2021年10月1日，楊振寧先生將迎來農歷100周歲生日，學術界紛紛推出活動或文集祝賀楊先生百歲誕辰?！顿愊壬纷?月起陸續刊發系列重溫楊振寧先生重要貢獻的經典文章。9月22日起與《知識分子》聯合推出 “百年風華楊振寧” 系列文章。邀請朱邦芬、潘建偉、施一公、饒毅等科學家及楊振寧先生學生為楊先生百歲誕辰送上祝福。
本期推送楊振寧先生學生韋杰特別撰文，回憶自己師從楊先生的經歷，以及楊振寧對加速器物理研究領域的高瞻遠矚。
撰文 | 韋杰
楊振寧先生是物理學大師，也是我的老師。在此我想以自身的經歷談談楊先生對加速器領域的高瞻遠矚，及對學生晚輩的啟蒙和幫助。
1984年九月，我離開清華大學工程物理系理論物理組，來到楊先生所在的紐約州立大學石溪分校物理系(圖一)攻讀博士學位，準備主攻凝聚態理論物理。楊先生時任理論物理研究所主任，并在物理系任教。
第一年我修了楊先生開講的量子力學PHY515課程。楊先生用的是L.I. Shiff的量子力學課本《Quantum Mechanics》，講得深入淺出，很受研究生們歡迎。第一次留作業，留了兩道對于我來說頗有難度的題目。我請教了高我一屆的張首晟學長，也第一次感覺到做理論物理可能不是自己的強項。
一年后，我通過了物理系博士資格考試，開始在導師指導下開展凝聚態理論物理研究。努力一年后，感覺進展緩慢，困惑之中來到楊先生的辦公室請教。楊先生指點：高能理論物理需要實驗驗證，而實驗驗證所需的高能態則依賴于粒子加速器。在現有的加速原理及技術手段下，建造超高能加速器耗費巨大，所以高能物理的前途在于新的加速器物理理論和方法。
楊先生列舉了在他的教誨下從理論物理轉行做加速器物理的成功范例，如領導超級超導對撞機(Super Superconducting Collider, SSC)物理設計的趙午學長、原創性拓展自由電子激光(Free Electron Laser, FEL)理論的余理華學長等，他們的名頭在石溪物理系的研究生中如雷貫耳。
經楊先生兩次點撥，我決定改變研究方向，主攻加速器物理。楊先生遂與加速器領域的先驅Ernest D. Courant先生聯系，推薦我到距石溪30公里的布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory, BNL)師從E D. Courant，而楊先生則成為我在石溪的博士學位導師。
當時，布魯克海文國家實驗室正在進行相對論性重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)加速器工程的預研。一九八九年底，我以RHIC的研究課題在石溪完成論文答辯(圖二)，論文題目是Longitudinal Dynamics of the Non-adiabatic Regime at Transition Crossing(臨界能穿越的非絕熱縱向動力學)[1]。答辯會后楊先生很高興，并謙虛地說：“I learned something.”
回想在石溪的五年，楊先生引導我學習和體會如何實現自己的價值，做自己最為擅長的專業，在加速器領域發展。楊先生既是令人仰望的物理學大師，也是許多晚輩的良師益友，許多在石溪的同學都受益于楊先生的教誨(圖3)。每次向先生請教，他都會仔細凝聽，問出的問題總是很敏銳，并總能給出獨到的見解，令人豁然開朗。
當然，楊先生超然的睿智及敏捷的思維也每每讓我感到難以望先生項背。楊先生給的《Symmetry》講座，至今同學們還津津樂道。每年春節前后，石溪的中國學生學者聯誼會舉行慶?；顒?，楊先生都會應邀前來。楊先生在石溪數學樓六樓頂層的辦公室，時常會浮現在我的記憶里，先生的教誨令我受益終身。
自1986年進入加速器領域后，我有機會參與了數個加速器領域前沿大型工程的預研、設計和建造。在攻讀博士學位期間，我在加速器領域的傳統課題臨界能穿越(transition crossing)上練手，發現了RHIC作為世界上首臺需要穿越臨界能的由超導磁鐵構成的同步加速器環，由于超導磁場需緩慢提升場強，縱向非線性效應在臨界能附近會導致嚴重的束流能散及損失。在發現與此相關的重大工程設計缺陷后，提出了利用降低射頻電壓減小束流穿越能散及臨界能跳躍等改進措施，且被采納。我順利獲得了博士學位，并為工程建設作出了貢獻。
畢業后的十年，我繼續在RHIC工程(圖四)做加速器物理研究、工程物理設計及建造[2]。當時提出的采用隨機冷卻機制(stochastic cooling)解決因束內散射(intrabeam scattering)導致的束流損失及發散問題的方案，約二十年后成功在RHIC裝置上實施。
