想参与大型对撞机之争?先搞清基本背景 | 袁岚峰

2019年10月13日15:39:44想参与大型对撞机之争?先搞清基本背景 | 袁岚峰已关闭评论 131 views

导读

关于对撞机的争论本身就是一件大好事,一次难得的科学与社会互动的启蒙。大多数人在那里吵来吵去,其实基本的事实都没有搞清楚。我们不需要在建或者不建上持强烈的看法,只要把这些基本的事实传播出去,让讨论建立在理性的基础上,就已经是很大的贡献了。

近年来,关于中国是否要建设大型对撞机的争论浮出水面,愈演愈烈。例如, 1982年菲尔兹奖获得者丘成桐、1957年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁、2004年诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯(David Gross)等人纷纷撰文表态。科学界内部以及关心科学的公众对这个话题的关注不断升温,“挺撞”和“反撞”两派争相发文,甚至公开面对面辩论。一场科学争论占据了舆论场的中心,这是中国前所未见的景象。我们应该如何看待这场鏖战呢?

我对于对撞机是外行,不过中国科学院高能物理研究所曹俊研究员也经常在微博上做科普,我和他做了很多交流。有一个重要的高能物理项目叫做大亚湾中微子实验,2012年发现了一种新的中微子振荡。项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所院长王贻芳院士因此获得了2015年度的基础物理学突破奖,这是中国科学家首次获得这个大奖。王贻芳就是大型对撞机项目最主要的倡议者。

曹俊老师是大亚湾中微子实验的副发言人。我问过他,什么叫做发言人?听着跟国防部或者外交部发言人似的。他告诉我,其实就是实验负责人。可能是科学家都不喜欢让人管,所以只是推举出一个发言的,叫做发言人!

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文艺青年时代的曹俊老师

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@曹俊IHEP 的微博头像,一看就是粒子物理实验的负责人

大亚湾中微子实验是一个中美合作的项目,有一个发言人和两个副发言人。发言人就是王贻芳,副发言人是曹俊和一位意大利科学家。

从这些背景,大家可以明白,曹俊和王贻芳其实都不是造加速器的,而是做粒子物理实验的。但无论如何,曹俊老师作为粒子物理实验的一线工作者,给我讲了从思维方式到技术细节的许多内容,还爆了不少历史的料。我从中学到很多东西,非常感谢曹俊老师。

以这些信息为基础,2016年9月,我写了一篇文章大型对撞机之争:价值、目标和图景——让对撞机之争撞出科学界与社会、科学界内部的良性互动 | 袁岚峰,发表在《中国发展观察》上。

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《中国发展观察》2016年第18期封面

曹俊老师最基本的一个观点是:大多数人在那里吵来吵去,其实基本的事实都没有搞清楚。我们不需要在建或者不建上持强烈的看法,只要把这些基本的事实传播出去,让讨论建立在理性的基础上,就已经是很大的贡献了。我完全同意这个观点。

此外,我还跟一些相关专业的科大同事进行了交流。非常感谢诸位专家的指教。下面,我就基于我2016年的文章,再加上一些新的信息,来向大家介绍相关的背景。每个人都有自由做出自己的判断,不过无论如何,了解这些背景本身就是很有意义的。

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让对撞机之争撞出科学界与社会、科学界内部的良性互动

争论本身的价值

首先,争论本身就是一件大好事,对公众来说,甚至比最终决定的好处都要大,因为这是一次难得的科学与社会互动的启蒙

古代中国没有科研的传统,建国以来大部分时间又忙于解决生存与发展问题,人民习惯的是“毛主席英明坚持造两弹一星”、“歼-10、歼-20横空出世令人泪流满面”这样的模式,希望突然拿出个秘密武器。到了现在,中国在许多科研领域已经不再是单纯的追赶者,而是要成为国际领先者。这时的新问题是,前面没有趟路的,不确定该往哪里走,如华为创始人任正非所说“攻入了无人区”。歼-20的总设计师杨伟说:“原来,我们曾经是有明确的追赶目标,别人在前面,我们奔着他去。现在,我们接近了,甚至在某些局部平行或超越了,这时我们所面临的挑战将更加严峻。在这种没有明确跟踪目标的情况下,创新的难度同以前相比不是一个数量级的。”

在这种情况下,科研项目要不要上、怎么上,就不再只是政府和专家关心的事了,人人都有了发言权,争取民意和经费支持对科学界来说成为极其重要的事。其实,这才是现代化国家科学与公众关系的常态。

