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2.3大科技工程一:超级对撞机、烟大隧道的共同不足的探讨

已有 3746 次阅读 2019-10-27 09:40 |个人分类:科技1|系统分类:观点评述

 

关于是否投资建设超级对撞机,有很多数学、物理学方面的知名学者、专家之间进行了非常深刻的辩论[1,2,3,4],这样的深刻的交流对于普通民众也很有科学普及的好处。有些美中不足的是,由于这些讨论过于专业,是否支持超级对撞机的讨论,被不少读者理解为,是否支持基础科研的讨论,而偏离了主旨。因为“基础科研≠大科技工程≠某个特定的大科技工程”,本文将超级对撞机、烟大隧道、这两个有些类似的项目合并,探讨如果把这两个特定项目作为大科技工程建设的共同不足,作为抛砖引玉的讨论,来寻找更加合适建设的大科技工程。

因为科学技术是第一生产力,大众在科研、基础科研的资金投入的问题上都是持支持态度的。一般而言、普通民众觉得自己不具备专业素养,也不干涉科研人员项目经费的申请,委托专业评审来决定。但是重大科技工程的投入与开支,由于金额巨大,则需要专家反复论证,并且需要说服关心科技发展的大众。打个比方,对于家长而言,孩子想要花100元买本《物理学难题集萃》,没有问题;但是如果要花3000元买一套20卷的《大不列颠百科全书》,则需要子女解释买书的必要性。在资助特大型科研项目时,专家不仅需要解释是否有助益,还需要解释有多大的助益,才能说服大众科研基金是花在刀刃上的。超级对撞机,建成预期花费约为300亿人民币,可以用来探索粒子物理方面的未知领域[5]。而烟大海底隧道(亦被称为渤海湾跨海通道),估算投入3000亿人民币建设连接烟台与大连之间的海底隧道,若建成以后,跨海相望的两个城市只需一个小时便可直达[6]。超级加速器似乎只有一部分做粒子物理的科学家想要建造、而烟大隧道似乎也只有两地的居民和一些隧道桥梁方面的专家的支持,两者是不是有什么共同的不足,所以缺少了普通人对这些工程的支持呢?

超级加速器与烟大隧道大致有下面四个共同不足。1)由于两者结构上都是桥型或者枢纽型结构,导致在很长期的建设阶段之中,基本无法实现设计的功能。2)两者都是线性非交叉项目,缺少了交叉与网络模式的各方面协同叠加的指数型增长潜力。3)作为特大“终极性”工程,并非竞争领域的技术,发展出的技术缺乏可移植性。4)难以长期、可持续地培养未来社会急缺的科技型人才。由于有时候很难定义什么是优点,什么是缺点,但是我们可以通过对比的一些过去成功的大科技工程,来理解这两个大工程的问题。

对撞机与烟大隧道因为具有桥型结构,常常有毕其功于一役的感觉,完成之前基本无法实现所需要达成的功能。桥梁(或者隧道)与道路作用上有一个巨大的差异:一座桥在没有合龙之前基本一点用处都没有;但是建设道路,修建一段,就有一段的用途(类似的、没有封顶的烂尾楼,其实也可以住人,或许没有那么体面)。烟大隧道,似乎看上去与造价2200亿人民币的京沪高铁类似,但是京沪的分段执行,可以改善北京与天津,天津与山东、山东与江苏等地的交通,而不仅仅依赖于最后的完成的时间点。枢纽,桥型结构与道路相比,由于缺少强健性,坏的时候基本无用,维护的时候功效则打折扣。尽管三峡大坝也是类似的枢纽型工程,建成之前也没有什么功能,但是建成以后,由于水资源免费,带来了巨大的电力有关的直接经济收益,这都是对撞机与烟大隧道无法比拟的。大科学工程由于建设周期较长,所以必须要有一定的分阶段(work in progress)的成就,才能得到更多支持。

