美国下马，日本拖延，杨振宁反对，中国要不要花300多亿干这事

29年前的1990年7月21日，海说神聊京正负电子对撞机正式经由过程国度验收。

那时新华社的报道是这样评价此项当作果的：这是中国继原枪弹、氢弹爆炸当作功，人造卫星上天后，在高科技范畴取得的又一重大冲破性当作就。

台湾地域《中国时报》1992年5月报道，阐发研究所得粒子对撞数据后，对重轻粒子的质量获得高度切确的测量，比国际现有成果切确5倍。“这是第一次完全由中国人自行获得的宿世界性研究成就。”

中国人仅仅花了极短的时候，就建当作了海说神聊京的正负电子对撞机，并在此后进行了一系列前沿研究。斯坦福加快器中间的帕诺夫斯基说：“中国的物理学家在已知粒子的测量方面方法先于西方，精确度要高于西方。”

为了加速步伐标的目的高能物理范畴的宿世界前沿挨近，中科院高能所于2012年大志勃勃地提出了在中国建造下一代粒子对撞机的打算，以加速对希格斯玻色子（即“天主粒子”）的摸索，该粒子可以诠释质量的存在，对理解宇宙很关头。

中国应不该该建下一代粒子对撞机？这一争论尚无公认谜底。环绕这个问题进行的大会商也经常见诸于媒体。

今天，库叔拔取了两篇对建造下一代粒子对撞机持分歧观点的文章，但愿大师对这个高精尖范畴能有更周全的领会。

文 |陈缮真意大利核物理研究院博士后研究员，欧洲核子研究中间（CERN）LHCb尝试当作员

编纂 | 李浩然瞭望智库

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2012年希格斯粒子被欧洲核子研究中间的研究人员发现后不久，科学家们立即意识到，其质量并没有之前一些理论预期的那么高。这也就意味着，对其进行直接研究的正负电子对撞机的建造难度，是现代人类工程程度可以达到的规模之内。这也让物理学家们看到了对希格斯粒子开展直接研究的但愿。

而中国的高能物理学界，在颠末了几十年的砥砺成长之后，逐渐摸清了达到这门学科研究最前沿的道路，也看到了在这个范畴引领国际潮水的但愿。加上曩昔几十年飞速成长的中国工程业与制造业加持，中科院高能所于2012年大志勃勃地提出了在中国建造下一代粒子对撞机CEPC（Circular Electron Positron Collider，环形正负电子对撞机）的打算。

或许良多人还不领会，曩昔几年里，中国高能物理学界有良多学者一向在默默地进行下一代粒子对撞机手艺的初期研究摸索工作。

他们将对撞机的研究拆分当作对撞机粒子注入与倾出、粒子束流、粒子聚焦、磁场、真空、节制等系统以及探测器的径迹识别、粒子辨别、能量测量系统等等数十个单位，别离交给分歧范畴的专家团队进行研究，项目土木匠程扶植方面的设计和估价则交给了专业土建公司。

这些专家团队的研究模拟当作果最终汇总当作两卷共900多页的《CEPC概念设计陈述（卷Ⅰ、卷Ⅱ）》，经全球知名专家学者介入的关于立异性与可行性的审议，已于2018年末标的目的全宿世界公开。

（图为《CEPC概念设计陈述》发布当日，CEPC团队、国际参谋委员会和《CEPC概念设计陈述》国际评审委员会部门当作员合影 图源：中科院高能物理研究所）

然而，在打算推出后的几年里，CEPC一向处于舆论漩涡中。此前，杨振宁师长教师在中国科学院大学的一次演讲中，再一次引爆了公家对于是否应该建造大型对撞机的大会商。

不少网友纷纷站队，表达了对某一不雅点的撑持或否决。

这些争论的核心是什么呢？

最本家儿要的是一个问题：花这么多钱扶植CEPC，到底值不值？

1

下一代粒子对撞机到底有什么用？

良多人不睬解的是，中国设计的环形正负电子对撞机（CEPC）比此刻已经运行的欧洲大型强子对撞机（LHC）能量要低，既然要做下一代粒子对撞机，为什么其能量反而不如已经存在的对撞机？

