大型對撞機該不該建,一場楊振寧和王貽芳之間的千億論戰

最近關於中國該不該建造對撞機這件事情由火了起了，今天我們就來梳理一下整件事情的始末。

對撞機是什麼

大型對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的『新物理』機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備。

大型對撞機局部圖

過去幾十年來，物理學家不斷在細節上加深對構成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學的「標準模型」變得更為豐滿，粒子物理學的「標準模型」是指關於已知物質的微觀最基本單元——輕子和夸克，最基本相互作用（三種規範相互作用：強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用），產生粒子質量機制——黑格斯機制及其量子——輕子、夸克、希格斯粒子和規範相互作用的量子相互作用和轉化的基礎理論。

雖然標準模型對實驗結果的解釋很成功，但它也有很大的缺陷。首先，模型中包含了許多參數，如各粒子的質量和各相互作用強度。這些數字不能只從計算中得出，而必須由實驗決定。弱電對稱破缺還沒有滿意的解釋。再次，理論中存在所謂的自然性問題。最後，這理論未能描述引力。

首個與標準模型不相符的實驗結果在1998年出現：日本超級神岡中微子探測器發表有關中微子振蕩的結果，顯示中微子擁有非零質量。標準模型的簡單修正（引入非零質量的中微子）可以解釋這個實驗結果。這個新的模型仍叫做標準模型。

日本超級神岡

所以為了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關鍵性的未解之謎，需要大量實驗數據支持，大型對撞機便擔負起「數據提供者」的角色，大型強子對撞機將兩束質子分別加速到7TeV（7萬億電子伏特）的極高能量狀態，並使之對撞。其能量狀態可與宇宙大爆炸後不久的狀態相比。粒子物理學家將利用質子碰撞後的產物探索物理現象，例如，尋找標準模型預言的希格斯粒子、探索超對稱、額外維等超出標準模型的新物理。

簡單來說，大型對撞機利用質子碰撞後的產物探索物理現象將有望揭開宇宙起源的奧秘在內的五大謎團。即96%的宇宙由什麼構成；為什麼找不到反物質；物質在宇宙誕生後的第一秒呈什麼狀態；質量的起源是什麼；空間的額外維度真的存在嗎？

除此之外，大型對撞機還被認為將會我們對我們的生活產生改變，諾貝爾獎得主加來道雄表示，物理學試驗的潛在回報體現在多個方面：

其一，電信。對撞機將會讓世界各地成千上萬名科學家都要參與進來，他們所使用的數萬臺甚至數十萬臺計算機藉助分布式計算網絡（網格計算）聯合在一起，構成了全球最強大的超級計算機系統。

其二，醫療。粒子加速器目前在癌症治療和醫學成像方面的作用越來越顯著。許多醫院利用質子、碳離子甚至是反物質等帶電粒子來治療癌症。

其三，能源：加來道雄表示，通過LHC獲得的認識可能在未來數十年內用於開發新能源，比如可控的核聚變電站。微型黑洞的產生甚至可能在能源需求中扮演一個長遠性的角色。

科學家目前已經通過大型強子對撞機找到了希格斯粒子，但大型強子對撞機LHC上質子對撞過程產生非常多的本底，希格斯粒子事例混雜著大量無用「噪音」，給研究希格斯粒子的性質帶來幹擾和困難。如果採用正負電子對碰撞，則本底非常低，對希格斯粒子性質更精確的測量將得以開展。

所以科學家們非常希望擁有下一代正負電子對撞機用以大量產生乾淨希格斯粒子，即「希格斯工廠」。這也是為什麼會引起是否應該建造新一代大型對撞機爭論的原因。

論戰掀起的序幕

2016年，著名數學家丘成桐在答媒體的《關於中國建設高能對撞機的幾點意見》掀起了這場論戰的序幕。「一百年來，多少智慧，多少金錢，投入到一些看來沒有用的基礎科學上。但是這些投資卻成就了今天西方國家文化的基礎。」丘成桐寫道，「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作點貢獻？」

丘成桐認為，近四十年來，量子場論和弦論的興起，使得數學煥然一新。中國如果此時建設巨型對撞機，將有希望促進數學、物理和加速器的發展相互融合，帶動各個學科和人類文明的更新。

