唐靖宇：超级对撞机是面对20年后的世界
最近丘成桐先生、杨振宁先生和王贻芳院士关于在中国建造超级对撞机 CEPC-SPPC 的辩论激发了全国性的辩论。我本人也从大家的意见收获了不少启发。我自以为这场大辩论是好事，有利于我国普通大众科学意识的提高。前两位是国际顶尖的科学家，更是我从上大学时就景仰的前辈；后者是我的同龄人，也是我的领导，同样也是国际顶尖的科学家（中国首个获得国际基础科学突破奖的人）。我在这里不直接对他们的意见进行评价，而是作为活跃在国内加速器领域的一个不是很知名的加速器专家，根据自己三十年来的经历和体会发表一些个人意见，主要不是参加争论而是起一点科普的作用。
粒子加速器（通常简称加速器）是发明于20世纪二十年代的物理学研究的仪器设备，以将带电的微小粒子如电子、质子等加速到很高的能量或尽可能接近光速。只是随着核物理学和粒子物理学发展的需要，加速器变得越来越复杂、规模越来越大，从最初的由几个实验物理学家自已动手建造变得由一个专门的加速器队伍来设计建造，而对撞机则是加速器类型中最为复杂的。大型加速器涉及到的学科也比较广，包括物理学（束流物理或加速器物理，物理学的一个研究方向）、核科学技术和很多工科技术的交叉（包括加速器磁铁技术、电源技术、射频和微波技术、信号测量和电子学技术、真空技术、控制技术、辐射防护技术、超算技术、精密机械和准直测量技术等），还包括大科学工程的组织管理。因为涉及到几百名甚至上千名科学家和工程师的协同工作，这就不再是简单的工程建设，而是其中很多系统具有相当技术风险的科学工程。在一定程度上像上世纪六十年代的两弹一星工程和现在的航天工程，只是困难程度和风险程度不同。这绝对不是一个一般国力的国家可以做的，在一定程度上或一个方面也代表了一个国家在科学技术方面的能力。
在回答高能物理的研究成果有什么用时，王贻芳院士曾在一个公众场合明确地回答“没有什么用”。很多人同意，基础科学研究在短时期内是不能明确看到其实际应用的，但我们现在所有的技术几乎都来自基础科学研究。很多人也对加速器提出了这个问题。我在平常的生活中也经常碰到熟悉和不熟悉的人问我这个问题。我在给学生讲课时，有时也会讲到这个问题。我倒是想说“加速器还是挺有用的”。
前面提到了加速器是随着核物理和粒子物理的发展而发展起来的，那它肯定就是这两个学科的发展需要了。但科学的发展通常都会在你一开始并不知道的方向上发展出各种应用和技术来，并大量造福于人类。加速器的发展也不例外，现在加速器已广泛应用于人们生活的方方面面，从医院里的发射治疗、疾病诊断和灭菌，到农业育种和保鲜，再到工业 CT 和高性能电缆。在服务科学研究方面，它也大大地拓展了。现在基于同步辐射光源和散裂中子源的大型多学科应用平台几乎覆盖了所有的科学研究领域，有人统计70-80%的学科领域。同步辐射光（包括自由电子激光）和经过慢化的中子都是极好的物质结构研究探针。当然，不同学科方向目前在光源和中子源上的应用程度是很不一样的。它也能对一些工程技术的发展提供支持，这就是为什么欧美日的一些大公司会在光源或中子源上投资建造部分专用的应用终端。
加速器还有另外一个重要作用，就是促进相当一部分技术的发展。因为大型加速器都会采用非常先进的技术，其部件的研制会显著带动一个国家的工业技术的发展，如上面提到的多种交叉工科技术。我们国家30多年来加速器所带动的工业技术的发展经历也完全符合这个国际上的模式。而且新的加速器还要用到新的技术或者对原有的技术提出了更高的要求，基本上都是人类目前尚未掌握的。国际上的主要加速器实验室都会在启动前进行若干年甚至一二十年的关键技术研究，基本成熟后才转移给工业界。这也是国际上目前建造下一代超级质子对撞机（如我们的 SPPC）还不成熟的原因，还需要10-20年的时间来发展强场超导磁铁技术，而超导磁铁技术的发展必然会极大地促进它在其它工业领域的应用，如电力工业。我们以 SPPC 的需求为引导，组织国内很多科研院校和企业联合发展高温超导材料技术，就收到了非常好的响应。而且我国在高温超导材料特别是铁基超导材料方面具有很好的基础，在国际上也处于前列，如果能够协同攻关在15年左右的时间内掌握这项技术，就可以大大降低 SPPC 的造价（质子对撞机的磁铁系统要占总经费的50%以上），也会使我国在该技术上全面处于国际领先和带动相关产业的发展。
