他主持建設了中國第一臺電子對撞機,現在中國將建全球最大對撞機

我們的世界由一些基本粒子組成。加速器、對撞機是現在科學家研究粒子最常用的工具——用高速的粒子撞擊原子核或粒子,通過分析撞擊的結果來研究物質的本源。2013年,諾貝爾物理學獎頒給了對"上帝粒子"希格斯玻色子做出預測的科學家,而他們所使用的主要工具就是歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)。

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《我是科學家》視頻截圖

隨著研究的深入,科學家需要更高的對撞能量。2012年,我國科學家提出了建造大型環形正負電子對撞機(CEPC)。2018年11月14日,CEPC《概念設計報告》正式發佈。今年3月,中國科學院院士、中科院高能物理所所長王貽芳表示,按照激進的計劃,CEPC將於2022年開始建設,2030年完成。建成後,CEPC周長將達到100公里,它將成為全球最大、能量最高的對撞機。

提出類似計劃的還有歐洲核子中心,計劃在2050年完成超級對撞機,毫無疑問,我國高能粒子加速器正逐漸躋身世界前列。這些成就的取得,有一個人為起到了非常關鍵的作用,他是我國著名加速器物理學家、中國科學院院士,粒子加速器事業的開拓者和奠基人之一——謝家麟。

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謝家麟

從小最愛無線電

1920年8月8日,謝家麟出生於哈爾濱。謝家麟的父親是哈爾濱有名的律師,在詩詞書法等方面頗有造詣,與李大釗是同學,還與收藏家張伯駒等在同一詩社參加活動。受父親的影響,謝家麟對文學也頗為愛好。

長大後,謝家麟保留著詩詞、小說、音樂等眾多愛好。他說:"人應該有廣泛的興趣,世界上有那麼多美好的東西,你一點不知道是很遺憾的。"

當然,謝家麟最熱衷還是無線電。上中學後,他的課餘時間大部分都在擺弄無線電,從礦石機到單管機、雙管機,從低頻到高頻,在提高收音機性能的過程中,謝家麟獲得極大滿足。1937年,盧溝橋事變後,他自制的收音機成為全家瞭解戰事的唯一渠道。

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1939年,謝家麟(後排左一)與父母及諸妹合影

1938年,謝家麟以名列前茅的成績被保送到燕京大學物理系。畢業後,謝家麟進入中央無線電器材廠研究室工作。雖然當時兵荒馬亂,但謝家麟作對工作的投入仍然痴迷的程度。結婚旅行時,他還隨身帶了半箱研製高溫真空電爐用的滑石。

一心燒煉人笑痴,

滿箱密件是頑石。

春風蜜月誰為伍,

火炭風箱度亂時。

——謝家麟

1947年8月,謝家麟登上前往美國的輪船。他在著名的加州理工學院學習,當時物理系就有兩名諾獎得主。僅用了9個月,謝家麟就獲得了碩士學位。由於對微波物理技術更感興趣,他便想轉學到斯坦福大學繼續學習。

轉學需要推薦信,謝家麟找到了加州理工學院校長、諾獎得主密立根教授。密立根在推薦信中稱,謝家麟是他教過的僅次於袁家騮(兩獲美國科技大獎的世界著名物理學家)的優秀中國學生。

在斯坦福大學物理系,謝家麟嶄露出過人的才華,曾連續兩年綜合考試,排名第一。

留學美國期間,謝家麟除了上課學習知識外,還用了相當多的時間訓練動手能力。他考慮到,自己動手不僅能瞭解有關理論知識,還能弄明白如何實現它,特別是回國後,脫離了美國實驗室環境,更需要有動手能力。

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謝家麟1951年6月在斯坦福大學獲得博士學位證書

後來,謝家麟常常將自己的成功歸結為樂於動手。

回國受阻,在美完成世界第一臺醫用加速器

1951年9月,謝家麟學成歸國。但船行至美國夏威夷,謝家麟等多名中國留學生被禁止離開美國,理由是美國政府禁止交戰國學習科技專業的學生離境。

無法回國的謝家麟,在俄勒岡州立大學執教了一年後,回到斯坦福大學的微波與物理實驗室,擔任助教。

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1950年,謝家麟(前排右一)在斯坦福大學微波與高能物理實驗室1GeV電子直線加速器控制檯前留影

半年後,他被實驗室派到芝加哥麥卡瑞斯醫學中心,負責研製世界上第一個使用高能電子束治癌的醫用加速器。許多部件需要工程和實驗室的配合才能完成,謝家麟找到了一家名為海倫科迪斯的化妝品工廠,工廠願意提供一個機械工程師和四名技工來承擔加工任務,人手不夠,他又登報招聘了一名退伍的雷達兵來當助理。除了謝家麟,沒人接觸過加速器。

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1955年,謝家麟(坐者)在美國芝加哥研製的加速器控制檯前。

經過兩年多的日夜忙碌,在完全無例可循的情況下,謝家麟成功研製出了世界上第一臺以高能電子束治療腫瘤的加速器。該加速器直到80年代才退役。如今應用加速器產生高能粒子治療癌症已經是普遍採用的技術。

1955年初,美國移民局要求謝家麟要麼加入美國國籍、要麼限期離境,他毫不猶豫選擇了離境、回國!

