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杨振宁竭力反对 中国要不要花300多亿干这事?

2020-03-14 点击:1214

原标题:美国下台,日本推迟,杨振宁强烈反对,中国应该为此花费300多亿美元吗?

作者陈山珍

29年前,1990年7月21日,北京正负电子对撞机正式通过国家验收。

当时,新华社报道称,这一成就被评价为:这是继原子弹、氢弹爆炸成功后,卫星发射后的第二天,中国在高科技领域取得的又一重大突破。

台湾《中国时报》在1992年5月报告说,在分析和研究了粒子碰撞数据之后,获得了对重粒子和轻粒子质量的高精度测量,比现有的国际结果精确五倍。"这是中国人第一次完全靠自己获得世界研究的成果。"

中国人只用了很短的时间就在北京建造了BEPC,从那以后他们进行了一系列的前沿研究。斯坦福加速器中心的帕诺夫斯基说:“中国物理学家在测量已知粒子方面领先于西方,他们的精确度高于西方。”

为了加快在高能物理领域向世界前沿迈进的步伐,中国科学院高能科学研究所提出了一项雄心勃勃的计划,计划于2012年在中国建造下一代粒子对撞机,以加快对希格斯玻色子(或“上帝粒子”)的探索,希格斯玻色子可以解释质量的存在,对理解宇宙至关重要。

中国应该建造下一代粒子对撞机吗?这个论点没有公认的答案。关于这个问题的主要讨论也经常出现在媒体上。

今天,Ku叔叔选择了两篇对下一代粒子对撞机的建设有不同看法的文章,希望大家能对这个高度复杂的领域有更全面的了解。

在2012年欧洲粒子物理研究所的研究人员发现希格斯粒子后不久,科学家们立即意识到它的质量并不像一些先前的理论所预期的那样高。这也意味着直接研究的正负电子对撞机的建造难度在现代人类工程所能达到的范围之内。这也给了物理学家对希格斯粒子进行直接研究的希望。

中国的高能物理界,经过几十年的努力和发展,已经逐渐找到了达到该学科研究前沿的方法,也看到了引领该领域国际趋势的希望。随着中国工程和制造业在过去几十年的快速发展,中国科学院高能研究所提出了一项雄心勃勃的计划,计划于2012年在中国建造下一代粒子对撞机CEPC(循环电子正电子对撞机)。

也许很多人不明白,在过去的几年里,中国高能物理领域的许多学者一直在悄悄进行下一代粒子对撞机技术的初步研究和探索工作。

他们将对撞机的研究分成几十个单元,如对撞机粒子注入和倾倒、粒子束流、粒子聚焦、磁场、真空、控制等系统,以及探测器轨迹识别、粒子识别、能量测量系统等,交给不同领域的专家团队进行研究,同时将项目土建施工的设计和评估交给专业土建公司。

这些专家团队的研究模拟结果最终总结成两册《CEPC概念设计报告(卷Ⅰ、卷Ⅱ)》,共900多页,经过世界知名专家学者对创新和可行性的审议,于2018年底向世界公开。

  (图为 《CEPC概念设计报告》 发布当日,CEPC团队、国际顾问委员会和 《CEPC概念设计报告》 国际评审委员会部分成员合影 图源:中科院高能物理研究所)

(图为计划发布当天,CEPC团队、国际咨询委员会和《CEPC概念设计报告》国际认证委员会部分成员合影:中国科学院高能物理研究所)

然而,计划发布后的几年,CEPC一直处于舆论漩涡之中。此前,在中国科学院大学的一次演讲中,杨振宁再次引发了一场关于是否建造大型对撞机的公众大讨论。

许多网民排队表达他们对某一观点的支持或反对。

这些争论的焦点是什么?

最重要的问题是:花这么多钱来建设CEPC值得吗?下一代“1”粒子对撞机有什么用?

