为什么杨振宁不支持我国耗费200亿美元建大型对

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科技日报记者 李大庆

东方网记者解敏5月21日报道:不久之前,诺贝尔奖获得者、中科院院士杨振宁在一场公开演讲后回答提问时,再一次表达了自己反对中国建造大型环形对撞机的态度。而日前,在上海科技馆举行的科普大讲堂上,CEPC的主要提出者和推动者、中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳也再一次提出自己的主张:中国现在建造CEPC正当时。

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我国有计划建造环形正负电子对撞机,这个粒子加速器将超越欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。而对于是否建造CEPC,中科院院士对此意见并不一致,以杨振宁为代表的院士并不支持现在建造CEPC。那么,为什么杨振宁会对我国现在建造新一代对撞机持反对态度呢?

澳门皇冠金沙网站 ,五一节前,诺贝尔奖获得者、中科院院士杨振宁在国科大明德讲堂演讲后回答研究生提问时再一次表达了反对中国建造大型环形对撞机的态度。5月2日晚,CEPC的主要提出者和推动者、中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳对科技日报记者:我主张中国应该建造CEPC的态度没有变。

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11月14日下午,大型环形正负电子对撞机研究工作组正式发布了CEPC的《概念设计报告》。2012年,中国高能物理学家提出 CEPC 计划。由于身材庞大,CEPC被很多人称为“超级对撞机”。同时,因为耗资巨大,它也曾多次掀起物理学界争议。

虽然杨振宁已经不在物理学研究的第一线,但作为当今世界成就最高的物理学家,他的观点是值得人们的借鉴。关于反对理由,杨振宁曾经专门撰文列举过,主要包括以下几点:

针尖对麦芒。

大型环形对撞机

中国拟斥资数百亿元,建造史上能量最高的大型对撞机,曾引发激烈的辩论,杨振宁更是公开表示过反对,在公开信中列出了反对中国上马大型对撞机的七条理由。澎湃新闻记者在近日举行的欧洲科学开放论坛上就此向相关高级官员提问。

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中国科学院高能物理所提出建设基础物理实验设施。中科院高能物理所在2012年提出了建造新一代“大型环形粒子对撞机”CEPC的设想。按计划,CEPC是一个长50-70公里的环形加速器,一旦建成,将成为世界领先的正负电子对撞机,旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。

环形正负电子对撞机概念图 中科院高能物理所供图

第一,建造环形正负电子对撞机需要花一大笔钱,按照美国和欧洲当年建造粒子加速器的经验,环形正负电子对撞机的建成需要200亿美元资金。虽然这个项目可能有其他国家参与投资,但大头肯定是在中国这边。

左:杨振宁,右:王贻芳

但这一计划自提出以来一直争议不断,杨振宁院士在2016年曾公开发表文章,指出“中国今天不宜建造超大对撞机”,反对的主要理由是:建超级对撞机耗资巨大,性价比不高,在国家科研经费投入总体相对稳定的情况下,这样的巨大工程将会挤占其它研究的份额。

项目的支持者认为,超级对撞机将使中国成为世界物理学研究中心,并促进工业技术发展;反对者认为这台对撞机将成为耗资巨大的无底洞,性价比不高。

第二,环形正负电子对撞机建成之后,还需要不断的维护,这个费用将会是无底洞。当年大型强子对撞机的投资远超预算。新一代的大型对撞机就像资金黑洞一样不断吞噬科研经费,挤压其他科学领域的研究。另外,我国在教育和环保等很多领域也急需加大资金投入,把建造环形正负电子对撞机的资金用在民生方面更适合当前阶段的中国。

杨王二院士2016年就为CEPC争论过

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“最早出现争议的时候,我们的争议还没有一个明确的对象,现在《概念设计报告》出来了,这为将来的讨论提供了基础,我们希望未来关于CEPC的决策可以立足科学问题。”CEPC机构委员会主席高原宁在接受《中国科学报》记者采访时说。

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CEPC计划是中国高能物理学家于2012年提出的,旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。

中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳

在争议中推进的“希格斯工厂”

第三,环形正负电子对撞机不一定会产生对等的价值。在大型强子对撞机找到希格斯玻色子之后,现代物理学已经很长时间没有获得重大突破。没有更加有效理论的指导,即使是更加强大的粒子加速器也难以取得重大发现。

