《三體》中，那個(gè)鎖死人類基礎(chǔ)科學(xué)的智子實(shí)在是令人印象深刻。
當(dāng)三體人得知四光年外的地球上有人類這一存在之后，又開(kāi)心又害怕，開(kāi)心的是人類文明遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如三體文明，害怕的是人類文明的進(jìn)化速度非常之快。如果三體人用他們當(dāng)時(shí)最快的飛船趕到地球要花四百年時(shí)間，等真的趕過(guò)去可能就已經(jīng)被人類的科技水平虐成渣了。
所以，他們先發(fā)制人地發(fā)動(dòng)了智子攻擊，用光速發(fā)出兩個(gè)質(zhì)子計(jì)算機(jī)，率先來(lái)到地球，暗戳戳搞破壞，不過(guò)兩個(gè)比原子還小的微粒能做什么壞事?
除了刺探下地球人的公開(kāi)情報(bào)之外，就是給人類的粒子物理研究搗亂，影響人類最前沿的粒子加速對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，制造錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，搞瘋掉一批批人類最聰明的物理學(xué)家，最終鎖死人類的基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展。如果人類無(wú)法在微觀層面發(fā)現(xiàn)新的物理定律，也就沒(méi)有更高的科技水平，也自然再也不能和三體人叫板了。如此想來(lái)，是不是細(xì)思極恐了?我們不得不問(wèn)一句，現(xiàn)在我們的物理學(xué)被三體人的智子給鎖死了嗎?
這倒沒(méi)有，不過(guò)基礎(chǔ)物理似乎正在被高額的研發(fā)費(fèi)用給“鎖死”，因?yàn)榻ㄔ爝@種高能物理實(shí)驗(yàn)機(jī)器的代價(jià)實(shí)在是有點(diǎn)高昂。
不過(guò)，這臺(tái)全長(zhǎng)100公里的FCC環(huán)形對(duì)撞機(jī)的建造成本預(yù)計(jì)為210億歐元。這項(xiàng)計(jì)劃能夠通過(guò)，還得歸功于它的前輩—— “大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”(Large Hadron Collider，LHC)的成功。這一耗資50億瑞士法郎，耗時(shí)25年，全長(zhǎng)27公里的對(duì)撞機(jī)，終于在2012年證實(shí)了希格斯玻色子的存在，證實(shí)了一個(gè)50年前提出的物理學(xué)猜想。
正是這一次的成功實(shí)驗(yàn)給了CERN巨大的信心，使其計(jì)劃建造一個(gè)橫跨瑞士和法國(guó)，面積大13倍，周長(zhǎng)大3.7倍的超大型環(huán)形對(duì)撞機(jī)，來(lái)發(fā)現(xiàn)更深層次的基本粒子，比如預(yù)言中的超對(duì)稱粒子，從而驗(yàn)證那些可以解釋暗物質(zhì)、暗能量的超對(duì)稱理論。
為了驗(yàn)證一項(xiàng)物理學(xué)假說(shuō)，動(dòng)用如此規(guī)模的資源，到底值不值?在中國(guó)同樣有一場(chǎng)關(guān)于要不要建造“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)—大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(CEPC-SPPC)”的激烈爭(zhēng)論。
那么，歐洲要建的這座大型對(duì)撞機(jī)，到底有何作用? 既然歐洲已經(jīng)領(lǐng)跑了，那么我國(guó)的大型粒子對(duì)撞機(jī)，還有必要再建設(shè)么?
為什么要建大型粒子對(duì)撞機(jī)?
