中國(guó)花360億建造大型對(duì)撞機(jī)，到底值不值？| 王貽芳

時(shí)間：2023-07-13 11:51:01 | 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

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中國(guó)花360億建造大型對(duì)撞機(jī)，到底值不值？| 王貽芳：關(guān)注風(fēng)云之聲

提升思維層次

導(dǎo)讀

大型對(duì)撞機(jī)到底該不該建？“我們?cè)敢獍?0年所有人的錢(qián)集中在一個(gè)裝置上，所以產(chǎn)生的效益比分成100個(gè)研究要高。”大型對(duì)撞機(jī)是物理學(xué)家需要的科學(xué)裝置，也是通往“理解世界和宇宙的規(guī)律”這一人類(lèi)終極問(wèn)題的途徑。中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳院士為大家?guī)?lái)演講《為什么我們需要一個(gè)大型對(duì)撞機(jī)？》

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王貽芳演講視頻：







以下為王貽芳演講實(shí)錄：




我是王貽芳，來(lái)自中科院高能物理研究所。我研究的領(lǐng)域叫粒子物理，也叫高能物理。




過(guò)去講故事，開(kāi)頭會(huì)講：很久很久以前，盤(pán)古開(kāi)天地。




當(dāng)人類(lèi)文明成長(zhǎng)到一定程度，我們就會(huì)問(wèn)：宇宙是什么樣的？物質(zhì)是什么樣的？













2000多年前，希臘人就開(kāi)始思考這些問(wèn)題了。對(duì)于空間，對(duì)于物質(zhì)，他們有很多想法——雖然，這些想法可能跟現(xiàn)在的科學(xué)理解不太一樣，但事實(shí)上，2000多年前他們能提出這些思想，是非常了不起的，表示當(dāng)時(shí)他們的文明達(dá)到了非常高的程度。













中國(guó)也有，幾乎和希臘同時(shí)，我們的老子、莊子、左丘明都對(duì)宇宙、物質(zhì)提出了很多思考。













但是，真正的科學(xué)，實(shí)際上是從300多年前開(kāi)始：從原子論、分子論，一直到元素周期表，到原子核、夸克。原子核跟夸克是上一個(gè)世紀(jì)提出的，大約有將近一百年的歷史。













我們整個(gè)的科學(xué)發(fā)展，從原子到原子核到核子到夸克，每一個(gè)層次實(shí)際上都帶來(lái)了豐富的科學(xué)知識(shí)、科學(xué)成果。













在過(guò)去的300多年，我們的科學(xué)研究發(fā)展，跟我們對(duì)物質(zhì)世界“最本質(zhì)的研究”相關(guān)聯(lián)。如果沒(méi)有這樣的追求，大概科學(xué)也不會(huì)發(fā)展到這樣的程度。事實(shí)上，從50年代以來(lái)，大約1/3的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了粒子物理的研究。




我們?cè)趺醋鑫镔|(zhì)最本原的結(jié)構(gòu)的研究？













大家可能都用過(guò)顯微鏡，最早我們用眼睛看，用的是光波；但是如果想看的東西比光的波長(zhǎng)還要小，就看不到。怎么辦？我們用電子顯微鏡，因?yàn)殡娮拥牟ㄩL(zhǎng)比光子要小得多。再小一點(diǎn)怎么辦？我們需要用加速器把電子或質(zhì)子的能量加速到很高的程度。能量越高，能看到的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)越小。




所以研究高能物理或者說(shuō)粒子物理，到最后就是想盡一切辦法，把探針，也就是我們的電子或者質(zhì)子，加速到非常非常高的能量。













在過(guò)去的幾十年中，粒子物理有了非常成功的發(fā)展。上面這張照片，紅線(xiàn)的輪廓是歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）27公里周長(zhǎng)的加速器。













LHC地下實(shí)際上是一個(gè)隧道，隧道中有兩個(gè)對(duì)撞點(diǎn)。中間這張圖所示的是一個(gè)大型探測(cè)器，也就是“眼睛”。把質(zhì)子加速到非常高的能量，讓它跟另外一個(gè)質(zhì)子對(duì)撞，就可以用譜儀看到質(zhì)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。




經(jīng)過(guò)幾十年的研究，最終我們對(duì)整個(gè)物質(zhì)世界有了非常清晰的了解。就像元素周期表有一百多個(gè)元素一樣，物質(zhì)的最深層次，有16種基本的粒子。其中，有6個(gè)是夸克（Quarks），有6個(gè)是輕子(Leptons)；除此之外，還有右邊這4個(gè)相互作用粒子(Forces)。













這里面，有些粒子跟我們的日常生活密切相關(guān)，比如說(shuō)，傳遞電磁相互作用的就是光子；我們每天的日常生活都跟電子打交道。其實(shí)，這16種基本粒子之外，還有一個(gè)非常奇怪的粒子，就是最中間的希格斯玻色子（Higgs粒子，后用英文表示），它給了所有粒子質(zhì)量。





