中國超級對撞機與人均負擔

知識 07-13

2017-07-12 張裕宏知識分子

LHC，來源：sciencealert.com

撰文 | 張裕宏

責編 | 呂浩然

《知識分子》微信公眾號：The-Intellectual

回顧早前關於超級對撞機CEPC-SPPC的討論不難發現，一個關鍵因素或話題是中國能否承受這個大型科學裝置的建造費用以及這個負擔是否合理、符合囯情。楊振寧教授在一次訪談中從人均收入的角度論證了中國建造超級對撞機的不可行性。他認為，雖然目前中國的GDP很高, 但是人均收入還是非常低，因此不適合在現階段建造超級對撞機。楊先生特別提到，與中國的人均收入相近的一些國家都沒有考慮超級對撞機，「將來建造超級對撞機的條件應該是中國的人均收入達到美國的程度」。

中國真的沒有承受建造CEPC-SPPC費用的能力么？這個問題確實值得探討。筆者認為，相比於人均收入或人均GDP，相對人均負擔（即大科學裝置分攤的人均造價與人均GDP之比）更能準確地反映一個國家對大科學項目的承受能力，而這個指標只與國家經濟總量（總GDP）相關且成反比。而筆者的初步研究結果也無法得出與楊先生相同的結論。

相反，在與其他國家的大科學裝置項目的橫向比較中，計入國家經濟總量的差別，筆者發現超級對撞機，尤其是第一期環型正負電子對撞機CEPC的目標造價給中國人民帶來的負擔並不會比世界上其他國家目前已建或在建的一些大型項目重。因此，高能物理研究所王貽芳所長「中國己具備了經濟條件在現階段建造超級對撞機」的觀點應該是有根據，本文對此提供了一些補充的數據和分析。

本文沒有涉及中國超級對撞機的科學目標和意義，建造與否的得失及其性價比，因為這不在筆者的專業範圍內。另外中國應該選擇支持哪些科學領域和哪些大科學裝置或大科學項目而達到資源的最優化配置和最大的科學產出也不在本文討論之列。

大科學裝置的相對人均負擔只與國家經濟總量相關

以楊先生提到的馬來西亞為例，如表1所示，它的人均GDP比中國略高（約1.2倍），人口三千多萬，是中國人口的四十五分之一。一個簡單的事實是，對仼何一個大科學裝置，無論造價多少，平均分攤到每一個馬來西亞人頭上的造價是每個中國人分攤的四十五倍, 從絕對數值上講顯然要大的多。

表1: 相關各國人均GDP和人口統計

注1: 人均GDP的數據來自維基百科Wikipedia，取三組數據的平均值，數據分別來自世界銀行 (World Bank, 2015年份)，聯合國 (United Nations, 2015年份)，和國際貨幣基金會 (International Monetary Fund, 2016年份)

注2: 人口數據來自維基百科, 源自聯合國(United Nations, 2016年份)

注3: 丹麥和瑞典兩國GDP之和為8千億美元，與中國GDP之比約1：13.9，即中國GDP是兩國GDP之和的13.9倍

在日常生活中，人們常常用相對負擔來度量或指導消費。比如一個月工資五千元的職員吃一頓午飯花了五十元，占他月工資的百分之一。而同樣的這頓飯對另一位月工資只有五百元的職員來說負擔就重多了，因為飯費佔了他月工資的百分之十。相對的，五元一頓的經濟午餐是他月工資的百分之一，因而達到與前一位高薪職員吃五十元午餐承受的相當的負擔。

同樣的，考慮國家對一個大科學裝置的承受能力, 我們不妨引進一個「相對人均負擔」的慨念，即大科學工程分攤的人均造價與人均GDP的比，如下列公式：

應用此公式，對同一個大科學裝置，馬來西亞的相對人均負擔比中國高38倍(見表1)。換句話說，馬來西亞若要以與中國相同的相對人均負擔建造一個大科學裝置，它的人均GDP必須比現在高38倍，即達37萬美元，那是絕對不可能的。

將上述公式換算一下，總人口乘以人均GDP正好是一個國家的總GDP，即國家經濟總量，亦可得出相對人均負擔等於總造價除以國家經濟總量，即與國家經濟總量成反比。這淸楚地顯現了大國與小國（或高GDP與低GDP）在發展大科學裝置的實力的不同。這樣也就能很容易理解為什麼象馬來西亞這樣的小國不會考慮超級對撞機這樣的巨型項目，因為它的經濟總量太小。

中國的經濟總量目前已是世界的第二位，達美國的61%。歐盟的經濟總量比美國略高。因此公平地說，現在的中國應該己基本具備了美國與歐盟那樣的經濟實力，有能力建造世界最大型的科學裝置而不會造成過重的人均負擔。一般預期，中國的經濟總量（GDP）在未來幾年或十幾年還會繼續保持比較快的速度增長並有可能最終超過美國，因而綜合國力會有進一步的增強，這正好與超級對撞機第一期CEPC規劃的建設周期相吻合。

其他國家大科學裝置與中國超級對撞機的比較

那麼，怎樣程度的「相對人均負擔」是可以接受的呢？要回答這個問題，我們可以看看目前世界上其它大型科學裝置的建造事例。這些事例的有關數據彙集在表2中。下面介紹一下有關項目的具體情況。

