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争议中挺进的超大对撞机:王贻芳称“中国是时候打最难攻坚战” ... ...

2019-11-6 06:47| 发布者: | 查看: 171| 评论: 0

摘要:   今年的诺贝尔奖依旧没有中国科学家的身影,间接反映过去几十年中国在顶尖基础科学的缺位。  在年复一年的关于中国基础科学何时有全球领先性成果的讨论中,有一种观点指出,中国的基础科学正处于播种的阶段,还 ...

  今年的诺贝尔奖依旧没有中国科学家的身影,间接反映过去几十年中国在顶尖基础科学的缺位。

  在年复一年的关于中国基础科学何时有全球领先性成果的讨论中,有一种观点指出,中国的基础科学正处于播种的阶段,还远未到收获的季节。

  由此拆分这个观点,如何"播种"又成了另一道难题。 

  正在接受评估的中国超大环形正负电子对撞机(CEPC,以下简称"超大对撞机")就是一个典型的例子。其前所未有的巨额资金投入,成为杨振宁、丘成桐两位顶级科学家多次公开讨论的争议焦点,更考验着中国现阶段在建设大科学装置上的决策和决心。简而概括之,"反撞者"(杨派)认为此事时机未到,"挺撞者"(丘派)认为此时不做更待何时。

  时至今日,CEPC 这一牵动整个中国高能物理界神经的项目,又在经历着怎样的命运走向?


王贻芳。来源:腾讯

  近日,CEPC 的主要发起人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳院士接受包括 DeepTech 在内的多家媒体采访,再次回应中国建设超大对撞机的种种争议,并透露 CEPC 目前所处的阶段和取得的进展。

  王贻芳是当代中国最重要的高能物理学家之一,曾师从丁肇中。过去十年间,他领导了国内两大粒子物理实验。其中,大亚湾中微子实验被《科学》杂志评为 2012 年度十大科学突破,团队测出"幽灵粒子"中微子的第三种振荡模式,也曾被誉为"中国本土迄今为止最重要的物理学成果",他成为第一个斩获基础物理学突破奖的中国人。

  但王贻芳的雄心远不止于此。中国建设下一代超大对撞机,他是最核心的主张者之一。

  "中国的粒子物理如果有 CEPC,我就尽到了我的责任,这是从规划的角度而言。我可能没有机会在上面做研究了……中国的 GDP 已经是世界第二,有一天会成为世界第一,我们不可能在世界第一 GDP 的时候继续做着二流、跟风式的科学研究,应该在最核心、最重要的地方去跟别人竞争",在最新的采访中,王贻芳如此表示。


项目的选址地点。来源:http://cepc.ihep.ac.cn

  一、"中国超大对撞机用不了 1400 亿"

  时至今日,回顾人类的科技文明史,诸多突破和进展无非基于人类在这两个方向上的探索能力:更宏观的世界以及更微观的世界。而对这两个世界的探索越为深入,大型科学装置的存在感就越强。

  环形超大对撞机,正是一种在高能物理领域用以探索和理解微观世界中的基本粒子、寻找新的物理规律的大型科学装置,由中国科学家于 2012 年提出建设。


粒子物理学标准模型,希格斯玻色子占据核心位置。来源:LHC 官网

  "对中国来说,这是一个理想选择,是能够引领世界基础物理研究最好的机会",王贻芳解释道,具体而言:

第一,希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一个最重要的窗口。

第二,希格斯粒子质量不是特别重,环形对撞机是一个理想的希格斯粒子工厂。相对于直线对撞机来说,这是效率更高的一种设计。

第三,国际上我们很多的竞争对手(欧洲、美国、日本),他们的手上都有其它正在进行的项目,暂时腾不出手来做环形希格斯粒子工厂。

第四,环形正负电子对撞机刚好是我们会做的,我们有 30 年的北京正负电子对撞机的经验。

  同时,这样一个装置也会推动国内现有的一些技术达到国际领先水平,包括精密器械、真空、自动控制、计算机、超导磁铁、专用集成电路等等。特别是可以填补国内空白,培育一批企业在超导高频腔、高场超导磁铁、高功率微波功率源、大型制冷设备等方面国际领先,并发展出诸如高温超导之类的革命性技术。