此后，我負責了布魯克海文國家實驗室參與歐洲核物理研究中心(European Organization for Nuclear Research，CERN)的大型強子對撞機(US part of Large Hadron Collider, US-LHC)的加速器物理工作，提出了對撞區域磁場誤差的束流動力學校正原理及具體方案。
自1999至2005年，我參與了由六家美國能源部國家實驗室合作，在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)建造的散裂中子源工程(Spallation Neutron Source, SNS)(圖五)，初期負責工程加速器物理、物理設計及預研，后來全面負責SNS儲存環及輸運系統的設計和建造，直至工程順利完工[3]。
此間，由楊先生作為推薦人之一，我由助理研究員逐步成為布魯克海文國家實驗室的終身研究員， 并于2003年成為美國物理學會會士(American Physical Society Fellow)。
在過去七十年里，高能物理加速器的設計都基于1952年E.D. Courant等先輩發現的加速器強聚焦原理[4]。隨著加速粒子能量的不斷上升，高能物理加速器的建造越來越趨于周期冗長、建設團隊龐大、建設費用高昂。
更先進的加速原理的研究至今遲遲無法成熟到能應用于具體工程中。鑒于這些原因，這些年楊先生更致力于支持中、低能量及應用型加速器的發展，包括服務于能源、生物、材料、醫療等領域的光源、中子源、離子治療等加速器項目。
2005至2009年，在楊先生的直接支持、鼓勵及香港方潤華先生的幫助下，我來到中國科學院高能物理研究所參與中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)的設計和預研(圖六)，并擔任中國散裂中子源工程(籌)經理，負責工程的籌備工作[5]。
這項由中國科學院高能物理研究所負責的基于強流加速器的工程于2018年全面建成，目前已達到設計指標并開放運行，成為中國第一座脈沖散裂中子源，服務于眾多前沿研究領域。
2009年，在楊先生的支持下，我應唐傳祥系主任和顧秉林校長的邀請來到清華大學工程物理系任教，籌建基于質子束的緊湊型脈沖強子源(Compact Pulsed Hadron Source, CPHS)(圖七)。這個項目所推動發展的技術不僅適用于低、中能質子加速及中子散射、成像平臺，并可拓展至質子應用平臺、離子治療、核物理研究及應用平臺和加速器驅動次臨界裝置(圖八)等。
強子加速器項目與清華傳統的基于電子加速器和光源及輻照技術形成技術互補，形成適合大學發展的加速器研發平臺。當時，關遐令、龍振強等老師一同加盟清華，組建了一支質子加速器及中子技術隊伍。有居住在清華的楊先生的熱情鼓勵，顧秉林校長的全力支持，及唐傳祥、陳懷璧等系領導全方位配合，項目設計及預研發展很快，并在清華主校園迅速選址開建[6]。
2010年我離開清華后，王學武老師接手負責項目發展，很快該加速器項目建成出束并進入用戶運行。近些年來，清華質子加速器團隊又承擔了基于質子同步加速器的空間輻照模擬設施的設計和建造任務，并于近期成功調試運行。
2010年，我應美國密西根州立大學邀請，到該校任職，并擔任稀有同位素束流設施(Facility for Rare Isotope Beams, FRIB)加速器項目負責人，負責加速器的設計、預研、建造、調試及運行(圖九)。
這項由美國能源部和密西根州立大學合作的加速器工程項目建設總投資約十億美元，于2010年立項，2012年通過工程基準，2014年開工建設，目前工程進展順利，將于2022年建設完工并開始用戶運行。
這項世界上最大規模的重離子直線加速器采用2K液氦超導射頻腔加速、液態金屬膜電子剝離及旋轉靶站和旋轉廢束站技術，將以最先進指標服務于核物理領域的研究和應用[7]。
自1986年由楊先生引薦到加速器領域，至今已三十五年。對我個人來說，加速器行業的回報是如此獨特，以至于可以通過工程項目的執行將物理想法變為現實。在整個建設過程中，體驗到在物理、技術、團隊合作和建立友誼諸方面的無盡收獲[8]。能夠親歷從概念到實體的全過程，讓我感到無勝榮幸，并樂此不疲。
很幸運在我事業起步迷茫之時有楊先生的及時指點，找到自己擅長并熱愛的事業(圖十)[9]。衷心感謝恩師楊先生三十多年來的教誨、指導和支持，衷心祝愿楊先生童心永駐、鶴發常新、健康長壽!
