中国对撞机"生死时速":真正建成或等到2030年

2019-12-09 18:33:16 来源: 第一财经 举报
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(原标题:独家|中国对撞机的“生死时速”)

7年前,在法国和瑞士边境的欧洲核子研究中心(CERN,下称“欧核中心”)运行的大型强子对撞机发现了难以捉摸的希格斯玻色子。这一被称作“上帝粒子”的基本粒子的发现,解决了可追溯至几代人的诸多基本科学争论。“希格斯场”的提出者、英国爱丁堡大学物理学家彼得·希格斯眼眶湿润,连连感叹:“难以相信在我有生之年看到它的发生。”

大自然就像是一个淘气的精灵,早早地把“礼物”藏在宇宙的每一个地方,而科学家的使命,就是耗尽毕生的力气,找出这些神秘的“宝藏”。为此,他们要不断通过新的观测方法,拓宽自己的观测边界。而“对撞机”就是目前人类最接近微观世界真相的科学探针。

建一座“希格斯粒子工厂”

坐落于日内瓦与法国边境大型强子对撞机耗资上百亿美元,由上百多个国家花费了数十年时间才将它建成,这也是世界上至今为止最大的机器。它能以接近光速的速度发射质子,并让它们相互碰撞,以帮助科学家了解宇宙的原理。

希格斯玻色子的发现使得整个科学界为之激动。这一发现不仅证实了粒子物理标准模型预言的完整粒子谱,同时希格斯玻色子也和粒子物理前沿大量未解之谜息息相关。这些未解之谜包括物质和能量的起源,暗物质的本质,宇宙的稳定性等等。希格斯玻色子的发现,为这些问题的探索提供了绝佳的探针。

大型强子对撞机不仅发现了希格斯玻色子,还能够对其性质进行测量,这也是全球高能物理实验的工作重点。如果把希格斯玻色子性质的精确测量比做一个观测窗口,那么科学家们迫切希望能通过这个窗口、去观测更远、更为基础的物理规律。

参与确认希格斯粒子实验的美国杜克大学物理学家詹姆斯·比彻姆曾说,大型强子对撞机就像一把“锤子”,如果你不知道希格斯玻色子是否存在,首先要做的就是拿出一把巨大的锤子,使劲砸墙,直到希格斯玻色子突然蹦出来。

为了提高希格斯粒子性质的测量精度,欧核中心还计划建造一台大型强子对撞机的继任者——未来环形对撞机(FCC),与“锤子”不同,它更像一把“镊子”,能以远超大型强子对撞机的精度、对希格斯玻色子性子进行精确测量。

在希格斯粒子被发现后,中国高能物理学界在2012年,也开始讨论环形正负电子对撞机(简称:CEPC)的建设。由于中国的CEPC会产生比欧核中心多很多倍的希格斯粒子,所以被称为“希格斯粒子工厂”。

建设资金高昂引争议

CEPC概念的提出早于欧盟提出FCC,经过充分国际交流,目前两个方案的设计都基于100公里的环形正负电子对撞机。目前CEPC项目的概念设计和国际评审都已经完成,不过由于建设资金高昂,这一方案目前引来多方争议。据初步预估,CEPC一期项目的投入接近400亿人民币。

最大的反对声音来自物理界的重量级人物、诺贝尔物理学奖的获得者、97岁高龄的杨振宁。杨振宁早在2016年就明确表示:“我绝不反对高能物理继续发展,但我反对的是中国今天开始建造超大对撞机。”

杨振宁给出了几点理由,包括对撞机造价昂贵,美国就有痛苦的经验;建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费;此外,他还称,一些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”,但是找“超对称粒子”已经有很多年了,完全落空。

对此,中国科学院高能物理研究所研究员阮曼奇在第一财经记者独家专访时,给出了几点回应。阮曼奇对第一财经记者表示:“我们的科学验证已经做到了全世界的最高水平;大自然给了我们一个窗口,告诉我们那里有东西,我们肯定应该去看一看;如果CEPC能建成,将成为人类探索微观世界的真正前沿。”

中国科学院高能物理研究所是CEPC落地的主要力量,从CEPC初始的设计规划工作到最终的建设实施都将由高能所来负责。阮曼奇也曾于2014年至2015年在欧核中心当研究学者。

他告诉第一财经,自2012年概念提出以来,中国高能物理学界于2013年正式启动了项目的预研,并于2015、2018两个时间节点,完成了项目的初步概念设计报告(Pre-CDR)和概念设计报告(CDR),并进行了严格的国际评审。“目前,我们已经完成了项目的初步设计蓝图,基本知道了每个子系统需要的性能指标。”他说,“在接下来的几年内,我们希望能拿出细致的设计方案,精确到每一个螺丝怎么拧。”

他透露,CEPC在论证阶段就已经投入了上亿人民币的资源,目前迫切需要下一个5年的时间,来完成下一阶段的技术设计报告。“这就是精确到每个螺丝怎么拧的阶段,至少要10亿人民币的费用。”阮曼奇对第一财经记者表示,“同时,我们希望能尽快得到政府的支持,这对项目国际合作的展开、吸引全球的人才和技术至关重要。”他预计,中国政府在这个项目中的投资占比将达到80%左右。