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謝家麟回國之初與分別8年的妻子和長子合影(1955年)。

研製中國最第一臺可向高能發展的電子直線加速器

回國後,謝家麟來到了中科院原子能所工作。他帶領不到十個人的小組,開始研製可向高能發展的電子直線加速器。小組裡都是剛畢業的年輕人,但很多人也沒聽過加速器。

沒有計算機,他就簡化物理設計,減少計算量,通過受邀計算機完成了全部計算;團隊人員缺乏基礎知識,就分別補課;沒有微波元器件,就建立微波實驗室自己研製……

謝家麟把這些困難比喻為"想吃饅頭,先種麥子"。

經過八年奮鬥,1964年中國最早的一臺可向高能發展的電子直線加速器建成出束,並提供束流用於國防工作,為"兩彈"研製做出了重要貢獻。

1972年,著名實驗高能物理學家張文裕聯名謝家麟等,建議建造高能加速器。1973年,中國科學院高能物理研究所成立,張文裕任所長。1977年,被稱作"八七工程"的高能加速器任務獲批,謝家麟任加速器總設計師。

到了1980年,因為經濟調整,"八七工程"下馬了。塞翁失馬、焉知非福,直線加速器受阻,卻間接促成了對撞機。

十年磨一劍,為中國的高能物理"加速"

高能所計劃用剩下的加速器預製經費進行小規模建設。在一次中美非正式討論會上,美國專家提出建造2.2GeV正負電子對撞機的建議,並得到了在場很多專家的支持。

謝家麟和同事反覆分析後,覺得它規模適中,但可以開展國際前沿的物理工作,在經費收縮的條件下,還能讓高能所進入世界先進科研行列。

這個建議得到了諾獎得主李政道的支持。對撞機與之前的直線加速器相比,能夠更有效地產生高能反應,當它在上世紀50年代被證明可行後,各國物理學家都傾情於對撞機。

雖然大多數科學家都同意建對撞機,但建設對撞機的難度大、風險高。以至於有人說,以當時中國的薄弱基礎要想建成,就好比站在鐵路月臺上,要想跳上一輛飛馳而來的特快列車。如果跳上了就飛馳向前,如果沒有抓住,就會摔下來粉身碎骨。

謝家麟經常說:"我就是膽子大,什麼都不怕!"

1981年5月"香山會議"上,對撞機的方案得到了大多數專家的肯定。7月,"對撞機籌備組"成立。1982年,已年過花甲的謝家麟成為北京高能物理實驗基地工程項目經理。

1988年10月,北京正負電子對撞機實現對撞,這是中國科技發展史中的一個有重要國際影響的里程碑。《人民日報》評價稱:"這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛星上天之後,在高科技領域又一重大突破性成就"。

十年磨一劍,

鋒利不尋常。

雖非幹莫比,

足以抑猖狂。

——謝家麟

1989年,北京正負電子對撞機工程獲得"國家科學技術進步獎特等獎",謝家麟作為這項工程的主要領導者和總設計師,在獲獎人員中排名第一。BEPC不但在性能指標上超過了同能區的其他對撞機,除了快電子學部件、大型計算機和極個別部件外,其餘部件均以國產部件為主。

北京正負電子對撞機建成後,中國高能物理學家獲得了τ輕子質量精確測量、R值測量、發現粒子新共振態等一批高能物理的重要成果。在國際權威的粒子數據表上,如今已有500多項數據是來自北京正負電子對撞機。從此,中國在國際高能物理領域佔據了粲物理實驗研究的國際領先地位。

北京正負電子對撞機是我國第一臺大科學裝置,它不僅使我國在世界高能物理領域佔據一席之地,也促進了我國在加速器、探測器、互聯網和高性能計算,等高技術領域的發展。

"沒有謝家麟,就沒有今天的高能物理所,甚至沒有中國現在的高能物理學科的發展。"現任中科院高能物理所所長王貽芳說。

沒有終點的旅程

2008年,謝家麟出版了自傳《沒有終點的旅程》。就想書名一樣,他的探索之旅,沒有停止在北京電子對撞機上。

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《沒有終點的旅程》謝家麟著

1986年,北京正負電子對撞機工程接近收尾,謝家麟已66歲,他主動向中科院領導提出辭去工程經理一職,由年輕人接任。而他逐漸地將注意力轉移到了"自由電子激光"上。

謝家麟意識到,如果我國能開展此項研究,即能跟蹤世界戰略性高科技發展態勢,掌握最新關鍵技術。儘管困難重重,謝家麟沒有猶豫,仍積極提出建議。這一建議,最終由國家"863"計劃支持,謝家麟領銜組織開展北京自由電子激光裝置的研製。

經過近8年努力,1993年5月,北京自由電子激光裝置於實現了受激輻射,第一次輸出了激光。同年,實現了飽和振盪,中國率先在亞洲建成了自由電子激光裝置。

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1993年,謝家麟院士(中)在亞洲第一個出光的北京自由電子激光鑑定會上與王大珩(左)、王淦昌(右)合影。

2012年,謝家麟獲得國家最高科學技術獎。

"我就是個普通人,不聰明,也不能幹,我能得獎,證明即使資質一般的人,只要努力,就能成功。"這既是獲獎感言,也是謝家麟對年輕人能夠更加努力。

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2016年2月,謝家麟停下了旅行的腳步,而以北京正負電子對撞機的建設為起點,中國的高能物理研究已經加速。站在BEPC的肩膀上,新一代對CEPC正在路上。

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謝家麟

謝家麟

(1920.8-2016.2)

國際著名加速器物理及技術專家

中國科學院院士

2011年度國家最高科學技術獎獲得者

參考文獻:

1、《北京正負電子對撞機:對撞30年》,經濟日報

2、《環形正負電子對撞機預計2030年前建成》,科技日報

3、《謝家麟自傳》,謝家麟著,科學出版社

4、《中科院高能所所長:中國需要大型對撞機,造價約360億》,新京報

5、本文圖片來源於老科學家學術成長資料採集工程、中國科學家博物館(網絡版)


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