前面提到，现代大型加速器已非常复杂，需要专门的知识和技术。很多资深加速器专家常年研究加速器物理和技术，而并不是特别了解大型加速器的科学目标。我本人虽然有很多年的加速器研究经历，也直接参与 CEPC-SPPC 项目第二阶段 SPPC 的前期研究，但对高能物理了解也只是皮毛，对其科学目标不敢妄加评论，通常只能是谦虚地请教我们的理论物理学家或者实验物理学家。作为加速器专家，我们更多的时候是根据粒子物理学家或核物理学家的要求来设计、研制和运行加速器装置，或者根据更大的科学家群体的要求设计建造作为多学科应用平台的光源和中子源的加速器，也参与研制和发展应用纯应用型的加速器（如X射线治疗和质子-重离子治疗的加速器）。还有一些加速器专家在退休后发挥余热，积极参加应用型加速器的研发，国际上不少小型加速器公司就是这些人发展起来的。
CEPC-SPPC（CEPC 是环形正负电子对撞机的英文缩写，又称为希格斯工厂，其核心科学目标是希格斯粒子的精细研究）的建造是得到国际高能物理界多数人认可的非常重要且较为紧迫的工作。当然，CEPC 上也还可以开展希格斯物理之外的一些其他重要的物理研究目标。位于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC虽然发现了希格斯粒子，但它是个发现型加速器，不适用于开展精细研究。而建造 CEPC 所需要的加速器技术在国际基本上是成熟的，采用更先进的技术是为了降低其造价和运行费用。尽管其造价仍然非常高，但300-400亿人民币在国际上也被认为可以接受的（国际上15-20亿美元或欧元的大科学工程已有不少）。中国的国力加上国际合作也是在承受范围之内的，如果获得支持就可以很快就可以启动。作为质子对撞机，SPPC 也将是一台发现型的加速器器，但它要在比 LHC 高5-7倍的能区寻找超出粒子物理标准模型以外的物理现象，包括发现新粒子和验证新的模型。当然，这不仅是粒子物理的问题，也是宇宙学的问题，因为它要回答宇宙起源的问题。然而，建造 SPPC 的条件还不成熟，其中最为关键的是我们还没有掌握磁场强度达到16-20T的磁铁技术。国际上认为通过今后15-20年的协同攻关，我们有希望发展出这项技术并在极大程度上降低其造价。应该说，我国科学家提出的两步走路线是非常科学的和符合中国国情的，即先用15年左右的时间建造和运行 CEPC，然后再根据科学目标的需要和技术成熟度视机启动 SPPC 的建造，CEPC 阶段建造的对撞机隧道和大量基础设施可以用于 SPPC 的建造，从而节省经费和时间。
我本人也并不认为中国必须建造 CEPC-SPPC，其科学目标是否足够令人信服？时机是否最佳？是否还有其他更紧急的项目需要支持？目前国家的财政状况是否可以承受？这些都可以通过圈内、圈外科学家的讨论，再由相关的决策机构决定。这过程中也应该欢迎公众参与讨论，但肯定不能采用公众投票来决定是否建造，因为一般公众对理解这样的项目对国家的作用的能力是很有限的，肯定远不如英国公投脱欧的情况。如果大家在发表意见前，先通过有关渠道（如网页和书籍等）学习一些高能物理、加速器的初步知识，就太好了，那么这次全民辩论将肯定是一次对公众进行科学普及和教育的大好机会。CERN 每年都会吸引成千上万的普遍百姓来参观，他们不是来学习高能物理的，而是来看看我们人类如何的伟大，建造如此复杂的装置来回答自然界的根本问题，并了解到加速器技术的发展竟然同我们的生活是息息相关的。
大型科学设施尤其是 CEPC-SPPC 这样超大型装置需要好多年的时间作准备，进行设计优化和关键技术的预研，以及研制队伍的组织和国际合作框架的建立。因此，在进一步研判是否批准建造前，应该给予一定的预研经费进行研究，这样即使最终决定不建造，所获得的技术进展仍然是很有价值的。而 SPPC 是面向20年以后的世界和目前还没有掌握的关键技术，也是需要提前布置的。尽管美国已明确表示将不牵头建造超级对撞机，但仍花相当多的经费来组织他们国内的科研单位开展强场超导磁铁技术的研发，这使他们在今后参加国际合作时处于有利地位，也有利于将新技术用于其他领域。