北京正负电子对撞机探测器分总体。来源:BEPC 官网

  据了解,在 CEPC 的产学研版图中,现已有将近 70 家国内企业在合作名单内,一起开展关键技术的研究、关键部件的研制,推动很多国产化项目的进行。

  王贻芳进一步指出,科学的发展从早期的手眼并用,到后来实验室中的显微镜、望远镜等各种各样的设备,再发展至今人类有了大型的空间望远镜、地面大型望远镜、地面大型加速器等,大科学装置的发展已成必然。

  "我们研究的问题越来越难,我们研究的对象要么越来越大、要么越来越小,这都是人力极难触及的,所以借助越来越大的仪器是不可避免的趋势"。

  但是,大型科学装置,也对应着其建设过程中巨大的人力物力投入,这正是引发"杨丘之辩"的核心矛盾点。

  此前有报道称,建设中国的超大对撞机,将耗费近 30 年 1400 亿元:第一步正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在 2022-2030 年间,工程造价(不包括土地、"七通一平"等)约 400 亿人民币;第二步¾质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在 1000 亿人民币左右,时间是在 2040-2050 年左右。

  王贻芳澄清道:"很多人说这个项目要上千亿,我们从来没有说过。CEPC 需要 360 亿元人民币,这是我们两次估算出来的结果。"

  他表示,CEPC 建成之后,其 100 公里的隧道具有可重复利用的价值,未来的可能性包括用以做质子对撞机、电子质子对撞机,或者重离子对撞机等,这是第二阶段的可能性。

  是否开展第二阶段的建设计划,将有两个不可或缺的条件,"第一个,CEPC 需要有重大的科学发现;第二,我们的关键技术要有突破,例如高温超导。所以大家可以评估一下,如果我们把高温超导做出来了,它对社会的贡献就不是百亿、千亿了,恐怕是万亿以上"。

  按照 2018 年 11 月 14 日发布的设计报告,中国团队的 CEPC 研发初期的资金来自于中国政府,但有许多国际上的物理学家参与设计工作。


CEPC 的相关演示。来源:http://cepc.ihep.ac.cn%29/

  而在时间的规划上,CEPC 开建的时间点很大可能将晚于此前所设定的 2022 年。

  其中出现的阻力是什么?

  王贻芳说:"一个项目的推动依赖于很多方面,我们最初(2013 年)计划了 CEPC 于 2022 年开始建设,认为团队差不多需要 10 年左右的准备时间。到现在为止,我们基本是在按计划推进当时设定的 10 年任务。

  "现在距离 2022 年还有 3 年,实事求是地说,团队还有很多准备工作没有完成,也许还需要更多的时间,而这个也同时取决于国家未来"十四五"规划和其它整体性的计划到底会怎么执行。我们也在等待更宏观的各种各样项目计划的启动,这也不是某一个项目的问题,是许多项目的整体规划的启动,看起来还需要点时间。"

  二、"杨丘之争"未落幕,盛宴已过还是机遇难寻?

  此前中国超大对撞机争议大范围地出现在公众视野,可追溯到 2016 年早些时候。


丘成桐。来源:东方 IC


杨振宁。来源:东方 IC

  2016 年 8 月初,著名华裔数学家、1982 年菲尔兹奖获得者丘成桐在接受新华社采访时,明确表示"希望在长城入海处建设下一代大型对撞机"。之后,丘成桐也撰文表达了对中国建造超大对撞机的期待。

  丘成桐给出的理由是:探索高能物理前沿,寻找超对称粒子,吸引来自世界各地的一流科学家,将是中国"对国际科研、世界和平乃至人类文明的贡献,也是对中国国际形象的提升"。

  但著名物理学家、1957 年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁则提出了截然不同的看法。同年 9 月,杨振宁发表长文反对,他认为,中国仍然是个发展中国家,超大对撞机可能会挤压其他基础学科的经费,而这样的对撞机想要寻找的粒子,"包括我在内,认为超对称粒子的存在只是一个猜想"。他估计,这个对撞机的造价可能需要 200 亿美元(约 1350 亿人民币)。

  两位传奇科学家的公开讨论迅速引起了广泛关注,也有越来越多的中国科学家加入讨论,作为发起者的王贻芳也曾参与到其中。在他撰写的《中国今天应该建造大型对撞机》中,他曾表示,"杨先生是我尊敬的科学家,但我更尊重科学和理性"。

