一篇针对专栏博客的回应像触发亚马逊雨林风暴的蝴蝶翅膀引发了中国物理学界,乃至整个科学界最高规格的论战 [1-5]:中国现在是否适宜投资建造巨型对撞机(CEPC+SPPC)[6]?而这场引人入胜的关于科学最前沿探索的论战,巧合般地在G20领袖齐聚西湖之畔成为舆论热点,似乎也象征着中国在世界科技发展格局中扮演愈发引领的角色。重量级科学家纷纷登场,鼓声擂擂,激烈交锋及随后网络与移动媒体上的尖锐论战让大家基本不再怀疑中国是否拥有建设的财力和技术实力,而更侧重在中国现在是否适宜投资建造巨型对撞机 。

身在海外从事科研工作的华人科学家群体对这场强力释放的论战有着血液里带来的本能关注。学术社交群落上的讨论争辩一再刷屏,好不热闹。而我今天的观点表达和讨论不仅仅聚焦在高能物理/对撞机的科学前沿部分,而更着眼于中国大科学工程发展的全局观察和思考。通过这些察与思,也许可以汇集做出审慎决策的理性依据。

中国大科学工程迎来“黄金十年”-青年力

世界最大正负电子对撞机--莱泼正负电子对撞机

半个世纪以来的世界政经格局让美日欧发达国家全面高效发展的大科学工程成为最有力彰显国家科技实力的铭牌。大型强子对撞机(LHC),哈勃/韦伯太空望远镜(HST/JWST),激光干涉引力波天文台(LIGO)等等,一个个如雷贯耳的名字让西方大科学工程的影响力远远超越科研界而延伸至普通民众。而近三十年释放洪荒之力的经济腾飞及至今日成为全球动力引擎的中国也让本土科学家对于大科学工程不再是隔洋艳羡,而是可以自己摩拳擦掌大干一场的伟业。

从上世纪末(九五计划期间)零星的浮现,时至2016年(十三五计划起始)如雨后春笋般的涌现,上海光源,全超导托卡马克装置,重离子加速器装置,超大球面射电望远镜,中微子探测,散裂中子源,X射线自由电子激光等大科学装置渐渐为中国科学家津津乐道而同时让公众也能探知一二。仅中科院主导建设的就已完成16项,而在建及批准立项的又有14项 [7, 8],资金投入都至少在一两亿人民币以上,最高的已超过20个亿。显然最高决策层已将大科学工程的发展视为国家发展战略(科技创新和产业跃升)的核心支撑(科技日报称之为国之重器 [9]),可以预见的十三五和十四五期间又会有多项激动人心甚而引领潮流的大科学装置通过审批而步入建设的时间表。

毫不夸张地说,2016至2025间的十年将是中国大科学工程的“黄金十年”。这十年间在大科学工程上的前瞻规划,战略决策,资源配置和精准实施都将决定中国科技核心竞争力到本世纪中叶时的全球地位。而针对是否现在投入建造巨型对撞机的大论战来得如此充满戏剧性,却又恰逢其时。对撞机项目规模再大,它也是中国大科学工程总体格局的一部分。任何的理性讨论与争辩都不能跳脱出这个大背景。

中国大科学工程迎来“黄金十年”-青年力

北京正负电子对撞机国家实验室

基础物理学,特别是高能物理/粒子物理,的确走到了一个令人彷徨甚至有些痛苦的转折点,需要新的可靠实验结果引导未来的方向 [10, 11]。计划中的环形正负电子对撞机(CEPC)所能解决的重大科学命题和可行的实验方案,应该说是得到了国内外高能物理学界的某种共识和推荐的,这一点应该是没有什么疑问的。但在国家发展战略的全局考量下,相比较其他领域提出的大科学装置,巨型对撞机的建造并没有显现出或代表任何先天的优越性。或者通俗的说,并不比其他项目的科学价值具有更高贵的血统。况且它是为特定学科领域的科学前沿探索提供的专用平台,对跨学科、跨领域、跨层次重大科技创新的惠益度不是很高。从资源配置的角度,即使不先考虑第二阶段的SPPC,仅对CEPC的投入也要比目前中国最昂贵的大科学工程要求数量级上的超越。现阶段中央政府在大科学工程上的年度投入大约在50亿,即使以每年5%-7%(接近实际GDP增速)的非常乐观速度增长,10年内也还没超过每年100亿(认为在这一方面的国家预算会出现倍数增长的想法都是不切实际的)。

