中國要不要建大型對撞機,你支持楊振寧還是王貽芳?

自2012年中國科學院士王貽芳提出一個建造費用可能超千億的超級對撞機項目以來，就引起了激烈的爭議，支持與反對的正反兩方均為華人中的科學巨頭。正方以中國科學院高能物理研究所王貽芳和美國國家科學院院士丘成桐為代表，反方以大家很熟悉的楊振寧和中國科學院院士何祚庥（zuòxiū）為代表。

從左到右：王貽芳、楊振寧、丘成桐

吃瓜群眾雖無決策權，但是畢竟花的錢裡面也有我們的一小份，有必要了解一下到底這個項目是幹什麼的，不過首先我們得清楚什麼是對撞機，它有什麼作用?

對撞機是在高能同步加速器基礎上發展起來的一種物理實驗裝置，簡單說就是在這個裝置中注入兩束粒子流，通過電場進行加速之後，使得粒子流達到非常高的速度，然後讓這兩束粒子流迎頭相撞，使得相互碰撞的粒子產生相互作用，從而可能產生從末發現過的粒子，或者測定生成粒子的性質。

早期的加速器是在高壓電場中加速一次的直線裝置，因而受到高壓技術的限制，後來發展出了加速二次的直線裝置，不過受到狹義相對論的影響這種加速器只能將粒子加速到25-30MeV。eV學名是電子伏特，是一個很小的能量單位，級數是10的-19次方，即使G或T級電子伏特也與1焦耳相差巨大。但是，要將粒子加速到G或T級所需的能量則是一個巨大的開銷。

1930年歐內斯特·勞倫斯提出回旋加速器的理論，1932年研製成功。它的原理很簡單，就是在一個垂直於平面的圓形裝置當中，中間的隔斷處是一個平行於平面的電場，當下圖箭頭處注入一束粒子，這束粒子經過中間電場的加速後射入磁場，然後在磁場中受到洛侖茲力發生偏轉，做圓周運動，它繞半圈後又通過中間的隔斷處，再次經過電場加速一次，因為入射速度變大了，其迴轉半徑變大，這樣一直循環加速，最後從最邊上高速射出。

當然，實際上真正的加速器是一個環形，它通過改變垂直磁場的強度來使粒子的迴旋半徑一直保持一定的大小，這樣可以大大縮減回旋加速器的面積，減少材料用量和佔地面積，但這樣也使得裝置的建造和控制都變得非常複雜。

現在的回旋加速器（對撞機，加速的目的就是要它們對撞）主要分為：

1.電子－正電子對撞機，由於正負電子的電荷相反，所以這種對撞機只要建立一個環就可以了，相應的造價就比較低。但是，由於電子迴旋時引起的同步輻射損失，使這種對撞機能量的進一步提高發生了困難。2.質子－質子對撞機，由於質子作迴旋運動時，其同步輻射要比電子小得多，在目前質子達到的能量範圍內，可以略去不計，為縮小這類對撞機的規模，儘量採用強磁場，需要採用超導磁體。3.質子－反質子對撞機，質子與反質子的質量相同，電荷相反，也只需要造一個環就能進行對撞。這種對撞機發展得較晚，主要原因在於由高能質子束打靶產生的反質子束強度既弱，性能又差，無法積累到足夠的強度與質子對撞。70年代後期，「冷卻」技術的成功，給予這種對撞機巨大的生命力。4.電子－質子對撞機，這種對撞機的主要困難在於電子束的橫截面很小，線度約為幾分之一毫米，而質子的橫截面較大，線度約為一釐米左右。前者束流較密集，後者較疏鬆，兩者相撞時作用機率很小，目前正在研究中，實現這種對撞需建立兩個環，一個是低磁場的常規磁鐵環，以儲存及加速電子；另一個是高場的超導磁體環，以儲存並加速質子，兩個環的半徑相同並放在同一隧道中，所以電子的能量通常是幾十吉電子伏，質子的能量為幾百吉電子伏。

不過，隨著加速器技術的發展，為了節約投資，往往會在一個隧道中建造多個環，以便可以進行多種粒子的對拉撞，包括質子-質子、質子－反質子，電子－正電子、質子－電子對撞。

位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機就是這種類型，它是一個大型的強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC），圓周達到27公裡，位於地下50~150米之間，隧道直徑3米，貫穿瑞士與法國邊境。