我們描述基本粒子相互作用的方程式，有一個(gè)基本的要求：所有的這些粒子必須是沒(méi)有質(zhì)量的。但這顯然跟實(shí)驗(yàn)事實(shí)相違背，因?yàn)槲覀冎离娮印⒖淇?、相互作用粒子等等都是有質(zhì)量的。




那怎么辦？




有一個(gè)很奇怪的理論：粒子本來(lái)是沒(méi)有質(zhì)量的，但跟充滿(mǎn)宇宙空間的Higgs粒子發(fā)生相互作用以后，后天獲得了質(zhì)量。這就是整個(gè)基本粒子的“標(biāo)準(zhǔn)模型（SM）”。我們現(xiàn)在都是在這個(gè)框架下做研究，來(lái)探究物質(zhì)最本原的結(jié)構(gòu)和知識(shí)。




Higgs粒子是一種非常奇怪的粒子。上世紀(jì)60年代被提出來(lái)時(shí)，其實(shí)很多人不相信，但最終，科學(xué)家們?cè)?012年歐洲核子研究中心（CERN）的加速器和探測(cè)器里看到了這個(gè)粒子。發(fā)現(xiàn)Higgs粒子機(jī)制的科學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）先生，獲得了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。




看起來(lái)，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型好像是完整了，但事實(shí)上還有很多問(wèn)題。比如說(shuō)，Higgs粒子給了其它16種粒子質(zhì)量，但它自己的質(zhì)量哪來(lái)的？




Higgs粒子的質(zhì)量是125個(gè)GeV（eV是電子伏特，1GeV=109eV）。按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算，它是由兩個(gè)大數(shù)減出來(lái)的，且這兩個(gè)大數(shù)必須精確到1034——世界上怎么會(huì)有這么巧的事情？所以這是一個(gè)非常不自然的理論，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型一個(gè)最大的問(wèn)題。




要解決這個(gè)“自然性”的問(wèn)題，就需要有新的物理，必須出現(xiàn)在1到10的TeV之間。













粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型還有一個(gè)問(wèn)題，如右邊這張圖所示，橫坐標(biāo)是Higgs粒子質(zhì)量，縱坐標(biāo)是頂夸克（即Top夸克，六種夸克中最重的一種）質(zhì)量。把這兩者的質(zhì)量畫(huà)在一張圖上以后，我們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)真空處在一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)：上面不穩(wěn)定，下面穩(wěn)定，中間是亞穩(wěn)態(tài)——




很難想象，在不穩(wěn)定的狀態(tài)下，我們的宇宙會(huì)經(jīng)歷138億年到現(xiàn)在。所以這個(gè)理論顯然有問(wèn)題，我們認(rèn)為：它絕對(duì)不是一個(gè)終極理論。




還有很多其他的問(wèn)題，比如中微子，包括暗物質(zhì)、反物質(zhì)等，都沒(méi)有辦法在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架當(dāng)中很好、很清楚、很正確地描述出來(lái)。




所以這些問(wèn)題告訴我們，我們需要向下一步去走，要搞清楚粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型存在的問(wèn)題，并最終解決這些問(wèn)題。這些問(wèn)題都跟Higgs粒子非常有關(guān)，所以我們需要建一個(gè)Higgs粒子工廠(chǎng)，大量地產(chǎn)生Higgs粒子；來(lái)精確地研究Higgs粒子的性質(zhì)，搞清楚粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型背后的問(wèn)題，從而尋找一個(gè)比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型更深一個(gè)層次的問(wèn)題的答案，比如，電子是不是真的還有一個(gè)更深層次的結(jié)構(gòu)？













這個(gè)加速器我們把它叫做“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC，后用英文表示）”，它的周長(zhǎng)有100公里。




為什么我們做這樣一個(gè)東西？為什么需要這100公里？













在歐洲核子研究中心，Higgs粒子已經(jīng)被看見(jiàn)了，我們可以做Higgs粒子性質(zhì)的研究。但問(wèn)題在于，看左邊這張圖，現(xiàn)在的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，研究Higgs粒子的性質(zhì)只能到大約10%的精度（圖中灰色部分）。10%，在新物理的能標(biāo)相當(dāng)于1個(gè)TeV左右。如果能夠提高精度到10倍，就可以把能標(biāo)提高到10個(gè)TeV，就能解決剛才提到的自然性的問(wèn)題。













所以我們需要一臺(tái)能產(chǎn)生足夠量Higgs粒子的新機(jī)器，使測(cè)量能夠達(dá)到1%的精度，從而摸到上限、把新物理給找出來(lái)。同時(shí)這個(gè)加速器會(huì)是世界上能量最高、通量最大的同步輻射光源，所以它的用處非常廣泛。