·韓國大加速器科學裝置

圖1: 韓國X射線自由電子激光裝置 PAL-XFEL. 右上方的圓形建築是浦項同步輻射光源 PLS-II

目前韓國已建成或在建中的加速器驅動大科學裝置有三個，即浦項同步輻射光源（PLS-II），X射線自由電子(PAL-XFEL)和稀有同位素科學項目（RISP）。中國的經濟總量是韓國的8.1倍（見表1），意味著中國應該可以支持這類大科學裝置多達24個。而筆者己知的目前中國己建或在建的加速器大科學裝置一共有八個，其中不包括CEPC-SPPC。對比兩國的GDP，中國明顯偏少。

從造價成本上來看，己建成的韓國X射線自由電子激光裝置（PAL-XFEL, 見圖1）的造價為4億美元（2011年價格），摺合成人民幣約33億元（2017年價格，其中己計入六年的每年3%的物價上漲，下同）。通過前文提到的公式進行換算可知，在中韓兩國人民的相對人均負擔相當的情況下，這個造價等同於在中國興建一個266億元人民幣的超大型科學裝置。按高能物理研究所的規劃，中國超級對撞機第一期環型正負電子對撞機CEPC的目標造價會控制在人民幣400億元，其中300億元由中國承擔，另外100億元通過囯際合作籌集。相比較，中國為建造CEPC所要承受的相對人均負擔與韓國建造一個X射線自由電子激光裝置的相對人均負擔相當接近。

圖2: 韓國稀有同位素科學計劃 RISP

韓國目前己啟動了一個更大的的科學項目，即稀有同位素科學計劃（RISP, 見圖2）, 包括建造一台重離子加速器（RAON）及配套多學科實驗裝備。韓國政府己在2014年宣布批准了整個計劃約21億美元的總建設經費，其中僅一台重離子加速器的設備費用就達4.5億美元。如果用相同的相對人均負擔為標準，這就等同於在中國建造一個1279億元人民幣的超級科學裝置, 比CEPC所需的建設費用（中國分攤部分）300億元人民幣還要大4倍多。

·大型強子對撞機

圖3: 歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機LHC是全世界最大的粒子對撞機

歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機LHC是全世界最大的對撞機（見圖3）。2012年，科學家們在這台質子-質子對撞機上發現了希格斯（Higgs）粒子，最終完成了粒子物理標準模型的拼圖，這是一項劃時代的偉大發現。大型強子對撞機由一群歐洲國家聯合投資興建，它們大部分屬於歐盟。其他國家如美國也有參與和貢獻，但主要建設資金來自於這些歐洲國家。這台對撞機的造價是75億歐元（2010年的價格），摺合成人民幣約711億元（2017年的價格）。目前中國的經濟總量是歐盟的58%，按照相同的相對人均負擔來計算，這個造價等同於在中國興建一個411億元人民幣的超大型科學裝置，遠高於超級對撞機第一期CEPC的300億元人民幣造價（中國分攤部分）。

·丹麥瑞典與歐洲散裂中子源

圖3: 歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機LHC是全世界最大的粒子對撞機

歐洲的另一個在建的大科學裝置是歐洲散裂中子源ESS（見圖4），造價是18.4億歐元（2010年的價格），預計2022年完工運行。按協議兩個東道國丹麥和瑞典承擔一半的建造費用，約9.2億歐元, 摺合成人民幣80億元（2017年的價格）。這兩個國家非常小，人口加起來才1550萬，少於北京市或上海市的人口。當然這兩個國家非常富裕，人均GDP都高於5萬美元，是中國的6.4倍（見表1），但是中國的GDP卻是這兩個國家GDP之和的13.9倍。應用上述公式，這兩個國家共同分擔的歐洲散裂中子源ESS一半的造價，相當於中國興建一個1114億元人民幣的超級大科學裝置，而人民所承受的相對人均負擔相同。

高能物理研究所對未來（至少25年後興建）的超級對撞機第二期超級質子-質子對撞機SPPC的期望造價是人民幣1000億元，其中中國承擔的分額是700億元。顯然，CEPC和SPPC這兩大完全獨立的超級對撞機加起來，跨越四五十年時間，項目對中國人民造成的相對人均負但，還不及丹麥和瑞典兩個北歐小國承擔建造半個大科學裝置ESS的人均負擔重。

結論

筆者認為，一個國家對於大科學項目的承受能力應該由建設成本與GDP的比值來衡量。根據這個標準，筆者相信中國目前己具備強大國力建造數百億元人民幣級別的大科學項目。超級對撞機CEPC和SPPC的目標造價的絕對數值確實都很大，但與中國的經濟規模和綜合國力是相稱的，尤其是採取分兩個階段實施以達到把經費壓力降得更低。相比較，其他國家的一些大型科學裝置相對於它們的經濟規模來說要遠大得多，人民負擔的也更重（見表2）。退一步說，如果韓國或丹麥和瑞典能夠建造一個千億元人民幣（等效）以上的超大型科學裝置，筆者很難看出中國沒有能力建造一個只是其四分之一造價的科學裝置.。