沈致远先生关于:中国的“超级对撞机工程”争论

 

刚刚收到沈致远老先生发过来的他关于建造对撞机的文章,客观分析了当前中国关于建造超级对撞机工程的各方意见并提出了自己的建议。

我们也有相关意见和建议,下一篇博文发布。

附1

筹建大加速器的争议

沈致远

最近对我国是否应筹建大加速器有不同意见,中科院高能所王贻芳及数学家丘成桐主张在我国建立大加速器,杨振宁反对建立,双方各执己见进行争议。本文试图分析各种方案之利弊,并提出建议。

丘成桐意见简介

丘成桐力主在中国建立的巨型对撞机,比欧洲联合核子中心(CERN)的大型重子对撞机(LHC)能量高出五到十倍!他为此专门撰写了一本书,题为:From The Great Wall to the Great Collider ,《长城与大对撞机》。将大对撞机与长城相提并论,以强调其重要性和与中国的关系。他主张大对撞机应建在山海关附近。他在北京召开会议进行宣传时,请来诺贝尔物理学奖获得者格罗斯(D. Gross)及弦论“教主”威腾(E. Witten)以壮声势。丘成桐毫不讳言,建立巨型对撞机目的在于验证超对称理论。

杨振宁反对意见摘要

一.1989年美国开始建造世界最大的对撞机(SSC),预算预估为30亿美元,后追加到80亿美元。1992年美国国会终止此计划,已白费了约30亿美元。造大对撞机是无底洞。欧洲联合核子中心(CERN)的大型重子对撞机(LHC)总共花费100亿美元,中国建议的超大对撞机总预算不可能少于200亿美元。

二.中国仍然是一个发展中国家,人均GDP少于巴西、墨西哥、马来西亚,中国有许多急待解决的环保教育医药保健等问题。建造超大对撞机对解决这些燃眉问题不利。

三.建造超大对撞机必然将挤压其他基础科学的研究经费。

四.为什么不少高能物理学家赞成建造超大对撞机?原因为:

A.七十年来高能物理学成就辉煌,验证了“标准模型”,对三种基本力有了深入了解。但还有两项大问题没有解决:1,对第四种力(引力)的了解存在基本困难;2,未能统一力与质量。

B. 有些高能物理学家希望用超大对撞机找到超对称粒子。找超对称粒子很多年完全落空,多数物理学家包括我在内认为超对称只是一个猜想,没有任何实验根据。希望利用超大对撞机发现此猜想粒子只是猜想加猜想。

五.七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在好处。所建议的超大对撞机真能建成,三、五十年内对人类生活不会有实在的好处。

六.中国建立高能所已三十多年。如何评价这三十多年的成就?今天世界重要高能物理学家中,中国占有率不到百分之一、二。建造超大对撞机,其设计以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人主导。如果能得诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?

七.不建超大对撞机,高能物理就没有前途了吗?我认为至少有两个方向值得探索:A,寻找新加速器原理;B,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。

 

王贻芳答辩摘要

一.杨先生反对的第一点理由是造大型加速器是无底洞。美国超导超级对撞机失败的原因很多,包括当时的政府赤字、美国两党政治斗争、德克萨斯与其他地区竞争等。预算超支绝不是SSC失败的主要原因。对美国来说SSC半途下马是极为错误的,它使美国失去了发现希格斯粒子的机会,失去了国际领导地位,到现在还没有翻身。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的很相似。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加。

我们规划的大型对撞机项目(以周长为100公里算)分两步走:第一步正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在2022—2030年间,工程造价约400亿人民币。如果这第一步成功,可以走第二步,质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在1000亿人民币以内,时间是在2040—2050年左右,减去国际贡献约30%,中国政府出资约700亿人民币(每年70亿)。怎么会是无底洞?

二.杨先生反对的第二点理由是中国目前仍然是一个发展中国家,还有亟待解决的民生问题,超大型对撞机不是燃眉之急。民生问题当然要解决,但我们也要考虑长远发展要有领先世界的能力。高能物理研究物质的最小结构及其规律,采用的手段从加速器、探测器到低温、超导、微波、高频、真空、电源、精密机械、自动控制、计算机与网络等,很大程度上引领了这些高技术的发展并得到广泛应用。建造大型对撞机可以使我们领先国际达几十年,使一些重要技术产品实现国产化并走到世界最前沿,可以形成一个国际科技中心吸收国外智力资源,可以培养几千名能创新的顶尖人才,怎么不是燃眉之急?

