答王貽芳所長：高能所更該做什麼？ | 對撞機的對話3

知識 09-07

?中科院高能所

撰文 | 王孟源

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當SSC（編註：超導超級對撞機）在美國國會經歷評審的時候，剛好是我博士畢業，到德州加入了Weinberg（編註：指美國理論物理學家史蒂文·溫伯格【Steven Weinberg】，曾獲1979年諾貝爾物理學獎。）的研究團隊。Weinberg是SSC背後的最重要推手，在那段時間為SSC到處奔走。每周組裡開會時，他也必然會把最新發展和大家分享，所以我對SSC預算被裁的來龍去脈有真正的內線消息，比起王所長所依據的那些書應該還要準確些。SSC原本的預算在1987年是44億美元，到1993年被裁的時候，總進度不到20%，隧道挖了不到1/3，但是預算已經漲到120億美元。國會決定放棄已投入的20億美元資金之後，Weinberg在組裡會議總結教訓的時候，很後悔一開始把預算數字壓得低過頭了：若是早把實際上接近200億美元（1993年幣值，相當於330億2016年美元，超支比率約為450%）的真正費用分發到各個工業州的轉包商去，德州議員就不會在國會孤立無援。

SSC被裁之後，LHC（編註：指歐洲大型強子對撞機）仍然繼承了高能物理低估預算的傳統，不過汲取SSC的教訓在低估程度上輕了些。在1998年開建時預算是26億美元，到2008年完工實際花費了90億美元（相當於101億2016年美元幣值），超支比率只有346%，這就是王所長所說的「雖有超支，但並不是太多」。當然LHC比SSC便宜，並不只是因為它的能階低一些，更重要的是因為它沿用了CERN（編註：歐洲核子研究組織）既有的隧道和基礎設施，包括水、電、路和建築。在SSC的預算里，這些項目佔大約一半，所以如果LHC必須從頭建起，總花費應該在200億2016年美元左右。建成之後，LHC的運作花費大約是每年12億美元，至今八年，總共又花了將近100億美元。

王所長計劃建造的 CEPC（編註：正負電子對撞機）和SPPC（編註：質子對撞機），總預算是1400億人民幣，假設這是今年的幣值，依當前的匯率等同210億美元，基本上和LHC的總價一樣。但是SPPC的尺寸比LHC大四倍，能階高七倍多，照理應該貴四到七倍之間。所以在邏輯上這有兩個可能：第一是王所長能保證在未來30多年的建設期間，有一連串舉世獨創的突破，不但打破全球對撞機價錢隨時間上升快於通貨膨脹的傳統，而且反其道而行，能壓低造價四倍以上。第二是高能物理界造對撞機的傳統依然健在，包括低估預算四倍左右。

不論實際預算是多少，一個超千億人民幣級的計劃必然會擠壓其他基礎科學方面的投資，這不但是常識，而且和中國的基礎科學總預算是否增長是兩回事。王所長說因為總預算要增加，所以其他科目不會受擠壓，只是純粹玩弄語法；如果沒有這個計劃，總預算的增長就可以真正提升許許多多對國家社會有立即直接貢獻的研究。正如王所長自己提到的，中國的基礎科研資金比先進國家少了三倍，如果給凝聚態物理、量子糾纏、天文物理、聲學、光學、生物物理、混沌理論、化學物理、宇宙學、低溫物理、結晶學、流體力學、高壓物理、核子物理和非對撞機的高能物理（基礎科學還包括化學、生物、數學等等大類，受篇幅所限，這裡只列出部分物理領域）的資金因為新對撞機而停滯不前，不正是王所長宣稱不願見到的嗎？

王所長反駁楊先生的第四點理由時，說建CEPC的理由不是要找超對稱粒子，而是要研究Higgs（編註：希格斯粒子）；這又是玩弄語法的例子。CEPC的能階與LHC相當，LHC找不到超對稱粒子，那麼CEPC當然也找不到。懂高能物理的讀者都知道楊先生指的是SPPC；所以王所長真正應該回答的問題是SPPC的科學目標是什麼？至於CEPC要花400億人民幣（相當於60億美元，假設沒有被低估）來研究Higgs，這對懂高能物理的讀者同樣是很奇怪的，因為不但LHC這個質子對撞機已經在研究Higgs了，日本也即將建造ILC（國際線性對撞機）來做同樣的研究，它的性能和CEPC完全相當，同樣是電子對撞機，只不過因為是線性的，所以不但價錢低些（目前預算是50億美元），運作費用也遠低於CEPC這樣的環形對撞機（因為它沒有同步輻射，所以用電省了很多倍），而且會比CEPC早好幾年運行，CEPC的任何發現，都必然會早已被ILC發表過了，因此CEPC的科學價值絕對是零，那麼它在邏輯上唯一可能的作用，就是作為一個開門的楔子，以便有借口先投入預算來挖掘隧道，使國家考慮是否升級至SPPC時，已經有沉沒成本。王所長對SPPC的科學目標語焉不詳，實在也直接影響到CEPC的全部合理性。

楊先生說高能物理對人類未來不會有好處，王所長舉了很多個以往的例子。姑且不論過去不能精確預測未來，而且很不幸的，這些例子都與王所長想做的新對撞機沒有關聯，例如同步輻射，這是1945年開發出新的Synchrotron（編註：指同步加速器）後發現的副作用，但是CEPC和SPPC並不是新設計，只不過是既有的環形對撞機的放大版本，怎麼可能偶然發現新的作用呢？又如放射治療所用的高能粒子，也是在1940年代或之前就發現了，如果王所長想用70年前的歷史來預測未來30年的科學發展，是不是應該先解答為什麼過去70年在對撞機上投資一直成指數曲線增加，卻沒有更多的類似貢獻呢？（其實這是因為粒子的能階越高，就越不穩定。高能物理到1950年代之後，能階已經高到新粒子必然極不穩定，還沒有飛出一個原子的直徑就已經衰變了，那當然不可能有什麼實際用處。這個道理王所長應該也懂才對啊。）至於WWW（編註：指萬維網），那是一個CERN的職員發明的，但是和高能物理卻沒有關係；就好像愛因斯坦寫下相對論的時候，是專利局的僱員，但是我們不能把相對論算成專利法的好處之一，不是嗎？

