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致杨振宁老师,关于超大型加速器的商榷

已有 3934 次阅读 2016-9-20 09:59 |个人分类:物理|系统分类:观点评述|关键词:杨振宁,大加速器,大科学| 杨振宁, 大科学, 大加速器


尊敬的杨振宁老师:

请允许我这么称呼您,虽然我不是搞理论物理的,也没有听过您的课,只在1985年在汉堡的DESY听过您一次演讲,依稀记得好像是关于Scaling,其实也没有听懂。实在不够作您学生的的资格,然而我们这一代人的物理兴趣确实跟您有很大的关系。您当年获得诺贝尔奖的时候我刚刚上高中,那个时候我喜欢唐宋诗词,也喜欢数学,又幻想将来做个水利工程师,参加雄伟的三峡工程,那时也正是三峡的第一次浪潮。但是,是您把物理推到我们心目中最崇高的地位,从此总是情不自禁不自觉地偏爱物理。考大学我报的是清华工程物理系和水利系,后来分到无线电系,分专业时还是选了跟物理关系最密切的半导体。文革的蹉跎岁月涉猎最多的还是物理,最后又到了高能所。十几年以前,我还问过您一个关于CP的问题,蒙您回函。

70年代我第一次听到您反对搞高能加速器的意见的时候,也感到您讲的很有道理,更深深被您真心为国家为人民着想,不计个人利害所感动。不过当时周恩总理来坚决支持高能物理有他的政治考虑,那是他可以理直气壮抵制在科研和教育上的极左思潮的武器。我甚至猜测张文裕老先生写那封信,是军代表授意或启发的。在当时的条件下,张文裕老先生有那个勇气要搞加速器实在出乎我的意料之外。这当然只是我的小人之心,从来没有向别人求证过,不过文革中的几乎所有重大的“自发”事件都有高层的背景。……

然而差不多五十年过去了,中国现在要不要在大型的基础科学的研究上做出相当的贡献,是个值得讨论的问题。

我反复读了您的文章,您说的那几条都有道理。其中最重要的就是中国还是个发展中国家,像高能物理这样的项目大量资金的投入对于改善人民生活没有直接的帮助。如果这个基本的观点是绝对正确不能讨论的,那就是说,人类的科学研究应当以改善人类的生存状态为唯一目标,与此无关就不应当搞,就是浪费。我想老师您也不会同意这个推论吧。正如我们祖先所说,衣食足而知礼仪。基础物理研究,就是属于知礼仪,探求世界奥秘的文化范畴。现在中国即将实现小康,就是温饱,衣食足吧,我觉得现在已经是我们这个民族应当开始认真考虑文化建设的时候了。超级高能加速器,正因为投入大,恰恰是转变思想的一个契机,围绕这个问题的讨论才更有意义更会引起广泛的关注。

您担心,在高能物理上的大笔投入势必挤压其他有关国计民生的科学研究的资金。这个担心我也有,但是我们应当说服政治家在首先保证那些涉及国计民生的研究之后,在力所能及的条件下也对无关国计民生的纯科学量力而行有所贡献。中国虽然人均收入还不高,但是我们人多,如果把基础科学当成每个人的责任,就算按收入的一定比例做贡献,中国现在也应当能搞一些大型的项目了。毕竟中国现在是第二大经济体,而且中国的实体经济已经大幅度超过了美国,创造财富的能力世界第一。美国的GDP中服务业占比超大,一方面是“占据财富”的能力超强,另一方面是泡沫太多,实体经济已经远不及中国了。也许我太自负,我以为今天如果中国不能搞大加速器,这个世界上恐怕就没有哪个国家还有这个余力了。

我相信,在中国,有可能做到,搞超大加速器,可以不挤占别的研究的经费,而只会增加总的科研投资;不搞大项目,也不会给那些方面更多的经费,因为那些领域的发展也有自己的规律,钱是必要的,但是也不是万能的,不是把钱砸下去就一定有成果。

而且我们可以想象,如果搞个有影响的大项目,可以提高整个社会对科学的关注,对于其他学科的发展应当有正面的影响。这有点一荣俱荣一损俱损的味道,而不是加速器钱多了,其他学科的钱就少了。在计划的体制下的科研项目总是专款专用,买醋的钱不能打酱油。至于企业,特别是非公有制企业的研发费用更不会因大加速器而有任何影响。

您对大加速器的成本的估计是200亿美元,我想这也是比较靠谱的。但是如果像SSC那个搞法,比较铺张,肯定还不够;若按费米实验室的搞法,把钱花在刀刃上,可能还有富余,关键要任用得力的人才,这个人不能是你好我好的散财童子而要能够把钱花在刀刃上,敢得罪必须得罪的人。

