脑极体 · 7月30日

欧洲花费210亿欧元新建大型对撞机,我国要跟进吗?

《三体》中,那个锁死人类基础科学的智子实在是令人印象深刻。

当三体人得知四光年外的地球上有人类这一存在之后,又开心又害怕,开心的是人类文明远远不如三体文明,害怕的是人类文明的进化速度非常之快。如果三体人用他们当时最快的飞船赶到地球要花四百年时间,等真的赶过去可能就已经被人类的科技水平虐成渣了。

所以,他们先发制人地发动了智子攻击,用光速发出两个质子计算机,率先来到地球,暗戳戳搞破坏,不过两个比原子还小的微粒能做什么坏事?

除了刺探下地球人的公开情报之外,就是给人类的粒子物理研究捣乱,影响人类最前沿的粒子加速对撞实验,制造错误的实验结果,搞疯掉一批批人类最聪明的物理学家,最终锁死人类的基础科学的发展。如果人类无法在微观层面发现新的物理定律,也就没有更高的科技水平,也自然再也不能和三体人叫板了。

如此想来,是不是细思极恐了?我们不得不问一句,现在我们的物理学被三体人的智子给锁死了吗?

这倒没有,不过基础物理似乎正在被高额的研发费用给“锁死”,因为建造这种高能物理实验机器的代价实在是有点高昂。

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今年的6月19日,欧洲核子中心(CERN)全票通过了《2020欧洲粒子物理战略》,并计划建造一台全新的高能物理实验机器——未来环形对撞机(Future Circular Collider,FCC),用于研究希格斯玻色子(即“上帝粒子”)和高能量前沿探索。

不过,这台全长100公里的FCC环形对撞机的建造成本预计为210亿欧元。这项计划能够通过,还得归功于它的前辈—— “大型强子对撞机”(Large Hadron Collider,LHC)的成功。这一耗资50亿瑞士法郎,耗时25年,全长27公里的对撞机,终于在2012年证实了希格斯玻色子的存在,证实了一个50年前提出的物理学猜想。

正是这一次的成功实验给了CERN巨大的信心,使其计划建造一个横跨瑞士和法国,面积大13倍,周长大3.7倍的超大型环形对撞机,来发现更深层次的基本粒子,比如预言中的超对称粒子,从而验证那些可以解释暗物质、暗能量的超对称理论。

为了验证一项物理学假说,动用如此规模的资源,到底值不值?在中国同样有一场关于要不要建造“环形正负电子对撞机—大型质子对撞机(CEPC-SPPC)”的激烈争论。

那么,欧洲要建的这座大型对撞机,到底有何作用?既然欧洲已经领跑了,那么我国的大型粒子对撞机,还有必要再建设么?

为什么要建大型粒子对撞机?

粒子对撞机是现代高能物理研究中最为重要的实验设备。如果人类想要搞清楚宇宙的微观层面,也就是弄清楚组成宇宙物质的基本组成,搞清楚自然运行的基本规律,就不仅仅需要提出一系列的科学假说,还要能够证实或证伪这些假说的物理实验,那么粒子对撞机就是必不可少的验证和测量工具。

那么粒子对撞机是如何工作的呢?如同我们想要了解一个东西的内部构造,就会把它拆开来看看,物理学家同样面对微观粒子的时候也是采用同样的思路。只是想要拆开比原子更小的基本粒子的难度会非常大,科学家们为此想到了要将基本粒子不断加速,然后让它们迎面相撞。以接近光速的速度相撞,释放最大的能量才有可能把这些粒子拆开,然后人类才有可能观察到粒子的更基本组成和各种物理性质。

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(LHC铅离子对撞实验,产生了大量新的物质)

如何让两个如此微小的粒子相撞,其过程非常复杂,目前想到的唯一办法就是同时加速上亿个粒子,最后在一场粒子的暴风骤雨中,只有几对幸运的粒子可以迎面撞上。而人类要做的就是在电光火石之间,测量出粒子相撞留下的痕迹(直接观测粒子对撞是不可能的),这也对粒子对撞机的工程要求极为严苛。

那么,2012年人们在当时的LHC对撞机中找到的希格斯玻色子,到底是怎么发现的呢?因为这一上帝粒子的衰变期只有短暂的10的负22次方秒,探测器根本不可能直接捕捉到上帝粒子。所以,粒子探测器记录的信号,来自上帝粒子衰变后的产物,也就是产生一对稳定的正负电子和寿命较长的正负μ子。正是通过测量这些衰变后的粒子间的关联,人们才间接地推出上帝粒子的存在。

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(希格斯玻色子Higgs boson)

发现“希格斯玻色子”有什么重要价值呢?上个世纪60年代,科学家提出了粒子物理学的“标准模型”,这是一套描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。在这一理论中,希格斯玻色子被认为是“质量之源”。其他粒子通过和希格斯玻色子相互作用才能产生质量。

因此,“希格斯玻色子” 的发现,成为补上“标准模型”中最后一块 “拼图”。既然“标准模型”的拼图已经完整,为什么人类还需要更大规模的粒子对撞机呢?

