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中科院高能物理所长王贻芳:中国建造大型对撞机恰逢其时

2016-9-5不详佚名
力的物质科学及相关技术的顶尖人才,怎么不是燃眉之急,当务之急?

事实上,中国政府和普通民众给全世界人民的感觉是很有钱,也很现实。一个大国,没有对人类文明的贡献,大概很难说话响亮,有软实力和影响力。这也反过来影响了中国在世界上获取利益。从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价(即使包括SPPC)并没有超过上世纪80年代的北京正负电子对撞机,也低于国际上的LEP、LHC、SSC、ILC等各类已完成的和计划中的设施。

在下一个五年计划开建大型对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。首先新发现的希格斯粒子质量很低,使我们有可能提出环形正负电子对撞机这个方案来研究它,而且这个环形对撞机还有机会改造成质子对撞机,有长达50年以上的科学寿命;其次,欧洲、美国和日本手头都有项目,20年之内很难腾出手来,我们的竞争环境相对较好;第三,我们有北京正负电子对撞机的经验,刚好这个机会是我们的长项,有技术和人员队伍的积累。这个机遇期的时间窗口只有10年,失去这个机会,下一次就不知道是什么时候了。同时我们有极好的大型地下工程施工经验,中国的经济仍处于高速发展期,也处于转型期,有建设能力和科学需求。因此大型对撞机是一个各方面都合适的项目。

(三)杨先生反对的第三点理由是建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费。

中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%,国际上发达国家一般是15%。我们是发展中国家向发达国家迈进,同时又是一个大国,我认为应该逐步增加到10%,直至最后向15%迈进。所以从数字看,基础研究经费还有巨大的增长空间(大约每年1000亿人民币以上),不存在挤压其他基础科学研究经费的情况。

另一方面,增加的经费应该向哪个方面投呢?大家都知道我国的基础科学研究经费中有相当大的一个比重是用来购买仪器,而且主要是外国仪器。所以如果我们突然平均地增加基础研究经费,或向某些领域倾斜,估计会大大拉动美欧日的GDP。而如果我们花10年的时间投入300亿建造加速器,90%以上的钱会花在国内,会推动国内企业的技术进步和市场占有率,会培养成千上万的有能力自己设计与建造设备的科学家和工程师,这将大大推动我国科学仪器设备的发展,同时也会推动其它领域的发展。事实上这个投入也没有大大改变各领域的投资比例,从长期来看,是使各领域的比例与国际上基本一致(目前国内粒子物理、核物理比例严重偏低是一个事实)。国家现在提出发起和领导国际大科学工程和计划,CEPC就是一个极好的候选项目。这与发展其它基础科学也不矛盾。

(四)杨先生反对的第四点理由是高能物理学家想寻找的“超对称粒子”和“量子引力化”都未被发现,未来希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。

建造大型对撞机的科学目标自然不是杨先生所说的那样。在我亲手交给杨先生的《CEPC初步概念设计报告》(英文)【1】中,我们清楚地描述了科学目标。简言之,粒子物理目前的标准模型只是一个在低能情形下的有效理论,需要继续发展更深层次的理论,虽然现在已有一些超出该模型的实验证据,但需要更多的实验证据指明未来的发展方向。目前已知的标准模型中的问题,大部分与希格斯粒子有关,因此更深层次的新物理应该会从希格斯粒子处露出蛛丝马迹。CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,比LHC好10倍,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。同时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。因此,无论LHC是否发现新物理,CEPC都是需要的,这是粒子物理发展中跳不过去的一步。

如果有新的希格斯粒子耦合形式,新的伴随粒子,非点结构的希格斯粒子,或其它与标准模型的偏差,我们可以进行第二阶段,建造大型质子对撞机,直接寻找造成偏差的原因。这个原因当然可能是超对称粒子,也可能是其他粒子。对我们实验物理学家来说,我们会关心理论物理学家的预言,但绝不会依赖他们。现在就预言对撞机会发现或不会发现猜想中的粒子,有点过于武断了,这也不是国际高能物理学界的主流意见。

(五)杨先生反对的第五点理由是七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也不会有好处。

七十年来,高能物理有许多成绩,其发展出来的技术与人类生活息息相关。没有高能物理,就没有同步辐射光源(发展自正负电子环形对撞机)、自由电子激光(发展自正负电子直线对撞机)和散裂中子源等装置,我们现在的许多生物、地质、环境、材料、凝聚态等方面的进步就无从谈起。没有高能物理,今天在医院里的很多检查与治疗(MRI,PET,癌症的放射性治疗等)就不会存在,或者不会那么先进,或者会推迟出现,许多人的生命会被缩短,生活质量会被降低。没有高能物理,就没有(或者推迟出现)触摸屏,智能手机就是一个梦想;没有高能物理,就没有WWW网页,大家就不能上网,网络经济更是无从谈起。人类从WWW网页中得到的收益,已远远大于此前对高能物理的全部投入。

中国建大加速器对我们有什么实际的好处呢?第一阶段300亿人民币的投入(2022年起,每年30亿),至少使我们可以在以下技术方面实现国产化,并领先国际:

a) 高性能超导高频腔(应用于几乎所有的加速器

b) 高效率、大功率微波功率源(也可应用于雷达、广播、通讯、加速器等)

c) 大型低温制冷机(也可应用于科研设施、火箭发动机、医疗设备等)

d) 高速、抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等

同时我们还可以在精密机械、微波、真空、自动控制、数据获取与处理,计算机与网络通讯等技术方面领先国际,可以培养上千名顶尖的物理学家和工程师,引进上千名国际顶尖的科学家和工程师,形成一个国际化的科学中心。如果有第二阶段,2040年起每年70亿人民币的投入,可以带动高温超导材料、超导磁体等应用技术的实用化,并国际领先。这个产业的规模大概远远超过700亿人民币。除此之外,也许还有出人意料的新发现、新技术。至于高能物理科学发现的直接应用,目前我们无法预料,但这已经不重要了。对物质结构和基本粒子的研究,其重要性怎么强调都不为过。中国人可以嘲笑古希腊人及后来的欧洲人研究原子、天体运行规律、量子力学、希格斯粒子没有用,但最后吃苦头的还是自己。

(六)杨先生反对的第六点理由是高能所三十年来的成就不高,超大对撞机90%的工作将由非中国人来主导,诺贝尔奖也不会是中国人。

高能所从建立到现在已有四十多年,其发展主要还是最近三十多年,从建立北京正负电子对撞机开始。国家对高能所在高能物理研究方面(高能所还有天体物理、多学科及应用研究)的投入,除人员建筑、实验室及设备、研究经费之外,主要科学设施是北京正负电子对撞机(2.4亿元,1984年),北京正负电子对撞机重大改造工程(6.4亿,2004年),和大亚湾中微子实验(1.7亿,2007年)等,一共约10亿元人民币(当然1984年的2.4亿还是很多的)。与国内其它领域相比,比如杨先生提到的生物、凝聚态、天文物理等,无论是总数还是人均,都绝对不算多。这些投入取得的成果、各种国内外奖励,这里不一一列举,与国内其它领域相比,绝对不少。这点投资,与国际上比,差好几个数量级;但取得的成果,还是可以跟他们比肩的,至少我们现在是国际高能物理领域四大实验室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)。

我们中国的科学家2012年

本文来源:不详 作者:佚名

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