许多人不明白正电子环的能量

这是因为中国设计的LHC和CEPC是两种类型的对撞机,分别代表高能物理的“能量前沿”和“亮度前沿”。高能物理领域的探索和研究是一个能量锋和亮锋交替上升的过程。

所谓的“能量前沿”是通过使用具有复杂结构的粒子并与较高能量碰撞来探索未知粒子或现象的过程。这是一个“大力创造奇迹”的过程。利用LHC探索新物理学是从大量杂乱的数据中筛选出新粒子或现象的过程。

例如,LHC的粒子就像装满各种碎片的货运列车。能量较高的粒子相当于容量较大的仓库,因此包含一些稀有物品的概率较高。如果我们想知道仓库里有什么,我们只能用一种“野蛮”的方法来找出答案,那就是撞毁两辆火车,砸碎仓库看看里面有什么。

希格斯粒子就像一盒冰淇淋,在大量分散的仓库碰撞中。在过去的几年里,科学家们在强子对撞机的碰撞产物中发现了许多新事物,包括物理学家们寻找了几十年的这盒冰淇淋。它的发现为下一个亮度前沿实验的设计指明了方向。

在高能物理的实验中,位于欧洲核子研究中心的LHC,位于美国费米实验室的泰瓦特隆,以及在20世纪90年代早期不幸夭折的SSC都属于这种能量前沿的实验设备。

所谓的“亮度前沿”是通过碰撞“干净的”粒子来精确测量你想要研究的粒子的过程,以减少你不关心的其他粒子或现象的概率。

这种亮度前沿的实验通常使用只参与量子电动力学(QED)过程而不参与量子色动力学(QCD)过程的正电子和正电子等轻子在目标粒子的阈值能量下碰撞,从而达到最高的纯度和统计量,进而完成对目标粒子各种性质的精确测量。

这个过程就像如果我们想研究一盒冰淇淋,那么我们可以直接从冰淇淋工厂生产一盒。通过这一过程获得的冰淇淋比在相撞的火车仓库的破碎部分发现的冰淇淋要干净得多。

一般来说,高能物理中的“某某工厂”实验,包括日本高能加速器研究所(KEK)的贝尔实验、美国斯坦福线性加速器中心(SLAC)的巴巴尔实验、计划中的“希格斯工厂”和τ-魅力工厂,都是亮度前沿实验。

(图为贝尔实验留在日本高能加速器研究所,巴巴实验留在美国斯坦福线性加速器中心)

CEPC和计划在欧洲的联邦通信委员会电子工程公司是希格斯工厂。顾名思义,它们都是为研究希格斯粒子的性质而设计的实验。当联邦通信委员会ee计划《CEPC概念设计报告》在今年早些时候发布时,发现其关键参数的设计与之前发布的CEPC 《FCC概念设计报告》中的关键参数“几乎相同”。

为什么会这样?原因是在希格斯粒子被发现后,它的阈值能量已经被确定,精确测量的物理目标也已经被确定。100公里长的环形电子对撞机是最快、最有效和最便宜的方法。

这种类型的对撞机产生的希格斯粒子比LHC产生的粒子要干净得多。根据《CEPC概念设计报告》中的计算,CEPC产生的希格斯粒子的信噪比LHC好1亿倍,精度高10多倍,对新物理敏感的能级高10倍。

CEPC不仅可以精确测量希格斯粒子,还可以将W和Z粒子的测量精度提高1-2个数量级,还可以用于对电弱相互作用、量子色动力学、顶夸克和重味物理相关问题进行精确研究。

此外,CEPC设计的能量区间有可能在希格斯粒子有效场论、希格斯粒子质量起源、希格斯势能性质、电弱相变过程、暗物质研究、惰性中微子、重味物理异常等领域发现新的物理学。

尽管现代粒子物理的标准模型令人惊讶,但它仍然不完整,仍有许多参数需要确定,还有许多实验观察不一致

高能物理能给普通人带来什么?

目前,世界各地的粒子物理学家也在玩游戏。他们都希望下一代粒子对撞机能建在有利的位置。如果20年后,在新的亮度前沿实验或升级的LHC中发现新的物理迹象,并且物理学家确认建造下一代能量前沿对撞机的必要性,那么新的能量前沿实验可以使用现有的100公里电子对撞机隧道来安装未来的新质子对撞机(SppC)。

尽管未来20年内SppC的命运将完全取决于CEPC和升级后的LHC的物理输出,但关于SppC的讨论仍是一座没有基础的空中楼阁,但毫无疑问,在现在建造新的环形正负电子对撞机的地方,未来的世界对撞机将更容易发展成一个新的物理中心。中国目前也参与了这一游戏,这无疑向外界展示了科技大国崛起的雄心。

但高能物理研究的投资如此昂贵,除了便于物理学家研究之外,还能给普通人带来什么呢?

