超大對撞機，現在該建嗎？

超大對撞機，現在該建嗎？

一場罕見的、針鋒相對的辯論在科學界爆發。辯論焦點是“中國是否應該建造超大對撞機”。支持方以華裔數學家丘成桐、中科院院士王貽芳為代表，反對方則有諾貝爾物理學獎得主楊振寧等。建造超大對撞機是對是錯，或許需要幾十年甚至幾代人來證明。

最近，關于中國是否應該建超大對撞機在科學界鬧得沸沸揚揚，并逐漸演變成公共話題。前有菲爾茲獎獲得者、著名華裔數學家丘成桐表態支持中國建造超大對撞機，后有華人諾貝爾物理學獎得主楊振寧撰文《中國今天不宜建造超大對撞機》，又有中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳稱“建大型對撞機正當其時”……

一時間，媒體、網友甚至普通民眾紛紛站隊，各抒己見。人們興奮于“親自參與重大科研項目的決斷”，也“堅信真理越辯越明”，最重要的是“科學界大咖們毫不留情地開撕”是多少年都沒見過的場景。

宇宙大爆炸后，物質世界是如何組成的？一系列猜想與理論是否正確？這是對撞機的使命。然而，這個工程可能花費千億元，這還不算后期運行的經費，以至于從它的科學意義、目標、科技成果轉化等，到與其需要耗費的資財、人力等是否相當，成為辯者的靶點。

這場摻雜了基礎科學理論、工程建設等各種因素的辯論還在發酵。無論工程是否最終實施，辯論雙方究竟孰是孰非，或將需要幾十年甚至幾代人來證明。

爭議集中在四個問題

目前的中國是不是下一代大型強子對撞機的合適選址？科學界對此尚有爭議。9月4日，楊振寧在《知識分子》發文，反對中國開始建造超大對撞機。次日，同在《知識分子》，王貽芳刊文回應，反駁楊振寧的反對理由。

此前，丘成桐多次公開表示，支持中國建造超大對撞機，提出可以考慮將河北省秦皇島市山海關附近作為選址。8月29日，丘成桐在公眾號上再次針對超大對撞機發文，并表示對“楊振寧反對建造超大對撞機”一說存疑。此舉引來楊振寧在《知識分子》上發文。

早在2012年，在“上帝粒子”希格斯玻色子被歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機LHC發現的幾個月后，王貽芳團隊就提出了到本世紀30年代在中國建成對撞機的計劃。在這之后，據王貽芳在反駁文中所提，中國為主的研究團隊已經完成了CEPC-SPPC（正負電子對撞機-質子對撞機）的《初步概念設計報告》。

在規劃中，CEPC-SPPC項目將在50公里-100公里長的地下環形通道內，利用相同的隧道，建造兩座超級對撞機：正負電子對撞機和質子對撞機。雖然正負電子對撞機的對撞能級將只有0.24TeV-0.35TeV，但它的存在可以為建造質子對撞機削減大量成本。該質子對撞機和LHC相似，都在環形通道內使用質子進行對撞。但該對撞機的通道長度將是LHC的2倍至4倍，對撞能級可達70TeV-100TeV或100TeV-140TeV，遠超LHC的14TeV。

在王貽芳看來，最近十年是中國建造超大對撞機的“窗口期”，“在下一個五年計劃開建超大對撞機，是我們在高能物理領域領先國際的一個難得的機遇。歐洲核子研究所的LHC正面臨能級觸頂的困局，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?！?/p>

盡管如此，在爭論中國該不該建造超大對撞機時要回答的是：造價幾何、是利是弊、能否解決科學難題、值不值得這四個問題。

造價幾何

巨額的建造成本，成為包括楊振寧在內的反對者的首要“攻擊點”。

楊振寧認為，根據以往各國建造對撞機的經驗，比如美國中止了項目，浪費了30億美元；CERN現運行的大型強子對撞機LHC耗資100億美元，對撞機的建造成本是無底洞。他預估，中科院高能所建議的超大對撞機預算將高于200億美元（1335億元人民幣）。

