楊振寧反對大陸花千億建大對撞機 中科院高能所長駁斥

王貽芳、楊振寧、丘成桐。(從左至右)

目前的大陸是不是下一代大型強子對撞機的合適選址?可見的是,科學界對此尚有爭議。9月4日,著名物理學家楊振寧在《知識份子》發文,反對大陸開始建造大型對撞機。次日,同在《知識份子》,中國科學院高能物理研究所所長王貽芳刊文回應,一一反駁楊振寧的反對理由。

根據澎湃新聞網報導,此前,菲爾茲獎獲得者、著名華裔數學家丘成桐多次公開表示,支持大陸建造大型對撞機,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大型對撞機發文,並表示對『楊振寧反對建造大型對撞機』一說存疑。此舉引來楊振寧在《知識份子》上發文。

而早在2012年,在『上帝粒子』希格斯玻色子(Higgs boson)被歐洲核子研究組織(CERN)大型強子對撞機LHC發現的幾個月後,王貽芳的團隊就提出了到本世紀30年代在大陸建成對撞機的計劃。在這之後,據王貽芳在反駁文中所提,大陸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專案將在50~100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0.24~0.35TeV,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2~4倍,對撞能級可達70~100TeV或100~140TeV,遠超LHC的14TeV。

目前,不僅是大陸有研究團隊提出建造大型對撞機的規劃,日本也有意建造國際直線對撞機(ILC)。據報導,日本文部科學省(MEXT)被期望在今(2016)年,就日本是否會建造ILC作出表態。如透過,ILC將在2030年左右建成,投入實驗。但目前,出於對高成本的顧慮,日本還想旁觀,看在2018年年底前,LHC是否會在第一次最大能量(14TeV)運行週期內,有重大發現。此外,主持LHC的歐洲核子研究組織也在考慮建立新一代超導磁體,將LHC的能級極限從14TeV提升至20TeV,抑或是另建一座『超級LHC』。

在王貽芳看來,最近十年是大陸建造大型對撞機的『窗口期』,『在下一個五年計劃開建大型對撞機,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專案,20年之內很難騰出手來,我們的競爭環境相對較好』。

儘管如此,在爭論大陸該不該建造大型對撞機時,要回答的是:造價幾何?是利是弊?能解決科學難題嗎?值不值得?這四個問題。

造價幾何?

在此次楊振寧和王貽芳關於大型對撞機的公開討論中,巨額的建造成本被擺放在爭議的顯眼位置。

楊振寧認為,根據以往各國建造對撞機的經驗,比如美國中止了專案,浪費了30億美元;歐洲核子研究組織(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於200億美元(1335億人民幣)。

在反駁文中,王貽芳詳細地算了一筆賬,並表示『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後建設。不包括土地、『七通一平』等,預計在2022~2030年竣工的正負電子對撞機工程造價約400億人民幣。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1000億人民幣以內。其中,大陸將承擔70%的費用,即大約300億人民幣(每年30億)和700億人民幣(每年70億),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%都沒有超。』並因為質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》雜誌報導,王貽芳的團隊在去(2015)年得到科技部3500萬人民幣的資助,用於大型強子對撞機專案的開展,但在7月,發改委拒絕了該專案下一輪8億人民幣的資助請求。在國際高能物理大會(ICHEP)上,王貽芳表示將專注於提高國際社會對該專案的興趣。

是利是弊?

楊振寧認為,對撞機的專案必將擠壓其他基礎科學的經費。但王貽芳認為,目前大陸的基礎研究經費占研發經費的比重僅5%,低於發達國家的15%,這意味著基礎研究經費仍有大約每年1000億人民幣以上的增長空間。

此外,王貽芳認為,對撞機的專案會拉動國內科學儀器的發展,且和其他基礎科學並不矛盾,『事實上這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(目前大陸國內粒子物理、核子物理比例嚴重偏低是一個事實)。』

再者,楊振寧認為,高能物理的突破之前沒有、今後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)觸摸螢幕,智慧手機就是一個夢想;沒有高能物理,就沒有WWW網頁,大家就不能上網,網路經濟更是無從談起。人類從WWW網頁中得到的收益,已遠遠大於此前對高能物理的全部投入。』

值得一提的是,萬維網的創始人蒂姆•伯納斯•李(Tim Berners-Lee)正是為了打破資訊孤島,解決歐洲原子核研究會的核子物理學家資料互通的問題,而開發了萬維網。

就大型對撞機而言,王貽芳認為,它對大陸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大陸,讓大陸成為國際化的科學中心。在他看來,這和民生問題一樣,是大陸亟待解決的問題,不可偏廢。他還提醒,『從占GDP的比例來看,大型對撞機的造價(即使包括SPPC)並沒有超過上世紀80年代的北京正負電子對撞機,也低於國際上的LEP、LHC、SSC、ILC等各類已完成的和計劃中的設施。』

能破解科學難題嗎?

在楊振寧看來,對撞機是否能幫助物理學家找到猜想中的超對稱粒子仍未知。他認為,大陸高能所成立以來,成果不明顯,並建議,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透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,但之後一度沉寂,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,透過分析5倍於去年12月的資料,該跡象幾乎衰減至無。

對於動則幾十億、幾百億人民幣的大科學裝置,專案對科學本身的效益是關鍵因素之一。

對此,王貽芳的回應認為,由於在希格斯粒子上,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,這是粒子物理髮展中跳不過去的一步。』

對於CEPC能否成功建設,王貽芳在回應文中表示了信心,並提到:『電子對撞機還沒有不成功的先例。』而對於技術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。』同時,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。』

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,歐洲核子研究組織國際關係部部長、物理學家魯迪格•沃斯(Rüdiger Voss)博士在去年接受澎湃新聞專訪時,表示了擔憂,『如果真要建造一部富於前瞻性的、有潛質的新機器,那麼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。』

魯迪格•沃斯評論稱:『(CEPC-SPPC)本身是一個非常有趣的專案,從純科學的角度來看,它很值得去做。這一點毫無疑問。從歐洲的角度來看,擔心在於,這個專案是用大量資金投入去研究一個範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於前瞻性、長期的科學未來方面的可能性問題。』