超大对撞机，现在该建吗？

超大对撞机，现在该建吗？

一场罕见的、针锋相对的辩论在科学界爆发。辩论焦点是“中国是否应该建造超大对撞机”。支持方以华裔数学家丘成桐、中科院院士王贻芳为代表，反对方则有诺贝尔物理学奖得主杨振宁等。建造超大对撞机是对是错，或许需要几十年甚至几代人来证明。

最近，关于中国是否应该建超大对撞机在科学界闹得沸沸扬扬，并逐渐演变成公共话题。前有菲尔兹奖获得者、著名华裔数学家丘成桐表态支持中国建造超大对撞机，后有华人诺贝尔物理学奖得主杨振宁撰文《中国今天不宜建造超大对撞机》，又有中科院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳称“建大型对撞机正当其时”……

一时间，媒体、网友甚至普通民众纷纷站队，各抒己见。人们兴奋于“亲自参与重大科研项目的决断”，也“坚信真理越辩越明”，最重要的是“科学界大咖们毫不留情地开撕”是多少年都没见过的场景。

宇宙大爆炸后，物质世界是如何组成的？一系列猜想与理论是否正确？这是对撞机的使命。然而，这个工程可能花费千亿元，这还不算后期运行的经费，以至于从它的科学意义、目标、科技成果转化等，到与其需要耗费的资财、人力等是否相当，成为辩者的靶点。

这场掺杂了基础科学理论、工程建设等各种因素的辩论还在发酵。无论工程是否最终实施，辩论双方究竟孰是孰非，或将需要几十年甚至几代人来证明。

争议集中在四个问题

目前的中国是不是下一代大型强子对撞机的合适选址？科学界对此尚有争议。9月4日，杨振宁在《知识分子》发文，反对中国开始建造超大对撞机。次日，同在《知识分子》，王贻芳刊文回应，反驳杨振宁的反对理由。

此前，丘成桐多次公开表示，支持中国建造超大对撞机，提出可以考虑将河北省秦皇岛市山海关附近作为选址。8月29日，丘成桐在公众号上再次针对超大对撞机发文，并表示对“杨振宁反对建造超大对撞机”一说存疑。此举引来杨振宁在《知识分子》上发文。

早在2012年，在“上帝粒子”希格斯玻色子被欧洲核子研究组织（CERN）大型强子对撞机LHC发现的几个月后，王贻芳团队就提出了到本世纪30年代在中国建成对撞机的计划。在这之后，据王贻芳在反驳文中所提，中国为主的研究团队已经完成了CEPC-SPPC（正负电子对撞机-质子对撞机）的《初步概念设计报告》。

在规划中，CEPC-SPPC项目将在50公里-100公里长的地下环形通道内，利用相同的隧道，建造两座超级对撞机：正负电子对撞机和质子对撞机。虽然正负电子对撞机的对撞能级将只有0.24TeV-0.35TeV，但它的存在可以为建造质子对撞机削减大量成本。该质子对撞机和LHC相似，都在环形通道内使用质子进行对撞。但该对撞机的通道长度将是LHC的2倍至4倍，对撞能级可达70TeV-100TeV或100TeV-140TeV，远超LHC的14TeV。

在王贻芳看来，最近十年是中国建造超大对撞机的“窗口期”，“在下一个五年计划开建超大对撞机，是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。欧洲核子研究所的LHC正面临能级触顶的困局，欧洲、美国和日本手头都有项目，20年之内很难腾出手来，我们的竞争环境相对较好。”

尽管如此，在争论中国该不该建造超大对撞机时要回答的是：造价几何、是利是弊、能否解决科学难题、值不值得这四个问题。

造价几何

巨额的建造成本，成为包括杨振宁在内的反对者的首要“攻击点”。

杨振宁认为，根据以往各国建造对撞机的经验，比如美国中止了项目，浪费了30亿美元；CERN现运行的大型强子对撞机LHC耗资100亿美元，对撞机的建造成本是无底洞。他预估，中科院高能所建议的超大对撞机预算将高于200亿美元（1335亿元人民币）。

在反驳文中，王贻芳详细地算了一笔账，并表示“有成熟的估价、建造、管理经验”。在王贻芳团队的规划中，正负电子对撞机和质子对撞机将先后建设。不包括土地、“七通一平”等，预计在2022年至2030年竣工的正负电子对撞机工程造价约400亿元人民币。质子对撞机是否建设建立在正负电子对撞机是否有新物理迹象的前提上，工程造价在1000亿元人民币以内。其中，中国将承担70%的费用，即大约300亿元人民币（每年30亿元）和700亿元人民币（每年70亿元），但不包括未来的通货膨胀。

