答王贻芳所长：高能所更该做什么？ | 对撞机的对话3
►中科院高能所
撰文 | 王孟源
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当SSC（编注：超导超级对撞机）在美国国会经历评审的时候，刚好是我博士毕业，到德州加入了Weinberg（编注：指美国理论物理学家史蒂文·温伯格【Steven Weinberg】，曾获1979年诺贝尔物理学奖。）的研究团队。Weinberg是SSC背后的最重要推手，在那段时间为SSC到处奔走。每周组里开会时，他也必然会把最新发展和大家分享，所以我对SSC预算被裁的来龙去脉有真正的内线消息，比起王所长所依据的那些书应该还要准确些。SSC原本的预算在1987年是44亿美元，到1993年被裁的时候，总进度不到20%，隧道挖了不到1/3，但是预算已经涨到120亿美元。国会决定放弃已投入的20亿美元资金之后，Weinberg在组里会议总结教训的时候，很后悔一开始把预算数字压得低过头了：若是早把实际上接近200亿美元（1993年币值，相当于330亿2016年美元，超支比率约为450%）的真正费用分发到各个工业州的转包商去，德州议员就不会在国会孤立无援。
SSC被裁之后，LHC（编注：指欧洲大型强子对撞机）仍然继承了高能物理低估预算的传统，不过汲取SSC的教训在低估程度上轻了些。在1998年开建时预算是26亿美元，到2008年完工实际花费了90亿美元（相当于101亿2016年美元币值），超支比率只有346%，这就是王所长所说的“虽有超支，但并不是太多”。当然LHC比SSC便宜，并不只是因为它的能阶低一些，更重要的是因为它沿用了CERN（编注：欧洲核子研究组织）既有的隧道和基础设施，包括水、电、路和建筑。在SSC的预算里，这些项目占大约一半，所以如果LHC必须从头建起，总花费应该在200亿2016年美元左右。建成之后，LHC的运作花费大约是每年12亿美元，至今八年，总共又花了将近100亿美元。
王所长计划建造的 CEPC（编注：正负电子对撞机）和SPPC（编注：质子对撞机），总预算是1400亿人民币，假设这是今年的币值，依当前的汇率等同210亿美元，基本上和LHC的总价一样。但是SPPC的尺寸比LHC大四倍，能阶高七倍多，照理应该贵四到七倍之间。所以在逻辑上这有两个可能：第一是王所长能保证在未来30多年的建设期间，有一连串举世独创的突破，不但打破全球对撞机价钱随时间上升快于通货膨胀的传统，而且反其道而行，能压低造价四倍以上。第二是高能物理界造对撞机的传统依然健在，包括低估预算四倍左右。
不论实际预算是多少，一个超千亿人民币级的计划必然会挤压其他基础科学方面的投资，这不但是常识，而且和中国的基础科学总预算是否增长是两回事。王所长说因为总预算要增加，所以其他科目不会受挤压，只是纯粹玩弄语法；如果没有这个计划，总预算的增长就可以真正提升许许多多对国家社会有立即直接贡献的研究。正如王所长自己提到的，中国的基础科研资金比先进国家少了三倍，如果给凝聚态物理、量子纠缠、天文物理、声学、光学、生物物理、混沌理论、化学物理、宇宙学、低温物理、结晶学、流体力学、高压物理、核子物理和非对撞机的高能物理（基础科学还包括化学、生物、数学等等大类，受篇幅所限，这里只列出部分物理领域）的资金因为新对撞机而停滞不前，不正是王所长宣称不愿见到的吗？
王所长反驳杨先生的第四点理由时，说建CEPC的理由不是要找超对称粒子，而是要研究Higgs（编注：希格斯粒子）；这又是玩弄语法的例子。CEPC的能阶与LHC相当，LHC找不到超对称粒子，那么CEPC当然也找不到。懂高能物理的读者都知道杨先生指的是SPPC；所以王所长真正应该回答的问题是SPPC的科学目标是什么？至于CEPC要花400亿人民币（相当于60亿美元，假设没有被低估）来研究Higgs，这对懂高能物理的读者同样是很奇怪的，因为不但LHC这个质子对撞机已经在研究Higgs了，日本也即将建造ILC（国际线性对撞机）来做同样的研究，它的性能和CEPC完全相当，同样是电子对撞机，只不过因为是线性的，所以不但价钱低些（目前预算是50亿美元），运作费用也远低于CEPC这样的环形对撞机（因为它没有同步辐射，所以用电省了很多倍），而且会比CEPC早好几年运行，CEPC的任何发现，都必然会早已被ILC发表过了，因此CEPC的科学价值绝对是零，那么它在逻辑上唯一可能的作用，就是作为一个开门的楔子，以便有借口先投入预算来挖掘隧道，使国家考虑是否升级至SPPC时，已经有沉没成本。王所长对SPPC的科学目标语焉不详，实在也直接影响到CEPC的全部合理性。
杨先生说高能物理对人类未来不会有好处，王所长举了很多个以往的例子。姑且不论过去不能精确预测未来，而且很不幸的，这些例子都与王所长想做的新对撞机没有关联，例如同步辐射，这是1945年开发出新的Synchrotron（编注：指同步加速器）后发现的副作用，但是CEPC和SPPC并不是新设计，只不过是既有的环形对撞机的放大版本，怎么可能偶然发现新的作用呢？又如放射治疗所用的高能粒子，也是在1940年代或之前就发现了，如果王所长想用70年前的历史来预测未来30年的科学发展，是不是应该先解答为什么过去70年在对撞机上投资一直成指数曲线增加，却没有更多的类似贡献呢？（其实这是因为粒子的能阶越高，就越不稳定。高能物理到1950年代之后，能阶已经高到新粒子必然极不稳定，还没有飞出一个原子的直径就已经衰变了，那当然不可能有什么实际用处。这个道理王所长应该也懂才对啊。）至于WWW（编注：指万维网），那是一个CERN的职员发明的，但是和高能物理却没有关系；就好像爱因斯坦写下相对论的时候，是专利局的雇员，但是我们不能把相对论算成专利法的好处之一，不是吗？