例如美国国家航空航天局(NASA),最重要的任务之一就是向公众解释和宣传自己的工作。打开NASA的主页(nasa.gov/),扑面而来的是若干精美图片,从火星车到极光,还有一个漫画式的“儿童俱乐部”,培养航空航天的粉丝从娃娃抓起。

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NASA主页

再来看中国国家航天局的主页(cnsa.gov.cn/)。机构简介、信息发布、中国航天、国际合作、资源服务、互动交流、科普与人物等等,中规中矩地排成一溜。虽然不能说中国国家航天局的主页就很糟糕,但目标观众显然只是体制内的官员和学者,向公众宣传的意识和技巧跟NASA比就差了八条街。

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中国国家航天局主页

这次全社会的“大对撞”让群众开始讨论科学发展,是非常好的事。但美中不足的是,许多人连基本事实都不清楚就急于表态,无的放矢。希望经过这次讨论,无论正方还是反方都能学到新的信息和思想,观点和结论是基于事实,而不是捕风捉影。希望中国人民对科学议题的关注度和中国科学界对公共舆论的重视度都大大提高,走上良性循环。

大型对撞机的支出是什么概念

大型对撞机之所以引起这么大的反响,直接原因是投资巨大,几百、上千亿元量级的投资在中国的基础研究项目中是空前的。按照王贻芳的介绍,第一阶段的正负电子对撞机(CEPC,是Circular Electron Positron Collider的缩写)约在2022-2030年间建设,工程造价(不包括土地、“七通一平”等)约400亿元。如果有发现新物理的迹象,再建第二阶段的质子对撞机(SPPC),工程造价在1000亿元以内,时间是在2040-2050年左右。

这样的投资是个什么概念呢?我们可以拿其他几个大科学工程作为参照。大亚湾中微子实验的耗资“只有”2.5亿元,就测量出了第三种中微子振荡的混合角,简直是“物美价廉”了。位于河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST,大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜),投资2.35亿元。世界最大的射电望远镜、位于贵州平塘的500米口径球面射电望远镜(FAST),耗资6.67亿元。江门中微子实验正在建设,预计投资20亿元。由此可见,大型对撞机的支出比其他大科学工程高出一到两个数量级,确实是一个巨大的跨越。

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FAST在满天繁星下呈现出的美丽景观

许多人看到这里,结论就已经出来了:“太贵了!不建!”且慢,这不是负责任的态度。应该把相关的背景都掌握了,利弊都通盘考虑了,再下结论。

大型对撞机为什么成了中国的一个机会?

大多数人没有想过的问题是:为什么这场争论发生在中国?发生在现在?回答是,中国在近年内获得了一个建设大型对撞机的机会窗口。我们应该先了解这个机会是什么,然后再决定要不要抓住这次机会。

粒子物理发展到现在,最先进的加速器全世界只会建一个。当一个国家有这台加速器的时候,别的国家不会建一个同等水平的,那样没有意义,要建只会建更大的。这种大项目都需要国际合作,即使有国家想建第二个,也拿不到国际投入了。因此,谁拥有最先进的加速器,谁就是粒子物理的领先者。这是粒子物理的特殊性,其他学科不是这样的,因为加速器要研究的问题高度集中,而其他科学设备可研究的问题分布广泛,建很多个也都有事干。

欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC,是Large Hadron Collider的缩写)是当前最先进的加速器,2012年发现了希格斯玻色子(Higgs boson),补上了粒子物理标准模型中的最后一块拼图。这已经接近LHC能力的极限了。那么下一步,应该做什么呢?

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欧洲大型强子对撞机

CERN正在规划未来的加速器——环形希格斯工厂或者直线对撞机(CLIC,是Compact Linear Collider的缩写)。但它已经规划了LHC亮度升级计划,计划运行至2035年,在此之前腾不出手修建新加速器。

美国一方面在将费米实验室的加速器转去全力研究中微子,一方面在研究缪子对撞机的原理,打算将来用它研究希格斯玻色子。

日本计划修建质心能量为500 GeV的国际直线对撞机(ILC,是International Linear Collider的缩写),还未获批准。

这里出现了一个意外。在提出ILC的时候,希格斯玻色子还没有发现,它的主要目标是寻找新粒子。测出希格斯玻色子的质量是125GeV后,人们发现作为希格斯玻色子的研究工具,直线对撞机不如环形对撞机。于是2012年,中国提出了CEPC-SPPC的构想,CEPC就是环形正负电子对撞机。

按照目前的估计,ILC能在6年中产生20万个希格斯玻色子,而CEPC能在10年中产生100万个希格斯玻色子。在预期造价方面,ILC是100亿美元,CEPC是400亿人民币。CEPC的价格低于ILC,效率又高于它,这下把ILC挤兑成了鸡肋。有业内人士认为,ILC已经死亡。