丘成桐在公開演講中表示：「小的不能再小的粒子，經過100公裡碰在一起，這需要一個很精細的機器才能做得成功。所以我們需要製造精度空前的探測器和發展強化的數據處理、存儲與傳輸的新技術。每個地方都會對中國有很大的貢獻。」

丘成桐的發言引發了這場持續了近4年的「對撞機」之爭，這也是中國21世紀以來最大的科學論爭，而反對者楊振寧與支持者王貽芳更是進行了數次的論爭。

楊振寧：對撞機不該建

楊振寧介紹：

楊振寧是中國著名的物理學家，曾和李政道先生提出了宇稱不守恆而獲得了諾貝爾獎。楊振寧在物理學方面作出的成就十分卓越，他十三項 「諾獎級別」 的成果分別是：

（A）統計力學A1. 1952 Phase Transition（相變理論）。論文序號: 52a，52b， 52c。A2. 1957 Bosons（玻色子多體問題）。 論文序號:57h， 57i，57q。A3. 1967 Yang-Baxter Equation（楊-Baxter方程）。論文序號: 67e。A4. 1969 Finite Temperature（1維δ函數排斥勢中的玻色子在有限溫度的嚴格解）。論文序號: 69a。（B）凝聚態物理B1. 1961 Flux Quantization（超導體磁通量子化的理論解釋）。論文序號: 61c。B2. 1962 ODLRO（非對角長程序）。論文序號: 62j。（C）粒子物理C1. 1956 Parity Nonconservation （弱相互作用中宇稱不受恆）。論文序號: 56h。C2. 1957 T，C andP （時間反演、電荷共軛和宇稱三種分立對稱性）。論文序號:57e。C3. 1960 Neutrino Experiment（高能中微子實驗的理論探討）。論文序號: 60d。C4. 1964 CP Nonconservation（CP不守恆的唯象框架）。論文序號: 64f。（D）場論D1. 1954 Gauge Theory（楊-Mills規範場論）。論文序號: 54b， 54c。D2. 1974 Integral Formalism（規範場論的積分形式）。論文序號: 74c。D3. 1975 Fiber Bundle（規範場論與纖維叢理論的對應）。論文序號:75c。以上引用自：Beauty and Physics: 13 importantcontributions of Chen Ning Yang, Int. J. Mod. Phys. A 29, No. 17, 1475001(2014)[1]

可以看出，楊振寧在統計力學、凝聚態物理、粒子物理、場論等物理學4個領域的世界級貢獻，可以媲美「朗道十誡」。

楊振寧的學說影響了20世紀後半葉以及現在的整個理論物理學的發展，由規範場論構建的標準模型更是被認為將實現宇宙的第二次大一統。

楊振寧反對建造的理由：

第一，經費投入的成本太高。至少200億美元。而且大型加速器還有不能按計劃完工的「優良傳統」，除了大型強子對撞機的建設成本，單年運行維護的費用會比單年工程支出更高，是一個持續燒錢的無底洞，而且具有學術研究價值的「超對稱粒子」是二期SPPC才有機會辦到的事，在一期CEPC是無法辦到的，也就是說一期CEPC就是在不斷燒錢而且沒有回報。

第二，楊振寧認為中國仍然是一個發展中國家，有很多燃眉之急的問題需要解決，這些地方還需要大量的資金投入。

第三，如此大量的資金投入勢必擠壓其他領域的科研經費，包括凝聚態物理、天文物理、生命科學。

第四，楊振寧認為如今的高能物理已經陷入了一個窘境，超對稱粒子的存在只是一個猜想。他的原話如下：找超對稱粒子已經有很多年了，完全落空。今天希望用超大對撞機來找到超對稱粒子，只是部分高能物理學家的一個猜想。多數物理學家，包括我在內，認為超對稱粒子的存在只是一個猜想，沒有任何實驗根據，希望用極大對撞機發現此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。（自此楊振寧統一了三大力以後，許多科學家寄希望找到「超對稱粒子」以統一引力與其他三種力，實現物理的第二次大一統）