目前国家对于大科学工程的投入并没有做到精细的领域划分,所有方向都在一个池子里争取资源。这个总财政投入看起来不小,但值得支持、更迫切需要支持的大科学工程有好几个(随后讲到)。而且已建成大装置的运行维护和改造也需要长期稳定的支持。因此资源投入还没法做到全面开花,所以必须设置战略选择的优先级。在没有其他资金的协助下(比如预想中的国际合作投资,或是从国家非基础研究的R&D经费中筹集),若由中央财政独力承担巨型对撞机,对其他同等重要的大科学工程项目的挤压是无法避免的。到目前为止,欧洲LHC除了锚定希格斯玻色子后掀起的狂欢,没能在更高能区内捕捉到可确认的新粒子的端倪 [10],所谓崭新物理的迹象不是很明朗。当然,在LHC不断产生海量数据处理挖掘完毕之前作结论为时尚早(目前只完成了预计2018年底采集数据总量的六分之一 [10])。同时日本科学界虽然对建造国际线性对撞机(ILC)展现出很大的意愿和热情,但日本政府对庞大的资金投入(一半左右)也在做最后的踌躇,而国际合作的另一半资金还没有很明确的着落 [12]。

所有这些等到2020年后会有更清晰的图景,所谓中国高能物理机遇的窗口并没有迫切到国家就要在这两三年甚至5年内做出最终的决策,急于上马巨型对撞机不见得是明智的。故而国家发改委只批准了CEPC项目几千万的预研费用而拒绝了近期8亿的前期投入请求 [11],可以说已经表明了决策层全局审慎的战略选择, 但又为5到10年后可能出现的变化保留了回旋的余地。

中国大科学工程迎来“黄金十年”-青年力

欧洲大型强子对撞机

一项优质而成功的大科学工程应当是兼具前瞻性基础探索、应用性导向研究和创新性技术开发于一体的综合性重大科技项目 [9]。能集成的科技资源越密集, 能覆盖惠及的研究领域越广泛,能交叉/渗透/综合的学科方向越深入,这项大科学工程为塑造国家的科技核心竞争力,为建设新型工业化和创新型国家这个国家发展的战略优先所提供的助力就越显著和深远。十三五到十四五大科学工程的“黄金十年”,支撑国家战略优先是关键。在浮出和即将浮出水面的一批大科学装置中,引人关注而且能调动极广泛领域积极性的具有强大支撑能力的公共实验设施包括上海光源线站工程(上海),散裂中子源及实验站(广东),衍射极限环高能光源(北京)和X射线自由电子激光光源及实验站(上海/北京)。

这些装置包括加速器工程和后续分批的束线实验站建设(有时更昂贵)的确也需要庞大的资金支持,都要至少10亿以上,甚至充满技术挑战的衍射极限环高能光源由于设定了突破世界最小发散度的技术指标(可实现储存环式光源最高亮度),其加速器和旗舰束线实验站的建造资金很可能最终接近50亿。但这些开放的公共实验设施将服务极为广泛的物质和生命科学领域(诸如物理,化学,材料,先进制造,能源,环境,气候,地质,蛋白质工程和制药等等)的基础研究,应用基础研究和应用研究,对突破关键性技术难题,改善社会发展瓶颈性问题和催生战略性新兴产业都将产生极深远的影响(而且相对高效,虽然也很可能要10年以上的时间)。

巨大的实现成本虽然由中央财政来承担,但百花齐放的研究成果会让国家整体科技产业共同分享受益。从支撑国家战略优先的角度,这些多面向的公共实验大科学装置绝对是物有所值的,应当是未来十年中立项审批,启动建设和开展应用的重点。或者说这些项目才应是未来十年的主角。而为特定学科领域的前沿探索目标建设的专用研究设施,在2025年前应当保持适度和相对稳定的资金支持。落户于江门开平的中微子探测二期工程可说是此类型专用大装置中的翘楚(约20亿投资)[13]。它不像巨型对撞机那样耗费巨大, 能精准捕捉反应堆中微子振荡信号和转变过程,科学意义极为重大。但以国家大科学工程总投入的现有格局,这个量级的投入可能是在不对其他项目产生负面影响的情况下能提供的最优配置了。2025年前再为巨型对撞机这样的专用大装置投入至少三四百亿的资源显然是很困难的。