在这个问题上,除了诞生在高能物理研究的互联网上之外,其实还有很多例子,比如更安全的核医学诊断和更便捷的手机体验。

许多核医学诊断仪器将使用光电倍增管作为诊断和治疗信号的接收元件。高性能光电倍增管可以减少患者在治疗过程中受到的辐射,使核医学诊断更加安全。然而,中国高性能光电倍增管的发展需要高能物理产业的贡献。

此前有新闻报道称,2019年4月26日,由中国科学家在四川道城亚丁建造的高空宇宙线观测站LHAASO的科学观测正式启动。

10年前,当LHAASO还处于早期预研究阶段时,新加入高能物理行业的作者参与了早期光电倍增管测试系统的建设。高性能光电倍增管是现代高能物理粒子识别系统中必不可少的重要组成部分,能够稳定地检测单光子信号。

当时,我的老师曾经说过,这个只有10厘米长的小部件的价格高达几万块。除了大型强子对撞机所需的数千个实验外,江门中微子实验和其他高能物理实验也需要大量的光电倍增管。

为什么它卖得这么贵?

除了精确的设计之外,日本还能够垄断高性能光电倍增管的价格,因为只有一家日本公司拥有制造这种高性能组件的技术,尽管世界各地的高能物理实验都需要这种组件。

(图为光电倍增管 图源:滨松中国)

(照片:光电倍增管的照片来源:滨松中国)

也是在大约10年前,为了打破这一垄断,中国科学院高级技术研究所启动了一项关于新型光电倍增管的研究计划。在中国科学院高能研究所的领导下,北方夜视公司和一些科研机构共同成立了一个研究合作小组。在过去的几年里,它成功地开发了一种性能与日本企业相当的高性能光电倍增管,并成功地投入生产。

此后,国际高性能光电倍增管的价格大幅下跌。这不仅有利于中国和世界其他国家的高能物理实验,也影响了核医学仪器的升级。

可见,高能物理实验仪器的生产技术最终可以实现产业转移并应用于民生领域。

有许多类似的例子。例如,中国自主研发的首个1.5特斯拉液氦零挥发核磁共振成像超导磁体是由中国科学院高能研究所和企业为北京正负电子对撞机实验(BEPC)超导探测器研制的,经过产业转移,已成为核磁共振成像系统在成像医学中最重要的组成部分。

例如,根据欧洲核子研究中心的记录,透明电容式触摸屏最初是由欧洲核子研究中心的科学家为控制系统发明的

说到大型对撞机的输出,让我们谈谈中国是否能负担得起这样一个世界领先的科学仪器。

建造大型对撞机昂贵吗?昂贵。但是,对于一个拥有14亿人口、国内生产总值位居世界第二的大国来说,这笔钱真的太多了吗?这需要数据来说话。

在物理学家完成所有原始文件的初步设计和调查后,在2018年公布的《CEPC概念设计报告(卷II)》中,CEPC的总成本最终锁定在约60亿瑞士法郎,或约360亿人民币。

根据《CEPC概念设计报告(卷I)》计划,CEPC的建设将在2022年至2030年间完成,大约10年内将投资360亿元人民币在CEPC的建设项目上。

到那时,世界上最聪明的希格斯工厂一定会吸引世界各地的科学家来中国学习,所以国际研究基金也将成为CEPC项目的重要来源。港灯计划将国际资金的比例控制在30%左右,因此中国每年在CEPC的投资应该在30亿元左右。

但是不管怎样,每年30亿人民币的投资价格看起来还是一个天文数字。那么,这么多钱在中国的科研项目中占多大比例呢?该州每年在CEPC的投资会挤压其他学科的资金吗?