有人会问了,其他国家为什么不更改计划呢?原因是,这类超大型装置的设计和研制周期非常长,船大难调头。高能物理的项目经常出现这种情况,大亚湾中微子实验也是如此。来打个比方,世界粒子物理的主要玩家是欧洲、美国、日本以及刚刚上桌的中国,其他几位大佬都亮了底牌以后,忽然发现情况有变,原本以为的大牌成了小牌,中国获得了一个按照最新情况做出最佳组合的机会。这可以算作一个意外的后发优势。

哎,中国为什么是个刚刚上桌的玩家?因为以前没钱。20世纪80年代最著名的北京正负电子对撞机(BEPC)是中国第一台高能加速器,锻炼了一代高能物理人才,在τ-粲物理领域取得了不错的科学成果,但离前沿还有相当的距离。

根据联合国教科文组织发布的《2015年科学报告:面向2030》,现在中国的研发经费占世界的20%,仅次于美国的28%,高于欧盟的19%和日本的10%。我们终于有了比较充足的经费,又通过大亚湾等项目积累了人才,所以才可以上桌去竞争粒子物理的领先位置了。

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北京正负电子对撞机

一上桌就遇到这样一个难得的机会。这个机会的窗口期大约有10年,2015年至2025年。到那之后,如果我们还没有上马CEPC,欧洲、美国、日本就该腾出手来了,机会转到他们那边,中国再争取国际合作和经费就困难了。

这样我们就明白,为什么对撞机在当前、在中国会成为大热的议题,是因为机会的轮盘转到了中国这边。我们要不要抓住这个机会呢?这就要仔细分析利弊了。

CEPC的科学目标

先来看利。

在高能物理本身的科学目标方面,CEPC相当于一个效率很高的希格斯玻色子工厂,能够以比现在高得多的精度测量希格斯玻色子的各种性质。这就可以判断希格斯粒子是否与标准模型预言一致。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,有助于解决反物质为什么比正物质少得多的疑问。

有不少人争论,CEPC能不能发现超对称粒子。其实,在实验物理学家看来,这种预测没有多大意义,因为有很多理论家提出各种理论,而真正能把这个领域推向前进的还是实验。实验家做实验,并不是为了检验特定的理论,而是因为这些数据本身很重要。而实验的结果,也往往出乎事前的预料,重大的发现往往就是这样产生的。

一个著名的例子,是日本神冈地下实验。起初它是为探寻质子衰变而建,结果没有探测到质子衰变,却探测到了1987A超新星爆炸发射的11个中微子事例。领导神冈地下实验的小柴昌俊(Masatoshi Koshiba),因此分享了2002年的诺贝尔物理学奖。

丁肇中与阿尔法磁谱仪实验

这种态度,非常典型地表现在1976年诺贝尔物理学奖获得者、粒子物理实验的国际领导人丁肇中的身上。2016年3月,丁肇中在科大做了一个报告“国际空间站上阿尔法磁谱仪(AMS)实验的最新进展”,我在现场听了。他反复强调的一点,就是人类几十年之内不会再有机会到太空中探测暗物质,所以他们的实验一定要做对,给后人留下可靠的数据。目前我们可以确定的只是“这里有新物理”,而这个新物理是否就是暗物质呢?那还在未定之天。所以关键就是,在国际空间站2024年或者2028年寿终正寝之前,抓紧时间,多测数据。

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丁肇中在中国科学技术大学报告国际空间站上AMS实验的最新进展

2005年,NASA的局长认为国际空间站不重要,只有载人到火星上才重要,于是把空间站上的实验都取消了。丁肇中认为这个决定是错误的,要求美国能源部组织了一个评审会,请全美的一流科学家参加,说服了能源部支持阿尔法磁谱仪实验。航天飞机本来都快退役了,在丁肇中的坚持游说下,2008年,美国国会通过了一项法律,指定美国政府增加一班航天飞机把阿尔法磁谱仪送到天上去——请注意是法律!

2011年5月16日,阿尔法磁谱仪搭乘“奋进号”航天飞机升空之前,丁肇中请其他所有人都离场,一个人在发射现场沉思了两个小时:哪里有可能出问题?每个系统都仔细考虑了一遍。最终得出结论,没有问题。于是他出来,让航天飞机起飞。出来的时候,他全身都被汗湿透了。在那两个小时中,丁肇中相当于独自面对全人类的一副重担!这是怎样的责任,怎样的沉思!