  当时,王贻芳在文章中称,在下一个五年计划开建超大对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇,而从数字看,基础研究经费还有巨大的增长空间(大约每年 1000 亿人民币以上),不存在挤压其他基础科学研究经费的情况。


数据显示,中国研发经费支出连年稳步增长,目前居全球第二仅次于美国。但是与主要发达国家比较,基础研究与应用研究投入明显不足,基础研究只占全社会研发经费的 5%,应用研究占比 11%,不到美国和日本的一半。来源:《中国研发经费报告(2018)》

  而在最新的访谈中,他再次重申类似立场:

  "未来的科学发展将需要更大的设备。设备越大型越难建造,各种风险就越大,可以想象,最终谁有能力建这个设备,谁最终就能成为世界的领跑者。

  中国的 GDP 已经是世界第二,终有一天会成为世界第一,我们不可能在达到世界第一 GDP 的时候却在做二流的科学、做跟随者,而应该在最核心、最重要的地方去跟别人竞争。"

  需要指出,作为"反撞"核心代表的杨振宁教授,在今年早些时候也公开表示,自己对于中国是否该建设超大粒子对撞机的看法依旧没有改变。

  杨振宁说:"在我还在美国做研究生的时候,这个领域刚开始大放光彩。也可以说这几十年来,它是大家认为物理学最最重要的发展领域。可是这领域不只是从今天开始,而是从 30 年以前开始,就已经走在末路上了……The party is over(盛宴已过)"。

  2016 年的"杨丘之争",还远未到落幕之时。

  三、与欧洲、日本等国的"最难、最核心、最关键的攻坚战

  事实上,欧洲、日本等国家也曾面临过类似的大科学装置投入问题。

  自 2012 年,欧洲核子研究中心(CERN)发现希格斯玻色子之后,并未发现任何超出标准模型的粒子。未来 CERN 将按计划对欧洲的大型强子对撞机(LHC)进行大规模升级。两难之处在于,若不升级,对撞机几乎只是一个巨型玩具;如若升级,更大规模的巨额投入在所难免,且依然不能保证一定有成果。


大型强子对撞机。来源:CERN/SPL

  目前来看,CREN 选择了后者。2019 年 8 月,CERN 官网刊文透露,高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行,预计从 2026 年正式开始运行。按照目前 CERN 的预算,从 2015 年到 2026 年期间,高亮度 LHC 的设备预算 9.5 亿瑞士法郎,折合人民币约 67 亿元。

  而在邻国日本,日本的粒子物理学家希望能够承建国际直线对撞机(ILC),但这个过程中也经历着由积极到犹豫的变故。

  根据 Nature 此前报道,发现希格斯粒子之后不久,2012 年 10 月,日本的研究人员提出主持打造直线对撞机的建议。此后,国际物理学共同体一直希望日本贡献预估的 100 亿美元中的大部分来实现原计划。但是日本政府尚未提供任何经费。根据瑞士联邦理工学院物理学家 Tatsuya Nakada 的说法,项目巨大的成本让政府望而却步。日本政府正在对 ILC 进行的评估"耗时长,让人心焦"。


王贻芳。来源:Tim Kramer/Ruhr-Universität Bochum

  对于未来可能存在与 CEPC 竞争和合作的国际态势,王贻芳则表示,日本的 ILC 是直线加速器,与 CEPC 无竞争关系,而欧洲 FCC(Future Circular Collider,FCC)则与 CEPC 存在直接的竞争,"谁先建成,另外一方就不再有建的必要"。

  "未来中国能否实现建设超大对撞机,我不知道。

  但是我相信,这是科学界需要回答的最中心、最关键的核心基本问题。我们中国的科学家有没有勇气、能力,以及社会和公众的支持,来做未来科学发展的最重要、最核心的问题。

  实事求是地讲,中国的科学发展到今天,我们研究的绝大部分问题、所谓竞争的成功点,相当一部分像在打“游击战,更多在边缘、空档、容易的方向上投入和取得成绩。

  我们敢不敢做,代表着中国未来科学发展是否能走到舞台中央。最终你在国际舞台上的领先地位,靠的是在最核心、最困难、最重大的科学问题上领先。

  目前为止,中国还未在最关键、最难、最核心的科学领域打过攻坚战",王贻芳说。


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