在中國建造下一代粒子對撞機，到底值不值？_風聞

2019年3月12日，在位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）的主報告廳裏，物理學家與計算機科學家們舉辦了一場關於互聯網誕生30週年的紀念活動。

圖為互聯網誕生30週年紀念活動現場 圖源：歐洲核子研究中心

30年前的日內瓦，在位於歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機（LEP）正式開機運行的前夕，為了讓高能物理學家們更高效的共享信息，年輕的歐洲核子研究中心僱員蒂姆·伯納斯-李提交了一份關於超文本傳輸協議（HTTP）的提案 。不久，歐洲核子研究中心的科學家們按照這個提案搭建了人類歷史上 第一台萬維網（WWW）服務器。而這份提案誕生的這一天，也被公認為是互聯網的誕生日。

圖為世界上第一台WWW服務器 圖源：歐洲核子研究中心

30年後的中國，在誕生於高能物理研究需求的互聯網上，一場關於高能物理學前景的大討論正在火熱的開展着。

2012年希格斯粒子被歐洲核子研究中心的研究人員發現後不久，科學家們立刻意識到，其質量並沒有之前一些理論預期的那麼高。這也就意味着，對其進行直接研究的正負電子對撞機的建造難度，是現代人類工程水平可以達到的範圍之內。這也讓物理學家們看到了對希格斯粒子開展直接研究的希望。

而中國的高能物理學界，在經過了幾十年的砥礪發展之後，逐漸摸清了到達這門學科研究最前沿的門路，也看到了在這個領域引領國際潮流的希望。加上過去幾十年飛速發展的中國工程業與製造業加持，中科院高能所於2012年雄心勃勃地提出了在中國建造下一代粒子對撞機CEPC（Circular Electron Positron Collider，環形正負電子對撞機）的計劃。

或許很多人還不瞭解，過去幾年裏，中國高能物理學界有很多學者一直在默默地進行下一代粒子對撞機技術的初期研究探索工作。

他們將對撞機的研究拆分成對撞機粒子注入與傾出、粒子束流、粒子聚焦、磁場、真空、控制等系統以及探測器的徑跡識別、粒子鑑別、能量測量系統等等數十個單元，分別交給不同領域的專家團隊進行研究，項目土木工程建設方面的設計和估價則交給了專業土建公司。

這些專家團隊的研究模擬成果最終彙總成兩卷共900多頁的《CEPC概念設計報告（卷Ⅰ、卷Ⅱ）》，經全球知名專家學者參與的關於創新性與可行性的審議，已於2018年底向全世界公開。

圖為《CEPC概念設計報告》發佈當日，CEPC團隊、國際顧問委員會和《CEPC概念設計報告》國際評審委員會部分成員合影 圖源：中科院高能物理研究所

然而，在計劃推出後的幾年裏，CEPC一直處於輿論漩渦中。此前，楊振寧先生在中國科學院大學的一次演講中，再一次引爆了公眾對於是否應該建造大型對撞機的大討論。

不少網友紛紛站隊，表達了對某一觀點的支持或反對。

這些爭論的焦點是什麼呢？

最主要的是一個問題：花這麼多錢建設CEPC，到底值不值？

1. 下一代粒子對撞機到底有什麼用？

很多人不理解的是，中國設計的環形正負電子對撞機（CEPC）比現在已經運行的歐洲大型強子對撞機（LHC）能量要低，既然要做下一代粒子對撞機，為什麼其能量反而不如已經存在的對撞機？

圖為位於歐洲核子研究中心的大型強子對撞機的粒子束流管道 圖源：歐洲核子研究中心

這是因為，LHC和中國設計的CEPC是兩類對撞機，它們分別代表着高能物理學的“能量前沿”和“亮度前沿”，高能物理學這個領域的探索和研究，是能量前沿與亮度前沿交替上升的過程。

所謂“能量前沿”，就是利用結構複雜的粒子，以更高的能量對撞來探索未知未見的粒子或現象，是一個“大力出奇跡”的過程。利用LHC進行新物理的探索，是一個在大量雜亂的數據中篩選找出新粒子或者新現象的過程。

