王貽芳：中國今天應該建造大型對撞機 | 獨家

知識 09-07

?中國科學院高能物理研究所所長王貽芳教授近照。來源：王貽芳教授

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中國今天應該建造大型對撞機

王貽芳

2016.9.4

今天（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。楊先生是我尊敬的前輩科學家，我更尊重科學和理性。如果以下言語有冒犯之處，還請原諒。

（一）楊先生反對的第一點理由是造大加速器是無底洞，因為美國的SSC造價飆升，半途而廢，浪費了30億美元。歐洲的強子對撞機花費了100億美元。中國的大加速器不可能少於200億美元，甚至是一個無底洞。

這裡實際上有三個問題，一個是SSC為什麼會失敗，第二是中國的大加速器到底需要多少錢，第三是這個估計可靠嗎? 是不是又一個無底洞。下面我一一回答。

（1）美國的SSC為什麼會失敗 ? 大加速器都是無底洞嗎 ?

美國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、德克薩斯與其它地區的區域競爭，還有管理不善、預算錯誤、造價飆升、國際合作不夠等。具體分析及歷史資料見參考文獻【2，3】。其實「預算超支」絕不是SSC失敗的主要原因，而是有其特殊及偶然原因，主要是政治因素。

對美國來說SSC半途下馬是一個極為錯誤的決定，它使美國的高能物理研究失去了發現希格斯粒子的機會，失去了未來發展的基礎和機遇，失去了國際領導地位，到現在還沒有翻身。這個決定對美國的大科學研究產生了極為負面的影響，並使一代美國人失去了夢想的勇氣。當年美國科學界反對SSC的理由跟我們今天在中國聽到的有很多相似的地方。事實上SSC的終止並沒有讓任何科學家獲得經費的增加，當然SSC的啟動也沒有減少任何人的經費，很多當年反對的人後來也後悔了。

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。說明大型加速器並不一定是「無底洞」，是可以成功的。

中國的政治與美國完全不同，對大工程建設實際上有其優越性，偶然性較小。今天的中國已經幹了很多美國人不幹、或幹不了的事，未來這樣的事還會有。SSC失敗，不代表我們就不能建造大型加速器。我們應該要科學仔細地分析，同時要做好國際合作，做好管理，控制預算。

（2）到底需要多少錢？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，其價格降到合理水平（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。這裡有一個「第二階段」是為了說明這個方案有極為長遠的科學壽命，可以帶動更重要的技術發展（如高溫超導），是對「第一階段」科學及技術意義的一個補充。我們現在討論其設計也是為了保留未來發展的可能性，避免因為考慮不周，比如加速器隧道周長與截面大小等，把未來發展的可能性給堵死了。有這樣一個第二階段的長遠目標也會對高能物理和相關技術的發展有重大意義。

(3) 這個價格估計是否可靠，是不是會成為無底洞而重蹈美國SSC的覆轍 ? 首先我們知道在過去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，對超導技術的前瞻與預估較難，不易在技術、造價與指標上有一個恰當的把握。指標高了造價會超，指標低了又顯得過於保守。

國內大型工程成功的案例很多，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。

事實對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，兩種辦法必須在20%以內一致。

在完成了初步概念設計【1】以後，我們產生了一個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。如果楊先生不相信我們的估價，可以組織再次評審。

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主要任務，也不是一定要上的，只是一個可能性。談論它的造價意義不大。因為我們說過了，不成熟（包括造價）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，超大對撞機不是燃眉之急，目前不宜考慮。

任何一個國家，特別是對中國這樣一個大國，必須考慮當下和長遠，不可偏廢。民生問題當然要解決，而且這也確實是目前國家預算支出的主要內容。但我們也要考慮長遠，要有合適的比例進行基礎科學研究，要能夠不斷發展，要有領先世界的能力。清末的中國，人民富庶，GDP世界第一，雖然有能力購買槍炮，但不掌握科學，沒有可持續發展能力，最後還是被動挨打，民生也無從談起。

幾百年來，對物質微觀結構的研究，從分子、原子到原子核、基本粒子，在相當程度上引領了人類科學的發展。高能物理研究物質的最小結構及其規律，採用的手段覆蓋領域寬廣，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、計算機與網路等，在很大程度上引領了這些高技術的發展並得到廣泛應用，是基礎科學及高技術研究中具有標誌性的一個重大領域。建造大型對撞機可以使我們在這樣一個重大的、有引領作用的科學領域領先國際達幾十年，可以在相關技術領域領先國際，使一些重要產品實現國產化並走到世界最前沿，可以形成一個國際科學與技術中心引進吸收國外的智力資源，可以培養幾千名有創新能力的物質科學及相關技術的頂尖人才，怎麼不是燃眉之急，當務之急 ?

