歐洲花費210億歐元新建大型對撞機，我國要跟進嗎？_風聞

《三體》中，那個鎖死人類基礎科學的智子實在是令人印象深刻。

當三體人得知四光年外的地球上有人類這一存在之後，又開心又害怕，開心的是人類文明遠遠不如三體文明，害怕的是人類文明的進化速度非常之快。如果三體人用他們當時最快的飛船趕到地球要花四百年時間，等真的趕過去可能就已經被人類的科技水平虐成渣了。

所以，他們先發制人地發動了智子攻擊，用光速發出兩個質子計算機，率先來到地球，暗戳戳搞破壞，不過兩個比原子還小的微粒能做什麼壞事？

除了刺探下地球人的公開情報之外，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撞實驗，製造錯誤的實驗結果，搞瘋掉一批批人類最聰明的物理學家，最終鎖死人類的基礎科學的發展。如果人類無法在微觀層面發現新的物理定律，也就沒有更高的科技水平，也自然再也不能和三體人叫板了。

如此想來，是不是細思極恐了？我們不得不問一句，現在我們的物理學被三體人的智子給鎖死了嗎？

這倒沒有，不過基礎物理似乎正在被高額的研發費用給“鎖死”，因為建造這種高能物理實驗機器的代價實在是有點高昂。

今年的6月19日，歐洲核子中心（CERN）全票通過了《2020歐洲粒子物理戰略》，並計劃建造一台全新的高能物理實驗機器——未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC），用於研究希格斯玻色子（即“上帝粒子”）和高能量前沿探索。

不過，這台全長100公里的FCC環形對撞機的建造成本預計為210億歐元。這項計劃能夠通過，還得歸功於它的前輩—— “大型強子對撞機”（Large Hadron Collider，LHC）的成功。這一耗資50億瑞士法郎，耗時25年，全長27公里的對撞機，終於在2012年證實了希格斯玻色子的存在，證實了一個50年前提出的物理學猜想。

正是這一次的成功實驗給了CERN巨大的信心，使其計劃建造一個橫跨瑞士和法國，面積大13倍，周長大3.7倍的超大型環形對撞機，來發現更深層次的基本粒子，比如預言中的超對稱粒子，從而驗證那些可以解釋暗物質、暗能量的超對稱理論。

為了驗證一項物理學假説，動用如此規模的資源，到底值不值？在中國同樣有一場關於要不要建造“環形正負電子對撞機—大型質子對撞機（CEPC-SPPC）”的激烈爭論。

那麼，歐洲要建的這座大型對撞機，到底有何作用？既然歐洲已經領跑了，那麼我國的大型粒子對撞機，還有必要再建設麼？

為什麼要建大型粒子對撞機？

粒子對撞機是現代高能物理研究中最為重要的實驗設備。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的基本組成，搞清楚自然運行的基本規律，就不僅僅需要提出一系列的科學假説，還要能夠證實或證偽這些假説的物理實驗，那麼粒子對撞機就是必不可少的驗證和測量工具。

那麼粒子對撞機是如何工作的呢？如同我們想要了解一個東西的內部構造，就會把它拆開來看看，物理學家同樣面對微觀粒子的時候也是採用同樣的思路。只是想要拆開比原子更小的基本粒子的難度會非常大，科學家們為此想到了要將基本粒子不斷加速，然後讓它們迎面相撞。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，然後人類才有可能觀察到粒子的更基本組成和各種物理性質。

（LHC鉛離子對撞實驗，產生了大量新的物質）

如何讓兩個如此微小的粒子相撞，其過程非常複雜，目前想到的唯一辦法就是同時加速上億個粒子，最後在一場粒子的暴風驟雨中，只有幾對幸運的粒子可以迎面撞上。而人類要做的就是在電光火石之間，測量出粒子相撞留下的痕跡（直接觀測粒子對撞是不可能的），這也對粒子對撞機的工程要求極為嚴苛。

那麼，2012年人們在當時的LHC對撞機中找到的希格斯玻色子，到底是怎麼發現的呢？因為這一上帝粒子的衰變期只有短暫的10的負22次方秒，探測器根本不可能直接捕捉到上帝粒子。所以，粒子探測器記錄的信號，來自上帝粒子衰變後的產物，也就是產生一對穩定的正負電子和壽命較長的正負μ子。正是通過測量這些衰變後的粒子間的關聯，人們才間接地推出上帝粒子的存在。

(希格斯玻色子Higgs boson)

發現“希格斯玻色子”有什麼重要價值呢？上個世紀60年代，科學家提出了粒子物理學的“標準模型”，這是一套描述了強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。在這一理論中，希格斯玻色子被認為是“質量之源”。其他粒子通過和希格斯玻色子相互作用才能產生質量。

因此，“希格斯玻色子” 的發現，成為補上“標準模型”中最後一塊 “拼圖”。既然“標準模型”的拼圖已經完整，為什麼人類還需要更大規模的粒子對撞機呢？

一個是，科學家們希望對希格斯玻色子進行更深入的研究，而即使是對LHC不斷升級也就是加大對撞能量的能級，也無法得到足夠的希格斯玻色子，因此還需要建造規模更大的對撞機裝置。

