在中国建造下一代粒子对撞机，到底值不值？_风闻

2019年3月12日，在位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）的主报告厅里，物理学家与计算机科学家们举办了一场关于互联网诞生30周年的纪念活动。

图为互联网诞生30周年纪念活动现场 图源：欧洲核子研究中心

30年前的日内瓦，在位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（LEP）正式开机运行的前夕，为了让高能物理学家们更高效的共享信息，年轻的欧洲核子研究中心雇员蒂姆·伯纳斯-李提交了一份关于超文本传输协议（HTTP）的提案 。不久，欧洲核子研究中心的科学家们按照这个提案搭建了人类历史上 第一台万维网（WWW）服务器。而这份提案诞生的这一天，也被公认为是互联网的诞生日。

图为世界上第一台WWW服务器 图源：欧洲核子研究中心

30年后的中国，在诞生于高能物理研究需求的互联网上，一场关于高能物理学前景的大讨论正在火热的开展着。

2012年希格斯粒子被欧洲核子研究中心的研究人员发现后不久，科学家们立刻意识到，其质量并没有之前一些理论预期的那么高。这也就意味着，对其进行直接研究的正负电子对撞机的建造难度，是现代人类工程水平可以达到的范围之内。这也让物理学家们看到了对希格斯粒子开展直接研究的希望。

而中国的高能物理学界，在经过了几十年的砥砺发展之后，逐渐摸清了到达这门学科研究最前沿的门路，也看到了在这个领域引领国际潮流的希望。加上过去几十年飞速发展的中国工程业与制造业加持，中科院高能所于2012年雄心勃勃地提出了在中国建造下一代粒子对撞机CEPC（Circular Electron Positron Collider，环形正负电子对撞机）的计划。

或许很多人还不了解，过去几年里，中国高能物理学界有很多学者一直在默默地进行下一代粒子对撞机技术的初期研究探索工作。

他们将对撞机的研究拆分成对撞机粒子注入与倾出、粒子束流、粒子聚焦、磁场、真空、控制等系统以及探测器的径迹识别、粒子鉴别、能量测量系统等等数十个单元，分别交给不同领域的专家团队进行研究，项目土木工程建设方面的设计和估价则交给了专业土建公司。

这些专家团队的研究模拟成果最终汇总成两卷共900多页的《CEPC概念设计报告（卷Ⅰ、卷Ⅱ）》，经全球知名专家学者参与的关于创新性与可行性的审议，已于2018年底向全世界公开。

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

然而，在计划推出后的几年里，CEPC一直处于舆论漩涡中。此前，杨振宁先生在中国科学院大学的一次演讲中，再一次引爆了公众对于是否应该建造大型对撞机的大讨论。

不少网友纷纷站队，表达了对某一观点的支持或反对。

这些争论的焦点是什么呢？

最主要的是一个问题：花这么多钱建设CEPC，到底值不值？

1. 下一代粒子对撞机到底有什么用？

很多人不理解的是，中国设计的环形正负电子对撞机（CEPC）比现在已经运行的欧洲大型强子对撞机（LHC）能量要低，既然要做下一代粒子对撞机，为什么其能量反而不如已经存在的对撞机？

图为位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的粒子束流管道 图源：欧洲核子研究中心

这是因为，LHC和中国设计的CEPC是两类对撞机，它们分别代表着高能物理学的“能量前沿”和“亮度前沿”，高能物理学这个领域的探索和研究，是能量前沿与亮度前沿交替上升的过程。

所谓“能量前沿”，就是利用结构复杂的粒子，以更高的能量对撞来探索未知未见的粒子或现象，是一个“大力出奇迹”的过程。利用LHC进行新物理的探索，是一个在大量杂乱的数据中筛选找出新粒子或者新现象的过程。

打个比方，LHC里的粒子就像满载各种杂物的货运火车，越高能量的粒子相当于有越大容量的货仓，从而有更高概率装进去一些稀有的东西。如果我们想知道货仓里有什么，只能用一种“野蛮”的方式来探知，那就是将两列火车相撞，把货仓撞碎看看里面有什么。

