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中国花360亿建造大型对撞机,到底值不值?

本文为2019年3月23日“我是科学家”年度盛典——科学与你,探寻万物的联结 | 王贻芳 演讲实录:

大型对撞机到底该不该建?“我们愿意把20年所有人的钱集中在一个装置上,所以产生的效益比分成100个研究要高。”大型对撞机是物理学家需要的科学装置,也是通往“理解世界和宇宙的规律”这一人类终极问题的途径。中国科学院院士,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳院士为大家带来演讲《为什么我们需要一个大型对撞机?》

我是王贻芳,来自中科院高能物理研究所。我研究的领域叫粒子物理,也叫高能物理。

过去讲故事,开头会讲:很久很久以前,盘古开天地。

当人类文明成长到一定程度,我们就会问:宇宙是什么样的?物质是什么样的?

2000多年前,希腊人就开始思考这些问题了。对于空间,对于物质,他们有很多想法——虽然,这些想法可能跟现在的科学理解不太一样,但事实上,2000多年前他们能提出这些思想,是非常了不起的,表示当时他们的文明达到了非常高的程度。

中国也有,几乎和希腊同时,我们的老子、庄子、左丘明都对宇宙、物质提出了很多思考。

但是,真正的科学,实际上是从300多年前开始:从原子论、分子论,一直到元素周期表,到原子核、夸克。原子核跟夸克是上一个世纪提出的,大约有将近一百年的历史。

我们整个的科学发展,从原子到原子核到核子到夸克,每一个层次实际上都带来了丰富的科学知识、科学成果。

在过去的300多年,我们的科学研究发展,跟我们对物质世界“最本质的研究”相关联。如果没有这样的追求,大概科学也不会发展到这样的程度。事实上,从50年代以来,大约1/3的诺贝尔物理学奖颁给了粒子物理的研究。

我们怎么做物质最本原的结构的研究?

大家可能都用过显微镜,最早我们用眼睛看,用的是光波;但是如果想看的东西比光的波长还要小,就看不到。怎么办?我们用电子显微镜,因为电子的波长比光子要小得多。再小一点怎么办?我们需要用加速器把电子或质子的能量加速到很高的程度。能量越高,能看到的物质的结构越小。

所以研究高能物理或者说粒子物理,到最后就是想尽一切办法,把探针,也就是我们的电子或者质子,加速到非常非常高的能量。

在过去的几十年中,粒子物理有了非常成功的发展。上面这张照片,红线的轮廓是欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)27公里周长的加速器。

LHC地下实际上是一个隧道,隧道中有两个对撞点。中间这张图所示的是一个大型探测器,也就是“眼睛”。把质子加速到非常高的能量,让它跟另外一个质子对撞,就可以用谱仪看到质子内部的结构。

经过几十年的研究,最终我们对整个物质世界有了非常清晰的了解。就像元素周期表有一百多个元素一样,物质的最深层次,有16种基本的粒子。其中,有6个是夸克(Quarks),有6个是轻子(Leptons);除此之外,还有右边这4个相互作用粒子(Forces)。

这里面,有些粒子跟我们的日常生活密切相关,比如说,传递电磁相互作用的就是光子;我们每天的日常生活都跟电子打交道。其实,这16种基本粒子之外,还有一个非常奇怪的粒子,就是最中间的希格斯玻色子(Higgs粒子,后用英文表示),它给了所有粒子质量。

我们描述基本粒子相互作用的方程式,有一个基本的要求:所有的这些粒子必须是没有质量的。但这显然跟实验事实相违背,因为我们知道电子、夸克、相互作用粒子等等都是有质量的。

那怎么办?

有一个很奇怪的理论:粒子本来是没有质量的,但跟充满宇宙空间的Higgs粒子发生相互作用以后,后天获得了质量。这就是整个基本粒子的“标准模型(SM)”。我们现在都是在这个框架下做研究,来探究物质最本原的结构和知识。

Higgs粒子是一种非常奇怪的粒子。上世纪60年代被提出来时,其实很多人不相信,但最终,科学家们在2012年欧洲核子研究中心(CERN)的加速器和探测器里看到了这个粒子。发现Higgs粒子机制的科学家彼得·希格斯(Peter Higgs)先生,获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

看起来,粒子物理标准模型好像是完整了,但事实上还有很多问题。比如说,Higgs粒子给了其它16种粒子质量,但它自己的质量哪来的?