一个大国,没有对人类文明的贡献,很难说话响亮,这影响中国在世界上获取利益。从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价(即使包括SPPC)并没有超过1980年代的北京正负电子对撞机。下一个五年计划开建大型对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。首先新发现的希格斯粒子质量很低,使我们有可能提出环形正负电子对撞机这个方案来研究它,还有机会改造成质子对撞机。我们有北京正负电子对撞机的经验,我们有技术和人员队伍的积累。这个机遇窗口只有10年,失去了,下一次就不知道是什么时候。

三.杨先生反对的第三点理由是建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费。中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%,国际上发达国家一般是15%。中国基础研究经费还有巨大的增长空间,大约每年1000亿人民币以上,CEPC不会挤压其他基础科学研究的经费。

四.杨先生反对的第四点理由是高能物理学家想寻找的“超对称粒子”和“量子引力化”都未被发现,希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。建造大型对撞机的目标不是那样。我们的目标简言之:粒子物理目前的标准模型只是一个在低能情形下的有效理论,需要继续发展更深层次的理论,虽然现在已有一些超出该模型的实验证据,但需要更多的实验证据指明发展方向。目前已知的标准模型中的问题大部分与希格斯粒子有关,更深层次的新物理应该会从希格斯粒子处露出蛛丝马迹。CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,比LHC好10倍,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。无论LHC是否发现新物理,CEPC都是需要的。如果有新的希格斯粒子耦合形式,我们可以进行第二阶段,建造大型质子对撞机,寻找造成偏差的原因。这个原因当然可能是超对称粒子,也可能是其他粒子。

五.杨先生反对的第五点理由是七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也不会有好处。七十年来,高能物理发展出的技术与生活息息相关。没有高能物理,就没有同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等装置,我们现在的许多生物、地质、环境、材料、凝聚态等方面的进步就无从谈起。没有高能物理,今天医院里的很多检查与治疗就不会存在,许多人的生命会缩短,生活质量会降低。没有高能物理就没有WWW网,人类从WWW网中得到的收益,远大于对高能物理的全部投入。中国建大加速器对我们有什么实际的好处呢?第一阶段300亿人民币的投入,至少使我们可以在以下技术方面实现国产化,并领先国际:a)高性能超导高频腔,b)高效率大功率微波功率源,c)大型低温制冷机,d)高速抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等。

六.杨先生反对的第六点理由是高能所三十年来的成就不高,超大对撞机90%的工作将由非中国人来主导,诺贝尔奖也不会是中国人。从建立北京正负电子对撞机开始。国家对高能所在高能物理研究方面的投入,主要科学设施是北京正负电子对撞机(2.4亿元,1984年),北京正负电子对撞机重大改造工程(6.4亿,2004年),和大亚湾中微子实验(1.7亿,2007年)等,一共约10亿元人民币,投资不算多。这些投入取得的成果与国内其它领域相比不少。我们的成果可以跟他们比肩,至少我们现在是国际高能物理领域四大实验室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)。将来超大对撞机70%的工作将由中国人来主导。我们有信心和能力独立完成CEPC。当然从国际合作考虑,还是需要放手一些工作内容。至于质子加速器的工作,我们目前确实经验不足,但我们还有二十多年,以我们过去三十多年进步的记录来看,是可以完成的。至于中国人得诺贝尔奖,不是国家对基础科学投入的目的。我们希望中国有一个CERN这样的研究机构,至于有没有人得诺贝尔奖,并不重要。

七.杨先生反对的第七点理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“几何理论”,不在大型加速器。“新加速原理”确实是一个加速器发展的重要方向,无论是束流品质还是能量利用效率,都还有太长的路要走。高能物理不能等待这个新技术成熟。至于“几何理论”,或是“弦理论”,不是实验物理学家现在考虑的问题。

 

综合分析

丘成桐力主建巨型对撞机用意何在?为什么弦论“教主”威腾支持?超对称理论假设现有基本粒子均有质量极大的伴随粒子(玻色子费米子)[1],LHC在14太电子伏内未发现,超对称者寄希望于巨型对撞机。超对称者人微言轻,希望弦论者参加壮大声势;弦论靠超对称才包括费米子,“教主”当然乐观其成。丘成桐证明“卡拉比(E. Calabi)—丘定理”获得菲尔兹奖。该定理有关高维空间中拓扑结构,成为超对称论及弦论的数学基础之一。如巨型对撞机能发现伴随粒子,丘成桐就对物理学也有重要贡献,这就是他力主建立巨型对撞机的动机。他主张巨型对撞机建在山海关附近,该处邻近唐山地震多发区,不是适当的建机地点。