歐洲LHC佔地面積非常大

LHC一旦運行起來，整個磁鐵中的總能量高達100億焦耳（相當於1小時要耗2700多度電，大約2.5噸TNT炸藥的能量），而隧道內的粒子束的總能量達到725百萬焦耳，如果總粒子數量控制不好，總量超出範圍，其能量可以使超導磁鐵脫離超導態，而沒有超導磁鐵的約整，洩露的加速粒子束就相當於一個小型的爆炸。因此說在加速器上生活的人們就像坐在一個炸藥桶上，不過，並非如有些媒體所說的對撞可能產生微型黑洞而幹掉地球那麼誇張。

如今王貽芳提出的超級對撞機，其規模要達到周長100公裡，是歐洲對撞機的3倍多。不說王貽芳的提出理由，我們看看丘成桐贊同的原因：（以下內容整理自2016-08-29 丘成桐《關於中國建設高能對撞機的幾點意見並回答媒體的問題》）

1.一個叫五孟源的反對者是一個沒有聽說過的無名小卒，他的導師是一個沒有在系中升職的助理教授，對於他的指責丘教授不在乎。2.古希臘哲學家說：吾愛吾師，吾更愛真理。要發掘宇宙間最基本的真理，更要有這種勇氣，這種毅力，才能完成。西方國家，無論是科學家，或是政府，為了了解大自然的奧秘，都願意無條件的付出大量的精力！（這是原話）3.今日的中國，已非吳下阿蒙，難道不需要為這個人類最崇高的理想做點貢獻？（這是原話）

在另一篇專訪中，丘教授和王貽芳提到一個共同的理由：這個項目將會和歐洲對撞機一樣，吸引各國高端人才，他預計會有五六千一流科學家會舉家遷往中國，這些人聚在一起長期居住，指不定會產生點什麼來，這會對中國基礎科研產生深遠影響。

雖說上面所列的理由比較空洞，但是王貽芳指出，這個大型對撞機可以精確測量希格斯玻色子的性質以及探索標準模型背後更基本的物理規律，並且尋找「超對稱粒子」。

標準模型

楊振寧明確堅定的反對這個項目，他的理由說得比委婉：

1.建造大對撞機美國有痛苦的經驗，當年美國在投入30億美元只挖了一個用於建隧道的坑之後，就止損終止了項目。歐洲LHC從預算26億美元，到不少於100億美元的建設費用，中國建造大型對撞機也可能和它一樣預算失控，並且進入天量運行費用的大坑。2.（中國）高能所雖然提出費用和參與國分攤，但是中國必定要出大頭，而我國還是一個發展中國家，還有更需要解決的問題要花錢。3.建造超大對撞機必將大大擠壓其他基礎科學的經費，包括生命科學，凝聚態物理，天文物理，等等。4.高能物理學家積極贊成建造的原因：1）二戰後高能物理學驗證了「標準模型」，但還兩個大問題沒有解決。包括引力的本質與如何統一力和質量。2）希望用超大對撞機發現「超對稱粒子」，從而指出解決上面兩個問題的方向。但楊振寧認為，「超對稱理論」還是一個猜想，用對撞機去解決上面的問題更是用猜想去解決猜想的問題。5.七十年來高能物理的大成就對人類生活有沒有實在好處呢？ 沒有。6.中國建立高能所到今天已有三十多年。如何評價這三十多年的成就？今天世界重要高能物理學家中，中國佔有率不到百分之一、二。建造超大對撞機，其設計，以及建成後的運轉與分析，必將由90%的非中國人來主導。如果能得到諾貝爾獎，獲獎者會是中國人嗎？（這是原話，我認為這句話最委婉了，言下之意，你們幹了30年，研究出什麼成果來沒有？）7.不建超大對撞機，高能物理也有其他方向可探索，比如尋找新加速器的原理，或新的幾何結構（如弦論等 ）。（我認為他是希望我們能有新的理論創新，而不是想盡辦法去驗證別人的理論對錯）

就如歐洲LHC一樣，它發現了「標準模型」最後一塊拼圖的「上帝粒子」——希格斯玻色子，然後獲得諾貝獎的是預測了希格斯玻色子的希格斯。當然就如網友所說的，建對撞機不是僅僅為了得諾貝獎，否則還不如大家把幾百億分了，那比諾獎錢還多得多。但是，很難將實驗結果轉化為技術力量的情況下，在還是發展中的中國現有沒有必要立即就建呢？

超對稱理論

即使我們找到了「超對稱粒子」，那也是驗證了日本粒子物理學家宮沢弘成在1966年提出的超對稱理論而已。但是「超對稱理論」並不能像雷射理論一樣，從證實到應用，只花了一年的時間。也不能像量子力學的研究可以在量子通訊、量子計算和晶片上給我們帶來可見的科技轉化。

因此，中國要不要建超級對撞機，我支持楊振寧的觀點，至少20年之後，我們再來提這事！