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杨振宁竭力反对 中国要不要花300多亿干这事?|杨振宁

美国已经下马,日本已经推迟,杨振宁试图反对。中国将花费300多亿美元来做这件事吗?

作者陈玉珍

1990年7月21日,29年前,北京正负电子对撞机正式通过国家验收。

新华社当时的报道以这种方式评价了这一成就:这是原子弹和氢弹爆炸成功后中国高科技领域的又一次重大突破。

台湾《中国时报》1992年5月报道,经过对粒子碰撞数据的分析,重粒子和轻粒子的质量高度准确,比国际结果精确五倍。 “这是中国人第一次完全由中国人获得世界研究成果。”

中国人只在很短的时间内在北京建立了一个正负电子对撞机,然后进行了一系列前沿研究。斯坦福加速器中心的帕诺夫斯基说:“中国物理学家在测量已知粒子方面领先于西方,准确度高于西方。”

为了加快高能物理领域世界前沿的步伐,中国科学院高能研究所于2012年雄心勃勃地提出在中国建造下一代粒子对撞机以加快希格斯玻色子(“上帝粒子”)对这个粒子的探索可以解释质量的存在,对理解宇宙至关重要。

中国应该建造下一代粒子对撞机吗?这场辩论没有被接受的答案。关于这个问题的重大讨论也常见于媒体。

今天,Ku叔叔选择了两篇对下一代粒子对撞机构造有不同看法的文章。我希望你能更全面地了解这个高度复杂的领域。

在2012年欧洲核研究中心的研究人员发现希格斯粒子后不久,科学家立即意识到它的质量不如先前的一些预测高。这意味着直接研究的电子 - 正电子对撞机的构造在现代人类工程水平中难以实现。这也使物理学家看到希望直接研究希格斯粒子。

经过几十年的发展,中国的高能物理学界逐渐找到了走在这一学科研究前沿的道路,也看到了引领这一领域国际潮流的希望。在过去几十年中国工程和制造业的快速发展中,中国科学院高能研究所雄心勃勃地提出在2012年在中国建造下一代粒子碰撞器CEPC(圆形电子正电子对撞机) 。计划)。

也许很多人还是不明白。在过去的几年里,中国高能物理学界的许多学者一直默默地对下一代粒子对撞机技术进行初步研究和探索。

他们将对撞机的研究分为对撞机粒子注入和倾倒,粒子束,粒子聚焦,磁场,真空,控制等系统以及轨道识别,粒子识别,能量测量系统等。到不同的专家团队进行研究,项目的土木工程建设的设计和评估被移交给专业的土木工程公司。

这些专家团队的研究模拟结果最终合并为两卷超过900页《CEPC概念设计报告(卷Ⅰ、卷Ⅱ)》。世界知名专家和学者参加的创新和可行性审查于2018年底向全世界提供。

1ec4-iafwsqp2732394.jpg(图片显示发布当天《CEPC概念设计报告》,CEPC团队,国际顾问委员会和《CEPC概念设计报告》国际评审委员会的一些成员与中国科学院高能物理研究所合影留念)

然而,在该计划推出后的几年里,CEPC一直处于舆论的漩涡之中。早些时候,在中国科学院大学的一次演讲中,杨振宁先生再一次引爆了公众关于是否应该建造大型对撞机的讨论。

许多网民站起来表示支持或反对某种观点。

这些辩论的焦点是什么?

是否值得花这么多钱建立CEPC?

1

下一代粒子对撞机有什么用?

许多人不理解的是,中国设计的圆形正负电子对撞机(CEPC)的能量低于已投入使用的欧洲大型强子对撞机(LHC)。既然它是下一代粒子对撞机,为什么呢?它的能量是否比现有的对撞机差?

0ba5-iafwsqp2732485.jpg(图为欧洲核研究中心欧洲核子研究中心大型强子对撞机的粒子束管道)

这是因为LHC和中国设计的CEPC是两种类型的对撞机,它们代表了高能物理的“能量前沿”和“亮度边界”。高能物理领域的探索和研究是能量前沿和亮度。前线上升的过程。

所谓的“能量前沿”是通过使用具有复杂结构的粒子并与更高能量碰撞来探索未知粒子或现象的“激发奇迹”的过程。 LHC用于新物理探索是在大量杂乱数据中筛选大颗粒或新现象的过程。