Higgs粒子的质量是125个GeV(eV是电子伏特,1GeV=109eV)。按照现在的标准模型计算,它是由两个大数减出来的,且这两个大数必须精确到1034——世界上怎么会有这么巧的事情?所以这是一个非常不自然的理论,是粒子物理标准模型一个最大的问题。

要解决这个“自然性”的问题,就需要有新的物理,必须出现在1到10的TeV之间。

粒子物理标准模型还有一个问题,如右边这张图所示,横坐标是Higgs粒子质量,纵坐标是顶夸克(即Top夸克,六种夸克中最重的一种)质量。把这两者的质量画在一张图上以后,我们的实验测量发现真空处在一个不稳定的状态:上面不稳定,下面稳定,中间是亚稳态——

很难想象,在不稳定的状态下,我们的宇宙会经历138亿年到现在。所以这个理论显然有问题,我们认为:它绝对不是一个终极理论。

还有很多其他的问题,比如中微子,包括暗物质、反物质等,都没有办法在标准模型的框架当中很好、很清楚、很正确地描述出来。

所以这些问题告诉我们,我们需要向下一步去走,要搞清楚粒子物理标准模型存在的问题,并最终解决这些问题。这些问题都跟Higgs粒子非常有关,所以我们需要建一个Higgs粒子工厂,大量地产生Higgs粒子;来精确地研究Higgs粒子的性质,搞清楚粒子物理标准模型背后的问题,从而寻找一个比现有的标准模型更深一个层次的问题的答案,比如,电子是不是真的还有一个更深层次的结构?

这个加速器我们把它叫做“环形正负电子对撞机(CEPC,后用英文表示)”,它的周长有100公里。

为什么我们做这样一个东西?为什么需要这100公里?

在欧洲核子研究中心,Higgs粒子已经被看见了,我们可以做Higgs粒子性质的研究。但问题在于,看左边这张图,现在的大型强子对撞机,研究Higgs粒子的性质只能到大约10%的精度(图中灰色部分)。10%,在新物理的能标相当于1个TeV左右。如果能够提高精度到10倍,就可以把能标提高到10个TeV,就能解决刚才提到的自然性的问题。

所以我们需要一台能产生足够量Higgs粒子的新机器,使测量能够达到1%的精度,从而摸到上限、把新物理给找出来。同时这个加速器会是世界上能量最高、通量最大的同步辐射光源,所以它的用处非常广泛。

高能物理还有很多作用。它可以帮助我们探寻世界的本质;同时也可以作为同步辐射光源和其他的一些设备。我们研制的乳腺PET(正电子发射计算机断层显像,是核医学领域比较先进的临床检查影像技术)、PET和辐照加速器(产生的高能电子束照射可使一些物质产生物理、化学和生物学效应,从而能有效地杀灭病菌、病毒和害虫),都会有非常多的贡献,造福人类。

回过头来,一个100公里的加速器,它具体有什么用处?

它牵涉的专业领域大约有二、三十个门类:它需要世界上最高精度的机械、最高程度的真空、最好的电子、最快的自动控制系统。这些最后都会使得我们国家,或者说工业和硬科技的能力更上一层楼,真正做到国际领先。

一个科学上领先的装置,它在技术上一定是领先的。所以,把这个装置造出来,就会使我们的技术走到国际最前沿。事实上,我们国内的加速器目前规模还比较小,现在还有一些技术空白,科学和技术都还没有达到世界最领先的程度。

如果要做世界上最领先的加速器,那这些空白都会被填补,比如超导高频腔微波功率源、低温制冷、抗辐照集成电路芯片、超导磁铁等等。同时,大规模的建设也会使我们的企业不光能完成对我们自己的设备供应,还可以占领国际市场。除此之外,它还可以引领关键技术的突破。我们现在正在做的一件事情,就是希望把现在实验室里最多做到指甲盖大小的高温超导材料,做成几千公里、几万公里的高温超导导线。

目前,在科技部(中华人民共和国科技部)、基金委(国家自然科学基金委员会)、科学院(中国科学院)、北京市各方面支持下,我们正在做这些关键技术的预研。我们相信,经过5年、10年的研究——高温超导可能需要20年的研究——我们会把现在实验室的这些技术推广到大型的科学装置上去,然后通过大型科学装置的引领,把它推向社会的方方面面。