其實我們不須要考慮這麼多細節，也可以很快地估計新對撞機對經濟和社會的可能貢獻。這是因為它們只是既有環形對撞機的放大版，完全可以比照LHC的例子：在花費了300億美元和6000多名博士級以上的研究人員20年的精力之後，LHC給人類社會帶來了什麼附加好處嗎？完全沒有。LHC最重要的技術是超導磁鐵，但是歐洲因此而在磁浮列車上有了突破嗎？完全沒有，最新一代的磁浮技術是日本推出的，只花了不到LHC一半的時間和少於5%的預算。理工科出身的人都應該明白這個道理：現代科技已經極度專精，同樣是超導磁鐵，用在對撞機和用在磁浮列車上的就不完全一樣，而真正困難的研究，就在於這些不一樣的地方。王所長列舉的一些技術，全都是對撞機專用的，若要轉移到實體工業上，所需的研究等同從頭開始，實在遠不如把那幾千億人民幣直接投入有實際需要的方向。

楊先生說高能所的成就不高，王所長不同意；這是中國物理界內部的人事問題，我不知詳情，就不予作評，這裡只談談我對中國高能物理未來發展的一些評論和建議。首先，當年歐美會花大錢建Tevatron（編註：兆電子伏特加速器）、SSC和LHC，並不只是為了找標準模型中最後的幾個粒子（即t-quark【編註：頂夸克】和Higgs），更重要的是為了找超越標準模型的粒子。Higgs的質量是125GeV，其實是出奇的輕，這叫做Hierarchy Problem，它背後的機制是過去40年高能物理研究的絕對焦點。很多物理學家認為這個機制包括了質量和Higgs差不多的粒子（這個觀念叫做Naturalness，超對稱是最流行的理論），所以SSC和LHC都被針對性地設計來找這些粒子。上個月LHC正式宣布希么都沒找到，那麼超對稱固然是錯的，Naturalness也一樣錯了，而且是錯到1/100的精度。現在我們對Hierarchy Problem（編註：級列問題）的機制一無所知，Naturalness有可能一直錯到1/10000000000000000。王所長的SPPC只比LHC的能階高7倍，所以基本上是拿幾千億來賭Naturalness只錯到1/700，這顯然是勝算很小的賭博，就算賭贏了，也對國家社會完全沒有貢獻，頂多得到一個諾貝爾獎的虛名。

其實事先預測Naturalness會出錯的論文是有的（我指的是真正邏輯自洽而且簡潔的理論，不是超對稱利用幾百個自由度撐出來的硬拗；我所記得的，一般預測Naturalness錯到1/10000000000000，還沒有預測只錯到1/700的，所以王所長要拿幾千億民脂民膏來為自己豪賭個諾貝爾獎，是完全沒有理論依據的），但是高能物理的主流對他們一向嗤之以鼻，很多期刊連審都不審。這是因為高能物理界一直和現在的王所長一樣，在全力勸說政府投資到昂貴的對撞機上，如果走漏了風聲，讓評審者知道有可能什麼都找不到，就可能拿不到錢。還好高能物理理論在30年前就是第一個建立了論文預印本（Preprint）的互聯網檔案庫的學科，所以回頭挖墳並不難。中國高能理論著重在現象學和QCD上，兩者都是不錯的研究題材，但是如果有餘裕，可以考慮是否組織起來，有系統地去找出這些預測正確的論文，然後擇優深入研究。

既然大自然已經選擇了要打破Naturalness，高能實驗面臨了一個大沙漠，環形對撞機的投資與報酬完全不成比例，實在應該另謀著力點，我建議專註在中微子上。中微子實驗的耗費遠低於對撞機，而實驗成果是有理論保證的。除了大亞灣這類中微子振蕩實驗之外，至今還沒有專註於洪荒中微子（Primordial Neutrino）的研究。只不過這類研究需要的不是大筆公家資金（費用應該遠在一億之下），而是研究者的巧思，必須能從頭設計，因此很值得有志的實驗者探求。

最後談談王所長所舉的附加好處中，唯一有新實用意義的例子，也就是自由電子激光。正如環形對撞機縮減尺寸和能級之後，可以用來做同步輻射光源，線性對撞機縮減尺寸和能級之後，就成為自由電子激光。不過同步輻射是老技術，中國早就有了，台灣和上海在過去兩年先後啟用了相當先進的同步輻射光源，而線性對撞機和自由電子激光，卻是中國沒有的經驗和技術，偏偏它是目前最佳的硬X光源（亦即波長很短的X光，同步輻射是軟X光），脈衝極短、解析度極高，不只可以看見個別原子，甚至可以看見個別電子從一個原子跳到另一個原子的過程，是研究化學反應的最先進工具，在軍事上也有發展成太空武器的潛力。正因如此，美國雖然不願意自己掏錢來建ILC，也不肯轉移技術給中國，最後硬是把日本拉出來買單。王所長如果還在乎國家的整體利益，就應該組織高能所全力攻關這項被美國封鎖的技術，那麼只需不到10億美元（不需要達到ILC的能級和尺寸，只要足夠當光源就行了），就可以幫助許多中國的化學家角逐未來的諾貝爾獎，比起SPPC那個打水漂的計劃，要強多了。