例如,大型强子对撞机中的颗粒就像装满各种杂物的货运列车。能量粒子越高,相当于仓库容量越大,因此放入一些稀有物品的可能性就越大。如果我们想知道仓库里的东西,我们只能用“野蛮”的方式找出,即碰撞两列火车,碾碎仓库,看看里面是什么。

在大量分散的仓库碰撞中,希格斯粒子就像一盒冰淇淋。在过去的几年里,科学家在强子碰撞器的碰撞中发现了许多新的东西,其中包括冰淇淋盒,物理学家们已经在寻找它几十年了,它的发现是下一步亮度前沿实验的设计表示方向。

在高能物理实验中,欧洲核研究中心的大型强子对撞机,美国费米实验室的Tevatron以及不幸在20世纪90年代初流产的超导超级对撞机(SSC)都属于这种能量前沿实验设备。

所谓的“亮度前沿”是与“清洁”粒子碰撞的过程,降低了其他粒子或不感兴趣的现象的可能性,从而精确地测量待研究的粒子。

这种类型的亮度前沿实验通常使用一对正电子和负电子,例如量子电动力学(QED)过程,其不参与量子色动力学(QCD)过程,在目标粒子的阈值能量下碰撞。获得最高纯度和统计数据,以实现目标粒子各种属性的精确测量。

这个过程就像我们想要研究一盒冰淇淋,然后直接从冰淇淋工厂生产一个盒子。通过这种方法获得的冰淇淋比在碰撞的火车仓库中发现的冰淇淋和破碎的部分更清洁。

一般而言,高能物理中的“某事工厂”实验包括日本高能加速器研究所(KEK)的Belle实验,斯坦福直线加速器中心(SLAC)的BaBar实验以及计划中的“Higgs”。工厂和τ-粲工厂都在亮度的前面进行实验。

8d5f-iafwsqp2732557.jpg(图为日本高能加速器研究所的Belle实验<左图>以及美国斯坦福直线加速器中心的BaBar实验<右图>)

CEPC和欧洲规划中的FCC-ee都是希格斯工厂,顾名思义,它们是用于研究希格斯粒子特性的实验。在今年早些时候发布FCC-ee程序《FCC概念设计报告》时,发现其关键参数的设计与先前发布的CEPC《CEPC概念设计报告》中的关键参数“几乎相同”。

为什么是这样?因为已经确定了希格斯粒子,所以已经确定了其阈值能量,并且已经确定了其准确测量的物理目标,并且100千米的圆形电子对撞机是最快,最有效和最便宜的方式。

在这种类型的对撞机中产生的希格斯粒子比在强子对撞机大型强子对撞机中生产的粒子更清洁。根据《CEPC概念设计报告(卷II)》中的计算,CEPC产生的Higgs粒子的信噪比优于LHC。一亿次,精度高十倍,对新物理敏感的能量高十倍。

CEPC设计不仅可以精确测量希格斯粒子,还可以将W和Z粒子的测量精度提高1-2个数量级,还可以用于执行弱相互作用,量子色动力学,顶夸克和重物理。准确研究相关问题。

此外,CEPC设计的能量区间在希格斯粒子的有效场理论,希格斯粒子质量的起源,希格斯势能的性质,弱相变过程,暗物质研究,惰性中微子等方面具有潜力。在物理异常等方面。

虽然现代粒子物理标准模型是惊人的,但仍然不完整,仍有许多参数需要确定,并且有许多实验观察与标准模型不一致,而标准模型只研究5%的可见物质宇宙更多还是未知数。

因此,对于人类而言,探索远离另一方,下一代粒子对撞机的发射将导致人类在未知领域迈出新的一步。

2

高能物理能给普通人带来什么?

目前,世界各地的粒子物理学家也在玩游戏。他们都希望下一代粒子对撞机能够建立在对它们有利的位置。二十年后,如果在新的亮度边界实验或升级的LHC上发现新的物理标志,物理学家已经证实需要建造下一代能量前端对撞机,然后进行新能源前沿实验可以使用现有的100 -kilometer电子对撞机隧道,以适应未来新的质子对撞机(SppC)。

虽然SppC的命运将完全取决于未来二十年CEC的物理输出和升级后的LHC,现在讨论SppC仍然在讨论空中无根据的城堡,但毫无疑问在哪里建立一个新的正环现在是否定的。电子对撞机更有可能发展成为未来世界对撞机物理学的新中心。中国也参与了这场比赛,这无疑显示了大国技术崛起的野心。

但是对高能物理研究的投入是如此昂贵。除了物理学家之外,它能为普通人带来什么?