打個比方，LHC裏的粒子就像滿載各種雜物的貨運火車，越高能量的粒子相當於有越大容量的貨倉，從而有更高概率裝進去一些稀有的東西。如果我們想知道貨倉裏有什麼，只能用一種“野蠻”的方式來探知，那就是將兩列火車相撞，把貨倉撞碎看看裏面有什麼。

在大量散落的貨倉對撞物中，希格斯粒子就像是一盒冰淇淋。過去幾年中，科學家們在強子對撞機的對撞產物中找到了很多新鮮東西，其中就包括了這盒冰淇淋，物理學家們已經找了它幾十年，它的發現為下一步的亮度前沿實驗的設計指明瞭方向。

在高能物理學實驗中，位於歐洲核子研究中心的LHC，位於美國費米實驗室的兆電子伏特加速器（Tevatron），以及在上個世紀九十年代初不幸流產了的超導超級對撞機（SSC）都屬於這一類能量前沿的實驗裝備。

而所謂“亮度前沿”，則是以“乾淨”的粒子進行對撞，壓低其他不關心的粒子或者現象產生的幾率，從而對想要研究的粒子進行精確測量的過程。

這類亮度前沿的實驗通常是用正負電子這一類只參與量子電動力學（QED）過程而不參與量子色動力學（QCD）過程的輕子在目標粒子的閾值能量處進行對撞，從而達到最高的純淨度和統計量，進而完成對目標粒子各種性質的精確測量。

這個過程就像假如我們想研究一盒冰淇淋，那就直接從冰淇淋工廠生產一盒。通過這樣的過程獲得的冰淇淋，比把它放進對撞的火車貨倉裏，再從撞碎散落的零件中找到的冰淇淋要乾淨得多。

通常來説，高能物理學中的“某某工廠”實驗，包括日本高能加速器研究機構（KEK）的Belle實驗，美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的BaBar實驗，以及在規劃中的“希格斯工廠”和τ-粲工廠等，都是亮度前沿的實驗。

圖為位於日本高能加速器研究機構的Belle實驗（左圖）和位於美國斯坦福直線加速器中心的BaBar實驗（右圖）

CEPC以及歐洲規劃中的FCC-ee都是希格斯工廠，顧名思義，它們都是為了研究希格斯粒子的性質而規劃設計的實驗。在今年初FCC-ee計劃的《FCC概念設計報告》發佈時，人們發現它關鍵參數的設計與之前發佈的CEPC的《CEPC概念設計報告》中的關鍵參數“幾乎一模一樣”。

為何這樣呢？是因為希格斯粒子被發現後，其閾值能量已經確定，對其進行精確測量的物理目標也已確定，而100公里尺度的環形電子對撞機是最快捷、最有效也是最便宜的方式。

這一類對撞機中產生的希格斯粒子比在強子對撞機LHC中產生的要乾淨太多，根據《CEPC概念設計報告（卷II）》中的計算，CEPC產生的希格斯粒子的信噪比LHC好一億倍，精度高十倍以上，對新物理敏感的能標高十倍。

CEPC的設計不僅能精確測量希格斯粒子，還可以將W，Z粒子的測量精度提高1-2數量級，並且還能用來進行電弱相互作用，量子色動力學，頂夸克和重味物理相關問題的精確研究。

除此之外，CEPC所設計的能量區間還有潛質在希格斯粒子有效場論、希格斯粒子質量起源問題、希格斯勢能性質、電弱相變過程、暗物質研究、惰性中微子、重味物理反常現象等領域發現新物理。

現代粒子物理標準模型雖然驚豔，但還不完備，仍然有很多待定的參數，並且也存在着很多與標準模型不符的實驗觀測結果，而且標準模型也只是在研究佔宇宙5%的可見物質，剩下更多都仍屬未知。

所以，對人類來説，探索遠未達彼岸，下一代粒子對撞機的投入運行會帶領人類在向未知領域再邁進一步。

2. 高能物理能給普通民眾帶來什麼？

目前，世界各國粒子物理學家之間也在博弈，他們都希望下一代粒子對撞機建在對自己有利的位置。如果二十年後，在新的亮度前沿實驗，或者升級後的LHC上發現了新物理跡象，物理學家們確認了建造下一代能量前沿的對撞機的必要性，那麼新的能量前沿實驗就可以利用屆時現存的100公里的電子對撞機坑道，安置未來新的質子對撞機（SppC）。

