北京正負電子對撞機 與質疑同行30年

安裝完成的北京譜儀III。中科院高能所供圖

　　作者 邱晨輝 

　　儘管已經過去整整30年，但當86歲的中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所原所長方守賢回憶起那個金色秋天，身為親歷者的他仍是掩飾不住的興奮和感慨：北京正負電子對撞機正式建成，從此，我國有了第一台大科學裝置。

　　1988年10月24日，鄧小平同志到該裝置所在地——中國科學院高能物理研究所視察，慶祝這一工程的重大成就，其間即席發表了那番著名講話「中國必須在世界高科技領域佔有一席之地」。這也成為這台大科學裝置落成的最佳印證。

　　如今，這台裝置已年滿30歲。用中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳的話說，以這台裝置的建設為起點，我國高能加速器、高能物理領域這30年走過的道路，正是我國科學技術30年發展歷程的一個縮影。

　　前不久，一場紀念研討活動舉辦，何祚庥、方守賢、柳懷祖、周成奎等一群白髮蒼蒼的歷史見證者再次走到一起，為大科學裝置慶生。不過研討過半，越來越多的發言嘉賓話鋒一轉，提起裝置建造過程中的艱辛曲折。那些鐫刻在記憶深處的逆耳之言頻頻閃現——

　　「這個東西不能吃、不能喝、不能用，還要搞它幹什麼？」

　　「加速器會不會有放射性污染？這塊地方是城市的上風上水，能建在這裡？」

　　「我們一共就這麼點錢，都給你了，別人怎麼辦？」

　　30年過去，一些人和事慢慢沉澱下來，人們在分享成就之餘，似乎更願意梳理歷史遭遇中的爭議細節、得失甚至教訓。

　　如今觸手可及的中國互聯網發軔於30年前的大科學裝置

　　北京正負電子對撞機坐落於北京西郊八寶山東側。從外形來看，它就像一個巨大的羽毛球拍，主要由注入器、儲存環、北京譜儀和同步輻射裝置四大部分組成，佔地5萬平方米。第一次來到這裡的人往往會問：這個大傢伙有啥用？

　　兩彈一星元勛、核物理學家王淦昌說過這樣一番話：「有人說，北京正負電子對撞機是繼原子彈、氫彈、人造衛星等之後，我國取得的又一偉大成就，依我看，這話說得一點也不過分。」

　　如果用獎項和成果拉個對撞機的「成績單」，可能兩三頁也未必能寫完: 1988年10月該裝置建造成功，成為國際上τ-粲物理能區性能最好的對撞機，先後斬獲1990年國家科技進步特等獎、2016年國家科技進步一等獎、5 項國家自然科學二等獎。2013年3月，該裝置發現四夸克物質，入選美國物理學會年度重要成果，並位列榜首。

　　最能引發共鳴的一個例子，可能還是人們如今觸手可及的互聯網。

　　1986年我國建成第一條國際計算機通信線路，並向國外發出中國第一封Email，1993年建成第一根國際互聯網專線，一年後，建立中國第一個萬維網（WWW）網站——這一切，都和北京正負電子對撞機直接相關。

　　在中科院高能所的檔案室，保存著一封不尋常的信件，是美國高能物理及加速器物理學家潘諾夫斯基1991年6月寫給中國科學家的，其中表達了這樣一層意思：時值北京正負電子對撞機基本建成以及實驗數據開始獲取，必須有一條新的高速的電子數據網線。

　　中科院高能所計算中心研究員、網路安全實驗室首席科學家許榕生回憶：當時提起要建立一條網際網路連線，有美國人開玩笑說「你是想到月球上去嗎」，並稱「這是很不可能的事！」

　　最終，許榕生作為這項工程的具體負責人，帶領年輕人奮戰了18個月，在1993年3月，建成了中國第一條與國際互聯網正式接通的網路。這之後，還引進了基於網格技術的集群計算替代集中式的大型計算機，也就是今天熱議的「雲計算」雛形。