对撞机与烟大隧道的单体大工程,只有线性的发展,而无法实现交叉或者网状结构的。对撞机只为了搜索粒子物理方面的新发现,而缺少与其他科学的交叉。历史上的两弹一星的项目,由于需要有不同的航空航天、流体、机械、材料各方面的交叉,培养了很多各方面的人才,对中国的科技行业是一个巨大的推动。这种交叉科学的想法体现在最近的一些加速器装置的建设之中。最近竣工完成的中国散裂中子源工程(约20亿人民币)不仅仅是粒子物理学家的科研理想,而且还对材料科学、凝聚态物理、化学、生命科学都有助益,是一个很好的交叉研究项目;上海的X-射线自由电子激光装置,同样也是物理、材料科学与生命科学的交叉的研究中心;还有在建的北京高能光子源也是交叉科学[7]

烟大隧道因为通过海底的线性结构,带领不了两侧的经济(两侧没有城市),而京沪高铁沿线的经济都会有一定发展,这一定程度影响了更广泛的支持的人气。更何况,烟大隧道的线性结构缺少类似高铁网络的“八纵八横”的所提供的指数级增长的发展潜力(因特网也是因为网络的结构而获得了巨大的成功)。作为经济的收益,烟大隧道的必须依靠客流物流从零到巨大数量的突变,才能克服成本,战胜速度优先的飞机、和重量优先的渡轮。英吉利海峡的建设或许是人们推崇建设烟大隧道的参考。但是历史环境并不一样,英吉利海峡是联通英国与欧洲大陆的唯一通道,两地之间有经济、农业、法律、科技等方面的巨大差异,建设更有地缘政治等各方面的因素;连接两个中国的城市不应该与英吉利海峡作简单的类比。更何况处在网络时代的我们,电话视频即时通讯等技术都减少了人员直接交流的交通需求。一个好的科学大工程可以产生交叉科学的多方面成长、或者非线性的高速增长。

超级对撞机与烟大隧道两个大工程,所需要的科学技术突破并不是各个国家争相追逐的竞争性领域,所以并不具有较高的优先度。另一方面这两个都是特大工程,应该是三、五十年内同类项目中最大,有点“终极项目”的意味。终极项目的另一层含义,就是这些技术不能短期内用来建设一个新的项目,一定程度而言是一次性技术,而没有更广阔的未来的运用空间。

如果一个项目是竞争性领域,我们肯定可以找到美国的身影,因为他们基本不缺席代表未来竞争力的行业。在热点的竞争领域,生命科学技术CRISPR、转基因作物、人工智能、脑科学、大数据,量化金融、制药科技等等各方面,美国都是独领风骚的状态。而超级对撞机似乎并不入他们的法眼。难道他们瞎么?按照普通人的观点“如果一个美女或者帅哥在婚恋市场没有人要,这个人是不是性格上有硬伤、或者有其他不为人知的缺点?”。对于粒子物理,美国的赌注下在中微子研究的方向(中微子是一种可以展现超越标准模型以外的物理的基本粒子),而不是对撞机;费米国家实验室,希望建设长基线中微子设施(Long Baseline Neutrino Facility,耗资约为10亿美元)[8]。这便是美国所认为的超级对撞机的“硬伤”。

笔者10岁左右的时候,我舅公跟我讲过一个圆桌吃饭的竞争策略(90年代末的时候资源还是比较匮乏的)。圆桌吃饭的时候一定要记住“先吃共享(需要竞争)的,那些每个人都会平分一只的螃蟹不要先吃,因为花费了时间,填饱了肚子,就吃不了共享(需要竞争)的了”。科研中的竞争也是一样,哪怕一个东西最值钱(螃蟹),但如果它不是竞争性的,那么可以先缓一缓,因为占了时间成本、或者经济成本就不好追赶了。对于超级对撞机而言,如果中国不建,美国也不会建,那么在竞争方面,并没有什么损失;但是如果建了,点错科技树,挤压了其他竞争性领域的资金投入,没有赶上美国生命科学CRISPR,人工智能等浪潮,未来技术会有卡脖子的风险,难于追赶,那么就会承受竞争性领域失利的代价。更何况对撞机项目是科学界的开放项目,知识与世界共享,而不能申请专利,另一种程度而言削减了其他方面可盈利竞争领域的进度。美日欧优先发展的竞争项目,我们需要紧紧跟住,而那些不去优先发展的,我们也可以降低追赶所需投入的优先级。