丁肇中在做完报告以后,有同学问他怎么看宇宙的起源,大爆炸之前是什么等等。猜猜看,丁肇中对这些常见问题的回答是什么?

丁肇中的回答跟公众习以为常的套路完全不同。他说:这些是理论家的问题,我只关心收集实验数据,因为没有实验数据永远不可能解答这些问题。我当时不禁暗笑,这位同学问错人了,这种问题适合霍金这种理论家来回答。

在报告中,丁肇中出示了9张各种宇宙线的流强的实验结果,包括质子的、He原子核的、C和O原子核的等等。每张他都说和理论结果不符合,相差多远,可见有新物理云云。他甚至没有说不符合的是具体哪个理论!

科学意义和经费分配问题

这里需要强调一下,丁肇中能游说美国国会通过法律送阿尔法磁谱仪上天,是因为探索暗物质的科学意义非常重大。根据宇宙学家的估算,我们日常所见的物质只占宇宙总质量的5%左右,现有手段探测不到的暗物质占27%左右,还有68%左右是更加神秘的暗能量(一种推动宇宙膨胀的能量,相当于反引力)。有些宇宙线粒子的能量比地面上最强大的加速器产生的还要高得多,所以上天探测暗物质是顺理成章的设想,所有科学家都认同其科学意义。中国2015年12月发射的“悟空”卫星,也是用来探测暗物质的。

又如中国聚变工程实验堆(CFETR),它的科学意义也非常明确。建设聚变商业示范堆,彻底解决能源问题,把人类社会推进到下一个大台阶,任何人一听都会觉得它非常重要。所以如果CFETR和CEPC的造价差不多,而两者只能选一个,那么大多数人肯定会选择CFETR。

相比之下,CEPC的科学目标就显得模糊了些。把希格斯玻色子性质的测量精度提高一个量级,这个目标对于粒子物理学家来说是足够重要的,但对其他领域的科学家来说就不见得容易获得承认。在这方面,是应该想办法改进的。

对于CEPC来说,另一个值得讨论的问题,是经费在国家之间的分配。如果全部由中国来出,负担就比较沉重。而如果有美、欧、日、俄等国共同承担,这个项目的可行性就大大提高了。国际热核聚变实验堆(ITER)就是这样一个国际分担的大项目,东道主欧盟出45%,其他六方中、美、日、俄、韩、印各出9%左右。如果我国能说服各国共同投资CEPC,那将是非常好的事。

技术升级是副产品,却也是重头戏

大型对撞机在工程方面的好处,其实是对我国十分明确的一项好处。很多人以为大部分仪器要买国外的,成了拉动别国的GDP。实际并非如此,高能物理项目的设备都是自制的,90%以上的钱会花在国内的产品上。这样会促进中国的技术升级,科研部门也会和企业合作,推进研发。BEPC和大亚湾、江门中微子实验的研制过程,有很多这样的故事。CEPC如果启动得早,甚至可能达到95%的国产率。

举个例子,江门中微子项目要用2万个20英寸光电倍增管,这原本是日本公司垄断的。中科院高能所2008年提出江门实验时,启动了“长周期研发”,2011年11月成立了一个产业联盟。2015年底研制成功,跟中国兵器集团的北方夜视签订了一个2亿多元的合同。20英寸光电倍增管能提高国防仪器的水平,而且在此过程中突破了不少高精尖技术,对其他研发也有促进。

在BEPC的建设中,有两个比较显著的应用成果。一个是国内首个大型超导磁铁,后来转移给公司。虽然没有挣到多少钱,但将国外进口磁共振成像(MRI)的价格拉低到原有的几分之一。另一个是成飞的高精机床,精度从200微米提高到20微米,对国防有重要价值。

还可以举一个美国的例子,费米实验室做Tevatron对撞机时对超导磁铁的贡献。此前超导磁铁很贵,论公斤卖。费米实验室按吨买,同时与公司合作,开发了新的技术,使超导价格下降了很多。由此使得MRI实用化,老百姓才用得起。

实际上,CEPC是个大科学工程项目——是工程项目,就需要多应用成熟技术,如果新技术占的比例太高,项目的可靠性就成问题。这一点与航天相似,而与芯片不同。CEPC用到的工程技术大多是国外已有的,而建好后获得的科学成果是全新的。既然大部分技术国际上已出现,我们想采用,那就是实用化和国产化的过程。科研机构提供需求,有时候与公司一同解决关键研发。大科学工程对国内高技术产业的促进作用主要体现在这里,而不是投钱去研究全新的技术路线,这样得到的技术不成熟,不适合工程采用。