2016年,杨振宁通过媒体透露,他反对中国现在建造CEPC。他主要提出了7点理由。随即,王贻芳针对杨振宁的7点理由,也通过媒体发表了逐条的反驳。

在上海科普大讲坛上,王贻芳再度表示,现在是建CEPC最好的时机。建设超级对撞机,对中国高能物理来说是一次重大机遇。我们有10年的窗口期,有非常大的把握取得成功,可能改变世界高能物理研究的格局。欧洲核子中心曾透露将于2030年开建环形对撞机。中国如果错过这10年窗口期,今后就只能成为一个’参与者’,而无法成为’引领者’。”王贻芳认为,筹建CEPC,将有效带动20多个门类相关学科的技术达到世界领先,“我们必须拥有自己的大科学装置,这是突破‘卡脖子’关键技术的重要手段”。

2012年7月4日,在欧洲核子研究中心的加速器大型强子对撞机上工作的超环面仪器和紧凑缪子线圈两个实验同时观测到了希格斯粒子。

但需要明确的是,杨振宁只是反对我国现在建造大型对撞机。等到未来条件适合之时,杨振宁是赞成我国建造大型对撞机的。因为从目前来看,物理学的未来应该是在粒子加速器中,更加大型的对撞机肯定是要建的。人类只有更加深入了解物质结构,才能更加了解宇宙的本质。

例如,杨振宁反对的第1条理由中提到:“建造大对撞机美国有痛苦的经验。1989 年美国开始建造当时世界最大对撞机,预算开始预估为30亿美元,后来数次增加,达到80亿美元,引起众多反对声音,以致1992 年国会痛苦地终止了此计划,白费了约30亿美元。这项经验使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。”

希格斯粒子又被称为“上帝粒子”,因为它将质量赋予了已知的所有基本粒子。然而,依据现有的粒子物理标准模型,人类还无法计算或预言希格斯粒子本身的质量。

而王贻芳则认为:美国建世界最大对撞机失败的原因有很多,包括当时的政府赤字、与国际空间站争夺经费、两党政治斗争、德克萨斯与其它地区的区域竞争,还有管理不善、预算错误、造价飙升、国际合作不够等。“预算超支”绝不是SSC失败的主要原因,而是有其特殊及偶然原因,主要是政治因素。

在观测到希格斯粒子之前,人们一直以为需要将两个粒子的能量提升到很高才能对撞出希格斯粒子,但是,2012年的那两个实验让人们意识到,观测到希格斯粒子所需要的能量比预期要小,只有约1250亿电子伏特。

“对美国来说,SSC中途下马是一个极为错误的决定,它使美国的高能物理研究失去了发现希格斯粒子的机会,失去了未来发展的基础和机遇,失去了国际领导地位,到现在还没有翻身。这个决定对美国的大科学研究产生了极为负面的影响,并使一代美国人失去了梦想的勇气。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的有很多相似的地方。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加,当然SSC的启动也没有减少任何人的经费,很多当年反对的人后来也后悔了。”王贻芳强调,美国终止建造SSC之后,欧洲建造了大型强子对撞机,并获得了极大的成功。虽有超支,但并不是太多。这说明大型加速器并不一定是“无底洞”,是可以成功的。

于是,下一代正负电子对撞机发展的新思路诞生了——可以建造能量较低、实验环境更为干净、性价比更高的正负电子对撞机,大量产生希格斯粒子,形成“希格斯工厂”,进而对希格斯粒子进行系统研究,并发现新的物理现象和物理规律。

当然,杨振宁还提到了钱的问题,对于这项可能花费几百亿上千亿人民币的大科学工程,他说:中国GDP虽然已跃居世界第二,但中国仍然只是一个发展中国家,人均GDP还少于巴西、墨西哥或马来西亚,还有数亿农民与农民工,还有急待解决的环保问题,教育问题,医药健康问题等等。

当全世界为观测到希格斯粒子欢呼时,2012年,中国高能物理学家提出了CEPC计划,并启动了该项目的预研,团队用两年多时间发布了《初步概念设计报告》。

对此,王贻芳当时也提出了自己的看法。他估算了中国的CEPC从2022年建设到2050年左右完工,大约需要1千亿元左右的人民币。

然而,就在《初步概念设计报告》发布后不久,CEPC引发了物理学界的广泛争议。诺奖得主杨振宁的《中国今天不宜建造超大对撞机》将争议引向高潮。

杨振宁“舌战群儒”

