周華：中國大科學工程迎來“黃金十年”
一篇針對專欄博客的回應像觸發亞馬遜雨林風暴的蝴蝶翅膀引發了中國物理學界，乃至整個科學界最高規格的論戰 [1-5]：中國現在是否適宜投資建造巨型對撞機(CEPC+SPPC)[6]？而這場引人入勝的關於科學最前沿探索的論戰，巧合般地在G20領袖齊聚西湖之畔成為輿論熱點，似乎也象徵着中國在世界科技發展格局中扮演愈發引領的角色。重量級科學家紛紛登場，鼓聲擂擂，激烈交鋒及隨後網絡與移動媒體上的尖鋭論戰讓大家基本不再懷疑中國是否擁有建設的財力和技術實力，而更側重在中國現在是否適宜投資建造巨型對撞機 。
身在海外從事科研工作的華人科學家羣體對這場強力釋放的論戰有着血液裏帶來的本能關注。學術社交羣落上的討論爭辯一再刷屏，好不熱鬧。而我今天的觀點表達和討論不僅僅聚焦在高能物理／對撞機的科學前沿部分，而更着眼於中國大科學工程發展的全局觀察和思考。通過這些察與思，也許可以彙集做出審慎決策的理性依據。
世界最大正負電子對撞機--萊潑正負電子對撞機
半個世紀以來的世界政經格局讓美日歐發達國家全面高效發展的大科學工程成為最有力彰顯國家科技實力的銘牌。大型強子對撞機(LHC)，哈勃／韋伯太空望遠鏡(HST/JWST)，激光干涉引力波天文台(LIGO)等等，一個個如雷貫耳的名字讓西方大科學工程的影響力遠遠超越科研界而延伸至普通民眾。而近三十年釋放洪荒之力的經濟騰飛及至今日成為全球動力引擎的中國也讓本土科學家對於大科學工程不再是隔洋豔羨，而是可以自己摩拳擦掌大幹一場的偉業。
從上世紀末（九五計劃期間）零星的浮現，時至2016年（十三五計劃起始）如雨後春筍般的湧現，上海光源，全超導託卡馬克裝置，重離子加速器裝置，超大球面射電望遠鏡，中微子探測，散裂中子源，X射線自由電子激光等大科學裝置漸漸為中國科學家津津樂道而同時讓公眾也能探知一二。僅中科院主導建設的就已完成16項，而在建及批准立項的又有14項 [7, 8]，資金投入都至少在一兩億人民幣以上，最高的已超過20個億。顯然最高決策層已將大科學工程的發展視為國家發展戰略（科技創新和產業躍升）的核心支撐（科技日報稱之為國之重器 [9]），可以預見的十三五和十四五期間又會有多項激動人心甚而引領潮流的大科學裝置通過審批而步入建設的時間表。
毫不誇張地説，2016至2025間的十年將是中國大科學工程的“黃金十年”。這十年間在大科學工程上的前瞻規劃，戰略決策，資源配置和精準實施都將決定中國科技核心競爭力到本世紀中葉時的全球地位。而針對是否現在投入建造巨型對撞機的大論戰來得如此充滿戲劇性，卻又恰逢其時。對撞機項目規模再大，它也是中國大科學工程總體格局的一部分。任何的理性討論與爭辯都不能跳脱出這個大背景。
北京正負電子對撞機國家實驗室
基礎物理學，特別是高能物理／粒子物理，的確走到了一個令人彷徨甚至有些痛苦的轉折點，需要新的可靠實驗結果引導未來的方向 [10, 11]。計劃中的環形正負電子對撞機(CEPC)所能解決的重大科學命題和可行的實驗方案，應該説是得到了國內外高能物理學界的某種共識和推薦的，這一點應該是沒有什麼疑問的。但在國家發展戰略的全局考量下，相比較其他領域提出的大科學裝置，巨型對撞機的建造並沒有顯現出或代表任何先天的優越性。或者通俗的説，並不比其他項目的科學價值具有更高貴的血統。況且它是為特定學科領域的科學前沿探索提供的專用平台，對跨學科、跨領域、跨層次重大科技創新的惠益度不是很高。從資源配置的角度，即使不先考慮第二階段的SPPC，僅對CEPC的投入也要比目前中國最昂貴的大科學工程要求數量級上的超越。現階段中央政府在大科學工程上的年度投入大約在50億，即使以每年5％－7%（接近實際GDP增速）的非常樂觀速度增長，10年內也還沒超過每年100億（認為在這一方面的國家預算會出現倍數增長的想法都是不切實際的）。