大科学工程一个重大的好处是对很多技术提供了需求。有人认为可以分解成各个单项技术去研发,但实践证明,没有一个大目标推动是不行的。很多技术在原则上可以实现,但没有需求,就发展不起来。我们的科学家和工程师之所以愿意长期驻厂,推动合作研发,是因为有科学追求。如果心里没有科学,大家也许不会那么拼搏。大科学工程有一个目标后能推动技术进步,而分解开来常常无法取得进展,这就是原因。

总而言之,大型对撞机相当于提供一个加速技术追赶的机会。因为有推动产业的价值,所以大科学工程并不是许多人理解的纯烧钱,实际的净投入远不像看起来那么大。同样是烧钱,凯恩斯建议过把钞票装在瓶子里埋到地下,让失业者挖出来,作为解决失业问题的一个办法。相形之下,为科学工程烧钱不是更有价值吗?

吸引全球智力资源

顶级加速器吸引全球科学家的效果也很显著。由于LHC的存在,CERN目前是全球粒子物理研究的中心,世界各国优秀的粒子物理学家都往那里跑。在英国物理学会评选的2015年世界十大物理学突破中,五夸克态粒子的发现就是中国、欧洲和美国科学家共同努力的成果。清华大学工程物理系的高原宁教授、张黎明副教授和杨振伟副教授等人在分析实验数据时,由于方法上的创新,首先意识到了五夸克态的信号。

十八届五中全会提出的“十三五”规划建议中,列入了“积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程”,大型对撞机正是一个契合的选择。大型对撞机可望吸引全世界几千名顶级科学家定居和经常访问中国,大大有助于中国建成世界科学中心,在这方面的作用比几所世界一流大学的作用都要大。

国家品牌的提升

还有一个利益,是一般人不常想到的:对国家品牌的提升。一个国家最重要的品牌,其实就是这个国家本身。为什么许多人一提到德国货、日本货、美国货就觉得高端,愿意以更高的价格买?这就是国家品牌的力量。其实这些国家的商品历史上都曾经是劣质货的代名词,是靠全国持之以恒的努力一点点提升起来的。企业要做广告,国家也要做广告。2008年北京奥运会壮丽的开幕式惊艳全世界,就是中国做得很成功的一场广告。APEC、G20等国际会议,也是一种国家广告。这些广告只能持续几天,花费也不少。相比之下,大型对撞机的广告效果长达几十年,是不是更有价值呢?

基础研究的世界领先地位,会提升中国的国家品牌,从而提高所有中国商品的市场价值。外国人会觉得,这个国家的科技很先进,买他们的产品靠得住,有面子,花更高的价钱买是应该的。这个利益难以定量计算,但肯定存在,对国家的长远发展具有不可替代的作用。

杨振宁对王贻芳

下面来讨论建设大型对撞机的不利因素。在这方面,杨振宁2016年9月4日在微信公众号“知识分子”发表的文章杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机 | 独家可以作为一个集大成者,他的意见当然是非常值得重视的。王贻芳2016年9月5日同样在“知识分子”发表了一篇文章王贻芳:中国今天应该建造大型对撞机 | 独家,逐点做出了回应。下面我们来分析双方的攻防。

(1)电子加速器与质子加速器

杨振宁的第一点意见是,美国的超导超级对撞机(SSC)下马,浪费了30亿美元,使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。王贻芳回应,过去50年间,不成功的都是质子加速器,而电子加速器都是成功的。这是因为质子加速器较为复杂,对超导技术的前瞻与预估较难,不易在技术、造价与指标上有恰当的把握。中国的大型对撞机第一阶段是电子对撞机CEPC,所以把握很大。至于第二阶段的质子对撞机SPPC,只是在CEPC发现新物理迹象的前提下才考虑建造,时间都到2040年了,现在谈论它的价格意义不大。我觉得王贻芳的解释有道理,当然最终的造价肯定还需要更多的研究。

(2)民生问题不应用于否定基础研究

杨振宁的第二点意见是,中国还是发展中国家,农民问题、环保问题、教育问题、医药健康问题等等更需要钱。王贻芳回应,民生问题当然要解决,但也要考虑长远,要有合适的比例进行基础科学研究。他后面举的建造大型对撞机的好处,在高能物理和相关技术领域领先国际,使重要产品国产化,吸引国外智力资源,培养顶尖人才,在十年内是机遇时间窗口等等,都在本文前面有介绍。我在这里特别想说的一点是,民生和基础研究的关系是一个经典的问题。