第五，短期內無法反哺技術，無法促進生產力的提高。也就是投入產出比無法持平，甚至利用高投入達到高產出。五十年內對人類生活沒有實在好處。

第六，如果想要建造成功的話，那麼勢必會由90%的非中國人主導，因為建設大型強子對撞機歐美更富有經驗。而且即使有成果中國也不一定能拿諾獎

第七，不建超大對撞機，高能物理的方向可以先轉移到尋找 a.更好的加速器原理 b.尋找美妙的幾何結構。

王貽芳：中國應該建造大型對撞機

王貽芳介紹：

王貽芳是中國著名高能物理學家，1990年，27歲的他他出任「新粒子尋找組」組長，在所有L3實驗物理分析小組組長中，唯有他是一名學生。在被L3實驗組內部認為是不可能的情況下，精確測量出了陶輕子的極化。

他首次提出「Swap Method」 以解決時間不對稱信號中的時間對稱本底問題，對低本底中微子實驗具有重要意義；首次完整地計算出宇宙線引致的中子產額及能譜，掃除了國際上圍繞這一問題20多年的混亂，對低本底中微子實驗、質子衰變、雙b衰變、暗物質尋找等均有重要意義。還負責Palo Verde中微子實驗的電子學、觸發、數據獲取、離線軟體以及物理分析；AMS 與 KamLAND 實驗的蒙特卡羅模擬與設計等。

王貽芳在大亞灣發現了第三種中微子振蕩方式，大亞灣中微子實驗成果入選《科學》年度十大突破，發現前兩種中微子振蕩方式得科學家都已經獲得了諾貝爾獎，所以，王貽芳也被全球物理學界認為在未來幾十年裡極有可能獲得諾貝爾獎。

大亞灣中微子實驗大廳

王貽芳支持建造的理由：

第一，希格斯粒子是粒子物理目前一個最重要的觀測窗口。

第二，希格斯粒子質量不是特別重，使得環形對撞機就可以高效產生大量希格斯粒子、成為一個理想的希格斯粒子工廠。相對於直線對撞機來說，CEPC是效率更高的一種設計。

第三，中國在國際上的競爭對手（歐洲、美國、日本），它們都有正在進行的其他項目，暫時騰不出手來做環形對撞機希格斯粒子工廠。

第四，環形正負電子對撞機剛好是我們會做的——我們已經有30年的北京正負電子對撞機的經驗。

在王貽芳認為，目前歐洲提出的未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC）的技術路線，就是採用了中國科學家提出的原理方案——先電子對撞、再過渡到質子對撞。這充分證明了中國CEPC發展的可行性。

王貽芳經過仔細計算，建造大型對撞機的先期投入只需要360億元，並非1000億元。如果取得了重大的科研成果，還可以在這個基礎上擴建，因為正負電子對撞機的隧道有100公裡長，以做質子對撞機，也可以做重離子對撞機等等，有很多可能性，比如可以讓我們更加了解標準模型的本質。如果更幸運，說不定還可以取得關鍵技術如高溫超導的進步，這對中國科學可以說是大跨越式的發展。

這就是雙方目前的論點，但今天無論楊振寧先生的反對，還是其他科學家的支持，都是他們憑藉自身科學認知做出的預估，是學術觀點之爭，是君子之爭。

就像有句話說的的「堅持自己很難，超越自我更難」。楊振寧也好王貽芳也好都是為國家作出卓越貢獻的科學家，在這些重大科學工程決策上，我們不能憑個人喜好打扮或者醜化科學家群體。

中國在國際上參與了多項國際大科學工程。這個世紀又陸續建成了同步輻射光源、全超導託克馬克核聚變實驗裝置、500米口徑球面射電望遠鏡等數十個中國主導的大科學工程。這些工程在決策之際，也經歷了很多爭議，爭議的原因有很多方面，有的是耗資巨大，有的是科學問題已數十年懸而未決，有的是同行並不看好。

但是這些爭論都會在歲月的長河中得到最為公正的評價。我們在這件事情上可以提出自己的觀點提出自己的意見，但是我們不能對科學家進行人身的估計，而應該就事論事，我們是要在爭論中找尋真理，而不是在爭論中去否定某黑，進行對科學家貼出標籤。