其实我们不须要考虑这么多细节，也可以很快地估计新对撞机对经济和社会的可能贡献。这是因为它们只是既有环形对撞机的放大版，完全可以比照LHC的例子：在花费了300亿美元和6000多名博士级以上的研究人员20年的精力之后，LHC给人类社会带来了什么附加好处吗？完全没有。LHC最重要的技术是超导磁铁，但是欧洲因此而在磁浮列车上有了突破吗？完全没有，最新一代的磁浮技术是日本推出的，只花了不到LHC一半的时间和少于5%的预算。理工科出身的人都应该明白这个道理：现代科技已经极度专精，同样是超导磁铁，用在对撞机和用在磁浮列车上的就不完全一样，而真正困难的研究，就在于这些不一样的地方。王所长列举的一些技术，全都是对撞机专用的，若要转移到实体工业上，所需的研究等同从头开始，实在远不如把那几千亿人民币直接投入有实际需要的方向。
杨先生说高能所的成就不高，王所长不同意；这是中国物理界内部的人事问题，我不知详情，就不予作评，这里只谈谈我对中国高能物理未来发展的一些评论和建议。首先，当年欧美会花大钱建Tevatron（编注：兆电子伏特加速器）、SSC和LHC，并不只是为了找标准模型中最后的几个粒子（即t-quark【编注：顶夸克】和Higgs），更重要的是为了找超越标准模型的粒子。Higgs的质量是125GeV，其实是出奇的轻，这叫做Hierarchy Problem，它背后的机制是过去40年高能物理研究的绝对焦点。很多物理学家认为这个机制包括了质量和Higgs差不多的粒子（这个观念叫做Naturalness，超对称是最流行的理论），所以SSC和LHC都被针对性地设计来找这些粒子。上个月LHC正式宣布什么都没找到，那么超对称固然是错的，Naturalness也一样错了，而且是错到1/100的精度。现在我们对Hierarchy Problem（编注：级列问题）的机制一无所知，Naturalness有可能一直错到1/10000000000000000。王所长的SPPC只比LHC的能阶高7倍，所以基本上是拿几千亿来赌Naturalness只错到1/700，这显然是胜算很小的赌博，就算赌赢了，也对国家社会完全没有贡献，顶多得到一个诺贝尔奖的虚名。
其实事先预测Naturalness会出错的论文是有的（我指的是真正逻辑自洽而且简洁的理论，不是超对称利用几百个自由度撑出来的硬拗；我所记得的，一般预测Naturalness错到1/10000000000000，还没有预测只错到1/700的，所以王所长要拿几千亿民脂民膏来为自己豪赌个诺贝尔奖，是完全没有理论依据的），但是高能物理的主流对他们一向嗤之以鼻，很多期刊连审都不审。这是因为高能物理界一直和现在的王所长一样，在全力劝说政府投资到昂贵的对撞机上，如果走漏了风声，让评审者知道有可能什么都找不到，就可能拿不到钱。还好高能物理理论在30年前就是第一个建立了论文预印本（Preprint）的互联网档案库的学科，所以回头挖坟并不难。中国高能理论着重在现象学和QCD上，两者都是不错的研究题材，但是如果有余裕，可以考虑是否组织起来，有系统地去找出这些预测正确的论文，然后择优深入研究。
既然大自然已经选择了要打破Naturalness，高能实验面临了一个大沙漠，环形对撞机的投资与报酬完全不成比例，实在应该另谋着力点，我建议专注在中微子上。中微子实验的耗费远低于对撞机，而实验成果是有理论保证的。除了大亚湾这类中微子振荡实验之外，至今还没有专注于洪荒中微子（Primordial Neutrino）的研究。只不过这类研究需要的不是大笔公家资金（费用应该远在一亿之下），而是研究者的巧思，必须能从头设计，因此很值得有志的实验者探求。
最后谈谈王所长所举的附加好处中，唯一有新实用意义的例子，也就是自由电子激光。正如环形对撞机缩减尺寸和能级之后，可以用来做同步辐射光源，线性对撞机缩减尺寸和能级之后，就成为自由电子激光。不过同步辐射是老技术，中国早就有了，台湾和上海在过去两年先后启用了相当先进的同步辐射光源，而线性对撞机和自由电子激光，却是中国没有的经验和技术，偏偏它是目前最佳的硬X光源（亦即波长很短的X光，同步辐射是软X光），脉冲极短、解析度极高，不只可以看见个别原子，甚至可以看见个别电子从一个原子跳到另一个原子的过程，是研究化学反应的最先进工具，在军事上也有发展成太空武器的潜力。正因如此，美国虽然不愿意自己掏钱来建ILC，也不肯转移技术给中国，最后硬是把日本拉出来买单。王所长如果还在乎国家的整体利益，就应该组织高能所全力攻关这项被美国封锁的技术，那么只需不到10亿美元（不需要达到ILC的能级和尺寸，只要足够当光源就行了），就可以帮助许多中国的化学家角逐未来的诺贝尔奖，比起SPPC那个打水漂的计划，要强多了。
本文原载作者博客，《知识分子》获授权刊发。
对撞机的对话 系列
2016-09-04
2016-09-05