粒子對(duì)撞機(jī)是現(xiàn)代高能物理研究中最為重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。如果人類想要搞清楚宇宙的微觀層面，也就是弄清楚組成宇宙物質(zhì)的基本組成，搞清楚自然運(yùn)行的基本規(guī)律，就不僅僅需要提出一系列的科學(xué)假說(shuō)，還要能夠證實(shí)或證偽這些假說(shuō)的物理實(shí)驗(yàn)，那么粒子對(duì)撞機(jī)就是必不可少的驗(yàn)證和測(cè)量工具。
那么粒子對(duì)撞機(jī)是如何工作的呢?如同我們想要了解一個(gè)東西的內(nèi)部構(gòu)造，就會(huì)把它拆開(kāi)來(lái)看看，物理學(xué)家同樣面對(duì)微觀粒子的時(shí)候也是采用同樣的思路。只是想要拆開(kāi)比原子更小的基本粒子的難度會(huì)非常大，科學(xué)家們?yōu)榇讼氲搅艘獙⒒玖Ｗ硬粩嗉铀?，然后讓它們迎面相撞。以接近光速的速度相撞，釋放最大的能量才有可能把這些粒子拆開(kāi)，然后人類才有可能觀察到粒子的更基本組成和各種物理性質(zhì)。
(LHC鉛離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生了大量新的物質(zhì))
如何讓兩個(gè)如此微小的粒子相撞，其過(guò)程非常復(fù)雜，目前想到的唯一辦法就是同時(shí)加速上億個(gè)粒子，最后在一場(chǎng)粒子的暴風(fēng)驟雨中，只有幾對(duì)幸運(yùn)的粒子可以迎面撞上。而人類要做的就是在電光火石之間，測(cè)量出粒子相撞留下的痕跡(直接觀測(cè)粒子對(duì)撞是不可能的)，這也對(duì)粒子對(duì)撞機(jī)的工程要求極為嚴(yán)苛。
那么，2012年人們?cè)诋?dāng)時(shí)的LHC對(duì)撞機(jī)中找到的希格斯玻色子，到底是怎么發(fā)現(xiàn)的呢?因?yàn)檫@一上帝粒子的衰變期只有短暫的10的負(fù)22次方秒，探測(cè)器根本不可能直接捕捉到上帝粒子。所以，粒子探測(cè)器記錄的信號(hào)，來(lái)自上帝粒子衰變后的產(chǎn)物，也就是產(chǎn)生一對(duì)穩(wěn)定的正負(fù)電子和壽命較長(zhǎng)的正負(fù)μ子。正是通過(guò)測(cè)量這些衰變后的粒子間的關(guān)聯(lián)，人們才間接地推出上帝粒子的存在。
(希格斯玻色子Higgs boson)
發(fā)現(xiàn)“希格斯玻色子”有什么重要價(jià)值呢?上個(gè)世紀(jì)60年代，科學(xué)家提出了粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，這是一套描述了強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。在這一理論中，希格斯玻色子被認(rèn)為是“質(zhì)量之源”。其他粒子通過(guò)和希格斯玻色子相互作用才能產(chǎn)生質(zhì)量。
因此，“希格斯玻色子” 的發(fā)現(xiàn)，成為補(bǔ)上“標(biāo)準(zhǔn)模型”中最后一塊 “拼圖”。既然“標(biāo)準(zhǔn)模型”的拼圖已經(jīng)完整，為什么人類還需要更大規(guī)模的粒子對(duì)撞機(jī)呢?
一個(gè)是，科學(xué)家們希望對(duì)希格斯玻色子進(jìn)行更深入的研究，而即使是對(duì)LHC不斷升級(jí)也就是加大對(duì)撞能量的能級(jí)，也無(wú)法得到足夠的希格斯玻色子，因此還需要建造規(guī)模更大的對(duì)撞機(jī)裝置。
再一個(gè)是，“標(biāo)準(zhǔn)模型”并不能完全解釋全部的物理學(xué)規(guī)律，比如它無(wú)法解釋中微子質(zhì)量、暗物質(zhì)、暗能量的來(lái)源以及物質(zhì)和反物質(zhì)不平衡的問(wèn)題，還有融合四種力的大統(tǒng)一理論。粒子物理學(xué)的盛宴才剛剛開(kāi)啟，需要更大的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)來(lái)加以驗(yàn)證。
(2020 歐洲粒子物理戰(zhàn)略)
因此，CERN下定決心要把研究希格斯玻色子和建造更高能粒子對(duì)撞機(jī)當(dāng)做“未來(lái)最高優(yōu)先級(jí)別的事情”。那么，中國(guó)在這一巨大科學(xué)工程上面，還存在哪些利弊之爭(zhēng)呢?
高能物理的頂級(jí)交鋒：到底該不該建CEPC?
