建造過程，我現在只能做一些最初的鋪墊工作，但我希望在我的有生之年能看到 SPPC 的建成。我們的年青人他們確實也有這個雄心。

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