一个是,科学家们希望对希格斯玻色子进行更深入的研究,而即使是对LHC不断升级也就是加大对撞能量的能级,也无法得到足够的希格斯玻色子,因此还需要建造规模更大的对撞机装置。

再一个是,“标准模型”并不能完全解释全部的物理学规律,比如它无法解释中微子质量、暗物质、暗能量的来源以及物质和反物质不平衡的问题,还有融合四种力的大统一理论。粒子物理学的盛宴才刚刚开启,需要更大的粒子对撞实验来加以验证。

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(2020 欧洲粒子物理战略)

因此,CERN下定决心要把研究希格斯玻色子和建造更高能粒子对撞机当做“未来最高优先级别的事情”。那么,中国在这一巨大科学工程上面,还存在哪些利弊之争呢?

高能物理的顶级交锋:到底该不该建CEPC?

目前,全球有三座正在规划的“希格斯工厂”项目,也就是能够产生更多的希格斯玻色子,并能够对希格斯玻色子进行极高精度下测量。三个项目分别为由中国物理学家在2012年9月提出的环形正负电子对撞机—大型质子对撞机(CEPC-SPPC)、日本正积极争取的国际直线对撞机(ILC),以及CERN规划的未来环形对撞机(FCC)。

2012 年 9 月我国提出的 CEPC-SPPC 项目分两步,一期工程为 CEPC,可作为希格斯工厂;二期工程为SPPC,建造一台高能质子对撞机。CERN提出的欧洲粒子物理战略确定的FCC路线图与我们的CEPC-SPPC设想其实是高度一致的。FCC的总投资是210亿欧元,而我们的投资规模预计是第一阶段工程造价大约400亿人民币,建设时间计划在2022-2030年间;第二阶段的工程造价是1000亿人民币,其投资规模远远小于CERN的投资计划的,建设时间是在2040-2050年期间。

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(贵州平塘500米口径球面射电望远镜)

但不管怎样,CEPC-SPPC大型对撞机项目的花销也比现有的大科学工程高出两个数量级。比如,位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜(FAST),耗资仅仅6.67亿元。江门中微子实验正在建设,预计投资20亿元。

尽管这笔研发费用是按照数十年时间分批支出的,但是对于我国当前的科研经费来说仍然是一笔“巨款”。在是否支持建造CEPC-SPPC大型对撞机项目上面,我国的科学界也分成了旗帜鲜明的两方。

2016年,在回应著名数学家丘成桐提议的“关于中国建设高能对撞机“的观点,知名华裔物理学家杨振宁先生专门发表文章,表示“中国今天不宜建造超大对撞机”,成为公开反对建造大型对撞机的权威代表。杨先生给出的理由主要如下:

一来,大型对撞机的建造和后期的探测项目耗资巨大,且可能是一个“无底洞”,美国超导大型对撞机(SSC)半途中断,浪费了30亿美元,可谓是前车之鉴;二则,中国仍然是一个发展中国家,更多的财政经费应该投入到民生当中;第三,势必会挤压其他基础科研经费,第四,就是高能物理的结果短期内对于人类生活没有什么实际的好处。

另外还有就是从学术本身来提出的反对意见。杨振宁先生认为,物理学家希望通过大型对撞机发现“超对称粒子”,是一件不可能的事情。另外,由于我国在高能物理学中的贡献率不高,成就不大,建造大型对撞机之后的运转和分析将有90%由外国专家来主导。最后,他还提出了一种新的高能物理研究途径,比如研究新的加速器原理,从几何理论上探索基本原理。

当然,杨振宁先生的考虑自有其判断的依据和道理。但同样支持大型对撞机建设的一方,来自中国科学院高能物理研究所所长王贻芳教授也有充足的理由:

首先,建造第一期CEPC项目,是有大量成功经验的,预算也是可控的。美国SSC的中断正是让美国失去了发现希格斯粒子的机会,也失去了在高能物理学领域的国际领导地位。第二阶段的质子加速器虽然还没有成功的先例,但我们有足够的时间去开发、研究,不成熟不启动,还谈不上“无底洞”的投入。我国已经有大量大型科学工程的建造经验,都已经能够很好的控制工程造价。

其次,基础科学的研究与民生建设并不冲突。建造大型对撞机可以让我国在基础科学和高科技领域占据国际领先地位,培养大批科研人才,可以对其他高科技领域形成技术溢出效应。

第三,我国基础科学的研究经费还远远低于发达国家。建造大型对撞机的费用,可以从提高基础科研经费中获得,并且建造加速器的投资,会有90%用在国内的设备采购上。

第四,高能物理对于人类生活没有好处的观点需要商榷。基础研究带来直接好处的影响可能不大,但是高能物理衍生出的同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等装置,对生物医学、材料、环境科学等领域都有极大帮助。现在我们所使用的万维网(互联网)就是欧洲核子研究中心在大规模协作中产生的沟通工具。新建的大型对撞机加速器会在基础科学人才培养、高温超导材料、超导磁体等应用技术方面实现重大突破。