1970年,赞比亚修女 Mary Jucunda 给NASA的Marshall太空航行中心科学副总监Ernst Stuhlinger写了一封信,问道:地球上还有这么多小孩子吃不上饭,怎么舍得为火星项目花费数十亿美元?Stuhlinger给修女回了信,其中说道:

在400年前,德国某小镇里有一位伯爵。他是个心地善良的人,他将自己收入的一大部分捐给了镇子上的穷人。这十分令人钦佩,因为中世纪时穷人很多,而且那时经常爆发席卷全国的瘟疫。一天,伯爵碰到了一个奇怪的人,他家中有一个工作台和一个小实验室,他白天卖力工作,每天晚上的几小时的时间专心进行研究。他把小玻璃片研磨成镜片,然后把研磨好的镜片装到镜筒里,用此来观察细小的物件。伯爵被这个前所未见的可以把东西放大观察的小发明迷住了。他邀请这个怪人住到了他的城堡里,作为伯爵的门客,此后他可以专心投入所有的时间来研究这些光学器件。

然而,镇子上的人得知伯爵在这么一个怪人和他那些无用的玩意儿上花费金钱之后,都很生气。“我们还在受瘟疫的苦,”他们抱怨道,“而他却为那个闲人和他没用的爱好乱花钱!”伯爵听到后不为所动。“我会尽可能地接济大家,”他表示,“但我会继续资助这个人和他的工作,我确信终有一天会有回报。”

果不其然,他的工作(以及同时期其他人的努力)赢来了丰厚的回报:显微镜。显微镜的发明给医学带来了前所未有的发展,由此展开的研究及其成果,消除了世界上大部分地区肆虐的瘟疫和其他一些传染性疾病。

……每年,都有大概一千项从太空项目中发展出来的新技术被用于日常生活中,这些技术打造出更好的厨房用具和农场设备,更好的缝纫机和收音机,更好的轮船和飞机,更精确的天气预报和风暴预警,更好的通讯设施,更好的医疗设备,乃至更好的日常小工具。你可能会问,为什么先设计出宇航员登月舱的维生系统,而不是先为心脏病患者造出远程体征监测设备呢?答案很简单:解决工程问题时,重要的技术突破往往并不是按部就班直接得到的,而是来自能够激发出强大创新精神,能够燃起的想象力和坚定的行动力,以及能够整合好所有资源的充满挑战的目标。

太空旅行无可置疑地是一项充满挑战的事业。通往火星的航行并不能直接提供食物解决饥荒问题。然而,它所带来大量的新技术和新方法可以用在火星项目之外,这将产生数倍于原始花费的收益。

我完全赞同这封以《为什么要探索宇宙》为标题的回信的观点。广而言之,基础研究的重要性不适合拿来和民生项目相比。如果要这么比的话,不止是高能物理,许多其他领域如航天、宇宙学、考古也都不应该发展了。这会大大限制我们的眼界,让我们成为目光短浅、缺乏想象力的民族,不知在什么时候就会像明朝清朝那样错失战略机会。当然,这并不是说所有的基础研究都必须支持。资源总是有限的。我的意思是,应该在科研项目之间做取舍,而不是在科研与民生之间做取舍。如果一定要把科研和民生拿来比较,那么请问,奢侈品、烟酒、房地产、迷信花费等等是不是更应该为民生让路呢?

(3)挤压其他基础科学的经费

杨振宁的第三点意见正与此相关:建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费,包括生命科学、凝聚态物理、天文物理等等。王贻芳回应:“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。”这话前面的意思是很正确的,我国的基础研究经费有巨大的增长空间,后面其实有些过分修辞。经费再怎么增长,跟其他科研领域总是有竞争关系的。让我们先来看杨振宁和王贻芳的其他四点意见,最后再回到这个中心问题上来。

(4)寻找超对称是大型对撞机的目标吗?

杨振宁的第四点意见是:多数物理学家认为超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。王贻芳的观点是:“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。……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。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。”这实际上就是前述的丁肇中的态度。

这里可以再讲得清楚一点。对大型对撞机的一个常见的误解,就是它是用来找超对称粒子的,找不到就失败了。实际上,实验物理学家的目标并不依赖于特定的理论。他们只是认为前面一定有东西,无论目前有多少种理论、这些理论有没有预言这些东西,这些东西都应该去寻找。这跟造核武器完全是两回事,那是实现一个具体的工程目标,造不出核武器就是失败。而科学探索是没有失败可言的,本来就不是一定要找到某个东西,关键是要去找,找到什么都是成功。