王贻芳还强调，高能所在北京正负电子对撞机等超过亿元的大型加速器及探测器工程中，“均按工期、指标完成，实际造价与预算相比，连5%都没超。”并因为质子对撞机的启动条件是正负电子对撞机有所成绩，王贻芳认为这不会是无底洞。

巨额建设资金将如何筹得？据《自然》杂志报道，王贻芳的团队在去年得到科技部3500万元人民币的资助，用于大型强子对撞机项目的开展，但在7月，发改委拒绝了该项目下一轮8亿元人民币的资助请求。在国际高能物理大会（ICHEP）上，王贻芳表示将专注于提高国际社会对该项目的兴趣。

利弊几何

杨振宁认为，对撞机的项目必将挤压其他基础科学的经费。

但王贻芳认为，目前中国的基础研究经费占研发经费的比重仅5%，低于发达国家的15%，这意味着基础研究经费仍有大约每年1000亿元人民币以上的增长空间。

此外，王贻芳认为，对撞机的项目会拉动国内科学仪器的发展，且和其他基础科学并不矛盾。“事实上这个投入也没有大大改变各领域的投资比例，从长期来看，是使各领域的比例与国际上基本一致。”

再者，杨振宁认为，高能物理的突破之前有、今后也无法在短中期内给人类生活带来益处，反而会对解决国内的民生问题不利。

王贻芳表示无法认同高能物理与人类生活的脱节，“没有高能物理，就没有或者推迟出现触摸屏，智能手机就是一个梦想；没有高能物理，就没有WWW网页，大家就不能上网，网络经济更是无从谈起。人类从WWW网页中得到的收益，已远远大于此前对高能物理的全部投入。”值得一提的是，万维网的创始人蒂姆·伯纳斯·李正是为了打破信息孤岛，解决欧洲原子核研究会的核物理学家数据互通的问题而开发了万维网。

对撞机，他国如何取舍？

欧洲：谨慎决定未来方向

欧洲拥有全球最大、能量最高的粒子加速器LHC，其质子对撞能量为14TeV，轨道长度27公里，有来自30多个国家的超过2000名物理学家参与。研究者所属的大学与实验室共同出资兴建这一耗资约80亿美元的“大家伙”。LHC所在的瑞士日内瓦与法国交界地区已发展为一座汇聚全球研究者的科学中心,有100多位中国研究者在那里工作。

2012年，科学家宣布利用LHC发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,完成了粒子物理所谓的“标准模型”。然而，LHC目前已经达到其设计能量，要进一步寻找新粒子，需建设能量和精度更高的机器。

CERN发言人阿诺·马尔索利耶说，未来10年LHC将进行大规模升级，并运行至2035年，届时产生的对撞能量将是现在的数倍。此后，CERN计划建设对撞能量达100TeV的新一代环形(质子)对撞机，轨道总长将达100公里。CERN将在5年内公布“未来环形对撞机”的完整设计报告和造价。

“但在任何关于新对撞机的决定敲定前，我们需要积累更多来自LHC的结果，这些结果将决定未来选择的方向。”马尔索利耶说。英国《自然》杂志认为,直到本世纪30年代中期，CERN都将忙于提高LHC的质子束密度而非增强能量。

日本：注重“经济实用”

日本已经完成了下一代超大对撞机的初步工程设计，并得到美国能源部和CERN的支持。与欧洲不同，日本选择建设更加“经济实用”的直线对撞机。

日本高能加速器研究机构(KEK)冈田安弘介绍，日本研究界一直在向政府建议由日本主导国际直线对撞机(ILC)计划。

冈田安弘说，ILC将在总长约31公里的地下隧道开展正负电子对撞，虽然对撞能量仅为1TeV，却可以更好地分析对撞后新粒子特性，在精密测定希格斯粒子、探寻新物理方面的能力远超LHC，还可在发现暗物质粒子方面加强同LHC的互补性研究。ILC的造价约为78亿美元，日本东北地区的岩手县及宫城县被列为候选建设地，预计将于本世纪20年代后期开始运转。