目前，全球有三座正在規(guī)劃的“希格斯工廠”項(xiàng)目，也就是能夠產(chǎn)生更多的希格斯玻色子，并能夠?qū)ο８袼共Ｉ舆M(jìn)行極高精度下測(cè)量。三個(gè)項(xiàng)目分別為由中國(guó)物理學(xué)家在2012年9月提出的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)—大型質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(CEPC-SPPC)、日本正積極爭(zhēng)取的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)，以及CERN規(guī)劃的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)(FCC)。
2012 年 9 月我國(guó)提出的 CEPC-SPPC 項(xiàng)目分兩步，一期工程為 CEPC，可作為希格斯工廠;二期工程為SPPC，建造一臺(tái)高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。CERN提出的歐洲粒子物理戰(zhàn)略確定的FCC路線圖與我們的CEPC-SPPC設(shè)想其實(shí)是高度一致的。FCC的總投資是210億歐元，而我們的投資規(guī)模預(yù)計(jì)是第一階段工程造價(jià)大約400億人民幣，建設(shè)時(shí)間計(jì)劃在2022-2030年間;第二階段的工程造價(jià)是1000億人民幣，其投資規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CERN的投資計(jì)劃的，建設(shè)時(shí)間是在2040-2050年期間。
(貴州平塘500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡)
但不管怎樣，CEPC-SPPC大型對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的花銷也比現(xiàn)有的大科學(xué)工程高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。比如，位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，耗資僅僅6.67億元。江門中微子實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)，預(yù)計(jì)投資20億元。
盡管這筆研發(fā)費(fèi)用是按照數(shù)十年時(shí)間分批支出的，但是對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的科研經(jīng)費(fèi)來(lái)說(shuō)仍然是一筆“巨款”。在是否支持建造CEPC-SPPC大型對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目上面，我國(guó)的科學(xué)界也分成了旗幟鮮明的兩方。
2016年，在回應(yīng)著名數(shù)學(xué)家丘成桐提議的“關(guān)于中國(guó)建設(shè)高能對(duì)撞機(jī)“的觀點(diǎn)，知名華裔物理學(xué)家楊振寧先生專門發(fā)表文章，表示“中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)”，成為公開(kāi)反對(duì)建造大型對(duì)撞機(jī)的權(quán)威代表。楊先生給出的理由主要如下：
一來(lái)，大型對(duì)撞機(jī)的建造和后期的探測(cè)項(xiàng)目耗資巨大，且可能是一個(gè)“無(wú)底洞”，美國(guó)超導(dǎo)大型對(duì)撞機(jī)(SSC)半途中斷，浪費(fèi)了30億美元，可謂是前車之鑒;二則，中國(guó)仍然是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，更多的財(cái)政經(jīng)費(fèi)應(yīng)該投入到民生當(dāng)中;第三，勢(shì)必會(huì)擠壓其他基礎(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)，第四，就是高能物理的結(jié)果短期內(nèi)對(duì)于人類生活沒(méi)有什么實(shí)際的好處。
另外還有就是從學(xué)術(shù)本身來(lái)提出的反對(duì)意見(jiàn)。楊振寧先生認(rèn)為，物理學(xué)家希望通過(guò)大型對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)“超對(duì)稱粒子”，是一件不可能的事情。另外，由于我國(guó)在高能物理學(xué)中的貢獻(xiàn)率不高，成就不大，建造大型對(duì)撞機(jī)之后的運(yùn)轉(zhuǎn)和分析將有90%由外國(guó)專家來(lái)主導(dǎo)。最后，他還提出了一種新的高能物理研究途徑，比如研究新的加速器原理，從幾何理論上探索基本原理。