一般而言,一个需要长期建设的“终极项目”不适合发展中国家进行实施。大科技工程一个重要点是技术的可重复利用,或者有新的增长点。一旦是终极项目,积累技术无法扩展,那就是屠龙之技,屠龙以后只能封刀隐退,是巨大的浪费。掌握了超级对撞机、烟大隧道的技术,我们也无法用来修建下一个加速器,修建下一个大型海底隧道,因为市场并不需要。与之相反的、我们的高铁因为技术积累,已经考虑出口到其他国家而进行盈利,这是更加合理的技术积累的益处。

科研有时候不管你怎么努力,结果和预期的很有可能不一样,是一种试错的过程,一定程度上说是“失败”。但是这样的试错或失败不应该伴随着巨大的经济代价。否则会有人问,这样巨大的失败,该有谁来负责。做科研的没有世界首富(注:有大约73亿美元财富净值的大卫·肖(David E. Shaw)还在做科研[9]),无法赔钱,大量资金的浪费依然让人觉得心疼,即便项目负责人引咎辞职,也依旧不是一个令人满意的解决方案。所以科技大工程必须计划好,杜绝特别严重的错误(a big mistake with nothing to learn)

科研项目最重要的目的就是培养人才,而科技大工程的为的是培养国际有竞争力的人才。在一些可能的研发失败的过程中,从错误中吸收经验,完成了技术积累,培养了人才,可以算是“塞翁失马,焉知非福”。我们历史上的大工程、不论两弹一星或者高铁网络都培养了很多人才,让后续项目继续进行。而超级对撞机、与海底隧道培养过程中的人才,较难去寻找下一个项目,运用自己掌握的技能与知识,缺少了可持续发展。

对于大连与烟台而言,可以考虑将3000亿(或者更少)的资金,用于投入到两地大学的人才与教师的培养,或者投入到一些竞争性的大数据、人工智能等研究方向。或者东三省之间加强一些高铁的密度,形成网状结构,而进一步推动发展。限于笔者知识所限,也不一定有其他更好的建议,但是我可以肯定,一些好的可以培养人才的科技创业项目,比建设一条隧道更有吸引力,而人才如果聚拢能够形成链式反应更是可以对经济带来指数级的增长。而粒子物理方面的科学家们可以试着寻找更多的交叉研究方向,让材料科学、生命科学等各个其他方向的学者人才共同受益,那么得到大众的支持也更多,也可以推动我们的科技更加具有竞争力。

 

引用文献:

[1]彭茜,新华网,华裔数学家丘成桐:希望在长城入海处建设下一代巨型对撞机,2016年8月7日,澎湃新闻 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_151007720191021日最后访问

 

[2] 知识分子微信公众号,杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机,这是个无底洞,2016年9月4日,澎湃新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_152389720191021日最后访问

 

[3] 知识分子微信公众号,科学论争|王贻芳驳杨振宁:中国今天应该建造大型对撞机,2016年9月5日,澎湃新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_152411120191021日最后访问

 

[4]李大庆,科技日报微信公众号,要不要建大型对撞机?杨振宁:盛宴已过,王贻芳:正当其时,2019年5月3日,澎湃新闻

https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_339017720191021日最后访问

 

[5] 伊丽莎白·吉布尼,可以让LHC黯然失色的中国超级对撞机的计划的内在,自然新闻问与答,20181127Elizabeth Gibney,Inside the plans for Chinese mega-collider that will dwarf the LHC,Nature news Q&A, November 27, 2018 https://www.nature.com/articles/d41586-018-07492-w 20191026日最后访问。

 

[6]渤海湾跨海通道规划已报批:烟台到大连仅需1小时,2019年5月20日,21世纪经济报道。http://news.sina.com.cn/c/2019-05-20/doc-ihvhiews3243126.shtml,20191026日最后访问。

 

[7]丹尼斯·诺麦尔,加速器的蓬勃发展锤炼中国的工程技能,Dennis Normile, Accelerator boom hones China’s engineering expertise, science, vol 359, p507, (2018)

 

[8] 中国、日本、欧洲核子中心,谁会主持下一个大型强子对撞机,自然,636卷,383页,2016年,China, Japan, CERN: Who will host the next LHCNature 2016, Aug 25, vol 536, page 383

 

[9] 维基百科英文页面:大卫·肖,Wikipedia: David E. Shaw,,20191026日最后访问。




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