　　事實上，國際上對大科學裝置的投入產出比也有一些研究，比如用於高能物理研究的大型加速器類裝置，一般公認在1∶3左右，即投入1元，產出3元。

　　王貽芳說，這些高達數十億美元的投資，不僅帶來了科學上的豐碩回報，也引領了技術的發展。一個最著名的例子就是，歐洲核子中心為了解決科學家之間的數據共享傳輸問題，發明了萬維網——一個今天幾乎沒有人能夠離開的技術。

　　這和北京正負電子對撞機帶動國內互聯網發展的道路何其相像。王貽芳說，今天看來，這台大科學裝置是當時所能作的最好選擇，「有些技術從根本上改變了人類生活，其貢獻已無法用金錢衡量」。

　　在「七上七下」的挫折中誕生

　　科學的初衷是為探索未知。

　　曾任中科院高能物理研究所所長的中國科學院院士葉銘漢說，科學家對於電、磁現象的純基礎研究導致人類進入電氣時代；對原子核的基礎研究開創了原子能的應用；如今對高能物理的探索，誰又知道將如何造福人類呢？

　　20世紀的物理學告訴人們：世界是由一些基本粒子組成的。現在已知的基本粒子有60多種。不過仍有一些粒子尚未被人類「捕獲」，一旦抓到並發現它們的特性，就有可能運用這些「新知識」為人類服務。

　　最為常見的「抓捕」工具就是加速器、對撞機。葉銘漢說，用加速器把某種粒子加速到高能，轟擊一個固定的靶位，與組成靶的粒子相互作用，就有可能產生新的基本粒子。

　　1956年，我國第一次有了建造對撞機的計劃。在那一年制定的科學發展十二年遠景規劃中，提出了「製造適當的高能加速器」的構想。然而，直到上世紀80年代，這一設想都未能落地。

　　也因此，在方守賢的記憶里，北京正負電子對撞機是在「七上七下」的挫折中誕生的。

　　1958年，在蘇聯專家的指導下，我國已經設計出20億電子伏電子同步加速器。但在當時的形勢下，這一設計因「保守落後」被否。此為「第一下」。

　　後來，20億電子伏的方案被改為建造150億電子伏質子同步加速器，卻又受到蘇聯專家「冷遇」，他們認為中國只能在蘇聯原有的70億電子伏加速器技術上加以修補。這一方案遭到了我方設計人員的抵制。此為「第二下」。

　　在20多年裡，計划上馬，再下馬，一共反覆七次。而放眼全球，世界加速器已經發展了近半個世紀。

　　中科院辦公廳原副主任、原北京正負電子對撞機工程領導小組辦公室主任柳懷祖回憶說，除了政治環境影響，當年圍繞計划上與不上的另一個原因就是資源分配問題，說白了就是「有沒有錢」。

　　這似乎是一個全世界範圍內的問題。柳懷祖還談到美國超級超導對撞機（SSC）引發爭論的情況：美國國會一位議員反對建造該裝置，就對科學家說，「你們不是找希格斯玻色子——上帝粒子嗎，可以，如果上帝說要找他的『兒子』，我就投票！」

　　大科學裝置上馬之艱辛可見一斑。

　　科學家就高能加速器建設的方案展開了深入的討論，在廣泛聽取國內外科學家意見的基礎上，中國科學院在1981年12月，向中央提出了關於建造能量為2×22億電子伏的正負電子對撞機的報告。鄧小平在聽取這個方案的彙報後，當日就在報告上批示：「我贊成加以批准，不再猶豫。」1983年4月，國務院批准了這個計劃。同年12月中央書記處會議上確定北京正負電子對撞機工程為國家重點建設項目，稱為「8312工程」。

　　不過，工程上馬之後，仍非坦途。柳懷祖說，對撞機可以說是「在爭議中」建起來的，其中有些問題如今聽起來仍令人啼笑皆非。

　　他清晰地記得，現場開工在即，一位政府負責同志拿著方案圖來問：「這個地方要搞加速器的話，會有輻射吧，那不能動工！」

　　這件事僵持不下，最終還是找到國家領導人。柳懷祖在彙報時說「他們說放射性，其實沒有」，並舉了一個例子：德國電子同步加速器DESY，就建在漢堡公園的底下。國家領導人聽後隨即拍板，「那就沒得問題！」