當(dāng)然，楊振寧先生的考慮自有其判斷的依據(jù)和道理。但同樣支持大型對(duì)撞機(jī)建設(shè)的一方，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳教授也有充足的理由：
首先，建造第一期CEPC項(xiàng)目，是有大量成功經(jīng)驗(yàn)的，預(yù)算也是可控的。美國(guó)SSC的中斷正是讓美國(guó)失去了發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的機(jī)會(huì)，也失去了在高能物理學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)地位。第二階段的質(zhì)子加速器雖然還沒(méi)有成功的先例，但我們有足夠的時(shí)間去開(kāi)發(fā)、研究，不成熟不啟動(dòng)，還談不上“無(wú)底洞”的投入。我國(guó)已經(jīng)有大量大型科學(xué)工程的建造經(jīng)驗(yàn)，都已經(jīng)能夠很好的控制工程造價(jià)。
其次，基礎(chǔ)科學(xué)的研究與民生建設(shè)并不沖突。建造大型對(duì)撞機(jī)可以讓我國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)和高科技領(lǐng)域占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位，培養(yǎng)大批科研人才，可以對(duì)其他高科技領(lǐng)域形成技術(shù)溢出效應(yīng)。
第三，我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)的研究經(jīng)費(fèi)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家。建造大型對(duì)撞機(jī)的費(fèi)用，可以從提高基礎(chǔ)科研經(jīng)費(fèi)中獲得，并且建造加速器的投資，會(huì)有90%用在國(guó)內(nèi)的設(shè)備采購(gòu)上。
第四，高能物理對(duì)于人類生活沒(méi)有好處的觀點(diǎn)需要商榷?；A(chǔ)研究帶來(lái)直接好處的影響可能不大，但是高能物理衍生出的同步輻射光源、自由電子激光和散裂中子源等裝置，對(duì)生物醫(yī)學(xué)、材料、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域都有極大幫助?，F(xiàn)在我們所使用的萬(wàn)維網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))就是歐洲核子研究中心在大規(guī)模協(xié)作中產(chǎn)生的溝通工具。新建的大型對(duì)撞機(jī)加速器會(huì)在基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)、高溫超導(dǎo)材料、超導(dǎo)磁體等應(yīng)用技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)重大突破。
至于中國(guó)人能不能主導(dǎo)對(duì)撞機(jī)此后的實(shí)驗(yàn)和分析，正需要我們主動(dòng)發(fā)力從建造大型對(duì)撞機(jī)開(kāi)始培養(yǎng)更多人才，才能擁有更大話語(yǔ)權(quán)。至于要不要建造這樣的大型加速器，王教授認(rèn)為，理論物理研究很重要，但是實(shí)驗(yàn)物理的手段更是必不可少。
那么，到底該不該建造這一“耗資巨大，有可能失敗，也有可能帶來(lái)無(wú)限榮光”的大型工程呢?仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智，現(xiàn)在CERN給出了明確的答案，全力押注大型對(duì)撞機(jī)的建設(shè)。那么，作為后來(lái)者的我們是否應(yīng)該跟進(jìn)呢?
建或不建，一場(chǎng)可能事關(guān)“國(guó)運(yùn)”的選擇
前不久，網(wǎng)傳位于西南的貴州貧困縣獨(dú)山縣，被曝出地方負(fù)債一度高達(dá)400億，留下來(lái)的正是一座座爛尾的形象工程。官方通報(bào)稱政府融資的資金中絕大多數(shù)用于基礎(chǔ)設(shè)施、脫貧攻堅(jiān)、民生工程等項(xiàng)目建設(shè)，發(fā)揮了較好作用。
我們也不知道這些發(fā)揮了哪些較好的作用。不過(guò)400億的負(fù)債還是讓人們吃驚不已。但400億恰好是建造第一期CEPC項(xiàng)目的投資金額。
雖然沒(méi)有特別直接的可比性，但與其花費(fèi)巨資在大興土木的這種基建上面，確實(shí)不如增加基礎(chǔ)科研費(fèi)用的規(guī)模和比例，投入到大型對(duì)撞機(jī)CEPC項(xiàng)目當(dāng)中。
況且我們是成功經(jīng)驗(yàn)的，上世紀(jì)80年代，中國(guó)在經(jīng)濟(jì)情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及現(xiàn)在的情況下，成功建設(shè)了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，培養(yǎng)了一代高能物理人才，在τ-粲物理領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的科學(xué)成果，不過(guò)距離前沿領(lǐng)域差距明顯。
(歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))
而現(xiàn)在，面對(duì)高能物理領(lǐng)域出現(xiàn)的這一次全新升級(jí)的窗口期，我國(guó)第一次有機(jī)會(huì)跟歐美日等國(guó)家同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，如果錯(cuò)失這一次機(jī)會(huì)，可能未來(lái)高能物理的牌桌上，就沒(méi)有中國(guó)的機(jī)會(huì)了。
一旦未來(lái)中美在基礎(chǔ)科學(xué)的研究也受到更多政治爭(zhēng)端的影響，那我國(guó)的基礎(chǔ)科研將處在更為被動(dòng)的局面上了。
從現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)具備建造如此大規(guī)模科學(xué)工程的資金實(shí)力和技術(shù)基礎(chǔ)。而且巨額的投入也會(huì)反過(guò)來(lái)促進(jìn)我國(guó)國(guó)產(chǎn)的高精密儀器、基礎(chǔ)材料、加工設(shè)備等技術(shù)的升級(jí)，大項(xiàng)目將推動(dòng)這些技術(shù)的國(guó)產(chǎn)率。同時(shí)，還能讓我國(guó)成為高能物理的研究重地，吸引全球的最頂尖的智力資源來(lái)中國(guó)定居和長(zhǎng)期訪問(wèn)，在中國(guó)建成領(lǐng)先的科研中心，培養(yǎng)更大規(guī)模的基礎(chǔ)科研人才。
當(dāng)然，在國(guó)家如此多的重大科研項(xiàng)目當(dāng)中，支持哪個(gè)，又不支持哪個(gè)，都涉及眾多的研究機(jī)構(gòu)的博弈和科研資源的分配，需要國(guó)家做出慎重的考慮，對(duì)于不同科研項(xiàng)目之間輕重緩急的發(fā)展給出不同階段、不同等級(jí)的支持。
大型對(duì)撞機(jī)也需要在同其他科研項(xiàng)目的公平競(jìng)爭(zhēng)中，獲得能夠立項(xiàng)建造的機(jī)會(huì)。而這才是對(duì)待我們是否要立即啟動(dòng)這項(xiàng)巨大科學(xué)工程的重要理由。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，發(fā)展大型對(duì)撞機(jī)仍然是實(shí)現(xiàn)我國(guó)在高能物理領(lǐng)域突破的必經(jīng)之路。對(duì)于基礎(chǔ)科研的投入，不僅僅是一個(gè)投入產(chǎn)出比的問(wèn)題和當(dāng)下是否獲益的功利考慮，更是關(guān)乎一個(gè)國(guó)家的未來(lái)國(guó)運(yùn)的發(fā)展問(wèn)題。
堅(jiān)持對(duì)基礎(chǔ)科研的投入，可能短期內(nèi)不能看到反饋民生、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際效果，但是將在未來(lái)帶給一個(gè)國(guó)家乃至整個(gè)世界能夠持續(xù)發(fā)展，甚至突破的全新技術(shù)和方法。
1970年，贊比亞修女 Mary Jucunda 給NASA的Marshall太空航行中心科學(xué)副總監(jiān)Ernst Stuhlinger寫(xiě)了一封信，問(wèn)道：地球上還有這么多小孩子吃不上飯，怎么舍得為火星項(xiàng)目花費(fèi)數(shù)十億美元?
Stuhlinger用一篇《為什么要探索宇宙》為標(biāo)題的回信中說(shuō)道：通往火星的航行并不能直接提供食物解決饑荒問(wèn)題。然而，它所帶來(lái)大量的新技術(shù)和新方法可以用在火星項(xiàng)目之外，這將產(chǎn)生數(shù)倍于原始花費(fèi)的收益。而事實(shí)正是如此?；A(chǔ)科學(xué)的每一次突破，都為現(xiàn)實(shí)生活帶來(lái)眾多意想不到的實(shí)用技術(shù)和重大發(fā)明。
在人類的歷史上，如果有一件創(chuàng)新事業(yè)，我們選擇不做的話，我們可能未必知道自己錯(cuò)過(guò)了什么，但如果我們勇敢地選擇去做的話，盡管前途有失敗的可能，我們也將知道自己可能錯(cuò)過(guò)了什么，同樣也會(huì)知道自己得到了什么。
更值得我們認(rèn)真對(duì)待的是，在高能物理領(lǐng)域，如果一旦喪失新理論發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)，就有可能再也錯(cuò)失整個(gè)未來(lái)物理學(xué)的大廈，中國(guó)也就沒(méi)有任何的話語(yǔ)權(quán)了。
相比于那些花費(fèi)巨資建設(shè)的形象工程，我們是不是該想想辦法建成一座能讓國(guó)人驕傲、“外邦來(lái)朝”的未來(lái)大科學(xué)工程呢?