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此外,关于新的大型对撞机能否发现高能物理假设的“超对称粒子”,这一目标并非是这一项目的唯一目标,CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断其是否与标准模型预言完全一致。CEPC还有望首次测量希格斯粒子的自耦合,确定希格斯场参与的真空相变的形式,这对宇宙的早期演化具有重要意义。

至于中国人能不能主导对撞机此后的实验和分析,正需要我们主动发力从建造大型对撞机开始培养更多人才,才能拥有更大话语权。至于要不要建造这样的大型加速器,王教授认为,理论物理研究很重要,但是实验物理的手段更是必不可少。

那么,到底该不该建造这一“耗资巨大,有可能失败,也有可能带来无限荣光”的大型工程呢?仁者见仁智者见智,现在CERN给出了明确的答案,全力押注大型对撞机的建设。那么,作为后来者的我们是否应该跟进呢?

建或不建,一场可能事关“国运”的选择

前不久,网传位于西南的贵州贫困县独山县,被曝出地方负债一度高达400亿,留下来的正是一座座烂尾的形象工程。官方通报称政府融资的资金中绝大多数用于基础设施、脱贫攻坚、民生工程等项目建设,发挥了较好作用。

我们也不知道这些发挥了哪些较好的作用。不过400亿的负债还是让人们吃惊不已。但400亿恰好是建造第一期CEPC项目的投资金额。

虽然没有特别直接的可比性,但与其花费巨资在大兴土木的这种基建上面,确实不如增加基础科研费用的规模和比例,投入到大型对撞机CEPC项目当中。

况且我们是成功经验的,上世纪80年代,中国在经济情况远远不及现在的情况下,成功建设了北京正负电子对撞机,培养了一代高能物理人才,在τ-粲物理领域取得了不错的科学成果,不过距离前沿领域差距明显。

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(欧洲大型强子对撞机)

而现在,面对高能物理领域出现的这一次全新升级的窗口期,我国第一次有机会跟欧美日等国家同台竞争,如果错失这一次机会,可能未来高能物理的牌桌上,就没有中国的机会了。

一旦未来中美在基础科学的研究也受到更多政治争端的影响,那我国的基础科研将处在更为被动的局面上了。

从现实情况来看,我国已经具备建造如此大规模科学工程的资金实力和技术基础。而且巨额的投入也会反过来促进我国国产的高精密仪器、基础材料、加工设备等技术的升级,大项目将推动这些技术的国产率。同时,还能让我国成为高能物理的研究重地,吸引全球的最顶尖的智力资源来中国定居和长期访问,在中国建成领先的科研中心,培养更大规模的基础科研人才。

当然,在国家如此多的重大科研项目当中,支持哪个,又不支持哪个,都涉及众多的研究机构的博弈和科研资源的分配,需要国家做出慎重的考虑,对于不同科研项目之间轻重缓急的发展给出不同阶段、不同等级的支持。

大型对撞机也需要在同其他科研项目的公平竞争中,获得能够立项建造的机会。而这才是对待我们是否要立即启动这项巨大科学工程的重要理由。

从长远角度来看,发展大型对撞机仍然是实现我国在高能物理领域突破的必经之路。对于基础科研的投入,不仅仅是一个投入产出比的问题和当下是否获益的功利考虑,更是关乎一个国家的未来国运的发展问题。

坚持对基础科研的投入,可能短期内不能看到反馈民生、促进经济发展的实际效果,但是将在未来带给一个国家乃至整个世界能够持续发展,甚至突破的全新技术和方法。

1970年,赞比亚修女 Mary Jucunda 给NASA的Marshall太空航行中心科学副总监Ernst Stuhlinger写了一封信,问道:地球上还有这么多小孩子吃不上饭,怎么舍得为火星项目花费数十亿美元?

Stuhlinger用一篇《为什么要探索宇宙》为标题的回信中说道:通往火星的航行并不能直接提供食物解决饥荒问题。然而,它所带来大量的新技术和新方法可以用在火星项目之外,这将产生数倍于原始花费的收益。而事实正是如此。基础科学的每一次突破,都为现实生活带来众多意想不到的实用技术和重大发明。

无论是对于CERN最新支持的FCC项目,还是中国科学家正在努力争取的CEPC项目,尽管会在执行过程中遭遇这样那样的困难和质疑,但是我们不应否定科学家在宇宙基本粒子科学上的好奇心和探索热情,也不应从什么“阴谋论”、“私心论”的角度来去诋毁这些科研投入。

在人类的历史上,如果有一件创新事业,我们选择不做的话,我们可能未必知道自己错过了什么,但如果我们勇敢地选择去做的话,尽管前途有失败的可能,我们也将知道自己可能错过了什么,同样也会知道自己得到了什么。

更值得我们认真对待的是,在高能物理领域,如果一旦丧失新理论发现的优先权,就有可能再也错失整个未来物理学的大厦,中国也就没有任何的话语权了。

相比于那些花费巨资建设的形象工程,我们是不是该想想办法建成一座能让国人骄傲、“外邦来朝”的未来大科学工程呢?

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