其实超对称理论和超弦理论只是一个统称,在内部有很多种不同的理论。在超对称和超弦之外,还有不少其他的高能物理理论,例如我的科大师兄、麻省理工学院物理系文小刚教授提出的弦网理论,又如中国科学院卡弗里理论物理研究所所长吴岳良院士提出的引力量子场论。每次重要的实验结果,都会否定许多理论。因此,大型对撞机怎么会把自己的命运寄托在单独一个理论上呢?获得基础数据才是实验物理的常态,获得重大突破是意外。虽然我们希望有这个意外,但不能以意外为唯一目标。

(5)科学最本质的源泉是人类的好奇心,而不是现实福利

杨振宁的第五点意见是,高能物理的大成就对人类生活没有实在好处。王贻芳回应,CEPC的建设可以使我们在许多技术方面实现国产化,并领先国际。这里实际上双方谈的不是同一个问题。

在我看来,应该坦率地承认,高能物理的成就对人类生活确实没有实在的好处。但是,我们也应该接受,对人类生活没有实在好处的科学也是有价值的。科学最本质的源泉是人类的好奇心,而不是现实福利。欧几里得几何学、牛顿力学、相对论、量子力学对人类世界观的震撼、带来的精神上的满足,本身就是一种巨大的价值。研究高能物理需要很高的素质,却又发不了财,选择这条道路的人大都属于“情怀党”,好奇心的满足就是对他们最大的回报。因此我觉得,杨振宁指出的这一点确实是个问题,不应该回避,但也不应该因此就否定大型对撞机。这可以算作一个缺点,但这个缺点是可以承受的,不应一票否决。我们应该理直气壮地向公众宣传科学在实用之外的本身的魅力。

事实上,许多普通人对宇宙的历史、物质的结构、生命的起源等基本问题很有兴趣。在《时间简史》上千万的购买者中,大多数是看不懂这本书的,但他们关心这些基本问题。我有一位同事,每次回老家的时候,他初中文化程度的表哥都会问他很多关于宇宙、基本粒子的问题。这样的人可能不会在网络上发言,却构成了“沉默的大多数”。好奇心是人类最深刻的动机之一,为这个动机做事,探索宇宙最深层的奥秘,为“沉默的大多数”提供解答,难道不是一项高尚的事业吗?

(6)中国人能主导大型对撞机项目吗?

杨振宁的第六点意见是,大型对撞机的设计、运转和分析,会由外国人主导。王贻芳的回应是,高能所有三十多年正负电子对撞机的经验,提出CEPC是经过深思熟虑的。CEPC-SPPC的设想是中国科学家2012年提出的,得到国际上的积极响应与支持,目前已经完成了《初步概念设计报告》。将来70%的工作将由中国人主导完成。

在这个问题上,我倾向于相信王贻芳的判断,因为他是做实验的,有过不少大工程的组织经验,而杨振宁是理论家,又已届高龄,对实验前沿的熟悉程度可能不如第一线的实验家。不过无论如何,CEPC对中国是个重大的跨越,并不是单凭出钱多就能主导的,许多技术需要攻克,这是需要我们付出巨大的努力去实现的。

(7)探索大型对撞机之外的方向?

杨振宁的第七点意见是,不建大型对撞机,高能物理还至少有两个不那么费钱的方向值得探索:寻找新加速器原理和寻找美妙的几何结构。王贻芳的回应是,新加速原理在高能对撞机方面,无论是束流品质还是能量利用效率,都还有太长的路要走。“几何理论”与实验相距太远,不是我们现在考虑的问题。

在这个问题上,我理解王贻芳的立场。其他的加速器原理当然都欢迎,如尾场加速、缪子加速器,但只要还不到实用化的程度,就不能代替CEPC。这层意思已经包含在他前面这句话里了:“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。”新理论当然也应该寻找,不过这是理论家的事,实验家的实验还是照做不误。

科学内部的良性竞争才是核心问题

分析完杨振宁和王贻芳的七点“针锋相对”,让我们回到大型对撞机挤占其他科研经费的问题上。在我看来,这才是最核心的问题,值得认真对待。

如果说,因为中国每年科研经费增长很多,大型对撞机就不挤占其他科研领域的经费,那么这话是不合适的。蛋糕虽然在增大,但为什么要把增量都给你呢?其他领域也想得到增量嘛。

其实大型对撞机不仅与高能物理之外的领域有竞争,与高能物理内部的“非加速器物理”(如中微子探测)也有竞争。不但如此,就是在加速器物理内部,也有其他的方案,例如建设一个中等规模的加速器,造价比CEPC低一个数量级,能量跟北京正负电子对撞机相近,而亮度提高一个量级。这样可以研究另外一些科学问题,同样可以锻炼队伍,保持人才,而实现起来会稳妥得多。

实际上,所有的科研项目之间都存在竞争。前述NASA为了载人火星计划砍掉国际空间站的实验,就是一个例子。我们应该承认这种竞争。更重要的是,我们应该鼓励这种竞争!

