我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

2019年4月29日,北京中國科學院大學(簡稱國科大)新禮堂裡,一位國科大研究生的提問再次引爆了關於中國到底該不該建設大型對撞機的大討論。對於吃瓜群眾的我們,在發表自己的看法和做出判斷之前還是應該充分了解一下辯論雙方舉出的理由的。

我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

特別提醒,這篇文章我們不去談論兩位的個人科學成就、科學地位、年齡、經歷以及是否利益相關等等科研活動本身以外的個人因素。

雙方都支持建造大型對撞機,分歧在於建造的時間緊迫性

首先我們必須知道,對於建造大型對撞機,兩位都是支持建造的,存在的分歧在於建造的時間緊迫性:也就是楊院士提倡緩建,而王院士認為在國際競爭下建設時間窗口緊迫。

下面分欄分條列出雙方的意見對比(意見來自雙方發表的文章節選,大家可以自行搜索)。

我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

雙方文章節選分欄圖

圖中的文字版:

楊院士:

一、耗資過大且可能超過預算導致失敗

美國1989年時準備建造世界上最大的對撞機(SSC),但因預算不斷增加而最終夭折。歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)花費在100億美元以上。中國大型對撞機花費可能在200億美元以上。

二、鉅額費用更應該解決民生等燃眉問題

中國仍然只是一個發展中國家,人均GDP還少於巴西、墨西哥或馬來西亞,還有數億農民與農民工,還有急待解決的環保問題、教育問題、醫藥健康問題等等。建造超大對撞機費用奇大,對解決這些燃眉問題不利,我們目前不應考慮。

三、對撞機擠佔其他基礎學科經費

建造超大對撞機必將大大擠壓其他基礎科學的經費,包括生命科學、凝聚態物理、天文物理等等。

四、建造大型對撞機的目的極難實現

高能物理學家贊成建造超大對撞機的目的是通過提高能量尋找引力子與超對稱粒子的證劇,這很難實現。

五、高能物理學的成就人類生活沒有實在好處

七十年來高能物理學的成就對人類生活沒有實在好處。假如高能物理學更推進一大步,對人類生活短中期內仍然不會什麼好處。

六、中國高能所過往成就不高,建成後未來不由中國人主導

中國建立高能所到今天已有三十多年,今天世界重要高能物理學家中,中國人不到百分之一。建造超大對撞機,其設計,以及建成後的運轉與分析,必將由90%的非中國人來主導。

七、高能物理學的大型對撞機研究方向已經結束

高能物理不是隻能通過超大對撞機研究。我認為至少有兩個方向值得探索:尋找新加速器原理和尋找美妙的幾何結構,如弦理論所研究的。這兩方面的研究都不那麼費錢,符合當今世界經濟發展的總趨勢。


王院士:

一、耗資並不算大且預算嚴格

目前建造時間窗口緊迫的是一期正負電子對撞機(CEPC),花費為53億美元(360億元人民幣),分18年完成。其工程造價經過了兩種方法(分解法、類比法)的專家評審。而二期的質子加速器是在如果一期成功且發現新物理跡象才考慮建設的項目。

二、建造對撞機也是燃眉問題

清末中國, GDP世界第一,雖然有能力購買槍炮,但不掌握科學,最後還是被動挨打,民生也無從談起。建造大型對撞機可以使我們在這一基礎科學技術領域領先國際幾十年,可以培養幾千名有創新能力的物質科學及相關技術的頂尖人才,也是燃眉之急。而歐洲、美國和日本目前手頭有大型項目,但他們也都有新的對撞機計劃,這期間正是我們建造大型對撞機的時間機遇窗口。

三、我國基礎學科經費本身偏低

我國基礎學科經費佔總研發經費只有5%,遠低於發達國家的15%,應逐步提高比例,也就不存在擠佔的問題了。同時如果建造CEPC會推動國內企業的技術進步,推動我國自主科學儀器設備的發展,減少目前科研經費大量用於購買外國儀器的現狀。

四、目的是精準測量希子,不是超對稱

一期CEPC實際是希格斯子工廠,目的是更加準確的測量希格斯玻色子,確認希格斯粒子的性質,判斷希格斯粒子是否與標準模型預言完全一致,首次測量希格斯粒子的自耦合形式。

五、高能物理學過去與將來對人類生活都有巨大好處

高能物理發展出的同步輻射光源、自由電子激光、散裂中子源等裝置對生物、地質、環境、材料、放射醫學、凝聚態等學科研究至關重要,萬維網(WWW)也起源於歐洲核物理研究中心(CERN)。

CEPC項目對於中國的實際好處至少包括高溫超導、超導磁鐵、精密機械、微波、真空、自動控制、低溫等關鍵技術的國產化,和未來可能的新發現、新技術、新應用願景。

六、過往成就不低,CEPC設計運行70%由中國人主導

高能所40年取得的成果,可以跟國外比肩,至少我們現在是國際高能物理領域四大實驗室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)。

以高能所為主完成了CEPC《初步概念設計報告》。所以將來超大對撞機70%的工作將由中國人來主導完成,至少會與我們的出資比例一致。

七、其他研究方向更為渺茫

“新加速原理”無論是束流品質還是能量利用效率,都還有太長的路要走,至於弦理論更加虛無縹緲,但高能物理研究不會等待停滯。


上面的信息都來自兩位院士發表的文章,我只是進行了簡練的摘錄並把他們放到了一起,沒有發表任何自己的見解。只是希望我們在討論的時候能夠完整的知道雙方說了什麼,至少知道說了幾點。

另外能關心這類事件並閱讀這篇文章的人應該都知道為什麼要建加速器對撞機,但恐怕並不瞭解為什麼非要建那麼大。CEPC的周長將達到100公里,而LHC只有不到27公里。問題來了CEPC和LHC同樣是個環形加速器,既然可以無限轉圈加速又何必修那麼大?

我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

迴旋加速器結構

這是因為現實中的環形(迴旋)加速器都利用磁場和電場共同使帶電粒子作迴旋運動,在運動中經高頻電場反覆加速,而在偏折磁場中還需要保持圓周運動,由於超導磁場的強度是有限的,通過計算可知粒子的能量極限將取決於軌道的半徑,半徑越大能量越高。這就是三體中環日加速器的由來。

假如立項後的選址

暫且不再思考要不要建,那假如立項後這100公里的圓形"地鐵"應該修在哪裡呢?CEPC項目對選址的要求十分嚴格,要充分考慮地震風險、岩土性質、水文氣象等地理條件,還需要考慮當地的基礎設施和公共服務設施等人文條件。

比如秦皇島市撫寧縣

我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

小紅圈為50KM方案,大紅圈為100KM方案

又或者深汕特別合作區

我們需要馬上建大型對撞機嗎?---楊振寧VS王貽芳

廣東深汕特別合作區100km方案

上面兩幅選址圖來源為中科院高能物理研究所特別供圖

我們需要馬上建大型對撞機嗎?

雖然到底這10年內建還是不建CEPC這種影響深遠的巨大命題恐怕肯定不會考慮你我的"民意",因為"民意"並不往往正確(參考希特勒)。但至少各方還都是需要爭取民意支持的,那麼各位科學愛好者對此怎麼看呢?

特別提醒:上來就說某某外國科學家回國娶妻養老、某某科研人員騙取千億經費的扣帽子人群還是省省吧。


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