最后从操作实施的层面讲,高能物理研究所凭借其长期从事大科学工程的丰富经验和雄厚的专业技术队伍主导和参与了几乎大部分大科学工程,特别是像中子源,高能光源和中微子探测这样大投入大体量且正在进行的装置建设。如果巨型对撞机决策上马,无疑他们是实施建设的不二之选。但若很快的加上巨型对撞机的工程建设,各种工程摊子就会铺得很开,势必影响在建和进入调试使用阶段的其他大装置。像中子源和高能光源这样的面向广泛科学用户的公共实验设施,装置主体建设完成只是刚刚开始,重头戏在高水平束线实验站的建设上。直接决定了科研人员能多大程度上发挥大科学装置对解决复杂科学技术问题的突破性作用。因而巨型对撞机项目的启动也不应操之过急。

我并不赞同认为高能物理实验小众,烧钱和不实用的偏颇观点。任何一轮科技浪潮或工业革命,乃至文明中心的迁移都可能源于科学家对于宏观/微观自然中奥妙的本能好奇与探求的冲动。对于所谓小众和不实用探索领域的持续和稳定支持(很多时候只是小额的资助)是更可取的策略。但对撞机项目毕竟要耗费巨大的公共资源,就不只是高能物理学界的事了。其他领域的科学家甚至普通民众都有权利了解,评论和质疑这个项目的各种利弊。这可能是走向自主开放的中国大科学工程需要面对的新常态。巨型对撞机即使上马,也不会是中国大科学的终极。

然而就事论事,中国大科学工程未来十年的黄金发展,应当支撑国家发展战略全局,重点投入在能覆盖惠及领域极广的世界级多面向公共实验设施上,将中国整体的科研实力提升一个大层次。关于是否建造巨型对撞机的讨论应当在学术界继续,并在2020-2025年间因应那时的国际高能物理发展新态势重新展开国家层面的论证,从而可以做出更准确和有力的战略决策。也许未来一天巨型对撞机会领衔中国的大科学工程,但现在却时机未到。引用9月7日新华社的评论作为结语:建设创新型国家,要花钱的地方很多,有限经费投到哪里,要遵循科学理性和行之有效的决策程序。该出手时不犹豫,该坚守时不盲动 [14]。

参考引用和媒体报道:

1 http://m.newsmth.net/article/TheoPhys/35749?from=singlemessage&isappinstalled=0

2 http://www.guancha.cn/QiuChengTong/2016_09_01_373061_s.shtml

3 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyNDA2NTI4Mg==&mid=2655409536&idx=1&sn=5e710add1f951b13cbc7fd19bd5e554f&scene=1&srcid=0905n8Ng6j7yJxzXmHbbmUWC&pass_ticket=zYgRWLoFXjlPFghrkRBCCmz1dDLNDSQXEmhvQfGsoMPW2B7Ydn87fZHAMB0ti76g#rd

4 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/355455.shtm

5 http://www.guancha.cn/wangmengyuan/2016_09_06_373550.shtml

6 CEPC: Circular Electron Positron Collider (环形正负电子对撞机)

SPPC: Super Proton Proton Collider (超级质子对撞机)

目前欧洲大型强子对撞机(LHC)的周长是27公里,而中国高能物理科学家们提出建造的环形正负电子对撞机和在此基础上改造成的超级质子对撞机的周长很有可能确定为100公里。所以本文称之为巨型对撞机,以示区别。

7 http://www.chinanews.com/gn/2016/06-29/7920900.shtml

8 https://zh.wikipedia.org/wiki/中华人民共和国国家重大科技基础设施列表

9 http://scitech.people.com.cn/n/2015/0225/c1057-26591413.html

10 Elizabeth Gibney, “Hopes for revolutionary new LHC particle dashed”, Nature 536, 133 (2016) [doi:10.1038/nature.2016.20376]

11 Elizabeth Gibney, “China, Japan, CERN: Who will host the next LHC?”, Nature 536, 383 (2016) [doi:10.1038/nature.2016.20453]

12 https://en.wikipedia.org/wiki/International_Linear_Collider

13 http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/mar/24/china-to-build-a-huge-underground-neutrino-experiment

14 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/9/355791.shtm