　　「一列特快列車，跳上了，從此走在世界前列，否則將粉身碎骨」

　　來自內行的爭議，更讓科學家焦頭爛額。

　　上世紀80年代，對撞機是加速器發展的主流，這比傳統的打靜止靶的加速器性能要好，但技術難度也大。按照國際發展慣例，都是先建打靜止靶加速器，後建對撞機。

　　「當時就有人提出，中國連打靜止靶加速器都沒有做過，一步就要造對撞機，相當於『一步登頂』，風險太大！」方守賢說。

　　國際上甚至有科學家指出，想要跳過建設固定靶加速器的經驗積累，直接建設電子對撞機就「好比站在月台上，想跳上一列飛馳而來的特快列車。如果跳上了，從此走在世界前列，否則將粉身碎骨」。

　　即便是在中科院高能所自己的隊伍中，也有這樣的擔心：對撞機包含許多頂尖技術，難度比一般加速器大得多，中國能造出來嗎？這些專家更傾向於建造質子同步加速器，因為已經開展了相應的預製研究，在技術上比較有把握。

　　質疑再一次冒了出來：比如國外專家估計，造價不到2000萬美元——按當時的匯率恰好為9000萬元人民幣。但中國的國情不同，造價將是多少？對撞機技術困難，中國在加速器技術方面很落後，能做出來嗎？中國對大工程的管理缺少經驗，能管理這個尖端工程嗎？你們說有物理窗口，幾年以後還有嗎？

　　這之後是一輪又一輪的論證和調研，謝家麟、朱洪元組織國內科學家反覆對比權衡兩條路線的優缺點，最終確定了北京正負電子對撞機的方案。

　　質疑卻並未就此打住。

　　1986年年初，也就是對撞機破土動工的一年半後，磁鐵、高頻機、速調管、調製器等八大難度較高的專用設備試製成功後，路線問題就得到了初步回答。然而，能否按期完成是個問題，4年還是6年，甚至8年？

　　方守賢清晰地記得，直到1987年年初，批量生產的部件按質按期陸續交貨，才不再有人擔心是否能按期完成。

　　接下來的問題是，對撞機的主要性能——亮度，到底能達到多高？這一問題直到1988年年底，即對撞後的兩個月，才得到了回答——其亮度是世界上同能量加速器中最高的，為美國正負電子對撞機SPEAR的4倍以上。

　　這些歷史瞬間已經過去了30年，王貽芳反覆梳理提出一條經驗：要敢於接受技術上的挑戰——北京正負電子對撞機的建造如此，後來的改造也是如此。

　　王貽芳說，在決策對撞機重大改造方案前，面對美國康奈爾大學加速器CESR的正面競爭，科學家也是經過反覆計算、研討和評估風險，最終把改造方案從麻花軌道單環方案修改為雙環方案，從把對撞機性能提高7倍左右，到可以提高100倍左右。

　　北京正負電子對撞機改造完成並投入運行後，CESR就關閉了，其中工作的美國6所大學的物理學家，轉而參加了中國對撞機實驗的合作。

　　　「沒人在意多少科研經費，夠用就行，更沒有評院士的概念……」

　　至今提起20年前的那次改造升級，時任中科院高能所所長的陳和生院士都有一肚子的話要說。

　　「到現在還有人抱怨，說我們是做賠本生意，把1億元投到大科學裝置，投到科學項目里去——為啥不把改造升級的錢，用來建辦公樓，建實驗樓？」陳和生說。

　　那是1998年，中科院高能所年度經費僅7000多萬元，其中北京正負電子對撞機的運行費佔到2700萬元。根據陳和生的回憶，當時設備逐漸老化，缺乏維護更新，故障率增高，影響運行效率，改造在即。