根据科技部2019年4月发布的《CEPC概念设计报告(卷I)》,2017年基础研究经费总额为975.5亿元。如果基础研究经费在2017年的水平上保持十多年不变,CEPC将在CEPC建设期间每年使用大约3%的国家基础研究经费。

然而,这些资金在中国R&D总投资和国内生产总值中的比重更低。

另外根据《我国 RD 经费投入特征分析》的数据,2017年中国研发资金总额将达到1.1亿元,因此可以计算出中国基础研究资金的比例仅占研发资金的5.5%。

《我国 RD 经费投入特征分析》分析了中国和世界主要发达国家的R&D基金类型。中国R&D基金中的科研部分,尤其是基础研究经费,目前仍明显不足,远不及发达国家的一半。

(图为中国与世界主要发达国家研发经费类型比较 图源: 《中国科研经费报告(2018)》 )

(图为中国与世界主要发达国家R&D资助类型的比较:《中国科研经费报告(2018)》)

中国每年1.1亿元的R&D总投资占国内生产总值的百分比是多少?

《中国科研经费报告(2018)》给出数据:2.15%。根据联合国教科文组织的数据,作为一个拥有14亿人口的大国,中国的科研经费总额在世界上排名第二,但科研人员的比例和科研经费占国内生产总值的比例仍远远落后于美国、德国、日本等发达国家,甚至不及韩国和以色列的一半。

(该数字是世界各国科研总投资、科研人员比例和科研经费占国内生产总值比例的比较。该图的横轴是科研经费占国内生产总值的比例,纵轴是科研人员的比例,图中圆圈的大小表示科研经费的总投资。中国的数据是这个数字下方最大的红色圆圈,这表明科研人员的比例和科研经费的比例都很低。资料来源:联合国教科文组织)

因此,中国年度研发支出占国内生产总值的比例和基础研究支出占研发支出总额的比例明显偏低。

(左边黄色区域显示了2017年中国R&D基金的比例,右边灰色区域显示了基础研究基金的比例。如果CEPC计划启动,中国的国内生产总值在未来十年左右将保持在2017年的水平和比例,那么CEPC项目每年所需的国内资金将占中国一年基础研究经费的3%左右(右边灰色区域)。”第十九次全国代表大会报告指出,中国应“加快建设创新型国家”,“瞄准世界科技前沿,加强基础研究,在前瞻性基础研究和领先原创成果方面取得重大突破。”2018年,国务院发布《我国 RD 经费投入特征分析》,指出未来中国基础科学研究学会“将加大中央政府对基础研究的稳定支持力度,构建多元化基础研究投资机制,并给予引导和鼓励

未来十年左右,欧洲仍将专注于升级LHC,因此历史给中国的高能物理产业留下了机遇。

关于中国是否应该领导下一代粒子对撞机建设的讨论可以继续。这种投资是否值得,可能是每个人自己的看法。

然而,这些都不会影响中国研究人员将来帮助中国发展基础科学的热情。我相信中国的高能物理在未来的发展中一定会成为忠实的妻子。

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“中国不应该建一个大加速器”葛院士回答《科技日报》记者的提问

文|高波

中国应该建一个大加速器吗?这个论点没有公认的答案。加速器利用电磁场来驱动带电粒子,使它们积累能量,然后正面碰撞,研究碎片产品以发现新粒子。中国科学院高能物理研究所提议建立世界上最大的加速器CEPC。王、两位物理学家分别支持和反对这一观点。

近日,中科院院士、南开大学物理系教授葛告诉《科技日报》记者:他支持,不赞成建设大型加速器。

q:你为什么不同意建造一个大型加速器?

A:目前,高能物理学最大的困难不是用超高能来建造新的加速器,而是没有被公认为突破标准模型的可靠的新理论,因此有一个精确测试的预测,也就是说,没有关于如何处理新物理学的知识。自上世纪中叶以来,量子场论(尤其是规范场)和夸克模型逐渐发展成为标准模型。实验发现,预测的渐近自由度、Z、W粒子等都是非常成功的。此后,除了中微子理论和实验外,没有什么理论创新。从20世纪70年代至今,尽管已经提出了许多标准模型以外的理论,但没有一个像标准模型提出的物理学那样清晰。

高能物理学已经发展到现在并具有工程特性:理论上,它必须特别清楚:你在寻找什么?期待什么?否则,这笔钱就不值了。

大型强子对撞机(LHC)肯定在寻找希格斯粒子。在验证了希格斯粒子之后,LHC号完成了它的基本任务,留下了大量数据供进一步分析和处理。然而,它已经花费了数百亿欧元,并渴望继续这样做,包括开发更高的能源。

受此鼓舞,日本希望建立国际超高能直线对撞机中心(ILC)。但是日本政府刚刚宣布将停止这个项目。原因很简单:我不知道什么是物理,它花费很多,不值得。

问:超弦理论不能被检验吗?