关于这个问题,除了出现在高能物理研究中的互联网之外,还有很多例子,比如更安全的核医学诊断和更方便的手机体验。

光电倍增管用作许多核医学诊断仪器中诊断和治疗信号的接收组件。高性能光电倍增管可以减少治疗期间的辐射,使核医学诊断更加安全。倍增管的发展对于高能物理工业的贡献是必不可少的。

据新闻报道,2019年4月26日,四川省亚丁高原宇宙射线天文台(LHAASO)的中国科学家的科学观测正式启动。

十年前,当LHAASO还在进行早期预研时,进入高能物理行业的作者参与了早期光电倍增管测试系统的建设。高性能光电倍增管是现代高能物理粒子识别系统中不可或缺的组成部分,可以稳定地检测单个光子信号。

那时,作者的老师曾经说过,这个长度只有几厘米的小部件高达数万。除了需要数以千计的LHAASO之外,江门中微子实验等高能物理实验也需要大量的光电子学。倍增管。

为什么卖得那么贵?

除了其精密的设计之外,这是因为,尽管世界各地的高能物理实验中对这一组件的需求,只有一家日本公司拥有制造这种高性能组件的技术,因此日本可以垄断高性能光电倍增管管。价格。

ebfe-iafwsqp2732603.png(图为光电倍增管Hamamatsu China)

大约十年前,为了打破这种垄断,中国科学院高能研究所启动了一项新的光电倍增管研究计划。在中国科学院高能研究所的带领下,北方夜视公司与多家科研单位共同成立了研究合作小组。在过去几年中,它成功开发出性能与日本公司相当的高性能光电倍增管,并成功投入生产。

在那之后,世界上高性能光电倍增管的价格下降了很多。这不仅有利于中国和世界其他国家的高能物理实验,也最终影响核医学仪器的升级。

可以看出,高能物理实验仪器的生产技术最终可以实现产业转移,并应用于民生领域。

有许多类似的例子。例如,中国独立开发的第一个1.5特斯拉液氦零挥发性核磁共振成像超导磁体是北京电子与负电子实验研究所(BEPC)的超导体。由探测器开发,它已成为工业转移后成像医学中MRI系统中最重要的组成部分。

例如,根据欧洲核研究中心的说法,透明电容式触摸屏最初由欧洲核研究中心的科学家发明,用于SPS实验控制室的控制系统,现在是每个人手机中不可或缺的一部分。

CEPC的结构不是可用于投币操作的许愿机器,而是无数的组件从头开始,一件一件地组装在一起。这也必然是在建造一个极其复杂的仪器如CEPC的过程中,必须要解决各种各样的问题。

实际需求是技术突破的重要推动力。为了解决实验设计中遇到的问题,必然会出现新的技术创新,最终将渗透到人们的生活中,改善人类的未来。

3

中国可以买得起像CEPC这样的大型科学设备吗?

说过大型对撞机的输出后,我们可以说中国可以负担得起这样一个引领世界的大型科学设备。

建造大型对撞机是否昂贵?昂贵。但是,在拥有大约14亿人口和世界第二大GDP的大国中,研究资金真的有很多钱吗?这需要与数据交谈。

物理学家完成所有原件的初步设计和调查后,在2018年发布的《CEPC概念设计报告(卷I)》中,CEPC的总成本最终锁定在约60亿瑞士法郎,约合人民币360亿元。

根据《CEPC概念设计报告(卷I)》的计划,CEPC的建设应在2022年至2030年之间完成,并在大约十年的建设期内投入360亿元资金投入CEPC建设项目。

当时,作为世界上最高亮度的Xigs工厂,它必将吸引来自世界各地的科学家到中国学习,因此国际研究基金也将成为CEPC项目的重要来源。高能研究所计划将国际资金的比例控制在30%左右,因此中国对CEPC的年度投资应该在30亿元左右。

但无论如何,每年30亿元的投资价格看起来仍然是一个天文数字。那么,中国科研项目中这么多钱的比例是多少?该国对CEPC的年度投资是否会挤压其他学科的资金?