事實上，中國政府和普通民眾給全世界人民的感覺是很有錢，也很勢利。一個大國，沒有對人類文明的貢獻，大概很難說話響亮，有軟實力和影響力。這也反過來影響了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）並沒有超過上世紀80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。

在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質量很低，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，而且這個環形對撞機還有機會改造成質子對撞機，有長達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，我們的競爭環境相對較好；第三，我們有北京正負電子對撞機的經驗，剛好這個機會是我們的長項，有技術和人員隊伍的積累。這個機遇期的時間窗口只有10年，失去這個機會，下一次就不知道是什麼時候了。同時我們有極好的大型地下工程施工經驗，中國的經濟仍處於高速發展期，也處於轉型期，有建設能力和科學需求。因此大型對撞機是一個各方面都合適的項目。

（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占研發經費的比重大約是5%，國際上發達國家一般是15%。我們是發展中國家向發達國家邁進，同時又是一個大國，我認為應該逐步增加到10%，直至最後向15%邁進。所以從數字看，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），不存在擠壓其他基礎科學研究經費的情況。

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有相當大的一個比重是用來購買儀器，而且主要是外國儀器。所以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，會推動國內企業的技術進步和市場佔有率，會培養成千上萬的有能力自己設計與建造設備的科學家和工程師，這將大大推動我國科學儀器設備的發展，同時也會推動其它領域的發展。事實上這個投入也沒有大大改變各領域的投資比例，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是一個事實）。國家現在提出發起和領導國際大科學工程和計劃，CEPC就是一個極好的候選項目。這與發展其它基礎科學也不矛盾。

（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自然不是楊先生所說的那樣。在我親手交給楊先生的《CEPC 初步概念設計報告》（英文）【1】中，我們清楚地描述了科學目標。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，或其它與標準模型的偏差，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。對我們實驗物理學家來說，我們會關心理論物理學家的預言，但絕不會依賴他們。現在就預言對撞機會發現或不會發現猜想中的粒子，有點過於武斷了，這也不是國際高能物理學界的主流意見。

（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，高能物理有許多成績，其發展出來的技術與人類生活息息相關。沒有高能物理，就沒有同步輻射光源（發展自正負電子環形對撞機）、自由電子激光（發展自正負電子直線對撞機）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，今天在醫院裡的很多檢查與治療（MRI，PET, 癌症的放射性治療等）就不會存在，或者不會那麼先進，或者會推遲出現，許多人的生命會被縮短，生活質量會被降低。沒有高能物理，就沒有（或者推遲出現）觸摸屏，智能手機就是一個夢想；沒有高能物理，就沒有WWW網頁，大家就不能上網，網路經濟更是無從談起。人類從WWW網頁中得到的收益，已遠遠大於此前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產化，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) 大型低溫制冷機（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、電子線路與晶元等。

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，計算機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，形成一個國際化的科學中心。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。這個產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。至於高能物理科學發現的直接應用，目前我們無法預料，但這已經不重要了。對物質結構和基本粒子的研究，其重要性怎麼強調都不為過。中國人可以嘲笑古希臘人及後來的歐洲人研究原子、天體運行規律、量子力學、希格斯粒子沒有用，但最後吃苦頭的還是自己。

（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。

高能所從建立到現在已有四十多年，其發展主要還是最近三十多年，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（高能所還有天體物理、多學科及應用研究）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（當然1984年的2.4億還是很多的）。與國內其它領域相比，比如楊先生提到的生物、凝聚態、天文物理等，無論是總數還是人均，都絕對不算多。這些投入取得的成果、各種國內外獎勵，這裡不一一列舉，與國內其它領域相比，絕對不少。這點投資，與國際上比，差好幾個數量級；但取得的成果，還是可以跟他們比肩的，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持。隨後我們開展了初步概念設計，雖然有國際參與（特別是從開展國際合作考慮），但主要是以我們為主完成了《初步概念設計報告》【1】。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。楊先生要是還沒有信心，可以去問問國際上主要的國家實驗室主任們。

事實上，高能所有三十多年正負電子對撞機的經驗，提出CEPC是經過深思熟慮的。高能所參加過80年代北京正負電子對撞機設計與建設的專家都說，當年的困難比起今天的CEPC，只大不小。相信我們不會一代不如一代，有信心、能力和勇氣獨立完成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，可以實現「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，這個目標是可以完成的。

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，更不是我們個人從事科學研究的目的。我們追求的是對自然界的理解和掌握。CERN發現了希格斯粒子，愛丁堡的希格斯拿到了諾貝爾獎。我們希望中國有一個CERN這樣的研究機構、研究成果和技術能力，至於有沒有愛丁堡這樣的機構和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。在此期間，高能物理不能停止發展，等待這個新技術成熟。至於「幾何理論」，或是「弦理論」，更是虛無縹緲，與實驗有太多的距離，不是我們現在考慮的問題。

高能物理的前途在哪裡，見仁見智。中國現在沒有諾貝爾物理學獎獲得者，但國際上有，而且很多，楊先生的看法顯然與大家不同。不僅現在不同，過去幾十年都不同。據有關資料，楊先生對高能物理的未來發展自60年代起就是悲觀的，所以與粒子物理標準模型失之交臂。自70年代起就反對中國建造高能加速器【4】。幸虧小平同志聽從了李政道等其他著名科學家的建議，才有了今天的高能物理所、北京正負電子對撞機和大亞灣中微子實驗及其重大成果，也有了我們的同步輻射光源、散裂中子源等大科學平台為全國的科技界服務。面對未來，我們應該更多地聽取科研一線新生代科學家的意見，他們才能引領我們的科技事業興旺發達，領先國際。