A:超弦理论在思维上很有启发性,但它缺乏实际的物理结果,也没有提出许多可测量的东西。我记得弗里曼戴森(美国物理学家)15年前来到南开,告诉我不要做任何50年都无法测量的事情。有些人提议建造一个大型加速器来测试宇宙开始时的奇点,这我无法理解。

问:有人指出美国取消了超级加速器项目SSC,将其物理研究中心迁至欧洲。你怎么想呢?

A:在现代,高能物理学不再是物理学的焦点,更不用说“中心”了。20多年前,美国削减了南南合作。我不认为这是愚蠢的。美国支持的项目花费不多,但它们支持奇妙的想法,通过巧合赢得,击中身体发展的核心,并获得许多诺贝尔奖。LHC花了这么多钱,它只验证了希格斯几十年前写的两三篇文章,并获得了诺贝尔奖。

CEPC的成本,我听到的数字:300亿元在开始时被提及。但是这个数字不包括基础设施。挖掘如此大直径和深度的隧道的单位成本比地铁高,但我认为这个数额不小。

为什么美国在开始的时候,仅仅因为害怕捕鱼,就把国家安全局已经挖好的洞填上了“钱已经花光了,不继续花下去是没有用的。”当时已经投资了20亿美元,直接投资是正确的

我们的技术和人才无法与欧洲相比。例如,加速器的核心技术是强磁场。LHC可以建成,因为欧洲有磁场技术。我的理解是,中国的超导磁场技术不能为这样的加速器产生强磁场,甚至不能精确测量强磁场。创造CEPC所需要的强磁场并不容易,这需要理论和物质上的突破。

中国在单、双环对撞机分支有一些人才,这与LHC的要求相去甚远。在LHC工作的大多数人都是数据分析师。中微子实验也离这个目标很远。

问:通过CEPC推动关键技术突破也是一个好处吗?

A:与其说它是推动技术突破的加速器,不如说它利用了现有的技术。在我看来,如果国家认为强磁场技术是有用的,那么就没有必要在强磁场的主题中涉及高能物理学。

这个国家现在需要做很多事情。核废料处理需要加速器;散裂中子源已被列为世界四大实验室之一,其后续工作需要强有力的支持来测量涡轮叶片材料。另一个例子是各种光源。另一个例子是中国半导体器件的落后,这是由于基础差。但是现在,中国物理研究所已经为下一代MRAM(磁阻存储器)设备申请了专利。如果技术转让成功,可能会从根本上改变这个行业的面貌。然而,我没有看到任何人呼吁在这个关键方向投资。

q:如果我们不建造大型加速器,我们如何在高能区发现物理?

A:探测宇宙射线。在发现高能粒子的历史上,宇宙射线发挥了巨大的作用。

王先生在上世纪90年代告诉我,用加速器几乎不可能找到TeV粒子。但是TeV级的宇宙射线,尽管他们不知道为什么,总是会出现。我们需要开发宇宙射线,花很少的钱,耐心地积累数据。在一定程度上,将会有重大发现。

我同意王先生的看法。不幸的是,我们的国家没有对宇宙射线给予足够的重视,因为加速器可以在三到五年内产生结果,而宇宙射线可能需要十年或更长的时间来积累。

q:探测宇宙射线更有希望。有什么证据吗?

A:例如,中国科学院在2015年底发射的“悟空”卫星最近发现了一个约1.4电子伏的突出信号,这可能是新粒子的迹象。“悟空”这样的探测项目也耗资上亿,而且携带的探测器不止一种。

在此之前,美国花费了1000多万美元在南极洲放置气球。中国学者通过数据分析发现了以前没有发现的高能粒子迹象,尽管误差相对较大。受此启发,欧洲和美国后来证实存在数据碰撞。有人猜测它可能会突破标准模式。这可能是支持王先生昌赣的预测。

来源:望智库

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