根据科技部于2019年4月发布的《我国 R&D 经费投入特征分析》,2017年中国基础研究基金总额为975.5亿元。如果基础研究经费在2017年保持不变十年,那么在CEPC建设期间,CEPC每年将花费该国基础研究经费的3%左右。

这些基金在中国的整体研发投入和GDP总量中较低。

根据《我国 R&D 经费投入特征分析》的数据,2017年中国R& D(R&D)基金总额达到1亿元人民币。由此可以算出,中国基础研究基金的比例仅占5.5%。研发支出。

《中国科研经费报告(2018)》分析中国和世界主要发达国家的研发资金类型。中国研发支出的科研部分,特别是基础研究基金,仍然显着不足,远不及发达国家的一半。

46f9-iafwsqp2732638.png(图为中国与世界主要发达国家研发支出类型的比较《中国科研经费报告(2018)》)

中国每年1亿元的研发投入占GDP总量的百分比是多少?

《我国 R&D 经费投入特征分析》给出数据:2.15%。根据联合国教科文组织的数据,作为一个拥有14亿人口的大国,中国在科学研究方面的总投资已跃升至世界第二位,但科研人员和研究经费占国内生产总值的比例仍远远落后于落后于美国。德国和日本等发达国家甚至不到韩国和以色列的一半。

因此,中国年度研发支出占GDP的比重和基础研究基金占研发总支出的比例明显过低。

d177-iafwsqp2732732.png(图为2017年中国的研发支出<左边的黄色区域> GDP的比例,基础研究支出<右边的灰色区域>研发支出的百分比。如果CEPC计划开始,国家国内生产总值是未来如果2017年的水平和比例保持不变十年以上,那么每年CEPC项目所需的国内资金将占中国基础研究资金的约一年左右,约为3%。右边的灰色区域。

第十九次全国代表大会报告指出,中国应“加快创新型国家建设”,“瞄准世界科技前沿,加强基础研究,实现前瞻性基础研究,取得重大突破”在领先的原始结果。“ 2018年,国务院发布《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》指出,未来中国将“加强中央政府对基础研究的稳定支持,建立多元化的基础研究投入机制,引导地方,企业和社会力量增加基础研究投入。“

可以看出,国家越来越重视基础研究的投入。基础科学研究投入和中国整体研发投入将逐年增加。

至于未来基础研究经费的增加,国家自然不会扩大每个项目的资金,而科研项目的总量保持不变,但会增加一些新的高质量科研项目的投资。除了CEPC,其他学科自然可以在自己的学科中提出新的研究项目。 CEPC将与其他学科合作,帮助未来在中国开展基础研究。

在未来十年左右,欧洲仍将专注于LHC的升级。因此,历史为中国的高能物理产业留下了一段机遇。

关于中国是否应该引领下一代粒子对撞机的建设的讨论可以继续,这样的投资是没有价值的。也许每个人的心都有自己的看法。

但是,这些不会影响中国研究人员未来帮助中国基础科学发展的积极性。我相信中国的高能物理学必将在未来保持其愿景。

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“中国不应该建立一个大型加速器”葛莫林院士回答了科技日报记者的提问

文字|高波

中国应该建造大型加速器吗?这场辩论没有被接受的答案。加速器利用电磁场驱动带电粒子,积聚能量并正面碰撞,研究碎片产物以找到新粒子。中国科学院高能物理研究所提出建立世界上最大的加速器CEPC。两位物理学家王一芳和杨振宁分别支持和反对这一观点。

最近,中国科学院院士,南开大学物理系教授葛莫林告诉“科技日报”记者,他支持杨振宁并不同意建造大型加速器。

问:你为什么不同意建造大型加速器?

答:现在高能物理中最大的困难不是制造超高能量新型加速器,而是没有可靠的新理论突破标准模型,因此有一个精确测试的预测,即目前还不知道如何处理新物理。从上世纪中叶开始,量子场论(尤其是规范场)和夸克模型逐渐形成了一个标准模型。实验发现,预测的渐进自由度,Z,W粒子等取得了巨大的成功。从那以后,除了中微子理论和实验之外,没有太多的理论创新。从20世纪70年代到现在,尽管已经提出了许多超越标准模型的理论,但它们都没有像标准模型提出的物理学那样清晰。

高能物理已经发展到现在,具有工程特性:理论上必须特别清楚:要寻找什么?它看起来像什么?否则就不值得投资。

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大型强子对撞机(LHC)显然想找到希格斯粒子。在验证希格斯粒子后,完成大型强子对撞机的基本任务,留下大量数据以继续分析和处理。但它已经花费了数百亿欧元,并希望继续这样做,包括开发更高能源。

受此鼓舞,日本希望建立国际超高能量线性对撞机中心(ILC)。但日本政府刚刚宣布削减该项目。原因很简单:不知道如何处理物理,它很昂贵,不值得。

问:不能测量超弦理论吗?