（图为位于欧洲核子研究中间的大型强子对撞机的粒子束流管道 图源：欧洲核子研究中间）

这是因为，LHC和中国设计的CEPC是两类对撞机，它们别离代表着高能物理学的“能量前沿”和“亮度前沿”，高能物理学这个范畴的摸索和研究，是能量前沿与亮度前沿瓜代上升的过程。

所谓“能量前沿”，就是操纵布局复杂的粒子，以更高的能量对撞来摸索未知未见的粒子或现象，是一个“鼎力出古迹”的过程。操纵LHC进行新物理的摸索，是一个在大量混乱的数据中筛选找出新粒子或者新现象的过程。

打个例如，LHC里的粒子就像满载各类杂物的货运火车，越高能量的粒子半斤八两于有越大容量的堆栈，从而有更高概率装进去一些罕见的工具。若是我们想知道堆栈里有什么，只能用一种“野蛮”的体例来探知，那就是将两列火车相撞，把堆栈撞碎看看里面有什么。

在大量散落的堆栈对撞物中，希格斯粒子就像是一盒冰淇淋。曩昔几年中，科学家们在强子对撞机的对撞产品中找到了良多新颖工具，此中就包罗了这盒冰淇淋，物理学家们已经找了它几十年，它的发现为下一步的亮度前沿尝试的设计指了然偏向。

在高能物理学尝试中，位于欧洲核子研究中间的LHC，位于美国费米尝试室的兆电子伏特加快器（Tevatron），以及在上个宿世纪九十年月初不幸流产了的超导超等对撞机（SSC）都属于这一类能量前沿的尝试装备。

而所谓“亮度前沿”，则是以“清洁”的粒子进行对撞，压低其他不关心的粒子或者现象发生的几率，从而对想要研究的粒子进行切确测量的过程。

这类亮度前沿的尝试凡是是用正负电子这一类只介入量子电动力学（QED）过程而不介入量子色动力学（QCD）过程的轻子在方针粒子的阈值能量处进行对撞，从而达到最高的纯净度和统计量，进而完当作对方针粒子各类性质的切确测量。

这个过程就像假如我们想研究一盒冰淇淋，那就直接从冰淇淋工场出产一盒。经由过程这样的过程获得的冰淇淋，比把它放进对撞的火车堆栈里，再从撞碎散落的零件中找到的冰淇淋要清洁得多。

凡是来说，高能物理学中的“某某工场”尝试，包罗日本高能加快器研究机构（KEK）的Belle尝试，美国斯坦福直线加快器中间（SLAC）的BaBar尝试，以及在规划中的“希格斯工场”和τ-粲工场等，都是亮度前沿的尝试。

（图为位于日本高能加快器研究机构的Belle尝试<左图>和位于美国斯坦福直线加快器中间的BaBar尝试<右图>）

CEPC以及欧洲规划中的FCC-ee都是希格斯工场，顾名思义，它们都是为了研究希格斯粒子的性质而规划设计的尝试。在本年初FCC-ee打算的《FCC概念设计陈述》发布时，人们发现它关头参数的设计与之前发布的CEPC的《CEPC概念设计陈述》中的关头参数“几乎一模一样”。

为何这样呢？是因为希格斯粒子被发现后，其阈值能量已经确定，对其进行切确测量的物理方针也已确定，而100公里标准的环形电子对撞机是最快捷、最有用也是最廉价的体例。

这一类对撞机中发生的希格斯粒子比在强子对撞机LHC中发生的要清洁太多，按照《CEPC概念设计陈述（卷II）》中的计较，CEPC发生的希格斯粒子的信噪比LHC好一亿倍，精度高十倍以上，对新物理敏感的能标高十倍。

CEPC的设计不仅能切确测量希格斯粒子，还可以将W，Z粒子的测量精度提高1-2数目级，而且还能用来进行电弱彼此感化，量子色动力学，顶夸克和重味物理相关问题的切确研究。