在大量散落的货仓对撞物中，希格斯粒子就像是一盒冰淇淋。过去几年中，科学家们在强子对撞机的对撞产物中找到了很多新鲜东西，其中就包括了这盒冰淇淋，物理学家们已经找了它几十年，它的发现为下一步的亮度前沿实验的设计指明了方向。

在高能物理学实验中，位于欧洲核子研究中心的LHC，位于美国费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron），以及在上个世纪九十年代初不幸流产了的超导超级对撞机（SSC）都属于这一类能量前沿的实验装备。

而所谓“亮度前沿”，则是以“干净”的粒子进行对撞，压低其他不关心的粒子或者现象产生的几率，从而对想要研究的粒子进行精确测量的过程。

这类亮度前沿的实验通常是用正负电子这一类只参与量子电动力学（QED）过程而不参与量子色动力学（QCD）过程的轻子在目标粒子的阈值能量处进行对撞，从而达到最高的纯净度和统计量，进而完成对目标粒子各种性质的精确测量。

这个过程就像假如我们想研究一盒冰淇淋，那就直接从冰淇淋工厂生产一盒。通过这样的过程获得的冰淇淋，比把它放进对撞的火车货仓里，再从撞碎散落的零件中找到的冰淇淋要干净得多。

通常来说，高能物理学中的“某某工厂”实验，包括日本高能加速器研究机构（KEK）的Belle实验，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的BaBar实验，以及在规划中的“希格斯工厂”和τ-粲工厂等，都是亮度前沿的实验。

图为位于日本高能加速器研究机构的Belle实验（左图）和位于美国斯坦福直线加速器中心的BaBar实验（右图）

CEPC以及欧洲规划中的FCC-ee都是希格斯工厂，顾名思义，它们都是为了研究希格斯粒子的性质而规划设计的实验。在今年初FCC-ee计划的《FCC概念设计报告》发布时，人们发现它关键参数的设计与之前发布的CEPC的《CEPC概念设计报告》中的关键参数“几乎一模一样”。

为何这样呢？是因为希格斯粒子被发现后，其阈值能量已经确定，对其进行精确测量的物理目标也已确定，而100公里尺度的环形电子对撞机是最快捷、最有效也是最便宜的方式。

这一类对撞机中产生的希格斯粒子比在强子对撞机LHC中产生的要干净太多，根据《CEPC概念设计报告（卷II）》中的计算，CEPC产生的希格斯粒子的信噪比LHC好一亿倍，精度高十倍以上，对新物理敏感的能标高十倍。

CEPC的设计不仅能精确测量希格斯粒子，还可以将W，Z粒子的测量精度提高1-2数量级，并且还能用来进行电弱相互作用，量子色动力学，顶夸克和重味物理相关问题的精确研究。

除此之外，CEPC所设计的能量区间还有潜质在希格斯粒子有效场论、希格斯粒子质量起源问题、希格斯势能性质、电弱相变过程、暗物质研究、惰性中微子、重味物理反常现象等领域发现新物理。

现代粒子物理标准模型虽然惊艳，但还不完备，仍然有很多待定的参数，并且也存在着很多与标准模型不符的实验观测结果，而且标准模型也只是在研究占宇宙5%的可见物质，剩下更多都仍属未知。

所以，对人类来说，探索远未达彼岸，下一代粒子对撞机的投入运行会带领人类在向未知领域再迈进一步。

2. 高能物理能给普通民众带来什么？

目前，世界各国粒子物理学家之间也在博弈，他们都希望下一代粒子对撞机建在对自己有利的位置。如果二十年后，在新的亮度前沿实验，或者升级后的LHC上发现了新物理迹象，物理学家们确认了建造下一代能量前沿的对撞机的必要性，那么新的能量前沿实验就可以利用届时现存的100公里的电子对撞机坑道，安置未来新的质子对撞机（SppC）。