答:超弦理论在思考方面具有指导意义,但它缺乏实际的物理后果,并没有提供太多可衡量的东西。我记得15年前Freeman Dyson(美国物理学家)来到南开,告诉我50年内不可能测量东西。不要这样做。有人提议建造一个大型加速器来测试宇宙早期的奇点,这是我无法理解的。

问:有人指出,美国当年启动了超级加速器项目SSC,将物理研究中心迁至欧洲。你怎么看?

答:在现代,高能物理不再是物理注意力的焦点,更不用说“中心”了。美国在20多年前切断了SSC,我认为这并不愚蠢。美国支持的项目费用不高,但他们支持奇思妙想,赢得比赛,削减身体发展的核心,还有许多诺贝尔奖。 LHC花了这么多钱,只验证了几十年前希格斯撰写的两篇或三篇文章,并为希格斯赢得了诺贝尔奖。

CEPC的成本,我听到的数字:我开始用300亿元。但这个数字不包括基础设施。挖掘直径如此之大,深度较深的隧道,单位成本高于地铁,但数量较少。

为什么美国填补了SSC已经挖过的一些漏洞,也就是害怕增加钓鱼次数“这笔钱已经花了,而且不会继续花钱。”那时,它已经投入了20亿美元,并决定将其卸下。这是对的。另一方面,美国后来在他们强烈支持的领域获得了很多。

据报道,一些外国学者积极支持CEPC,我建议他们首先要说服政府投资这项计划。

问:CEPC的支持者指出,没有无底资金。一个原因是国内关键技术成熟,人事项目经验丰富。

答:我们的技术和人才实力无法与欧洲相媲美。例如,加速器的核心技术是强磁场,并且由于欧洲的磁场技术可以构建LHC。我的理解是,中国的超导磁场技术不能为这种加速器制造强磁场,甚至不能精确测量强磁场。为了创造CEPC所需的强磁场,也很难在理论和材料方面取得突破。

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中国在单环和双环对撞机的分支上有一些天赋,远离大型强子对撞机。大多数在LHC工作的人都是数据分析人才。中微子实验远非这一目标。

问:通过CEPC推动关键技术突破,这是一个好处吗?

答:最好是说它是利用现有技术而不是加速器来推动技术突破。我认为,如果该国认为强磁场技术是有用的,那么就必须为强磁场提供高能物理学。

这个国家现在迫切需要做很多事情。核废料处理需要加速器;散裂中子源已被列为世界四大实验室之一,其后续支持需要得到大力支持,以测量涡轮叶片材料;等各种光源;太糟糕了。但现在,中国的物理专利已经获得了MRAM(磁阻存储器)下一代器件的专利。如果技术转让成功,它可能会从根本上改变行业的外观,但我还没有看到有人呼吁在这个关键方向上进行投资。

问:如果我们不建立一个大型加速器,我们依靠什么来发现高能区的物理特性?

答:探测宇宙射线。在高能粒子发现的历史中,宇宙射线发挥了重要作用。

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王玉昌先生在20世纪90年代告诉我,通过加速器几乎不可能找到TeV级颗粒。但TeV级的CoV射线,虽然他们不知道为什么,但总会来。我们必须开发宇宙射线,花更少的钱,耐心地积累数据。在某种程度上,有重要的发现。

我同意王先生的观点。不幸的是,我们国家对宇宙射线没有给予足够的重视,因为加速器可以在三到五年内产生结果,而宇宙射线可能累积十年甚至更长时间。

问:有没有检测宇宙射线的证据?有证据吗?

答:例如,2015年底中国科学院的“悟空”卫星最近发现了大约1.4 TeV的信号,这可能是新粒子的标志。 “悟空”等检测项目也耗资数亿元,并且还带有多种探测器。

此前,美国花了1000多万美元在南极洲放置气球。中国学者通过数据分析发现了之前未发现的高能粒子的迹象。尽管误差相对较大,但欧洲和美国后来确认了数据。有些人猜测它可能会突破标准模型。这可能是王玉昌先生预见的支持。

了望智囊团张一玲