除此之外，CEPC所设计的能量区间还有潜质在希格斯粒子有用场论、希格斯粒子质量发源问题、希格斯势能性质、电弱相变过程、暗物质研究、惰性中微子、重味物理反常现象等范畴发现新物理。

现代粒子物理尺度模子固然惊艳，但还不完整，仍然有良多待心猿意马的参数，而且也存在着良多与尺度模子不符的尝试不雅测成果，并且尺度模子也只是在研究占宇宙5%的可见物质，剩下更多都仍属未知。

所以，对人类来说，摸索远未达彼岸，下一代粒子对撞机的投入运行会率领人类在标的目的未知范畴再迈进一步。

2

高能物理能给通俗公众带来什么？

今朝，宿世界列国粒子物理学家之间也在博弈，他们都但愿下一代粒子对撞机建在对本身有利的位置。若是二十年后，在新的亮度前沿尝试，或者进级后的LHC上发现了新物理迹象，物理学家们确认了建造下一代能量前沿的对撞机的需要性，那么新的能量前沿尝试就可以操纵届时现存的100公里的电子对撞机坑道，安设将来新的质子对撞机（SppC）。

固然SppC的命运将完全取决于将来二十年CEPC和进级后的LHC的物理产出，此刻会商SppC，仍然是在会商一个没有根本的扑朔迷离，但毋庸置疑，此刻在哪里建造新的环形正负电子对撞机，哪里就更轻易成长为将来宿世界对撞机物理的新中间。中国今朝也已介入到了这个游戏中来了，无疑标的目的外界展示了大国科技崛起的大志。

可是高能物理学的研究的投资这么贵，除了便于物理学家研究，能为通俗人带来什么？

关于这个问题，除了降生于高能物理学研究的互联网，其实还有良多例子，好比，更平安的核医学诊断，甚至更便利的手机体验。

良多核医学诊断仪器中城市用到光电倍增管作为诊疗旌旗灯号的领受元件，高机能的光电倍增管能使患者削减治疗过程中所受的辐射，使核医学诊断更平安，而中国关于高机能光电倍增管的研制，则少不了高能物理学行业的进献。

之前曾有一条新闻报道称，2019年4月26日，中国科学家在四川稻城亚丁扶植的高海拔宇宙线不雅测站（LHAASO）的科学不雅测正式启动。

十年前，在LHAASO还处于早期预研时，初入高能物理行业的笔者就曾介入了早期光电倍增管测试系统的搭建。高机能光电倍增管，是现代高能物理学粒子辨别系统中必不成少的主要元件，可以或许不变检测到单光子旌旗灯号。

昔时，笔者的教员曾说，这一个仅有十几厘米长的小元件，价钱就高达几万块，除了LHAASO需要的数千个，江门中微子尝试等高能物理学尝试也需要大量的光电倍增管。

为什么它可以卖得这么贵呢？

除了其紧密的设计之外，还因为，尽管全宿世界的高能物理学尝试都对这个元件有需求，那时却只有一家日本公司有手艺制造这样的高机能元件，所以日本可以垄断高机能光电倍增管的价钱。

（图为光电倍增管 图源：滨松中国）

也是在大约十年前，为了打破这种垄断，中科院高能所启动了新型光电倍增管的研究打算。由中科院高能所牵头，海说神聊方夜视公司和多家科研单元配合当作立了研究合作组，在前几年当作功研制出了机能不亚于日本企业产物的高机能光电倍增管，并当作功投产。

在这之后，国际上高机能光电倍增管的价钱一会儿降了一大截。这不仅仅造福了中国和宿世界其他国度的高能物理学尝试，还最终影响了核医学仪器的更新换代。

可见，高能物理学尝试仪器的出产手艺最终可以实现财产转移，并应用在平易近生范畴。

近似的例子还有良多，好比我国自立研发的首台1.5特斯拉液氦零挥发核磁共振当作像超导磁体，就是中科院高能所和企业为了海说神聊京正负电子对撞机尝试（BEPC）的超导探测器研发的，而它经财产转移之后当作为了影像医学中核磁共振当作像系统中最为主要元件。