20世纪是物理学高速发展的黄金时代,在相对论及量子力学成功的基础上,开始进行对基本粒子的研究,发展出量子场论,主要实验工具是加速器。随着加速器能量的提高,新的基本粒子一个又一个地被发现。当时物理学家普遍认为:只要继续提高加速器能量,基本粒子物理学就会相应发展。这就是美国提议建造SSC以及CERN建造LHC的理由。LHC建成后,在质量约为0.115太电子伏处发现希格斯粒子,如美国费米实验室的太电子伏加速器(Tevatron)未被能源部强制关闭也会发现。往后事态的发展出乎意料,从Tevatron发现的顶夸克质量为0.173太电子伏起,直到LHC最高能量14太电子伏,在如此辽阔的能量范围内,LHC迄今未发现新基本粒子。一种可能是在此能量范围内不存在新粒子,另一种可能是LHC对新粒子的分辨能力有问题。LHC利用正负质子对撞以产生高能量,两者均具有强作用,对撞后产生大量已知强子(重子及介子)及其复合态和激发态,形成检测器之背景噪音,其强度超过所要检测粒子的信号100亿倍!在如此强烈的背景噪音下搜寻新粒子,比大海寻针更难。LHC 实验物理学家利用统计方法以消除背景噪音,其有效性决定于所采用的统计参量是否正确,稍有偏差难免沧海遗珠或鱼目混珠。虽然LHC发现希格斯粒子已被主流物理学家认可,但仍有人怀疑,对希格斯粒子的实验结果有两个疑点:一,发现两个不同质量(相差约0.4%),不像基本粒子而更像复合粒子;二,自旋不能肯定为零,如自旋非零肯定不是希格斯粒子。王贻芳提出第一阶段目标为验证希格斯粒子参量是中肯的,但更应验证是否为鱼目混珠,这关系到LHC消除背景噪音统计方法是否可靠,必须彻底弄清楚。

解决背景噪音问题更有效的办法是采用轻子取代质子,轻子无强相互作用,轻子对撞机的背景噪音比质子对撞机低得多。现有的轻子对撞机采用电子,电子质量只有质子的1836分之一,很难加速到高能量而且成本过高。缪(m)子的质量比电子重207倍,建成环形对撞机可大幅度提高能量并降低成本。缪子是不稳定粒子,寿命为2.2x秒。根据狭义相对论,当粒子加速到非常接近光速时寿命可大为延长,对缪子已由实验证实。建造缪子环形对撞机在原则上不成问题。唯一实际问题是,缪子注最终衰变时产生有害健康的高密度中微子流,可建造在人迹不到处通过遥控遥测解决;中微子流还可用来建造中微子工厂用以研究中微子的性质,一举两得。建立缪子环形对撞机是换代升级,意义重大。

杨振宁以美国停建SSC为例证明建造巨型对撞机为无底洞的意见与事实不符,但他反对在目前建立超巨型对撞机以及应先研究新加速原理的建议是可取。加速器能量的提高是不断创新换代的结果。从第一代高静电加速器,第二代同步回旋加速器,第三代高能直线加速器,到第四代高能回旋对撞加速器,使加速器的能量至少提高了一百万倍。继续大幅度提高加速器能量,必须寻求新加速原理,否则竭全世界财力也无以为继。当务之急是设法大幅度提高微波加速的效率,根本解决之道在于探索新加速原理。

建立高能加速器是否由中国主导应根据所具备的条件决定。中国有三个有利条件:一,中国GDP占世界前列;二,幅员辽阔,有利加速器选址;三,高能所对建立加速器充满信心,有志者事竟成。有三个不利条件:一,中国人均GDP相当低,必须尽量节约;二,缺乏建立高能加速器经验,北京正负电子对撞机最高能量为0.005太电子伏,只有14 太电子伏LHC的两千两百分之一,建立高能加速器的经验从何而来?三,缺乏心灵手巧的能工巧匠。LHC 建在日内瓦附近有其考虑,瑞士以制造钟表著称,拥有大量心灵手巧具有高度敬业精神的能工巧匠,成为建造精密度极高的LHC重要有利条件。LHC物理学家开玩笑说:“你叫瑞士工匠造一块镇纸,他会送来一只瑞士表。”尽管如此,LHC仍发生过一次停机半年的重大事故。LHC号称“有史以来最精密的机器”并非虚言。千万不能低估建造大型高能加速器的困难。

