一线科学家谈大型对撞机：需要造、应该造、尽快造 | 科学人
编者按
最近，围绕着“中国是否应该在当前上马大型对撞机项目”这一话题，众多理论物理学界知名的科学家展开了一场针锋相对的激烈辩论。讨论的内容从项目的科学目标，到经费预算，到对其他学科的影响，直至可能产生的社会综合效益。科学人也收到了三位来自一线不同科研机构科学家的投稿，希望通过自己的声音，让公众对高能物理和大型对撞机项目有更加深入的了解。
论战仍在继续。围绕科学，每一次公开公正的论战都对学科的进步、项目的决策、环境的培养，乃至科学的传播大有裨益。科学人欢迎不同的声音，期待更多有关科学的“对撞”。
舒菁，中国科学院理论物理所研究员，从事粒子物理理论、唯象学、粒子宇宙学研究。
什么是科学？
在我看来，基础科学就是人类探索真理，用我们可用的手段认识世界的过程。 它有什么用？我们对自然世界认识的深刻程度决定了未来我们改造世界的潜力和高度。在百年前作为物理学最前沿的量子力学也没有什么“用”， 而它现在几乎是所有高科技的基础。另一方面，我们用来认识世界的手段，也就是实验技术，极大推进了科技的发展。我们追求对自然界更进一步的理解，在这个追求认识极限的过程中，用到的都是最高精尖的技术，尤其是高能物理实验。之所以一开始要讲这件看上去有点形而上的事情，是因为有些时候在中国公众对“科学”和“科技”这两个词产生混淆。科学，尤其是基础科学，最重要的是追求真理的过程，而不是仅仅为了高影响因子论文、拿诺贝尔奖，也不是为了明天的产业化。
那么，具体到高能物理学，它是干什么的呢？通俗一点讲“高能”意味着了解最微观尺度的物理，包括有哪些基本粒子，以及它们之间怎么相互联系作用。做理论研究的科学家发展基本理论方法，构造模型，模拟实验可能的结果，有时候也提出新的实验探测方案；做实验研究的科学家建造科学仪器，建造好了以后接收信号数据，分析数据，期望最终能找到数据背后可能暗含的理论物理规律。由于最微观尺度的物理有时候和最宏观尺度的宇宙演化有着紧密的联系，所以很多高能物理学家也做宇宙学研究。
我赞成在当前建设未来中国的大型正负电子对撞机
为什么？因为物理学是一门实验性科学。除了极其少数的例子外，理论物理学家都需要新的实验提示来正确认识世界的规律。没有实验作为基础的理论大多数情况下只是一个假设猜想。有些人反对发展高能物理，甚至说高能物理吹捧超对称等等是骗子，是伪科学。但理论物理学研究能做的就是大胆假设和猜想，尊重实验数据，最终检验假设和猜想的理论，在认识自然的道路上去伪存真。所以，对于高能物理学来说，未来的发展取决于实验的进一步发展，实验才是真正的瓶颈。对此，绝大多数理论物理学家也持同样的观点。
其次，在中国建设大型对撞机将大大提高中国在国际高能物理学界的领导力。有种观点认为，欧洲建设大型强子对撞机是失败的例子，我们不该重蹈覆辙。而事实恰恰相反，欧洲建设大型强子对撞机取得了极大的成功——在极大地促进了欧洲高能物理学发展的同时，还将高能物理学的领导权从美国引到了欧洲。
欧洲大型强子对撞机的建设极大地改变了人才流动的方向。它提供了更便利的科学条件和更丰富的科学资源，吸引了大批在美国做得非常不错的一线年轻的欧洲科研工作者重回欧洲，并取得了更大的科学成就。现在，有不少美国一流大学著名的教授也加入了这一行列，将研究工作转移至欧洲，利用自己的世界影响力领导和发展了欧洲的研究机构，也为欧洲培养了大批不错的高能物理学家。
对于这一点，我相信，未来中国的大型对撞机对吸引高能物理相关方向高端人才回流也将起到决定性的帮助。在我认识的众多教授当中，就有不少人表露过在中国建设大型对撞机后来华工作的兴趣。
欧洲大型强子对撞机的建设还带动了欧洲高能物理专业期刊的发展。十几年前，在我读本科的时候，大多数文章的投稿都会选择美国物理学会的Physics Review D系列。欧洲的杂志一般都不是首选。现在，欧洲与PhysicsReview D同级别的杂志数不胜数，不论是核心杂志的数量，还是影响因子都得到了大幅提高。
欧洲大型强子对撞机（LHC）图片来源：quantumgrid.com
大型对撞机背后的科学问题 和它的目标
国内高能物理学界未来的大型对撞机实验是分两步走的方案。第一步，正负环形电子对撞机(CEPC)——希格斯粒子工厂，目标明确、技术成熟，项目的确立毫无疑问将极大促进高能物理对撞机实验的发展，为未来高能物理其他领域和相关交叉学科的蓬勃发展奠定基础。而第二步远景规划的大型质子对撞机（SPPC）的实施是有条件的——只有在科学目标合适而且技术成熟的条件下才会考虑。项目的预算都经过了周密的研究，我们现在希望讨论立项的是大型电子对撞机（CEPC）花费400亿人民币，考虑国际出资300亿。