再一個是，“標準模型”並不能完全解釋全部的物理學規律，比如它無法解釋中微子質量、暗物質、暗能量的來源以及物質和反物質不平衡的問題，還有融合四種力的大統一理論。粒子物理學的盛宴才剛剛開啓，需要更大的粒子對撞實驗來加以驗證。

（2020 歐洲粒子物理戰略）

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撞機當做“未來最高優先級別的事情”。那麼，中國在這一巨大科學工程上面，還存在哪些利弊之爭呢？

高能物理的頂級交鋒：到底該不該建CEPC？

目前，全球有三座正在規劃的“希格斯工廠”項目，也就是能夠產生更多的希格斯玻色子，並能夠對希格斯玻色子進行極高精度下測量。三個項目分別為由中國物理學家在2012年9月提出的環形正負電子對撞機—大型質子對撞機（CEPC-SPPC）、日本正積極爭取的國際直線對撞機（ILC），以及CERN規劃的未來環形對撞機（FCC）。

2012 年 9 月我國提出的 CEPC-SPPC 項目分兩步，一期工程為 CEPC，可作為希格斯工廠；二期工程為SPPC，建造一台高能質子對撞機。CERN提出的歐洲粒子物理戰略確定的FCC路線圖與我們的CEPC-SPPC設想其實是高度一致的。FCC的總投資是210億歐元，而我們的投資規模預計是第一階段工程造價大約400億人民幣，建設時間計劃在2022-2030年間；第二階段的工程造價是1000億人民幣，其投資規模遠遠小於CERN的投資計劃的，建設時間是在2040-2050年期間。

（貴州平塘500米口徑球面射電望遠鏡）

但不管怎樣，CEPC-SPPC大型對撞機項目的花銷也比現有的大科學工程高出兩個數量級。比如，位於貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），耗資僅僅6.67億元。江門中微子實驗正在建設，預計投資20億元。

儘管這筆研發費用是按照數十年時間分批支出的，但是對於我國當前的科研經費來説仍然是一筆“鉅款”。在是否支持建造CEPC-SPPC大型對撞機項目上面，我國的科學界也分成了旗幟鮮明的兩方。

2016年，在回應著名數學家丘成桐提議的“關於中國建設高能對撞機“的觀點，知名華裔物理學家楊振寧先生專門發表文章，表示“中國今天不宜建造超大對撞機”，成為公開反對建造大型對撞機的權威代表。楊先生給出的理由主要如下：

一來，大型對撞機的建造和後期的探測項目耗資巨大，且可能是一個“無底洞”，美國超導大型對撞機（SSC）半途中斷，浪費了30億美元，可謂是前車之鑑；二則，中國仍然是一個發展中國家，更多的財政經費應該投入到民生當中；第三，勢必會擠壓其他基礎科研經費，第四，就是高能物理的結果短期內對於人類生活沒有什麼實際的好處。

另外還有就是從學術本身來提出的反對意見。楊振寧先生認為，物理學家希望通過大型對撞機發現“超對稱粒子”，是一件不可能的事情。另外，由於我國在高能物理學中的貢獻率不高，成就不大，建造大型對撞機之後的運轉和分析將有90%由外國專家來主導。最後，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。

當然，楊振寧先生的考慮自有其判斷的依據和道理。但同樣支持大型對撞機建設的一方，來自中國科學院高能物理研究所所長王貽芳教授也有充足的理由：

首先，建造第一期CEPC項目，是有大量成功經驗的，預算也是可控的。美國SSC的中斷正是讓美國失去了發現希格斯粒子的機會，也失去了在高能物理學領域的國際領導地位。第二階段的質子加速器雖然還沒有成功的先例，但我們有足夠的時間去開發、研究，不成熟不啓動，還談不上“無底洞”的投入。我國已經有大量大型科學工程的建造經驗，都已經能夠很好的控制工程造價。

其次，基礎科學的研究與民生建設並不衝突。建造大型對撞機可以讓我國在基礎科學和高科技領域佔據國際領先地位，培養大批科研人才，可以對其他高科技領域形成技術溢出效應。

第三，我國基礎科學的研究經費還遠遠低於發達國家。建造大型對撞機的費用，可以從提高基礎科研經費中獲得，並且建造加速器的投資，會有90%用在國內的設備採購上。

第四，高能物理對於人類生活沒有好處的觀點需要商榷。基礎研究帶來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，對生物醫學、材料、環境科學等領域都有極大幫助。現在我們所使用的萬維網（互聯網）就是歐洲核子研究中心在大規模協作中產生的溝通工具。新建的大型對撞機加速器會在基礎科學人才培養、高温超導材料、超導磁體等應用技術方面實現重大突破。

此外，關於新的大型對撞機能否發現高能物理假設的“超對稱粒子”，這一目標並非是這一項目的唯一目標，CEPC可以將希格斯粒子的測量精度提高至1%左右，這就可以確認希格斯粒子的性質，判斷其是否與標準模型預言完全一致。CEPC還有望首次測量希格斯粒子的自耦合，確定希格斯場參與的真空相變的形式，這對宇宙的早期演化具有重要意義。