目前國家對於大科學工程的投入並沒有做到精細的領域劃分，所有方向都在一個池子裏爭取資源。這個總財政投入看起來不小，但值得支持、更迫切需要支持的大科學工程有好幾個（隨後講到）。而且已建成大裝置的運行維護和改造也需要長期穩定的支持。因此資源投入還沒法做到全面開花，所以必須設置戰略選擇的優先級。在沒有其他資金的協助下（比如預想中的國際合作投資，或是從國家非基礎研究的R&D經費中籌集），若由中央財政獨力承擔巨型對撞機，對其他同等重要的大科學工程項目的擠壓是無法避免的。到目前為止，歐洲LHC除了錨定希格斯玻色子後掀起的狂歡，沒能在更高能區內捕捉到可確認的新粒子的端倪 [10]，所謂嶄新物理的跡象不是很明朗。當然，在LHC不斷產生海量數據處理挖掘完畢之前作結論為時尚早（目前只完成了預計2018年底採集數據總量的六分之一 [10]）。同時日本科學界雖然對建造國際線性對撞機(ILC)展現出很大的意願和熱情，但日本政府對龐大的資金投入（一半左右）也在做最後的躊躇，而國際合作的另一半資金還沒有很明確的着落 [12]。
所有這些等到2020年後會有更清晰的圖景，所謂中國高能物理機遇的窗口並沒有迫切到國家就要在這兩三年甚至5年內做出最終的決策，急於上馬巨型對撞機不見得是明智的。故而國家發改委只批准了CEPC項目幾千萬的預研費用而拒絕了近期8億的前期投入請求 [11]，可以説已經表明了決策層全局審慎的戰略選擇, 但又為5到10年後可能出現的變化保留了迴旋的餘地。
歐洲大型強子對撞機
一項優質而成功的大科學工程應當是兼具前瞻性基礎探索、應用性導向研究和創新性技術開發於一體的綜合性重大科技項目 [9]。能集成的科技資源越密集， 能覆蓋惠及的研究領域越廣泛，能交叉／滲透／綜合的學科方向越深入，這項大科學工程為塑造國家的科技核心競爭力，為建設新型工業化和創新型國家這個國家發展的戰略優先所提供的助力就越顯著和深遠。十三五到十四五大科學工程的“黃金十年”，支撐國家戰略優先是關鍵。在浮出和即將浮出水面的一批大科學裝置中，引人關注而且能調動極廣泛領域積極性的具有強大支撐能力的公共實驗設施包括上海光源線站工程（上海），散裂中子源及實驗站（廣東），衍射極限環高能光源（北京）和X射線自由電子激光光源及實驗站（上海／北京）。
這些裝置包括加速器工程和後續分批的束線實驗站建設（有時更昂貴）的確也需要龐大的資金支持，都要至少10億以上，甚至充滿技術挑戰的衍射極限環高能光源由於設定了突破世界最小發散度的技術指標（可實現儲存環式光源最高亮度），其加速器和旗艦束線實驗站的建造資金很可能最終接近50億。但這些開放的公共實驗設施將服務極為廣泛的物質和生命科學領域（諸如物理，化學，材料，先進製造，能源，環境，氣候，地質，蛋白質工程和製藥等等）的基礎研究，應用基礎研究和應用研究，對突破關鍵性技術難題，改善社會發展瓶頸性問題和催生戰略性新興產業都將產生極深遠的影響（而且相對高效，雖然也很可能要10年以上的時間）。
巨大的實現成本雖然由中央財政來承擔，但百花齊放的研究成果會讓國家整體科技產業共同分享受益。從支撐國家戰略優先的角度，這些多面向的公共實驗大科學裝置絕對是物有所值的，應當是未來十年中立項審批，啓動建設和開展應用的重點。或者説這些項目才應是未來十年的主角。而為特定學科領域的前沿探索目標建設的專用研究設施，在2025年前應當保持適度和相對穩定的資金支持。落户於江門開平的中微子探測二期工程可説是此類型專用大裝置中的翹楚（約20億投資）[13]。它不像巨型對撞機那樣耗費巨大, 能精準捕捉反應堆中微子振盪信號和轉變過程，科學意義極為重大。但以國家大科學工程總投入的現有格局，這個量級的投入可能是在不對其他項目產生負面影響的情況下能提供的最優配置了。2025年前再為巨型對撞機這樣的專用大裝置投入至少三四百億的資源顯然是很困難的。
最後從操作實施的層面講，高能物理研究所憑藉其長期從事大科學工程的豐富經驗和雄厚的專業技術隊伍主導和參與了幾乎大部分大科學工程，特別是像中子源，高能光源和中微子探測這樣大投入大體量且正在進行的裝置建設。如果巨型對撞機決策上馬，無疑他們是實施建設的不二之選。但若很快的加上巨型對撞機的工程建設，各種工程攤子就會鋪得很開，勢必影響在建和進入調試使用階段的其他大裝置。像中子源和高能光源這樣的面向廣泛科學用户的公共實驗設施，裝置主體建設完成只是剛剛開始，重頭戲在高水平束線實驗站的建設上。直接決定了科研人員能多大程度上發揮大科學裝置對解決複雜科學技術問題的突破性作用。因而巨型對撞機項目的啓動也不應操之過急。