这个大加速器,即使今天立项,预先研究要搞好几年,短则三年,长则五年,若加上设计至少又得五年。从周总理对张文裕等人来信的批复(1972911日)到BEPC对撞机动工(1984107日),就是十二年之久。加速器和探测器的建造倒是相当快,仅仅四年而已。外国人也不见得更快。比较快的是LHC,它利用原有的LEP的隧道以及许多CERN原有的设施也还是花了十四年的时间:1994年立项,2008年建成。跟抗日战争的时间差不多。我想中国人的的速度会快一些,大概也得十四五年的时间。因为中国的这个超大型加速器,从一张白纸开始,就算20年建成也不算慢。十五年到二十年总投资200亿美元,而且是再过八到十年才能开始大规模投入,到那时中国的GDP又会翻一番,应当说对于一个已经基本解决了温饱的十四亿人口的国家是可以承受的。总投资恐怕还不及08年北京奥运会。奥运就是热闹两个星期,也同样无关温饱,——必须说明我不反对搞奥运会。而这个加速器,将带来数千长住的外国科学家,和更多的短期访问学者。

退一步说,如果认为每年十五亿太多,是不是可以细水长流,年度资金再少一点,时间再拖长一点呢。关键还在于我们需不需要对无关国计民生的纯科学有所投入。只要这个问题有一个统一的正确的认识,钱不是个大问题。中国的GDP已经超过了10万亿美元,科研经费大约在1.5%(根据网上信息,数量级应当是对的,不会低于1%,但是也不会超过3%),约为1500亿/年,再增加1520亿,不过是科研经费的百分之一,真不是个很大的问题。如果99%的科研经费用于与国计民生有关的项目,有那么1-2%用到无关现实的纯科学,应当不算多吧?

关于大加速器的科学意义,丘成桐先生讲的比较多,我不想重复。前面我承认没有直接的关系国计民生的成果,但是这个话也不能说的太绝对。WWW,分布计算(DistributedComputingGridcomputing)都是在CERN提出来的,Email也是首先在物理实验室先用起来的,至少在中国是通过高能物理引进来的。有时候,的确是有心栽花花不发,无心插柳柳成荫。现在超大型计算机的多CPU并联方式其实也是在高能物理上首先提出来的。这类概念,只要产生就会不胫而走,最后也许人们都忘记了它的来源。比如WWWCERN的发明,但是连我这个当时在CERN的人现在也都把发明者的姓名忘记了。我们都知道WWW,对分布计算等计算机的发展不大了解,其实后者的实用意义可能更大一些。至于在高能物理上得到培养和锻炼的大批学生更会把受到的严格的科学训练带到他们将来的职业生涯中去。在欧美,学物理的到其他行业的人才很多。美国的国防部长卡特先生是其中的佼佼者。

老实说,我现在完全不知道将来会发现什么,但是物理学的的确确还有一些基本性的问题挥之不去。比如我们现在说基本粒子有夸克和轻子两个大类,夸克携带分数电荷,而电子和其他轻子则携带整数电荷,而且我们至今没有发现轻子有内部结构,只好认为它们是点粒子,那么这个整数电荷与分数电荷又怎么统一呢?现在的标准模型也还只是给了一个描述,没有给我们原因。这些,都必须依靠未来的实验来给我们灵感。

除了这些科学意义之外,大加速器还有社会的意义。或者说政治上的意义。老师您在文章一开始说:【建造大对撞机美国有痛苦的经验:1989 年美国开始建造当时世界最大对撞机,预算开始预估为30亿美元,后来数次增加,达到80亿美元,引起众多反对声音,以致1992年国会痛苦地终止了此计划,白费了约30亿美元。这项经验使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。】

这个说法,很值得商量。我看,美国之所以叫停SSC,是因为苏联垮掉了,没有竞争者,鼠目寸光的美国国会认为不需要搞下去了。否则,已经投下去三十亿,隧道都挖好了,剩下的50亿美元不至于拿不出来。50亿,不过是两架B2轰炸机,也不是无底洞。反对的声音永远有,只要有苏联的竞争,美国就需要保持在这个领域领先,反对的意见也不可能成为主流。美国搞强子对撞机也不是从SSC开始的,前面还有BNLISABELLA,因为超导线圈烧毁而终止(应当是85年前后),即使有这样的挫折,SSC还是很快上马了。

废了SSC,不是美国的痛苦而是科学的痛苦。这不是事后诸葛亮,而是我当时的想法,苏联一垮台我就感到SSC悬了,我在多伦多大学的饭碗也就要出问题了。说白了,大型物理实验还是大国较量的一个场所,或者说的委婉一点是大国展示实力的一个橱窗。每个商店都要摆橱窗,国家也需要,那东西是要花点钱,但是是个门面,就像人都要穿衣服一样,衣服有实用的一面,但是更有装饰的需要,美的需要。随着人们的富裕,这并非实用的一面越来越占更大的比重。美苏争霸期间主要的角力场所当然是核武器及其运载工具,但是这不是唯一的地方,纯科学的完全可以公开的科学实验的你追我赶也是实力的一种更文明的展示。就连CERN也是欧洲走向联合的最成功的一个尝试。当年在搞CERN的同时还有别的联合性的项目,我记得至少还有钢铁联营,但是别的都不大成功,而CERN这种最没有实际意义远离现实生活的纯科学研究最容易实现联合。