雖然SppC的命運將完全取決於未來二十年CEPC和升級後的LHC的物理產出，現在討論SppC，仍然是在討論一個沒有基礎的空中樓閣，但毋庸置疑，現在在哪裏建造新的環形正負電子對撞機，哪裏就更容易發展為未來世界對撞機物理的新中心。中國目前也已參與到了這個遊戲中來了，無疑向外界展示了大國科技崛起的雄心。

可是高能物理學的研究的投資這麼貴，除了便於物理學家研究，能為普通人帶來什麼？

關於這個問題，除了文章開頭提到的互聯網，其實還有很多例子，比如，更安全的核醫學診斷，甚至更方便的手機體驗。

很多核醫學診斷儀器中都會用到光電倍增管作為診療信號的接收元件，高性能的光電倍增管能使患者減少治療過程中所受的輻射，使核醫學診斷更安全，而中國關於高性能光電倍增管的研製，則少不了高能物理學行業的貢獻。

之前曾有一條新聞報道稱，2019年4月26日，中國科學家在四川稻城亞丁建設的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的科學觀測正式啓動。

十年前，在LHAASO還處於早期預研時，初入高能物理行業的筆者就曾參與了早期光電倍增管測試系統的搭建。高性能光電倍增管，是現代高能物理學粒子鑑別系統中必不可少的重要元件，能夠穩定檢測到單光子信號。

當年，筆者的老師曾説，這一個僅有十幾釐米長的小元件，價格就高達幾萬塊，除了LHAASO需要的數千個，江門中微子實驗等高能物理學實驗也需要大量的光電倍增管。

為什麼它可以賣得這麼貴呢？

除了其精密的設計之外，還因為，儘管全世界的高能物理學實驗都對這個元件有需求，當時卻只有一家日本公司有技術製造這樣的高性能元件，所以日本可以壟斷高性能光電倍增管的價格。

圖為光電倍增管 圖源：濱松中國

也是在大約十年前，為了打破這種壟斷，中科院高能所啓動了新型光電倍增管的研究計劃。由中科院高能所牽頭，北方夜視公司和多家科研單位共同成立了研究合作組，在前幾年成功研製出了性能不亞於日本企業產品的高性能光電倍增管，併成功投產。

在這之後，國際上高性能光電倍增管的價格一下子降了一大截。這不僅僅造福了中國和世界其他國家的高能物理學實驗，還最終影響了核醫學儀器的更新換代。

可見，高能物理學實驗儀器的生產技術最終可以實現產業轉移，並應用在民生領域。

類似的例子還有很多，比如我國自主研發的首台1.5特斯拉液氦零揮發核磁共振成像超導磁體，就是中科院高能所和企業為了北京正負電子對撞機實驗（BEPC）的超導探測器研發的，而它經產業轉移之後成為了影像醫學中核磁共振成像系統中最為重要元件。

再比如根據歐洲核子研究中心的記載，透明電容式觸摸屏最初是歐洲核子研究中心的科學家為了SPS實驗控制室的控制系統而發明的，現如今已成為每個人手機中必不可少的一部分。

CEPC的建設不是投幣即得的許願機，而是無數組件從無到有，一件件開發，一件件組裝出來的。這也就註定了在CEPC這樣一個極其複雜的儀器建設過程中，一定有各種各樣的難題亟待解決。

切實需求是技術突破的重要動力，為了解決實驗設計中遇到的問題，一定會順帶着有新的技術創新產生，最終也會外溢到民生領域，改善未來人類的生活。

3. 中國能承擔得起CEPC這樣的大科學裝置嗎？

説完了大型對撞機的產出，我們來説説中國能不能承擔得起這樣一個引領世界的大科學裝置。

建設大型對撞機貴嗎？貴。但是這些錢放在一個擁有約14億人口、GDP排名全球第二的大國的科研經費裏真的多嗎？這就需要用數據説話了。

在物理學家完成所有原件的初步設計和調研之後，在2018年公佈的《CEPC概念設計報告（卷I）》中，CEPC總體造價最終被鎖定在了約60億瑞士法郎左右，即大約360億人民幣。

根據《CEPC概念設計報告（卷I）》的計劃，CEPC的建造應大約在2022年至2030年之間完成，360億人民幣的資金將會在大約十年的建設工期中被投入到CEPC的建設項目中。