虽然SppC的命运将完全取决于未来二十年CEPC和升级后的LHC的物理产出，现在讨论SppC，仍然是在讨论一个没有基础的空中楼阁，但毋庸置疑，现在在哪里建造新的环形正负电子对撞机，哪里就更容易发展为未来世界对撞机物理的新中心。中国目前也已参与到了这个游戏中来了，无疑向外界展示了大国科技崛起的雄心。

可是高能物理学的研究的投资这么贵，除了便于物理学家研究，能为普通人带来什么？

关于这个问题，除了文章开头提到的互联网，其实还有很多例子，比如，更安全的核医学诊断，甚至更方便的手机体验。

很多核医学诊断仪器中都会用到光电倍增管作为诊疗信号的接收元件，高性能的光电倍增管能使患者减少治疗过程中所受的辐射，使核医学诊断更安全，而中国关于高性能光电倍增管的研制，则少不了高能物理学行业的贡献。

之前曾有一条新闻报道称，2019年4月26日，中国科学家在四川稻城亚丁建设的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的科学观测正式启动。

十年前，在LHAASO还处于早期预研时，初入高能物理行业的笔者就曾参与了早期光电倍增管测试系统的搭建。高性能光电倍增管，是现代高能物理学粒子鉴别系统中必不可少的重要元件，能够稳定检测到单光子信号。

当年，笔者的老师曾说，这一个仅有十几厘米长的小元件，价格就高达几万块，除了LHAASO需要的数千个，江门中微子实验等高能物理学实验也需要大量的光电倍增管。

为什么它可以卖得这么贵呢？

除了其精密的设计之外，还因为，尽管全世界的高能物理学实验都对这个元件有需求，当时却只有一家日本公司有技术制造这样的高性能元件，所以日本可以垄断高性能光电倍增管的价格。

图为光电倍增管 图源：滨松中国

也是在大约十年前，为了打破这种垄断，中科院高能所启动了新型光电倍增管的研究计划。由中科院高能所牵头，北方夜视公司和多家科研单位共同成立了研究合作组，在前几年成功研制出了性能不亚于日本企业产品的高性能光电倍增管，并成功投产。

在这之后，国际上高性能光电倍增管的价格一下子降了一大截。这不仅仅造福了中国和世界其他国家的高能物理学实验，还最终影响了核医学仪器的更新换代。

可见，高能物理学实验仪器的生产技术最终可以实现产业转移，并应用在民生领域。

类似的例子还有很多，比如我国自主研发的首台1.5特斯拉液氦零挥发核磁共振成像超导磁体，就是中科院高能所和企业为了北京正负电子对撞机实验（BEPC）的超导探测器研发的，而它经产业转移之后成为了影像医学中核磁共振成像系统中最为重要元件。

再比如根据欧洲核子研究中心的记载，透明电容式触摸屏最初是欧洲核子研究中心的科学家为了SPS实验控制室的控制系统而发明的，现如今已成为每个人手机中必不可少的一部分。

CEPC的建设不是投币即得的许愿机，而是无数组件从无到有，一件件开发，一件件组装出来的。这也就注定了在CEPC这样一个极其复杂的仪器建设过程中，一定有各种各样的难题亟待解决。

切实需求是技术突破的重要动力，为了解决实验设计中遇到的问题，一定会顺带着有新的技术创新产生，最终也会外溢到民生领域，改善未来人类的生活。

3. 中国能承担得起CEPC这样的大科学装置吗？

说完了大型对撞机的产出，我们来说说中国能不能承担得起这样一个引领世界的大科学装置。

建设大型对撞机贵吗？贵。但是这些钱放在一个拥有约14亿人口、GDP排名全球第二的大国的科研经费里真的多吗？这就需要用数据说话了。

在物理学家完成所有原件的初步设计和调研之后，在2018年公布的《CEPC概念设计报告（卷I）》中，CEPC总体造价最终被锁定在了约60亿瑞士法郎左右，即大约360亿人民币。