CEPC的科学目标是非常明确的，不是为了建更大的对撞机，不是寻找超对称粒子，也不是什么量子引力，而是一个希格斯粒子工厂。通俗的讲就是产生很多希格斯粒子并精确测量它的性质。因为希格斯粒子是最重要的基本粒子（没有之一），了解它的性质，对提高很多基本的重大科学问题的认识都会有极大的帮助。
同时，CEPC这样百亿量级的大规模科学中心，将带动国际和国内大量的学术交流访问活动。频繁的学术活动将大大提高国内的科研氛围，尤其会给大量年轻的科研工作者提供便利的机会与国际一流科学家切磋学习，也为战斗在一线的科研工作者搭建了顶尖水平的国际交流合作平台。这些，对青年人才的成长都有不可估量的作用。而他们，则寄托着未来中国高能物理学科的发展与成就。
廖玮，华东理工大学理学院教授
我认为，中国应该建造先进的大型对撞机。在技术风险可控以及财力允许的情况下，我们建造的大型对撞机，不论是现在规划的环形正负电子对撞机（CEPC），还是将来的强子对撞机（SPPC），都应该具有更高的能量、更长的周长。简单地说，既然要在某高科技领域投入巨资，我国就一定要在这个领域牢牢占据领先地位。而我想在本文中探讨的，是关于大型对撞机这类大型基础科学工程的社会效益的问题。
近的例子，有中科院高能物理所江门中微子实验组联合北方夜视集团等相关单位研发制造的20吋光电倍增管。它打破了日本人在该制造领域的垄断，提升了国内企业在超大型电真空管方面的研制和批量生产的能力，成为产学研相结合的典范。往远一点说，美国费米实验室的超导对撞机（Tevatron）实验和欧洲大型强子对撞机（LHC）实验对超导磁体的需求分别驱动了美国和欧洲的超导线材产业的发展，为其后医用超导器材的发展奠定了基础。往大的说，为分析高能对撞机实验中产生的海量数据，物理学家、计算专家和工程师们需要不断研发和革新所使用的计算技术、存储技术、数据通信技术和数据共享技术。高能物理学家对数据共享的需求在上世纪80年代驱动欧洲核子物理中心的工程师发明了万维网技术，产生了难以估量的经济效益，最终造福于全人类。1994年，中科院高能物理所为了与世界各地同行实现信息和数据共享，建立了中国第一个互联网络中心，成为了中国互联网的诞生地（对此议题有兴趣的读者可参考对欧洲核子物理中心社会效益的分析http://arxiv.org/abs/1603.00886）。因此我们完全有理由相信，在中国建造一个先进的大型对撞机将可以极大地促进我国科研装备产业的发展，提高我国科研装备的自给率，推动中国的相关高端制造业的发展，为我国的产业升级与人民生活水平的提高贡献一份力量。所以很明显，投入适量的资金开展大型基础科学研究与提高人民生活的目标并不矛盾。
美国费米国家实验室。图片来源：维基百科
但是这些有形的社会效益还不足以让我们认识到大型对撞机实验这类大型基础科学项目的重要社会效益。今天的中国虽然还没有完全达到发达国家的发展水平，但也基本消灭了贫困。比起30年前，人民的生活水平已经有了根本的改观。在新的物质条件下，怎么样才能让中国人生活得有价值，生活得有意义？这是摆在当代中国人面前的重要问题。
发展科学、艺术和文化的氛围与环境，满足人类本能的好奇心，为人们提供发展自身兴趣和爱好的机会，是使中国人活得有价值，活得有意义，活得不无聊的关键手段。毫无疑问，那些可以让人将毕生的热情和精力都投入其中的科学事业能够不断激发人们的创新精神，激发人们兢兢业业干事业的工匠精神，不断提高和回应人们对精神生活的更高追求。同时，这样的事业也可以让我们摆脱现在数文章找成果但却没有多少成果的怪圈，让科学家和科研管理人员做到互相信任，让大家都能以百分之百的精力投入到热爱的事业当中。
建设先进的大型对撞机并开展相关的实验就是这样一个能够让数以万计的物理学家以其毕生生命不计成败地献身于其中的事业。这样的事业必将吸引全世界聪明的头脑汇聚于中国，改善我们的科研环境，乃至我们的科学教育，源源不断地为我国培养出精神饱满、富于激情和创造力的海量人才，造福于中国和世界人民。
这样的事业毫无疑问也可以振奋中国人的精神。1988年邓小平先生在视察北京正负电子对撞机工程时发表了题为《中国必须在世界高科技领域占有一席之地》的讲话。他说：“过去也好，今天也好，将来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。……这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志”。邓小平先生以他的巨大魄力推动了北京正负电子对撞机工程的开展，以其行动回答了在那个时代如何振奋科研人员以及民众的精神和信心。今天我们又将如何回答这一问题是对当代中国人的一个考验。我相信，在今天的物质条件下，邓小平先生一定会说“中国必须在世界高科技领域占据领先地位”。