至於中國人能不能主導對撞機此後的實驗和分析，正需要我們主動發力從建造大型對撞機開始培養更多人才，才能擁有更大話語權。至於要不要建造這樣的大型加速器，王教授認為，理論物理研究很重要，但是實驗物理的手段更是必不可少。

那麼，到底該不該建造這一“耗資巨大，有可能失敗，也有可能帶來無限榮光”的大型工程呢？仁者見仁智者見智，現在CERN給出了明確的答案，全力押注大型對撞機的建設。那麼，作為後來者的我們是否應該跟進呢？

建或不建，一場可能事關“國運”的選擇

前不久，網傳位於西南的貴州貧困縣獨山縣，被曝出地方負債一度高達400億，留下來的正是一座座爛尾的形象工程。官方通報稱政府融資的資金中絕大多數用於基礎設施、脱貧攻堅、民生工程等項目建設，發揮了較好作用。

我們也不知道這些發揮了哪些較好的作用。不過400億的負債還是讓人們吃驚不已。但400億恰好是建造第一期CEPC項目的投資金額。

雖然沒有特別直接的可比性，但與其花費巨資在大興土木的這種基建上面，確實不如增加基礎科研費用的規模和比例，投入到大型對撞機CEPC項目當中。

況且我們是成功經驗的，上世紀80年代，中國在經濟情況遠遠不及現在的情況下，成功建設了北京正負電子對撞機，培養了一代高能物理人才，在τ-粲物理領域取得了不錯的科學成果，不過距離前沿領域差距明顯。

（歐洲大型強子對撞機）

而現在，面對高能物理領域出現的這一次全新升級的窗口期，我國第一次有機會跟歐美日等國家同台競爭，如果錯失這一次機會，可能未來高能物理的牌桌上，就沒有中國的機會了。

一旦未來中美在基礎科學的研究也受到更多政治爭端的影響，那我國的基礎科研將處在更為被動的局面上了。

從現實情況來看，我國已經具備建造如此大規模科學工程的資金實力和技術基礎。而且鉅額的投入也會反過來促進我國國產的高精密儀器、基礎材料、加工設備等技術的升級，大項目將推動這些技術的國產率。同時，還能讓我國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中國定居和長期訪問，在中國建成領先的科研中心，培養更大規模的基礎科研人才。

當然，在國家如此多的重大科研項目當中，支持哪個，又不支持哪個，都涉及眾多的研究機構的博弈和科研資源的分配，需要國家做出慎重的考慮，對於不同科研項目之間輕重緩急的發展給出不同階段、不同等級的支持。

大型對撞機也需要在同其他科研項目的公平競爭中，獲得能夠立項建造的機會。而這才是對待我們是否要立即啓動這項巨大科學工程的重要理由。

從長遠角度來看，發展大型對撞機仍然是實現我國在高能物理領域突破的必經之路。對於基礎科研的投入，不僅僅是一個投入產出比的問題和當下是否獲益的功利考慮，更是關乎一個國家的未來國運的發展問題。

堅持對基礎科研的投入，可能短期內不能看到反饋民生、促進經濟發展的實際效果，但是將在未來帶給一個國家乃至整個世界能夠持續發展，甚至突破的全新技術和方法。

1970年，贊比亞修女 Mary Jucunda 給NASA的Marshall太空航行中心科學副總監Ernst Stuhlinger寫了一封信，問道：地球上還有這麼多小孩子吃不上飯，怎麼捨得為火星項目花費數十億美元？

Stuhlinger用一篇《為什麼要探索宇宙》為標題的回信中説道：通往火星的航行並不能直接提供食物解決饑荒問題。然而，它所帶來大量的新技術和新方法可以用在火星項目之外，這將產生數倍於原始花費的收益。而事實正是如此。基礎科學的每一次突破，都為現實生活帶來眾多意想不到的實用技術和重大發明。

無論是對於CERN最新支持的FCC項目，還是中國科學家正在努力爭取的CEPC項目，儘管會在執行過程中遭遇這樣那樣的困難和質疑，但是我們不應否定科學家在宇宙基本粒子科學上的好奇心和探索熱情，也不應從什麼“陰謀論”、“私心論”的角度來去詆譭這些科研投入。

在人類的歷史上，如果有一件創新事業，我們選擇不做的話，我們可能未必知道自己錯過了什麼，但如果我們勇敢地選擇去做的話，儘管前途有失敗的可能，我們也將知道自己可能錯過了什麼，同樣也會知道自己得到了什麼。

更值得我們認真對待的是，在高能物理領域，如果一旦喪失新理論發現的優先權，就有可能再也錯失整個未來物理學的大廈，中國也就沒有任何的話語權了。

相比於那些花費巨資建設的形象工程，我們是不是該想想辦法建成一座能讓國人驕傲、“外邦來朝”的未來大科學工程呢？