如果以中国为主搞一个大型实验室,就会很自然地把许多国家的科学家吸引到我们这里来。他们也就会把在中国的观感带回他们自己的国家。对于中国的国际地位和国家形象都有正面的意义。我猜想,假如中国要搞一个大型加速器,说不定会对美国是一个刺激,让他们也再次回到这个纯物理的投入中来。从这个角度,我看搞加速器比搞航母好得多。航母已经是明日黄花,顶多也就是个橱窗罢了,不能想象它在大国政治中有什么作用。而加速器肯定会有物理贡献,在人类历史长河中留下不可磨灭的痕迹。

我想,搞不搞,如何搞,基础研究,是一个国家的视野和能力的表现

至于您说,【建造超大对撞机,其设计,以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人来主导。如果能得到诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?】

我倒不这么看。中国人还是有能力有思想的。既然以中国为主搞的加速器,只要在这个加速器上做出重大成果,中国人理应有一份。比如CERNSPS,改造成正负质子对撞机,随机冷却的概念是卢比亚的,在美国没有人肯听进去,他到CERNSimon van der Meer讨论,后者接受了这个概念,并实现了,最后他俩分享诺贝尔奖。如果中国造出一个大加速器,得了奖中国理应有一份。而且说不定主要的物理成果也是中国人搞出来的呢。我相信中国人的贡献要远远超过10%。不知道老师是否愿意打个赌。谁输了谁下厨房做一道菜。为了这个赌,您得注意保持身体健康!

中国的问题,我看主要是机会少,穷嘛,机会少竞争就过分惨烈,恶性竞争就多了,创造性受到压抑。而搞大项目,就是大把的机会。机会多了,竞争的机制就会理顺,竞争就要靠实力靠正当手段,邪门歪道就会衰落下去。

此外我还想,从经济角度,这也是在制造一种内需,可以带动相当规模的生产和科学研究。虽然规模不大却是非常高端的制造业。

此外我还有一点个人的想法,希望这个加速器是个电子-正电子对撞机,首先把Higgs测准,这个成果是有保障的。这也符合高能物理的一条规律:在强子实验中发现,在电子对撞机上精确测定。如果我们把全世界的高能物理看做一盘棋,那么现在该落子的应当是测定Higgs波色子的电子直线对撞机。当然跳到下一代强子对撞机也无不可,不过总有点急就章的感觉,这个角还没有做扎实,就去开辟新战场;又好比作文章,一章还未完就急奔下一章。

我曾在台湾大学工作过几年,2005(?记不准了,04,或05)年台大物理系承办直线对撞机的会议,但是系里却没有任何一个专业性的发言,我就把平时的一个想法整理了一下,提出一个重复使用粒子的设想。原来直线对撞机无法重复使用粒子,每次对撞之后,电子和正电子都要丢掉。我的设想是对撞后让粒子进入对面的加速器减速,经过减速之后就可以偏转再重新注入。当减速的时候粒子把能量交还给加速器。只需加速器几何设计满足一个简单的相位条件,就可以重复使用粒子,可以节约能量提高亮度。开始时几位加速器的专家持怀疑态度,稍稍讨论最后都没有异议了。不过还有一位认为粒子的损耗可能比较高。我问他能不能给个估计,他也给不出一个估计。我想如果第一个电子-正电子直线对撞机能量设在Higgs,比LEP的正常运行能量Z0就只高三分之一,LEP的最高运行能量我记得曾经达到过115GeVHiggs只少十来个GeV。能量提高三分之一,粒子输运不应当有什么重大的变化。其实SLP用同一个直线加速器的不同的相位同时加速电子和正电子,与这个是一个道理。许多时候,关键的是一层窗户纸。一捅就破,不捅破就是铜墙铁壁。如果这个模式行得通,电子直线加速器就还有一个很大的好处:可以根据需要继续加长,有发展的延续性。而环形的强子对撞机,建一个运行也就是十年左右,要提高能量,就很困难了。此外直线加速器,也可以加速强子,也可以实现质子-电子对撞。可以有丰富的变化。

尊敬的杨老师,您有崇高的威望,中国的决策者肯定也很重视您的意见。所以我不揣冒昧,写这封信,但是没有您新的email地址,网上居然也查不到,由于我的Hotmail出了问题作废了,旧的也都丢掉了,所以公开发表,希望您能看到,更希望您能重新考虑这个问题。

       敬颂

秋祺!

                                                                            迟延崑

2016-09-08于多伦多


还要说明的是,我这个人历来直来直去惯了,现在虽然年纪也不小了,但是这些年在无拘无束的网上玩野了,待人接物,比年轻时毫无长进。若有言语不当之处还望海涵,更不要生气,权当是一个顽劣学生的另类答卷吧。我还特地请内子读了两遍并根据她的批评做了一些修改,去掉了自鸣得意但是可能伤到大众的段子。                                                                                    




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