我们相信,这样一个装置对中国科学发展是一个重大的机遇。

首先,它有重大的科学意义,刚才已经说过了。

其次,它能改善我们的国际环境,能使中国跟国际上有更好的交流,让中国的国际形象更加高大、对人类的文明有更大的贡献。

同时,根据国际上大量的研究,这样一个大型加速器,一般来说投入产出比大概在1:3左右,是完全值得的。

最后,做这个大科学装置,我们有体制上的优势。我们相信它作为一个国家的科学技术研究中心,对地方的社会经济发展、人才引进和培养国际化的体制建设等等,都会有非常重要的作用。

对我们来说,窗口时间应该是10年:按照现在非常激进的计划,2022年开始建设,2030年完成。我们的竞争对手欧洲核子研究中心,在今年的1月15号公布了他们的计划,几乎跟我们完全一样:2030年开始建设,2040年建成。这就是我们目前面临的一个国际形势:我们有没有可能、有没有胆量参与国际最前沿的科学和技术方面的直接竞争,并能够在这件事情上实现国际引领。我们希望它成为一个中国发起的国际大科学装置。

这是我们的概念设计报告的发布会。国际上类似的装置一共有四个:两个直线对撞机,两个环形对撞机。我们做的是其中的一个环形对撞机,欧洲核子中心有一个直线对撞机、一个环形对撞机,另外日本有一个直线对撞机。我们希望中国在这一次能够在时间上领先。

大家都说这东西很贵,反对的人可能都是因为钱。所以我想给大家算一笔账,为什么说这件事情是可以做的?

这张图是国际上已有的加速器的造价占当年GDP的比例。中国在1984年建设了北京正负电子对撞机(BEPC),造价占当年GDP的0.01%。美国做超导超级对撞机(SSC)的时候,也占0.01%。欧洲核子研究中心在80年代做了大型正负电子对撞机(LEP),27公里,占0.02%。发现了Higgs粒子的大型强子对撞机(LHC),占0.03%。我们如果要做CEPC,在2020年建设,将占当年的GDP的0.005%。

CEPC现在总造价是360亿人民币。

为什么看起来花钱很多?

因为特殊。我们愿意把20年所有人的钱集中在一个装置上,所以产生的效益(获利指数PI=投产后各年净现金流量的现值合计/原始投资的现值合计)比分成100个研究要高。

科学院的人均经费大约每人每年100万。我们算一下,建设 CEPC装置,360亿除以3000人除以20年,得到每人每年60万;再加上工资、运行、研究40万左右。如果按领域平均,现在基础研究经费有900亿,除以6个领域,数理化天地生。我们在物理当中如果只占1/5,一年也有30亿。所以大家可以看到,我们建这样一个装置,能用20年,投入不算多,不超过国内一般水平。这是我们高能物理作为一个重要的基础科学研究领域应该得的钱,是我们特有的研究形式。所以拜托大家支持我们做这样一个装置。

2008年的北京奥运会,大家可能对开幕式印象很深,我们有造纸、毛笔、活字印刷,还有太极,非常震撼;而2012年的伦敦奥运会,开幕式拿出来的是原子核,万维网(WWW)的发明人、欧洲核子研究中心的伯纳斯·李先生——从中可以看到差距:我们的未来应该在科技,我们不能躺在前人的成就上、永远沉湎其中,而是应该有新的东西。

中国现在的大科学装置,数量很多。500米口径球面射电望远镜“天眼”(FAST)10亿人民币,中国散裂中子源(CSNS)20亿人民币,北京正负电子对撞机(BEPC)8.8亿人民币。而欧洲的大型强子对撞机(LHC)项目55亿欧元,发现引力波的激光干涉引力波天文台(LIGO)20亿美元,美国在南极冰立方中微子望远镜(IceCube)10亿美元,我们总体的规模差了10倍,我们的国际领先性不够,在于老说大科学装置贵——其实,我们做很多小型的,不如建一个大型的。

CEPC还可以把广告打到全世界。

这张照片是我在深圳机场拍的,华为说它对上帝粒子的发现有了贡献。我相信,如果我们自己有一个Higgs工厂,会有上百个企业说“我对中国的Higgs工厂做了贡献”。

谢谢大家。

演讲嘉宾王贻芳:《为什么我们需要一个大型对撞机?》

The End

发布于2019-04-18, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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