屆時，作為國際上最高亮度的希格斯工廠，勢必會吸引世界各國的科學家來華進行研究，因而國際研究資金也會是CEPC項目的重要來源。高能所計劃將國際資金的比例控制在30%左右，因而中國每年對CEPC的投入應在30億人民幣左右。

但無論怎麼説，每年30億人民幣的投資價仍然看起來像是一個天文數字。那麼，這麼多錢在我國的科研項目裏佔多大比重呢？國家每年對CEPC的投入是否會擠壓別的學科的經費呢？

根據科技部2019年4月發佈的《我國 R&D 經費投入特徵分析》，我國2017年基礎研究經費總量為975.5億元。如果基礎研究經費按照2017年水平維持不變十幾年，那麼在CEPC建設工程期內，CEPC每年大約會用掉3%的國家基礎研究經費。

而這些經費放在我國總體研發投入和GDP總量中則顯得更低。

同樣根據《我國 R&D 經費投入特徵分析》中的數據，我國2017年R&D（研發）經費總量達17606.1億元，由此可以算出，我國基礎研究經費的比重僅佔研發經費的5.5%。

《中國科研經費報告（2018）》對中國與世界主要發達國家研發經費類型進行了分析，中國研發經費中的科學研究部分，尤其是基礎研究經費，目前投入仍明顯不足，遠不及發達國家的一半。

圖為中國與世界主要發達國家研發經費類型比較 圖源：《中國科研經費報告（2018）》

中國一年17606.1億元的總體研發投入又佔GDP總量的多少呢？

《我國 R&D 經費投入特徵分析》給出了數據：2.15%。根據聯合國教科文組織的數據，作為擁有14億人口的大國，中國的科研經費投入總量雖然已躍居世界第二，但是科研人員佔比以及科研經費佔GDP的比重仍遠遠落後於美國、德國、日本等發達國家，更是連韓國和以色列佔比的一半都不到。

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圖為世界各國科研經費投入總量、科研人員佔比以及科研經費佔GDP的比重的比較圖，圖中橫軸為科研經費佔GDP的比重，縱軸為科研人員佔比，圖中圓圈的大小表示科研經費投入總量。中國的數據是此圖中部下側的最大紅色圓圈，可見科研人員佔比以及科研經費佔比均較低。圖源：聯合國教科文組織

因此，目前中國每年的研發經費佔GDP的比重，以及基礎研究經費佔總體研發經費中的比重都明顯過低。

圖為我國2017年研發經費（左圖黃色區域）佔GDP的比重，以及基礎研究經費（右圖灰色區域）佔研發經費的比重。如果CEPC計劃啓動，而國家GDP在未來十數年內維持在2017年水平和比例不變的話，那麼CEPC項目每年所需要的國內資金將會佔中國一年的基礎研究經費（右圖灰色區域）的3%左右

十九大報告指出，我國要“加快建設創新型國家”，“要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。”2018年，國務院印發的《國務院關於全面加強基礎科學研究的若干意見》指出，我國未來對於基礎科學研究會“加大中央財政對基礎研究的穩定支持力度，構建基礎研究多元化投入機制，引導鼓勵地方、企業和社會力量增加基礎研究投入。”

可見，國家對於基礎研究的投入已愈發重視，我國未來的基礎科學研究投入和總體研發投入的力度會逐年增強。

而對於基礎研究經費未來增加的部分，國家自然不會在科研項目總量不變的情況下使每個項目的經費膨脹，而是會增加投資一些新的優質科研項目。除了CEPC，其它學科自然可以提出自己學科的新科研項目，CEPC將和其他學科一起，在未來助力我國基礎研究的發展。

歐洲未來十幾年仍會注重於LHC的升級，於是，歷史留給了中國高能物理行業一個機遇期。

關於中國是否應該引領建造下一代粒子對撞機的討論可以繼續，這樣的投資究竟值不值或許每個人的內心也都有自己的看法。

但是，這些都不會影響到中國科研工作者們對助力未來中國基礎科學發展的熱忱，相信中國的高能物理學在未來的發展中一定會守得雲開見月明。

（本文首發於瞭望智庫，略有修改。原標題：美國下馬，日本拖延，楊振寧竭力反對，中國要不要花300多億幹這事？）