克服困难最重要的是实行国际合作。科学无国界,这是原则问题,。1915年爱因斯坦发表广义相对论,英国爱丁顿(A. Eddington)爵士大为赞赏,为之进行广泛国际宣传;他亲自率队于1919年5月去东非,在日全食时摄影证实星光为太阳引力所弯曲,证明了广义相对论之预言。当时凡尔赛和约尚未签订,英、德两国仍处于战争状态。英国人并未责怪爱丁顿,而对他的科学贡献大为赞扬。倒是德国纳粹分子称相对论为“犹太科学”,对爱因斯坦进行迫害。二战期间美国收留了许多流亡科学家,也是基于科学无国界精神。科学研究目的是追求真理而不是争名夺誉,这不仅用适用于个人,也适用于国家。LHC由许多国家共同出资建成,各国按出资比例选派研究人员,彼此通力合作,出成果后也未见各国争名夺誉,充分体现出科学无国界精神。中国筹建大加速器应发扬科学无国界精神,认真实行国际合作。有人提出:建大加速器是“为国争光”、“争取世界第一”,这种提法违反科学无国界精神,不利国际合作。最近曾在费米实验室长期工作的实验物理学家吴为民发表文章[2],支持中国在以美国为主国际合作条件下建立CEPC。吴为民在中美两国高能物理学界工作多年,具有丰富的实际经验与亲身体会,他的意见值得有关方面重视。

 

具体建议

一.高能加速器是检验基本粒子物理学唯一可控制的实验装置,应根据实际需要继续建立高能加速器。

二.建立高能加速器应实行广泛国际合作,建立类似CERN的机构进行管理。如中国出资最多,加以有幅员辽阔便于选址的有利条件,可建在中国。

三.建立高能加速器应分三阶段进行。第一阶段为准备阶段,第二阶段建立繆子加速器,第三阶段建立高能加速器。

四.第一阶段主要任务是研究各项关键技术,探索新的加速原理等等。重点为研究繆子加速器的关键技术,为第二阶段奠定基础。

五.第二阶段应建立繆子回旋对撞机以节约经费,验证LHC发现的希格斯粒子以及LHC所采用的统计方法是否可靠。

六.第三阶段的具体任务决定于第二阶段实验结果。目前只能提原则性意见:1,在LHC未关闭前,不应重复建造类似的对撞机;2,只有在加速效率大幅度提高前提下,才能考虑建造能量比LHC更高的巨型对撞机,3,在建立巨型对撞机前,应先比较改建LHC以提高其能量是否比建造新机更划算。

 

参考文献

[1] 沈致远,坚守科学底线,物理教学 2016年第5期,2—3页。

[2] Weimin Wu, I Support China to Build the CEPC on the Promise that the US Would Actively Participate in CEPE, International Journal of Modern Physics, Vol. 31, No.30 (2016)

(作者电子邮件:zyshen@comcast.net

英文题目 

Arguments about How China to Build the Large Accelerator

小辞典

加速器为将带电粒子注加速的装置,用来研究基本粒子性质及其相互作用。按粒子注运动路径,分为直线加速器及回旋加速器两种,后者使粒子注多次绕圈以提高能量。对撞机利用正负粒子注对头撞击以提高有效能量。

电子伏(eV为物理学常用能量单位。1 电子伏等于电子通过1伏加速电压所获得的能量。 兆电子伏:1MeV=10^6 eV; 吉电子伏:1GeV=10 ^ 9 eV,太电子伏1TeV=10 ^ 12 eV。根据爱因斯坦质能相当原理:E=mc^2,电子伏也用来作为粒子质量的单位。

辐射损耗 带电粒子在转圈时,因运动方向改变产生电磁辐射,从而损失能量称为辐射损耗。粒子质量越轻、转圈半径越小,所产生的辐射损耗越多。电子回旋加速器之辐射损耗过大,不利于产生高能量粒子。

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