建设先进的大型对撞机并成功开展相关实验，为当代中国科学站在世界之巅、为当代中国科研人员追求和实现人生的梦想，提供了绝好的机遇。我们应该鼓励开展这样的研究项目，并鼓励更多的研究领域提出更多具有世界领先水准的研究计划，共同促进我国科学事业的发展。
韩涛，美国匹兹堡大学物理天文系教授，粒子物理－天体物理－宇宙学中心主任；清华大学物理系教授，长期从事高能物理理论和对撞机物理的研究。曾亲历美国超导超级对撞机（SSC）的兴衰，至今仍参与国际上高能物理的前沿研究。
1990年，我以题为“超级对撞机中希格斯粒子的研究”的论文拿到博士学位。当时正值美国高能物理的辉煌时代：费米实验室的超导对撞机（Tevatron）正在运行，主要目标是寻找顶夸克（top quark，1995年确认发现）。SSC的物理和工程建设讨论如火如荼。每年夏天，全世界上千名科学家和工程技术人员云集美国科罗拉多的山城（Snowmass），开展一个月的强化讨论，学术气氛之热烈正如科学的春天。为此，美国从基础物理科学，到工程技术的发展，到下一代科技人员、学生的培养，均受益匪浅！1993年10月，美国国会宣布终止SSC计划（最主要是政治原因，此不复述，参见温伯格的相关文章）。1994年12月，欧洲核子研究中心（CERN）正式批准了大型强子对撞机（LHC）的建造，此后高能物理研究的中心从美国移到欧洲。20多年后，大型强子对撞机于2012年发现了希格斯粒子，解释了基本粒子的质量起源这一个古老问题，把人类对自然界的探索深入到了约10-9纳米的尺度。反观超导超级对撞机所在地德克萨斯州的爱丽丝乡，自计划终止之后再没什么起色，已建成的22.5公里的地下隧道仍被抛弃在那里无人问津。克林顿总统在签署终止超导超级对撞机文件时明确指出，这将是美国科学界的严重损失（“serious loss”）。SSC的黯然和LHC的辉煌有目共睹，无可争议。而在这20多年中，大型强子对撞机极大地带动了日内瓦周边的科学教育事业，工业的发展（发明万维网、超导体应用、低温技术应用、快速电子学），以及城市建设（地铁公交网）。用美国取消SSC作为阻止中国大型对撞机的理由，实属本末倒置。
荒废的美国超导超级对撞机（SSC）实验室。图片来源：sobify.com
对奇妙的自然界的好奇心，以及对变化万千的自然现象的观察和想像，驱使着人类去探索自然界的规律及其背后的基本原理。这就是基础科学，并不以有没有实际应用为初衷。回头看，无数工业的发展，社会的进步及造福人类的事业，无不来自于基础科学研究成果。一百年前，爱因斯坦创立了广义相对论理论。如果没有这个理论的精确计算，GPS就找不到你要去的地址。神奇的、甚至违反直觉的量子力学才使得电视机，计算机和智能手机进入家庭。为了处理大型对撞机（例如LHC）搜集的大量数据，我们天天离不开的万维网才在欧洲核子研究中心CERN应运而出。基础科学研究的真谛，是探索和理解自然界。我们希望建立起理论，来描述自然界的基本规律，但绝不是由证明或证伪一个特殊的理论构想（比如“超对称理论”等）来决定我们的动力。就像我们探索宇宙空间，并不是只去找有没有太阳系第九行星。
自从九十年代北京正负电子对撞机运行以来，经历了近三十年的努力，中国的实验高能物理研究从无到有，已经达到了举世瞻目的高度。有很多科研成果为国际所认可，并获得国际奖项。中国新一代的高能物理学家有知识、有勇气来承担大型国际项目。在此基础上，又有众多国际顶尖物理学家的积极支持，考虑兴建大型对撞机的时机已经成熟。大型对撞机的第一步希格斯工厂——就像世界上的诸多基本粒子工厂一样——高能物理届是会建造的；中国不建，别国也会的。重要的是，我们只有一个时间不长的机会：美国由于种种原因（主要是政治政策上的）还没有进入状态来认真考虑未来的大型对撞机；CERN忙于全力运行目前世界上仅有的大型强子对撞机（LHC），十年内腾不出手准备下一代的大型对撞机。时间上看，这是中国的高能物理研究赶超世界的绝好机遇。
五中全会通过的“十三五”规划建议有段令人鼓舞的话：“……实施一批国家重大科技项目，在重大创新领域组建一批国家实验室，积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程。”建设大型对撞机正符合这一宏伟目标。中国人民一贯以我们祖先的四大发明为荣，当下对大型对撞机以及其他大科学装置的预研、建设与投入正符合我国中华民族伟大复兴的主旋律。
（编辑：水白羊、吴欧；排版：Sol_阳阳 ）
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