　　高能所向時任中科院院長路甬祥提出一個6.4億元的改造方案，這其中國家支持5.4億元，高能所自籌1億元。

　　按照陳和生的說法：如果所有資金都請國家支持，就增加了60%的預算，「（方案）很可能還要回到國家科技領導小組去討論，但科學探索不等人啊！」

　　如今再說起來，陳和生很是感慨，高能所到現在為止，僅新修了一棟實驗辦公大樓。

　　「我們的錢去哪兒了？都去修大科學裝置了：修到阿里去了——全球海拔最高的原初引力波觀測站；修到稻城去了——高海拔宇宙線觀測站；修到東莞去了——中國散裂中子源。我們不僅要修建，還要運行開放。」陳和生說。

　　在他看來，這也是中國大科學裝置設計者、建設者的情懷所在，優先保證的永遠是中國高能物理的科學研究能夠持續發展。

　　多年過去，很少有人再記得，在北京正負電子對撞機建成前，我國科學家只能參與別的國家主導的高能物理實驗。

　　這背後是一代又一代科學家的接力和堅守。方守賢說，上世紀60年代中蘇在高能物理研究方面的合作中斷後，中國科學家都憋著一口氣，這一口氣就轉化為一股巨大的力量，決心在中國大地上建造自己的加速器。

　　「工資很低，國務院總理特批的獎金也僅有每月15元，但沒有人抱怨和計較，也沒有人在意能拿到多少科研經費，夠用就行，更沒有評院士的概念，增選已經停過好多年了……」 方守賢停頓了一下說，「確實是無私奉獻，想干成事！」

　　大科學裝置如只「談」不「動」，就不會有進展

　　如今，他們想干成另一件事：瞄準世界物理最前沿熱點——希格斯玻色子粒子研究，規劃建設中國的新一代對撞機——環形正負電子對撞機。

　　2013年，歐洲核子中心宣布探測到希格斯玻色子粒子，基礎物理學走到了一個關鍵的拐點。王貽芳說，研究希格斯玻色子粒子，是通向更深層次物理的鑰匙，正好給我國的高能物理髮展提供了一個趕超、領先的絕佳機遇。

　　即便面對再多爭議，王貽芳始終相信一點，即大科學裝置研製一定是高科技發展的沃土。在他的描述中，一旦環形正負電子對撞機建成，中國將成為全球高能物理研究的中心，吸引全世界最優秀的一批科學家和工程師來華工作，並作為龍頭帶動一系列核心技術的發展，在核物理、國防、材料、微加工、大型部件檢測等許多方面可以有大量應用。

　　在北京正負電子對撞機建成30周年紀念現場，柳懷祖站在演講台上，給王貽芳打氣：「你不要有什麼（負擔），當年反對（建）正負電子對撞機的人，絕不比今天少，而且是更多！反對、爭議沒啥了不起的。」

　　當然，也有教訓擺在面前。

　　葉銘漢就提到過，回過頭來反思高能物理事業的得失，1980年的北京正負電子對撞機「第七下」即「八七工程」下馬，對我國高能事業來說，是「塞翁失馬，焉知非福」。假如沿著原來的「大高能」走下去，物理上步人後塵，難出成果，攤子又鋪得過大，經費勢難維持，結果將是不上不下，造成極大浪費，後果不堪設想。

　　王貽芳告訴記者，最終將綜合考慮前沿科學目標、國家實力與需求、學科自身發展目標來選擇裝置建造方案。當天，他透露了環形正負電子對撞機的最新進展：截至目前，該對撞機概念設計已經完成，並獲國際評審認可，預研經費已經基本到位，預研工作也已全面展開。

　　王貽芳決定先幹起來。

　　30多年前，依舊貧窮的中國決定拿出2.4億元，建造第一台大科學裝置。而那幾年每年的全國財政收入，還不到2000億元——在剛經歷過浩劫的中國，這需要巨大的決心。

　　有位歐洲科學家問鄧小平，「你們目前經濟並不發達，為什麼要搞這個東西？」

　　鄧小平回答他，「這是從長遠發展利益著眼，不能只看到眼前。」他接著說：「現在世界的發展，特別是高科技領域的發展，一日千里。中國不能安於落後，必須一開始就參與這個領域的發展。」

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