杨振宁认为造巨型对撞机是“进无底洞”;建造花费巨大,将会影响其他基础科学的发展;高能物理要发展不一定要靠造巨型对撞机,也有不费钱且符合世界经济发展趋势的途径等。

反对中国建造高能加速器

之后,CEPC团队用了三年时间,正式完成了《概念设计报告》。

杨振宁反对中国建造大型的高能加速器不是2016年才开始的。早在上世纪70年代,他就曾经反对过中国建造高能加速器。

“《初步概念设计报告》之所以是‘初步’,就是因为有一些设计没有达到预期指标,但是《概念设计报告》意味着CEPC已经可以在理论层面达到预期指标了。”CEPC机构委员会副主席、中国科学院高能物理研究所研究员高杰告诉记者。

2018年3月,杨振宁出版了《晨曦集》,公开披露了1972年夏天他从美国来华期间与中国科学家的一次座谈会内容。那时,杨振宁还是一位美籍华人。有学者称,在1972年7月4日下午的座谈会上,杨振宁在与中国科学家座谈时,“舌战群儒”,激烈反对中国建造高能加速器。杨振宁认为进入上世纪70年代以后,世界高能物理的发展前景,并不在于高能加速器能量的增加,而在于物理观念的突破。

他表示,接下来,CEPC项目团队将以《概念设计报告》为基础,完成关键技术预研,计划于2018年至2022年间建成一系列关键部件原型机,验证技术和大规模工业加工的可行性。

在那次来华访问期间,他与中国科学家多次座谈,当被问到美国高能物理发展为何取得许多成绩时,杨振宁特别指出,一是经费充足,二是人才众多。

“这项工作的严肃性在全世界引起了越来越多的关注,并为下一步的《技术设计报告》和工程设计以及未来建设计划时间表的可行性奠定了良好基础。”台湾大学教授、亚洲高能物理委员会主席侯唯恕说。

而处于文革中的中国科学事业,显然缺乏杨振宁所说的这两个条件。

一个耗资300多亿的“大圈”

CEPC《概念设计报告》诞生

按照概念设计,CEPC将是一个埋在地下100多米处的周长100公里的“大圈”,至少会有两台探测器同时进行科学实验。

1984年10月,中国开始建造北京正负电子对撞机。开启了中国大科学工程建设的新时代。

中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇介绍,CEPC以秦皇岛地质结构为参考,进行了概念设计研究,预期于“十四五”开始建设,并于2030年前竣工,预估大约将耗资300多亿人民币。

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这个“大圈”由两大部分组成,一部分是加速器,另一部分是探测器。

北京正负电子对撞机探测器分总体(图片来源:BEPC官网)

阮曼奇介绍,加速器主要负责产生正负电子并加速,最终精确聚焦对撞、制造极端环境,产生具有科学研究价值的物理事件。加速器的主要组成部分是一个小型直线加速器和一个与对撞储存环同样长度的增强器,把正负电子的能量提高到研究所需的值。能量达到研究所需后,粒子就会送入两个储存环进行对撞。

2007年10月,中国科学院高能物理所开始建造大亚湾中微子实验工程,并于2012年3月宣布:在世界上发现了中微了第三种振荡模式。王贻芳等科学家还因此而获得2015年美国基础物理学突破奖。

探测器则相当于可以高速、高精度拍照的立体显微镜,由多种不同的子探测器组成,用来记录带电和不带电的各种微观粒子。同时,这个“照相显微镜”也会采用最新的软件技术,与最新的大数据、机器学习等发展紧密相关。

正是在这样的背景下,中国科学家在2012年又提出了建造CEPC的建议。

在设计CEPC大致模样的同时,研究团队还规划了前10年的实验内容。

2018年11月14日,两卷本的CEPC《概念设计报告》在北京正式发布。这一报告阐述了加速器和探测器的可行性设计方案,以及该项目的科学意义。同时也详细地评估了 CEPC 相对于欧洲大型强子对撞机在科学上的优势。引人注目的是,《报告》吸纳了全球高能物理学界多位科学家包括诺贝尔奖获得者的意见,全球有上千位科学家参与了这项研究。国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学 Geoffrey Taylor 教授,2017年诺贝尔物理学奖获得者、领导LIGO实验发现引力波的加州理工大学教授Barry Barish等都对CEPC《概念设计报告》的完成表示了祝贺和称赞。

最初的7年内,CEPC将在质心能量2400亿电子伏特处运行,以研究希格斯粒子。随后2年,CEPC将在910亿电子伏特处运行,以研究Z玻色子和重味物理。另外一年时间,CEPC计划在1600亿电子伏特附近研究W玻色子物理。