高能物理還有很多作用。它可以幫助我們探尋世界的本質(zhì)；同時(shí)也可以作為同步輻射光源和其他的一些設(shè)備。我們研制的乳腺PET（正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像，是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域比較先進(jìn)的臨床檢查影像技術(shù)）、PET和輻照加速器（產(chǎn)生的高能電子束照射可使一些物質(zhì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng)，從而能有效地殺滅病菌、病毒和害蟲(chóng)），都會(huì)有非常多的貢獻(xiàn)，造福人類(lèi)。




回過(guò)頭來(lái)，一個(gè)100公里的加速器，它具體有什么用處？




它牽涉的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域大約有二、三十個(gè)門(mén)類(lèi)：它需要世界上最高精度的機(jī)械、最高程度的真空、最好的電子、最快的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些最后都會(huì)使得我們國(guó)家，或者說(shuō)工業(yè)和硬科技的能力更上一層樓，真正做到國(guó)際領(lǐng)先。













一個(gè)科學(xué)上領(lǐng)先的裝置，它在技術(shù)上一定是領(lǐng)先的。所以，把這個(gè)裝置造出來(lái)，就會(huì)使我們的技術(shù)走到國(guó)際最前沿。事實(shí)上，我們國(guó)內(nèi)的加速器目前規(guī)模還比較小，現(xiàn)在還有一些技術(shù)空白，科學(xué)和技術(shù)都還沒(méi)有達(dá)到世界最領(lǐng)先的程度。




如果要做世界上最領(lǐng)先的加速器，那這些空白都會(huì)被填補(bǔ)，比如超導(dǎo)高頻腔微波功率源、低溫制冷、抗輻照集成電路芯片、超導(dǎo)磁鐵等等。同時(shí)，大規(guī)模的建設(shè)也會(huì)使我們的企業(yè)不光能完成對(duì)我們自己的設(shè)備供應(yīng)，還可以占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)。除此之外，它還可以引領(lǐng)關(guān)鍵技術(shù)的突破。我們現(xiàn)在正在做的一件事情，就是希望把現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室里最多做到指甲蓋大小的高溫超導(dǎo)材料，做成幾千公里、幾萬(wàn)公里的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)。




目前，在科技部（中華人民共和國(guó)科技部）、基金委（國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)）、科學(xué)院（中國(guó)科學(xué)院）、杭州市各方面支持下，我們正在做這些關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研。我們相信，經(jīng)過(guò)5年、10年的研究——高溫超導(dǎo)可能需要20年的研究——我們會(huì)把現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的這些技術(shù)推廣到大型的科學(xué)裝置上去，然后通過(guò)大型科學(xué)裝置的引領(lǐng)，把它推向社會(huì)的方方面面。










我們相信，這樣一個(gè)裝置對(duì)中國(guó)科學(xué)發(fā)展是一個(gè)重大的機(jī)遇。




首先，它有重大的科學(xué)意義，剛才已經(jīng)說(shuō)過(guò)了。




其次，它能改善我們的國(guó)際環(huán)境，能使中國(guó)跟國(guó)際上有更好的交流，讓中國(guó)的國(guó)際形象更加高大、對(duì)人類(lèi)的文明有更大的貢獻(xiàn)。




同時(shí)，根據(jù)國(guó)際上大量的研究，這樣一個(gè)大型加速器，一般來(lái)說(shuō)投入產(chǎn)出比大概在1:3左右，是完全值得的。




最后，做這個(gè)大科學(xué)裝置，我們有體制上的優(yōu)勢(shì)。我們相信它作為一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)研究中心，對(duì)地方的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人才引進(jìn)和培養(yǎng)國(guó)際化的體制建設(shè)等等，都會(huì)有非常重要的作用。




對(duì)我們來(lái)說(shuō)，窗口時(shí)間應(yīng)該是10年：按照現(xiàn)在非常激進(jìn)的計(jì)劃，2022年開(kāi)始建設(shè)，2030年完成。我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手歐洲核子研究中心，在今年的1月15號(hào)公布了他們的計(jì)劃，幾乎跟我們完全一樣：2030年開(kāi)始建設(shè)，2040年建成。這就是我們目前面臨的一個(gè)國(guó)際形勢(shì)：我們有沒(méi)有可能、有沒(méi)有膽量參與國(guó)際最前沿的科學(xué)和技術(shù)方面的直接競(jìng)爭(zhēng)，并能夠在這件事情上實(shí)現(xiàn)國(guó)際引領(lǐng)。我們希望它成為一個(gè)中國(guó)發(fā)起的國(guó)際大科學(xué)裝置。