再好比按照欧洲核子研究中间的记录，透明电容式触摸屏最初是欧洲核子研究中间的科学家为了SPS尝试节制室的节制系统而发现的，现现在已当作为每小我手机中必不成少的一部门。

CEPC的扶植不是投币即得的许愿机，而是无数组件从无到有，一件件开辟，一件件组装出来的。这也就注心猿意马了在CEPC这样一个极其复杂的仪器扶植过程中，必然有各类各样的难题亟待解决。

切实需求是手艺冲破的主要动力，为领会决尝试设计中碰到的问题，必然会顺带着有新的手艺立异发生，最终也会外溢到平易近生范畴，改善将来人类的糊口。

3

中国能承担得起CEPC这样的大科学装配吗？

说完了大型对撞机的产出，我们来说说中国能不克不及承担得起这样一个引领宿世界的大科学装配。

扶植大型对撞机贵吗？贵。可是这些钱放在一个拥有约14亿生齿、GDP排名全球第二的大国的科研经费里真的多吗？这就需要用数据措辞了。

在物理学家完当作所有原件的初步设计和调研之后，在2018年发布的《CEPC概念设计陈述（卷I）》中，CEPC总体造价最终被锁心猿意马在了约60亿瑞士法郎摆布，即大约360亿人平易近币。

按照《CEPC概念设计陈述（卷I）》的打算，CEPC的建造应大约在2022年至2030年之间完当作，360亿人平易近币的资金将会在大约十年的扶植工期中被投入到CEPC的扶植项目中。

届时，作为国际上最高亮度的希格斯工场，势必会吸引宿世界列国的科学家来华进行研究，因而国际研究资金也会是CEPC项目标主要来历。高能所打算将国际资金的比例节制在30%摆布，因而中国每年对CEPC的投入应在30亿人平易近币摆布。

但无论怎么说，每年30亿人平易近币的投资价仍然看起來像是一个天文数字。那么，这么多钱在我国的科研项目里占多大比重呢？国度每年对CEPC的投入是否会挤压此外学科的经费呢？

按照科技部2019年4月发布的《我国 R&D 经费投入特征阐发》，我国2017年根本研究经费总量为975.5亿元。若是根本研究经费按照2017年程度维持不变十几年，那么在CEPC扶植工程期内，CEPC每年大约会用失落3%的国度根本研究经费。

而这些经费放在我国总体研发投入和GDP总量中则显得更低。

同样按照《我国 R&D 经费投入特征阐发》中的数据，我国2017年R&D（研发）经费总量达17606.1亿元，由此可以算出，我国根本研究经费的比重仅占研发经费的5.5%。

《中国科研经费陈述（2018）》对中国与宿世界本家儿要发财国度研发经费类型进行了阐发，中国研发经费中的科学研究部门，尤其是根本研究经费，今朝投入仍较着不足，远不及发财国度的一半。

（图为中国与宿世界本家儿要发财国度研发经费类型比力 图源：《中国科研经费陈述（2018）》）

中国一年17606.1亿元的总体研发投入又占GDP总量的几多呢？

《我国 R&D 经费投入特征阐发》给出了数据：2.15%。按照结合国教科文组织的数据，作为拥有14亿生齿的大国，中国的科研经费投入总量固然已跃居宿世界第二，可是科研人员占比以及科研经费占GDP的比重仍远远掉队于美国、德国、日本等发财国度，更是连韩国和以色列占比的一半都不到。

（图为宿世界列国科研经费投入总量、科研人员占比以及科研经费占GDP的比重的比力图，图中横轴为科研经费占GDP的比重，纵轴为科研人员占比，图中圆圈的巨细暗示科研经费投入总量。中国的数据是此图中手下侧的最大红色圆圈，可见科研人员占比以及科研经费占比均较低。图源：结合国教科文组织）