这里的关键是,不同领域的科学家之间不应该互相拆台,说别人的东西没有意义、浪费钱之类。这属于恶性竞争,损人不利己,最终的结果是总的科研经费下降,对社会整体不利。应该开展的是良性竞争,每个学科提出自己的项目,向社会和政府宣传,让政府在多个好的选项中选择。选的是好和更好,而不是好和坏。

美国阿贡国家实验室周华博士2016年9月发表了一篇文章《中国大科学工程迎来“黄金十年”》(guancha.cn/zhouhua1/201),把我们的视野扩展到若干项其他的大科学工程:

从上世纪末(“九五”计划期间)零星的浮现,时至2016年(“十三五”规划起始)如雨后春笋般涌现,上海光源,全超导托卡马克装置,重离子加速器装置,超大球面射电望远镜,中微子探测,散裂中子源,X射线自由电子激光等大科学装置渐渐为中国科学家津津乐道而同时让公众也能探知一二。仅中科院主导建设的就已完成16项,而在建及批准立项的又有14项,资金投入都至少在一两亿人民币以上,最高的已超过20个亿。

……在浮出和即将浮出水面的一批大科学装置中,引人关注而且能调动极广泛领域积极性的具有强大支撑能力的公共实验设施包括上海光源线站工程(上海),散裂中子源及实验站(广东),衍射极限环高能光源(北京)和X射线自由电子激光光源及实验站(上海/北京)。

……这些开放的公共实验设施将服务极为广泛的物质和生命科学领域(诸如物理、化学、材料、先进制造、能源、环境、气候、地质、蛋白质工程和制药等等)的基础研究,应用基础研究和应用研究,对突破关键性技术难题,改善社会发展瓶颈性问题和催生战略性新兴产业都将产生极深远的影响(而且相对高效,虽然也很可能要10年以上的时间)。

这就是非常好的思考格局。与其围绕着大型对撞机这一个项目争论不休,不如放出许多个科学项目,让各个领域的科学家们为自己宣传、拉票。如果说人民总是有八卦的需求,那么八卦科学,岂不比八卦明星、网红高明得多吗?

在我看来,大型对撞机项目可以被其他科研项目击败,但不应该被民生理由否决。只要有多个研究项目在公平自由地竞争,而且每个项目都把自己的好处论述清楚了,那么竞争的结果无论是什么,都是国家的成功。

中国科研的大图景

最后,让我们来看一下,中国科研总的池子有多大。根据《2018年国民经济和社会发展统计公报》,全年研究与试验发展(R&D)经费支出19657亿元,比上年增长11.6%,与国内生产总值之比为2.18%,其中基础研究经费1118亿元,占总研发支出的5.69%。

王贻芳指出,发达国家基础研究经费占总研发经费的比例一般在15%左右,我们应该向这个方向逐步迈进。我完全同意这个观点。此外,在世界各个科技大国中,中国的研发经费占GDP的比例(即“研发投入强度”)处于中间偏下的位置,跟法国相近,高于英国、加拿大、西班牙,低于美国、德国、日本、韩国、瑞士。

韩国和以色列的研发投入强度是全球最高的,超过4%。韩国是一个有志者事竟成的好例子,自然资源并不占优势,是靠超强的国家意志和民众努力硬推成发达国家的。我们应该承认,韩国人的进取精神值得学习,韩国几十年来的快速发展是和高强度的研发投入密不可分的。所以,中国应该取法乎上,大幅度地提高研发投入强度。这应该作为一个重要的长期目标,经常向社会宣传。

中国总的科研经费在不断增长,其中基础研究经费占的比例在不断增长,大科学项目也在不断提出和建设。一花独放不是春,百花齐放春满园。让科学界公开、自由地开展良性竞争吧!鹰击长空,鱼翔浅底,万类霜天竞自由!

致谢:感谢中国科学院高能物理研究所曹俊研究员、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心罗毅教授、赵爱迪副教授、中国科学技术大学近代物理系安琪教授、王群教授、刘国柱副教授等人的讨论和指教。
背景简介:本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长,青年科学家社会责任联盟理事,中国无神论学会理事,安徽省科学技术协会常务委员,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(zhihu.com/people/yuan-l)。
责任编辑:孙远

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