CEPC机构委员会主席、北京大学教授高原宁表示: “《概念设计报告》标志着我们完成了整个项目的加速器、探测器和土木工程的基本设计。下一步将重点关注CEPC关键技术和原型机的研发。希望今后能得到政府的积极回应 。”

而在这10年后,CEPC 未来可能发展方向之一是升级为一个超级质子—质子对撞机,质心能量将达到100万亿电子伏特,以便在大范围内直接寻找新的物理现象和物理规律。

中欧两个方案的竞争

阮曼奇介绍,在为期十年的实验计划中, CEPC将生产超过100万个希格斯粒子,此外还将生产1亿个W玻色子和近1万亿个Z玻色子。

就在中国CEPC完成《概念设计报告》两个多月后,欧洲核子中心也公布了“未来环形对撞机”的概念设计报告。中国科学家要建超大对撞机,欧洲科学家也想建超大对撞机。

“CEPC计划与国际稍早的国际线性对撞机、紧凑型线性对撞机,以及同时期的未来环形对撞机项目处于竞争地位。”阮曼奇说。

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等待国家支持

如果仔细对比中欧两个方案,可以发现,欧核的FCC与中国的CEPC大同小异:都是周长100公里,技术路线都是先搞电子对撞而后升级到质子加速。当然,两者的造价不一样,中国的全部费用约为欧核费用的一半左右。

在《概念设计报告》的扉页,可以看到很多国内外科学家的签名。

中欧两个方案的建设时间表也很有意思。中国CEPC的一期工程是计划到2030年完成,二期工程计划2040年完成;而欧核的FCC一期工程计划在2040年前后完成,二期计划能在2050年代后期投入使用。前后相差大约都是10年。

“签名者一部分是参与报告研究和撰写的人,还有一部分是支持并有意愿参与CEPC研制工作的人。”高原宁说。

技术路线大致相同,时间中国比欧核要早10年左右。正是在这个意义上,王贻芳等科学家认为,对中国高能物理研究来说,建设超大环形对撞机是一次重大机遇。“我们有10年的窗口期,有非常大的把握取得成功,可能改变世界高能物理研究的格局。如果错过这个机遇,我们就只能继续做拾遗补缺的工作了。”

在高原宁看来,CEPC的首要物理目标是深入研究希格斯粒子的性质,从而探索高能物理面临的重要问题,国际科学界参与CEPC研制的兴趣越来越浓厚,也正是因为这样的科学目标具有重要意义。

王贻芳所说的拾遗补缺的工作,指的就是像北京正负电子对撞机所开展的研究工作。应该说,到目前为止,我们还没有与其他国家和地区在最热门和关键的大科学装置上开展过直接竞争,我们更多地是在做填补空白和拾遗补缺的工作。这一次建超大对撞机可以说是中国科学家与国外科学家“迎头竞争,正面挑战”。

“国际高能物理界非常希望参加 CEPC 的研发和将来的科学实验,这将会大大促进人类对物质最基本组成单元的进一步理解。”国际未来加速器委员会和亚洲未来加速器委员会主席、墨尔本大学教授Geoffrey Taylor说。

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高原宁告诉记者,目前国家在立项方面还没有给出明确的信号,科学家们期待着以政府间合作的形式推动CEPC的预研和建设。

俯瞰北京正负电子对撞机

CEPC 指导委员会主席、中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳表示,对于中国的高能物理来讲,这是一个绝佳的历史机遇,一方面,该方案可以进一步理解希格斯粒子的性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律,另一方面,中国可以通过努力建成自己的希格斯工厂和国际领先的“创新合作平台”,成为该领域全世界的领跑者。

当中国科学家完成CEPC的《概念设计报告》后,欧核也马上跟进公布了他们的FCC《概念设计报告》。一般人可能会想:我发布报告要建世界最大的超大对撞机,你也发布要建,这于我不利。但中国科学家现在已经有了一颗强大的心脏:很好,欧核等于为中国的CEPC方案做了一次“免费的第三方论证”,证明我们中国的设计方案是正确的。

杨振宁反对中国建造超大对撞机,王贻芳认为中国应该建设超大对撞机。双方各持己见。在此问题上,高能物理领域内的反对方人数不多,或说公开表态的人不多,但其代表人物是诺贝尔奖的获得者;而支持者一方名气虽不如杨振宁大,但中国高能物理领域许多人表示支持,国际高能物理领域也有不少人支持。

一场拉锯战还在进行。

来源:科技日报 文中图片均来自网络

编辑:岳靓

审核:王小龙

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