是以，今朝中国每年的研发经费占GDP的比重，以及根本研究经费占总体研发经费中的比重都较着过低。

（图为我国2017年研发经费<左图黄色区域>占GDP的比重，以及根本研究经费<右图灰色区域>占研发经费的比重。若是CEPC打算启动，而国度GDP在将来十数年内维持在2017年程度和比例不变的话，那么CEPC项目每年所需要的国内资金将会占中国一年的根本研究经费<右图灰色区域>的3%摆布)

十九大陈述指出，我国要“加速扶植立异型国度”，“要对准宿世界科技前沿，强化根本研究，实现前瞻性根本研究、引领性原创当作果重大冲破。”2018年，国务院印发的《国务院关于周全增强根本科学研究的若干定见》指出，我国将来对于根本科学研究会“加大中心财务对根本研究的不变撑持力度，构建根本研究多元化投入机制，指导鼓动勉励处所、企业和社会力量增添根本研究投入。”

可见，国度对于根本研究的投入已愈发正视，我国将来的根本科学研究投入和总体研发投入的力度会逐年加强。

而对于根本研究经费将来增添的部门，国度天然不会在科研项目总量不变的环境下使每个项目标经费膨胀，而是会增添投资一些新的优质科研项目。除了CEPC，其它学科天然可以提出本身学科的新科研项目，CEPC将和其他学科一路，在将来助力我国根本研究的成长。

欧洲将来十几年仍会注重于LHC的进级，于是，汗青留给了中国高能物理行业一个机缘期。

关于中国是否应该引领建造下一代粒子对撞机的会商可以继续，这样的投资事实值不值或许每小我的心里也都有本身的观点。

可是，这些都不会影响到中国科研工作者们对助力将来中国根本科学成长的热忱，相信中国的高能物理学在将来的成长中必然会守得云开见月明。

延长阅读：

“中国不该建大加快器”——葛墨林院士答科技日报记者问

文|高博

本文转载自微信公家号“科技日报”（ID：kjrbwx），原文首发于2019年6月5日，不代表瞭望智库不雅点。

中国应不该该建大加快器？这一争论尚无公认谜底。加快器即用电磁场驱动带电粒子，使之累积能量后迎头对撞，研究碎片产品，以寻找新的粒子。中科院高能物理所提出成立宿世界最大的加快器CEPC。两位物理学家王贻芳和杨振宁别离撑持和否决这一设想。

比来，中科院院士、南开大学物理学传授葛墨林对科技日报记者暗示：他撑持杨振宁，不附和扶植大加快器。

问：您为什么分歧意建大加快器？

答：此刻高能物理学的最大坚苦还不在于造超高能新的加快器，而是没有公认冲破尺度模子的靠得住新理论，从而有切当查验的预言，也就是说，底子不知道做什么极新的物理。上宿世纪中期起头，量子场论（尤其规范场）和夸克模子逐渐成长起尺度模子，尝试发现预言的渐进自由、Z、W粒子等，是很大当作功。厥后，除了中微子理论、尝试外，就没有太大理论立异。1970年月到此刻，固然有人提出良多超越尺度模子的理论，但没有哪个像尺度模子提出的物理那么清晰。

高能物剃头展到此刻，具有工程特点：理论上必然要出格清晰：要找什么？估计是什么样子？不然不值得投钱。

大型强子对撞机（LHC）就明白要找希格斯粒子。验证希格斯粒子后，LHC根基使命完当作，遗留大量数据继续阐发处置。但它已经花了上百亿欧元，很想继续做下去，包罗标的目的更高能量成长。

受其鼓舞，日本想开国际超高能直线对撞机中间（ILC）。但日本当局刚颁布发表砍失落了这个项目。原因很简单：不知道做什么物理，破费庞大，不值得。

问：超弦理论不克不及去测吗？

答：超弦理论在思维上有开导，但它缺乏现实物理后果，没提出良多深奥无极的工具。我记得，弗里曼·戴森（美国物理学家）15年前来南开，跟我说过，50年之内底子不成能去测量的工具，不要去搞。有人提出造大加快器去查验宇宙初期的奇点，这是我无法理解的。