我並不贊同認為高能物理實驗小眾，燒錢和不實用的偏頗觀點。任何一輪科技浪潮或工業革命，乃至文明中心的遷移都可能源於科學家對於宏觀／微觀自然中奧妙的本能好奇與探求的衝動。對於所謂小眾和不實用探索領域的持續和穩定支持（很多時候只是小額的資助）是更可取的策略。但對撞機項目畢竟要耗費巨大的公共資源，就不只是高能物理學界的事了。其他領域的科學家甚至普通民眾都有權利瞭解，評論和質疑這個項目的各種利弊。這可能是走向自主開放的中國大科學工程需要面對的新常態。巨型對撞機即使上馬，也不會是中國大科學的終極。
然而就事論事，中國大科學工程未來十年的黃金髮展，應當支撐國家發展戰略全局，重點投入在能覆蓋惠及領域極廣的世界級多面向公共實驗設施上，將中國整體的科研實力提升一個大層次。關於是否建造巨型對撞機的討論應當在學術界繼續，並在2020-2025年間因應那時的國際高能物理發展新態勢重新展開國家層面的論證，從而可以做出更準確和有力的戰略決策。也許未來一天巨型對撞機會領銜中國的大科學工程，但現在卻時機未到。引用9月7日新華社的評論作為結語：建設創新型國家，要花錢的地方很多，有限經費投到哪裏，要遵循科學理性和行之有效的決策程序。該出手時不猶豫，該堅守時不盲動 [14]。
參考引用和媒體報道：
1 http://m.newsmth.net/article/TheoPhys/35749?from=singlemessage&isappinstalled=0
2 http://www.guancha.cn/QiuChengTong/2016_09_01_373061_s.shtml
3 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNDA2NTI4Mg==&mid=2655409536&idx=1&sn=5e710add1f951b13cbc7fd19bd5e554f&scene=1&srcid=0905n8Ng6j7yJxzXmHbbmUWC&pass_ticket=zYgRWLoFXjlPFghrkRBCCmz1dDLNDSQXEmhvQfGsoMPW2B7Ydn87fZHAMB0ti76g#rd
4 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/355455.shtm
5 http://www.guancha.cn/wangmengyuan/2016_09_06_373550.shtml
6 CEPC: Circular Electron Positron Collider (環形正負電子對撞機)
SPPC: Super Proton Proton Collider (超級質子對撞機)
目前歐洲大型強子對撞機（LHC）的周長是27公里，而中國高能物理科學家們提出建造的環形正負電子對撞機和在此基礎上改造成的超級質子對撞機的周長很有可能確定為100公里。所以本文稱之為巨型對撞機，以示區別。
7 http://www.chinanews.com/gn/2016/06-29/7920900.shtml
8 https://zh.wikipedia.org/wiki/中華人民共和國國家重大科技基礎設施列表
9 http://scitech.people.com.cn/n/2015/0225/c1057-26591413.html
10 Elizabeth Gibney, “Hopes for revolutionary new LHC particle dashed”, Nature 536, 133 (2016) [doi:10.1038/nature.2016.20376]
11 Elizabeth Gibney, “China, Japan, CERN: Who will host the next LHC?”, Nature 536, 383 (2016) [doi:10.1038/nature.2016.20453]
12 https://en.wikipedia.org/wiki/International_Linear_Collider
13 http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/mar/24/china-to-build-a-huge-underground-neutrino-experiment
14 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/355791.shtm