在反駁文中，王貽芳詳細地算了一筆賬，并表示“有成熟的估價、建造、管理經驗”。在王貽芳團隊的規劃中，正負電子對撞機和質子對撞機將先后建設。不包括土地、“七通一平”等，預計在2022年至2030年竣工的正負電子對撞機工程造價約400億元人民幣。質子對撞機是否建設建立在正負電子對撞機是否有新物理跡象的前提上，工程造價在1000億元人民幣以內。其中，中國將承擔70%的費用，即大約300億元人民幣（每年30億元）和700億元人民幣（每年70億元），但不包括未來的通貨膨脹。

王貽芳還強調，高能所在北京正負電子對撞機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%都沒超?！辈⒁驗橘|子對撞機的啟動條件是正負電子對撞機有所成績，王貽芳認為這不會是無底洞。

巨額建設資金將如何籌得？據《自然》雜志報道，王貽芳的團隊在去年得到科技部3500萬元人民幣的資助，用于大型強子對撞機項目的開展，但在7月，發改委拒絕了該項目下一輪8億元人民幣的資助請求。在國際高能物理大會（ICHEP）上，王貽芳表示將專注于提高國際社會對該項目的興趣。

利弊幾何

楊振寧認為，對撞機的項目必將擠壓其他基礎科學的經費。

但王貽芳認為，目前中國的基礎研究經費占研發經費的比重僅5%，低于發達國家的15%，這意味著基礎研究經費仍有大約每年1000億元人民幣以上的增長空間。

此外，王貽芳認為，對撞機的項目會拉動國內科學儀器的發展，且和其他基礎科學并不矛盾?！笆聦嵣线@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?！?/p>

再者，楊振寧認為，高能物理的突破之前有、今后也無法在短中期內給人類生活帶來益處，反而會對解決國內的民生問題不利。

王貽芳表示無法認同高能物理與人類生活的脫節，“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，網絡經濟更是無從談起。人類從WWW網頁中得到的收益，已遠遠大于此前對高能物理的全部投入?！敝档靡惶岬氖?，萬維網的創始人蒂姆·伯納斯·李正是為了打破信息孤島，解決歐洲原子核研究會的核物理學家數據互通的問題而開發了萬維網。

對撞機，他國如何取舍？

歐洲：謹慎決定未來方向

歐洲擁有全球最大、能量最高的粒子加速器LHC，其質子對撞能量為14TeV，軌道長度27公里，有來自30多個國家的超過2000名物理學家參與。研究者所屬的大學與實驗室共同出資興建這一耗資約80億美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日內瓦與法國交界地區已發展為一座匯聚全球研究者的科學中心,有100多位中國研究者在那里工作。

2012年，科學家宣布利用LHC發現了被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所謂的“標準模型”。然而，LHC目前已經達到其設計能量，要進一步尋找新粒子，需建設能量和精度更高的機器。

CERN發言人阿諾·馬爾索利耶說，未來10年LHC將進行大規模升級，并運行至2035年，屆時產生的對撞能量將是現在的數倍。此后，CERN計劃建設對撞能量達100TeV的新一代環形(質子)對撞機，軌道總長將達100公里。CERN將在5年內公布“未來環形對撞機”的完整設計報告和造價。

“但在任何關于新對撞機的決定敲定前，我們需要積累更多來自LHC的結果，這些結果將決定未來選擇的方向?！瘪R爾索利耶說。英國《自然》雜志認為,直到本世紀30年代中期，CERN都將忙于提高LHC的質子束密度而非增強能量。

日本：注重“經濟實用”

日本已經完成了下一代超大對撞機的初步工程設計，并得到美國能源部和CERN的支持。與歐洲不同，日本選擇建設更加“經濟實用”的直線對撞機。

日本高能加速器研究機構(KEK)岡田安弘介紹，日本研究界一直在向政府建議由日本主導國際直線對撞機(ILC)計劃。

岡田安弘說，ILC將在總長約31公里的地下隧道開展正負電子對撞，雖然對撞能量僅為1TeV，卻可以更好地分析對撞后新粒子特性，在精密測定希格斯粒子、探尋新物理方面的能力遠超LHC，還可在發現暗物質粒子方面加強同LHC的互補性研究。ILC的造價約為78億美元，日本東北地區的巖手縣及宮城縣被列為候選建設地，預計將于本世紀20年代后期開始運轉。

不過，文部科學省下設的專家小組表示，日本將等到2018年歐洲的LHC首次最大能量運行后再作決定。日方也在研究經費的不確定性和相關風險。岡田安弘說，日本的出資比例還需通過政府間交涉決定。由日本文部科學省和美國能源部組成的聯合小組正在討論如何降低ILC開支,認為造價還可降低15%。