问：有定见指出，美国昔时下马超等加快器项目SSC，使物理研究中间转移到了欧洲。您怎么看？

答：在今世，高能物理已不是物理存眷的重点，更谈不上“中间”。美国20多年前砍失落了SSC，我认为不是傻。美国撑持的项目花钱不多，但撑持奇思妙想，巧中取胜，切中物剃头展的焦点，也出了良多诺贝尔奖。LHC花了那么多钱，也只是验证了Higgs几十年前写的两三篇文章，为Higgs拿了一个诺奖。

CEPC的造价，我听到的数字：一起头提的是300亿元。但这个数字不包罗基建。挖那样大直径、那样深的一个地道，单元当作本高过地铁，可想这笔数量小不了。

当初美国为什么把SSC已经挖好的一部门洞都填上，就是怕不竭加码垂钓——“钱已经花了，不继续花也不可。”那时已投入20亿美元，决然下马，这是准确的。另一方面，后来美国在他们鼎力撑持的范畴，收成极大。

有报道称一些国外学者积极撑持CEPC，我建议他们起首该当说服他们的当局出资插手这个方案。

问：CEPC的撑持者指出不存在资金无底洞，一个来由是国内关头手艺比力当作熟，并且人员项目经验丰硕。

答：我们的手艺和人才实力，与欧洲还无法比拟。好比加快器的焦点手艺是强磁场，LHC能建当作，因为欧洲有磁场手艺。而我的领会是，中国的超导磁场手艺做不出用于这种加快器的强磁场，甚至连精确测量强磁场也做不到。造出CEPC需要的强磁场，还需要有理论上、材料的冲破，并不轻易。

我国在单、双环对撞机分支有些人才，距LHC要求甚远。而在LHC工作的多为数据阐发人才。中微子尝试离此方针也甚远。

问：经由过程CEPC带动关头手艺冲破，这也是一种效益吧？

答：与其说加快器带动手艺冲破，不如说它是将现有的手艺用上。我认为，若是国度感觉强磁场手艺有效，那就给强磁场课题，没需要扯上高能物理。

此刻国度急需做的事良多。核废料处置需要造加快器；散裂中子源已列宿世界四大尝试室之一，厥后续需鼎力撑持，才能测量轮机叶片材料；再如各类光源；再如我国半导体器件掉队，源于根本太差。但此刻，我国物理所已有MRAM（磁阻内存）下一代器件的专利，若是手艺转移当作功，将可能底子改变行业面孔，但我没看到有人呼吁标的目的这个关头偏向投资。

问：不建大加快器的话，我们靠什么发现高能量区的物理？

答：探测宇宙射线。高能粒子发现汗青上，宇宙射线起了很高文用。

王淦昌师长教师在1990年月跟我说过，靠加快器要发现TeV级的粒子，几乎不成能。可是TeV级的宇宙射线，固然不知道原因，老是会来的。我们要成长宇宙射线，花钱不多，耐烦积攒数据，到必然水平就有主要发现。

我赞成王师长教师的不雅点。可惜我们国度对宇宙射线不敷正视，因为加快器三、五年能做出来当作果，而宇宙射线或许要堆集十年甚至更长时候。

问：探测宇宙射线更有前途，这有什么证据吗？

答：好比中科院2015年年末上天的“悟空”卫星，不久前发现一个1.4TeV摆布的突起旌旗灯号，可能是新粒子的迹象。“悟空”这样的探测项目也就花几个亿，还搭载不止一种探测器。

在此前，美国花1000多万美元在南极放气球，我国粹者经由过程数据阐发发现了以前没发现的高能粒子的迹象，固然误差比力大；受此开导，欧洲、美国后来也证实稀有据突起。有人猜它可能会冲破尺度模子。这可能是对王淦昌师长教师预见的撑持吧。