不过，文部科学省下设的专家小组表示，日本将等到2018年欧洲的LHC首次最大能量运行后再作决定。日方也在研究经费的不确定性和相关风险。冈田安弘说，日本的出资比例还需通过政府间交涉决定。由日本文部科学省和美国能源部组成的联合小组正在讨论如何降低ILC开支,认为造价还可降低15%。

美国：主动放弃“烧钱”竞争

美国超导超级加速器(SSC)建设项目在20世纪的“夭折”是美国科学史上的伤心往事，不少高能物理研究人员提起此事都叹息连连。美国从超大对撞机竞争中“出局”，此后也未就开建新一代超大对撞机有新规划。

在SSC项目选址地得克萨斯州爱丽丝，已建成的22.5公里的地下隧道被弃。美国物理学会会士韩涛说：“宣布终止SSC让高能物理研究的中心从美国移到欧洲。”

SSC对撞能量达40TeV。然而该项目经过几年建设，在完成了约20%、花掉了20亿美元后于1993年被美国国会取消。

当年美国物理学界分为两派，反对建设方主要担心对撞机挤占其他基础科学研究经费,影响力最大的声音来自诺贝尔奖得主菲利普·安德森。

93岁的菲利普·安德森说：“我认为反对建设超级对撞机终究还是对的。”他认为，粒子物理学家太执著于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式，而忽略了其他重要的实验事实(比如暗能量、丢失零点能、暗物质等问题)比追逐高能量还有意义。

就超大对撞机而言，王贻芳认为，它对中国科技带来的裨益是多方面的，不仅可以让相关技术实现国际化，领先国际，还可以将顶尖的科学家和工程师引进到中国，让中国成为国际化的科学中心。在他看来，这和民生问题一样，是中国亟待解决的问题，不可偏废。他还提醒：“从占GDP的比例来看，超大对撞机的造价（即使包括SPPC）并没有超过20世纪80年代的北京正负电子对撞机，也低于国际上的LEP、LHC、SSC、ILC等各类已完成的和计划中的设施。”

能破解科学难题吗

在杨振宁看来，对撞机能否帮助物理学家找到猜想中的超对称粒子仍未可知。他认为，中国高能所成立以来的成果不明显，并建议，相比超大对撞机，寻找新加速器原理和寻找美妙的几何结构是更为经济和符合总趋势的研究方向。

LHC近期平淡的表现让有些科学家在通过对撞机来破解基础物理难题这一路径上打上问号。LHC已经完成了寻找希格斯玻色子的任务，但之后一度沉寂，尚未在发现标准模型外的新粒子上有新进展。

去年12月，LHC疑似发现比希格斯玻色子更重的粒子的迹象，但今年8月5日，来自LHC的两个独立实验ATLAS和CMS的代表在美国芝加哥召开的国际高能物理大会上宣布，该迹象只是统计涨落，通过分析5倍于去年12月的数据，该迹象几乎衰减至无。

对于动则几十亿、几百亿元人民币的大科学装置，项目对科学本身的效益是关键因素之一。

对此，王贻芳回应，由于在希格斯粒子上，CEPC较LHC高10倍的测量精度，CEPC在确认希格斯粒子的性质、自耦和、是否与标准模型预言完全一致等上会有所突破，“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。”

对于CEPC能否成功建设，王贻芳在回应文中表示了信心，并提到：“电子对撞机还没有不成功的先例。”而对于技术要求较高的质子对撞机（SPPC），王贻芳承认：“未来第二阶段质子加速器的工作，我们目前确实经验不足，需要努力。”同时，他表示：“我们还有二十多年，可以实现‘完成工作与出资比例相当’这个最低目标。以我们过去三十多年进步的记录来看，这个目标是可以完成的。”

值不值得

另一方面，在耗资巨大的CEPC能否成为一个“高寿”的科学装置这一问题上，CERN国际关系部部长、物理学家鲁迪格·沃斯博士表示了担忧：“如果真要建造一部富于前瞻性的、有潜质的新机器，那么50公里的隧道长度会太短。粒子物理学研究50年的经验已经表明，利用大型加速器，要想从一代升级到下一代，要想真正有可能做出重要的新发现，你通常需要增加10倍的能量。”

鲁迪格·沃斯评论称：“CEPC-SPPC项目本身非常有趣，从纯科学的角度来看，它很值得去做。但从欧洲的角度来看，这个项目是用大量资金投入去研究一个范围极为有限的科学问题。这就提出了金钱投入的科学价值的问题，也就是金钱投入在建设一个富于前瞻性、长期的科学未来方面的可能性问题。”（本刊综合）※