美國：主動放棄“燒錢”競爭

美國超導超級加速器(SSC)建設項目在20世紀的“夭折”是美國科學史上的傷心往事，不少高能物理研究人員提起此事都嘆息連連。美國從超大對撞機競爭中“出局”，此后也未就開建新一代超大對撞機有新規劃。

在SSC項目選址地得克薩斯州愛麗絲，已建成的22.5公里的地下隧道被棄。美國物理學會會士韓濤說：“宣布終止SSC讓高能物理研究的中心從美國移到歐洲?！?/p>

SSC對撞能量達40TeV。然而該項目經過幾年建設，在完成了約20%、花掉了20億美元后于1993年被美國國會取消。

當年美國物理學界分為兩派，反對建設方主要擔心對撞機擠占其他基礎科學研究經費,影響力最大的聲音來自諾貝爾獎得主菲利普·安德森。

93歲的菲利普·安德森說：“我認為反對建設超級對撞機終究還是對的?！彼J為，粒子物理學家太執著于高能量對撞這個代價極大的單一研究方式，而忽略了其他重要的實驗事實(比如暗能量、丟失零點能、暗物質等問題)比追逐高能量還有意義。

就超大對撞機而言，王貽芳認為，它對中國科技帶來的裨益是多方面的，不僅可以讓相關技術實現國際化，領先國際，還可以將頂尖的科學家和工程師引進到中國，讓中國成為國際化的科學中心。在他看來，這和民生問題一樣，是中國亟待解決的問題，不可偏廢。他還提醒：“從占GDP的比例來看，超大對撞機的造價（即使包括SPPC）并沒有超過20世紀80年代的北京正負電子對撞機，也低于國際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計劃中的設施?！?/p>

能破解科學難題嗎

在楊振寧看來，對撞機能否幫助物理學家找到猜想中的超對稱粒子仍未可知。他認為，中國高能所成立以來的成果不明顯，并建議，相比超大對撞機，尋找新加速器原理和尋找美妙的幾何結構是更為經濟和符合總趨勢的研究方向。

LHC近期平淡的表現讓有些科學家在通過對撞機來破解基礎物理難題這一路徑上打上問號。LHC已經完成了尋找希格斯玻色子的任務，但之后一度沉寂，尚未在發現標準模型外的新粒子上有新進展。

去年12月，LHC疑似發現比希格斯玻色子更重的粒子的跡象，但今年8月5日，來自LHC的兩個獨立實驗ATLAS和CMS的代表在美國芝加哥召開的國際高能物理大會上宣布，該跡象只是統計漲落，通過分析5倍于去年12月的數據，該跡象幾乎衰減至無。

對于動則幾十億、幾百億元人民幣的大科學裝置，項目對科學本身的效益是關鍵因素之一。

對此，王貽芳回應，由于在希格斯粒子上，CEPC較LHC高10倍的測量精度，CEPC在確認希格斯粒子的性質、自耦和、是否與標準模型預言完全一致等上會有所突破，“無論LHC是否發現新物理，CEPC都是需要的，這是粒子物理發展中跳不過去的一步?！?/p>

對于CEPC能否成功建設，王貽芳在回應文中表示了信心，并提到：“電子對撞機還沒有不成功的先例?！倍鴮τ诩夹g要求較高的質子對撞機（SPPC），王貽芳承認：“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?！蓖瑫r，他表示：“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?！?/p>

值不值得

另一方面，在耗資巨大的CEPC能否成為一個“高壽”的科學裝置這一問題上，CERN國際關系部部長、物理學家魯迪格·沃斯博士表示了擔憂：“如果真要建造一部富于前瞻性的、有潛質的新機器，那么50公里的隧道長度會太短。粒子物理學研究50年的經驗已經表明，利用大型加速器，要想從一代升級到下一代，要想真正有可能做出重要的新發現，你通常需要增加10倍的能量?！?/p>

魯迪格·沃斯評論稱：“CEPC-SPPC項目本身非常有趣，從純科學的角度來看，它很值得去做。但從歐洲的角度來看，這個項目是用大量資金投入去研究一個范圍極為有限的科學問題。這就提出了金錢投入的科學價值的問題，也就是金錢投入在建設一個富于前瞻性、長期的科學未來方面的可能性問題?！保ū究C合）※