這是我們的概念設(shè)計(jì)報(bào)告的發(fā)布會(huì)。國(guó)際上類(lèi)似的裝置一共有四個(gè)：兩個(gè)直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)，兩個(gè)環(huán)形對(duì)撞機(jī)。我們做的是其中的一個(gè)環(huán)形對(duì)撞機(jī)，歐洲核子中心有一個(gè)直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)、一個(gè)環(huán)形對(duì)撞機(jī)，另外日本有一個(gè)直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)。我們希望中國(guó)在這一次能夠在時(shí)間上領(lǐng)先。




大家都說(shuō)這東西很貴，反對(duì)的人可能都是因?yàn)殄X(qián)。所以我想給大家算一筆賬，為什么說(shuō)這件事情是可以做的？













這張圖是國(guó)際上已有的加速器的造價(jià)占當(dāng)年GDP的比例。中國(guó)在1984年建設(shè)了杭州正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC），造價(jià)占當(dāng)年GDP的0.01%。美國(guó)做超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）的時(shí)候，也占0.01%。歐洲核子研究中心在80年代做了大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），27公里，占0.02%。發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），占0.03%。我們?nèi)绻鯟EPC，在2020年建設(shè)，將占當(dāng)年的GDP的0.005%。




CEPC現(xiàn)在總造價(jià)是360億人民幣。




為什么看起來(lái)花錢(qián)很多？




因?yàn)樘厥狻?b>我們?cè)敢獍?0年所有人的錢(qián)集中在一個(gè)裝置上，所以產(chǎn)生的效益（獲利指數(shù)PI=投產(chǎn)后各年凈現(xiàn)金流量的現(xiàn)值合計(jì)/原始投資的現(xiàn)值合計(jì)）比分成100個(gè)研究要高。




科學(xué)院的人均經(jīng)費(fèi)大約每人每年100萬(wàn)。我們算一下，建設(shè) CEPC裝置，360億除以3000人除以20年，得到每人每年60萬(wàn)；再加上工資、運(yùn)行、研究40萬(wàn)左右。如果按領(lǐng)域平均，現(xiàn)在基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)有900億，除以6個(gè)領(lǐng)域，數(shù)理化天地生。我們?cè)谖锢懋?dāng)中如果只占1/5，一年也有30億。所以大家可以看到，我們建這樣一個(gè)裝置，能用20年，投入不算多，不超過(guò)國(guó)內(nèi)一般水平。這是我們高能物理作為一個(gè)重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)該得的錢(qián)，是我們特有的研究形式。所以拜托大家支持我們做這樣一個(gè)裝置。













2008年的杭州奧運(yùn)會(huì)，大家可能對(duì)開(kāi)幕式印象很深，我們有造紙、毛筆、活字印刷，還有太極，非常震撼；而2012年的倫敦奧運(yùn)會(huì)，開(kāi)幕式拿出來(lái)的是原子核，萬(wàn)維網(wǎng)（WWW）的發(fā)明人、歐洲核子研究中心的伯納斯·李先生——從中可以看到差距：我們的未來(lái)應(yīng)該在科技，我們不能躺在前人的成就上、永遠(yuǎn)沉湎其中，而是應(yīng)該有新的東西。













中國(guó)現(xiàn)在的大科學(xué)裝置，數(shù)量很多。500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡“天眼”（FAST）10億人民幣，中國(guó)散裂中子源（CSNS）20億人民幣，杭州正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）8.8億人民幣。而歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目55億歐元，發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）20億美元，美國(guó)在南極冰立方中微子望遠(yuǎn)鏡（IceCube）10億美元，我們總體的規(guī)模差了10倍，我們的國(guó)際領(lǐng)先性不夠，在于老說(shuō)大科學(xué)裝置貴——其實(shí)，我們做很多小型的，不如建一個(gè)大型的。













CEPC還可以把廣告打到全世界。




這張照片是我在杭州機(jī)場(chǎng)拍的，華為說(shuō)它對(duì)上帝粒子的發(fā)現(xiàn)有了貢獻(xiàn)。我相信，如果我們自己有一個(gè)Higgs工廠(chǎng)，會(huì)有上百個(gè)企業(yè)說(shuō)“我對(duì)中國(guó)的Higgs工廠(chǎng)做了貢獻(xiàn)”。




謝謝大家。










演講嘉賓王貽芳：《為什么我們需要一個(gè)大型對(duì)撞機(jī)？》

背景簡(jiǎn)介：本文作者王貽芳，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)。本文為王貽芳院士的演講實(shí)錄，文章2019年4月21日發(fā)表于微信公眾號(hào)我是科學(xué)家iScientist（https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MzA3OTI1MA==&mid=2651608768&idx=1&sn=8b2495368d651f5803e053d793f96fab），風(fēng)云之聲獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
責(zé)任編輯：孫遠(yuǎn)