尽管科学前景一片大好,但是用纳税人的钱来修建一个至少在未来几十年里无法对人类生活带来实际改变的项目,这引发了舆论的反响。一位在美国MIT任教的中国科学家对第一财经表示:“这么贵的实验,我认为还是应该谨慎对待,需要更多理论的支持再做出决定。”

CEPC的辩论还反映了国际科研界近年来对于“大科学项目”的态度。在鼓励全球科研合作的同时,一些科学家提出普通民众对于科研决策也应该有知情权和影响权。

世界顶尖科学家协会主席、2006年诺贝尔化学家得主罗杰-科恩伯格(Roger Kornberg)对第一财经记者表示,自己是“大科学项目”的“批判者”而不是“倡导者”。他谈到了50年前一个关于斯坦福射线同步加速器的高能物理项目,并称:“这个项目把电子聚合起来,产生大量的光子,人们用这种技术来解决微分子的演示问题。‘大科学’有它存在的必要,但是很多问题通过‘小科学’能够更好地解决。”

他批评了二战以来科学领域发生的趋势,也就是科技进步越来越仰赖通常由政府机构雄厚资金赞助的大规模项目推动。“我们对一些科学工程产生了很大的疑问,因为使用1/10或者1/100的经费也能取得同样的效果。”科恩伯格表示。

与欧洲“抢时间”

第一财经了解到,CEPC这样浩大的工程从开工建设到完工至少需要8年时间,也就是即便得以在未来两年内启动,真正建成也要等到2030年左右。不过一旦建成,中国的CEPC项目将代表国际最先进的水平。

“建成后,将成为人类探索微观世界的真正前沿。”阮曼奇告诉第一财经。但他也担心,如果CEPC无法按计划启动,错过了建设的最佳时间窗口,那么就将错失可能领先全球的主导地位。

“我们相比欧洲虽然技术上、经验上确实存在一定的差距,但是可以通过时间和成本两方面的优势来占得先机。”阮曼奇告诉第一财经记者,“但如果一直悬而不决,那么两方面的优势就都不存在了。”

他告诉第一财经记者,相比于CERN,CEPC的优势有两个,第一是我们的时间线更靠前;第二是我们的建设成本较低,基本相当于FCC造价的一半。“CEPC的造价目前估算为360亿人民币;而FCC的造价则估算为100亿美元。我们会尽可能国产化大部分器件,以降低建设成本。”阮曼奇表示。

在谈起欧核中心对撞机建成之初时的情形,日内瓦大学物理系教授尼古拉斯-吉森(Nicolas Gisin)对第一财经记者表示:“1954年战争刚刚结束,没有人反对这一浩大的科学工程,他们甚至充满喜悦地看到这个项目得以实施。”

CERN的存在确实为科学做了很大的贡献,并推动了全球创新的发展。万维网的雏形最初就是用来给CERN传输数据的,CERN也因此成为了万维网的发源地,此前还都是局域网一统天下。

不过对于60多年后欧核中心的发展,吉森教授也难下定论。“我不知道他们还能怎样再使自己变得更大,欧核中心的未来可能不会非常光明。”吉森教授告诉第一财经记者。

已有国内产业界人士正在摩拳擦掌,他们在等待大型项目推动国产科研仪器领域迎来大爆发。“科研创业者们都在等待,他们能够借此项目开发大量的自主知识产权仪器设备,摆脱对进口仪器设备的依赖。”一位从中国科学院走出来的创业人士告诉第一财经记者。他认为,一旦这个数百亿规模的项目建起来,将会带动磁场技术、微波技术、探测器、真空、电子学甚至是软件领域的众多技术创新。

高能物理仍有发展前景

现代物理学有两大分支,其一是凝聚态,典型的应用包括超导和纳米材料;其二是二战结束后发展起来的高能物理学,从2012年希格斯玻色子的发现到今天,高能物理学领域为诺贝尔物理学奖贡献了超过三分之一的科学家,意义非常重大。

无论是杨振宁还是其他反对CEPC的人士都毋庸置疑的一点是,高能物理学仍需要继续发展。杨振宁曾表示:“不建超大对撞机,高能物理就完全没有前途了吗?我认为至少有两个方向值得探索,首先是寻找新加速器原理;其次是寻找美妙的几何结构,如弦理论所研究的。这两方面的研究都不那么费钱,符合当今世界经济发展的总趋势。”

在今年中国科学院成立70周年之际,另一位物理学界的重量级人物、华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中受邀演讲。他在讲话快结束时,话峰一转,说道:“我的大多数实验,受到很多人的反对,他们认为我的实验没有物理意义,极其困难,不可能成功。”丁肇中曾经因为坚持做高能物理研究、建加速器等主张,直面过国际同行的不少质疑。

对此,阮曼奇对第一财经记者表示:“面对未来的不确定性,物理学发展需要新的观测方法,告诉你新的东西,大家有不同看法,但是环形对撞机是一种共识,那里几乎保证能有东西。大自然为我们提供了一扇窗口,我们为什么不去看一看呢?”

同时,他澄清了有媒体报道称CEPC的最主要目标是去验证超弦理论的说法。“我们的科学目标并不直接去验证超弦,超弦目前没有任何可检验的实验预言,因此跟任何实验设计都没有关系。”阮曼奇说。

“这相当于是一个分辨率比所有现有设施都好得多的望远镜,会让我们的观测水平提升一个量级。”阮曼奇向第一财经记者解释道。

乔俊婧 本文来源:第一财经 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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