根据《CEPC概念设计报告（卷I）》的计划，CEPC的建造应大约在2022年至2030年之间完成，360亿人民币的资金将会在大约十年的建设工期中被投入到CEPC的建设项目中。

届时，作为国际上最高亮度的希格斯工厂，势必会吸引世界各国的科学家来华进行研究，因而国际研究资金也会是CEPC项目的重要来源。高能所计划将国际资金的比例控制在30%左右，因而中国每年对CEPC的投入应在30亿人民币左右。

但无论怎么说，每年30亿人民币的投资价仍然看起來像是一个天文数字。那么，这么多钱在我国的科研项目里占多大比重呢？国家每年对CEPC的投入是否会挤压别的学科的经费呢？

根据科技部2019年4月发布的《我国 R&D 经费投入特征分析》，我国2017年基础研究经费总量为975.5亿元。如果基础研究经费按照2017年水平维持不变十几年，那么在CEPC建设工程期内，CEPC每年大约会用掉3%的国家基础研究经费。

而这些经费放在我国总体研发投入和GDP总量中则显得更低。

同样根据《我国 R&D 经费投入特征分析》中的数据，我国2017年R&D（研发）经费总量达17606.1亿元，由此可以算出，我国基础研究经费的比重仅占研发经费的5.5%。

《中国科研经费报告（2018）》对中国与世界主要发达国家研发经费类型进行了分析，中国研发经费中的科学研究部分，尤其是基础研究经费，目前投入仍明显不足，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）》

中国一年17606.1亿元的总体研发投入又占GDP总量的多少呢？

《我国 R&D 经费投入特征分析》给出了数据：2.15%。根据联合国教科文组织的数据，作为拥有14亿人口的大国，中国的科研经费投入总量虽然已跃居世界第二，但是科研人员占比以及科研经费占GDP的比重仍远远落后于美国、德国、日本等发达国家，更是连韩国和以色列占比的一半都不到。

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图为世界各国科研经费投入总量、科研人员占比以及科研经费占GDP的比重的比较图，图中横轴为科研经费占GDP的比重，纵轴为科研人员占比，图中圆圈的大小表示科研经费投入总量。中国的数据是此图中部下侧的最大红色圆圈，可见科研人员占比以及科研经费占比均较低。图源：联合国教科文组织

因此，目前中国每年的研发经费占GDP的比重，以及基础研究经费占总体研发经费中的比重都明显过低。

图为我国2017年研发经费（左图黄色区域）占GDP的比重，以及基础研究经费（右图灰色区域）占研发经费的比重。如果CEPC计划启动，而国家GDP在未来十数年内维持在2017年水平和比例不变的话，那么CEPC项目每年所需要的国内资金将会占中国一年的基础研究经费（右图灰色区域）的3%左右

十九大报告指出，我国要“加快建设创新型国家”，“要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”2018年，国务院印发的《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》指出，我国未来对于基础科学研究会“加大中央财政对基础研究的稳定支持力度，构建基础研究多元化投入机制，引导鼓励地方、企业和社会力量增加基础研究投入。”

可见，国家对于基础研究的投入已愈发重视，我国未来的基础科学研究投入和总体研发投入的力度会逐年增强。

而对于基础研究经费未来增加的部分，国家自然不会在科研项目总量不变的情况下使每个项目的经费膨胀，而是会增加投资一些新的优质科研项目。除了CEPC，其它学科自然可以提出自己学科的新科研项目，CEPC将和其他学科一起，在未来助力我国基础研究的发展。

欧洲未来十几年仍会注重于LHC的升级，于是，历史留给了中国高能物理行业一个机遇期。

关于中国是否应该引领建造下一代粒子对撞机的讨论可以继续，这样的投资究竟值不值或许每个人的内心也都有自己的看法。

但是，这些都不会影响到中国科研工作者们对助力未来中国基础科学发展的热忱，相信中国的高能物理学在未来的发展中一定会守得云开见月明。

（本文首发于瞭望智库，略有修改。原标题：美国下马，日本拖延，杨振宁竭力反对，中国要不要花300多亿干这事？）