CEPC-SPPC 作为国际上最为强大的加速器，必然会吸引国际上高能物理领域的实验物理学家和理论物理学家以及加速器专家来这里工作和做实验，就像现在全世界的科学家都去CERN一样，更不要说会吸引大量国内的优秀年青人从事相关的研究了。世界上的优秀年青人也会以来中国参加在这里的工作为荣。长期以往必然会形成一个极好的引智氛围，而不限于在CEPC-SPPC上工作和学习。想一想美国的科技水平是怎样在希特勒迫害犹太人时和第二次世界大战之后极其迅速提高的，大批优秀外来人才的到来也是起到了很关键的作用。面我们中国历史上的盛唐时间，也是不拘一格地使用外来人才。
经过改革开放30多年来的发展，我国的科技水平包括基础研究也有了非常大的进步，在少部分领域或研究方向上已与国际最先进水平看齐甚至领先。但这些点的突破所造成的影响仍不如中心开花的效果，即直接摘取基础研究的皇冠上的明珠-超级对撞机和高能物理的前沿研究。
当今世界虽然避免了大规模的战争，但局部冲突和国家间的仇视不断，而高能物理的良好合作精神和氛围对消除这些敌意绝对是有利的。我们常常说科学是没有国界的、科学家是有祖国的，想想大家共同出资并派人员在肩并肩地一起工作，难道不会促进相互的理解或谅解吗？有人举了中东一些历史上相互完全敌对的国家合作建造一个同步辐射光源 SESAME 作为例子。我这里还举另一个例子，即中国和美国的国家间科技交流。大家都知道是乒乓外交打开了中美关系的大门，很多人不知道是高能物理帮助打开了中美科技合作的大门。从上世纪70年代起，美国科学家就帮助中国设计和建造高能加速器，前期是北京质子同步加速器，1980年后改为帮助建设北京正负电子对撞机，除了人员支持外，也提供了很多加速器技术。自1979年以来，每年均召开中美高能物理会谈，轮流在两国进行，前期每次都由两国的部长级官员带队，代表团还会受到国家领导人的接见。正是在这样的合作牵引下，其他方面的科技合作也逐渐打开了。我也在设想，近些年来对中国和中国人表示不友好的日本科学家和学生来 CEPC-SPPC 工作和学习的情形。
一个国家要处于世界优秀民族之林、甚至冒尖，一定要对世界的文明做出重要贡献。中国在历史上的很长时期是做到这一点的，为世界上贡献了四大发明、儒家文化、道家文化等等。然而，近300百年来，中国没有发起也没有赶上近代科学的发展，导致全面落后和挨打。尽管我们在19世纪上半叶 GDP 占世界的约三分之一，我们还是输了鸦片战争和随后的对外战争，从而导致全面的国力溃退。我们在上中学和大学时，看到课本中的各种定律、定理、理论几乎完全是以洋人命名的，心里多少有些不是滋味。改革开放打开国门之后，我辈奋勇去西方学习先进的知识和方法，其谦虚之情是自然的。经过几十年的发展，我国不仅经济实力大增，科学研究的实力也是不能同日而语，已能在部分领域和方向上处于国际前列甚至是领先。展望10年甚或20年之后，我国的国力和科技实力也必然会进一步提高。难道我们不应该做一些引领世界的科学研究吗？还要继续跟在西方国家后面谦虚地学习吗？
一个国家在国际上要站得住、站得高，不仅要有硬实力，包括经济实力、国防实力，也要有软实力，包括文化实力、制度实力、科技实力等。而建造全世界科学家都翘楚期望的超级对撞机以满足人类对自然之本的探索兴趣应该是其中一个好例子。
不少人知道美国费米实验室首任主任 R.威尔逊上世纪六十年代在美国国会回答议员为什么要建这么花钱的大加速器时说过一个名句：“我们要建的装置不能帮助保卫美国，但会让美国更值得我们保卫。”我这里要讲一个亲身经历的小故事，一位从事高能物理实验技术研究的美国科学院院士参加我们 SPPC 的合作研究，他曾对我说，他对美国目前的现状极其担忧，美国已失去了领先世界的动力，与他上世纪六十年代末到美国时的感觉完全不一样了。那时，感觉到处都是梦想，你有很好的想法去努力奋斗，就很有希望能实现，而现在人们已不再做梦了。你们中国现在的形势很好，到处都是希望。
我就用这个故事跟我们的年青人讲，年青人要有梦想，做自己的中国梦，我们这一代基本是在跟随西方国家走，在学习、在追赶，你们这一代要有自信、要超越西方。尽管我没有机会直接参加 SPPC 的建造过程，我现在只能做一些最初的铺垫工作，但我希望在我的有生之年能看到 SPPC 的建成。我们的年青人他们确实也有这个雄心。
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本文经《赛先生》公众号授权发布。
文小刚、刘克峰、颜宁三位国际著名科学家担任主编
── 上帝忘了给我们翅膀
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