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北京正负电子对撞机:对撞30年

来源:  发布时间:2019-02-19

  文 李 莉
  


    
  “这项工程已进行到这个程度,不宜中断,我赞成加以批准,不再犹豫。”1981年12月22日,时任中共中央军委主席的邓小平在一份“紧急报告”上作出以上批示。关于报告中提到的事情,邓小平已是第三次强调“不再犹豫”。
  这份来自中国科学院高能物理研究所的“紧急报告”中写道:“请求中央批准我们12月5日上报的正负电子对撞机方案......”抬头除了给邓小平、胡耀邦同志外,还加上了万里和姚依林两位副总理。
  报告提交3天后,邓小平会见热心于中美高能物理合作的李政道。会见前,他对时任中国科学院党组书记李昌说:“要坚持,下决心,不要再犹豫了。”在谈到工程进度和经费时,他对姚依林说:“5年为期,经费要放宽一些,不要再犹豫不决了,这个益处是很大的。”
  38年前,正是这三个“不再犹豫”,让北京正负电子对撞机项目得以顺利启动,并于1988年正式建成,由此揭开了中国高能物理研究的新篇章。
  如今,这台装置已年满30岁。2018年10月20日,一场纪念研讨活动在中国科学院高能物理研究所(以下简称“高能所”)举办,何祚庥、方守贤、柳怀祖等一群白发苍苍的历史见证者再次走到一起,为大科学装置庆生。那些镌刻在记忆深处的艰辛曲折,点点滴滴被重新提起。
  

“七上七下”挫折中诞生


  “这个东西不能吃、不能喝、不能用,还要搞它干什么?”
  “加速器会不会有放射性污染?这块地方上风上水,能建在这里?”
  “我们一共就这么点钱,都给你了,别人怎么办?”
  北京正负电子对撞机的建造,一直伴随着这样的质疑声。
  科学的初衷是探索未知。20世纪的物理学告诉人们:世界是由一些基本粒子组成的。现在已知的基本粒子有60多种,不过仍有一些粒子尚未被人类捕获,一旦抓到并发现它们的特性,就有可能运用这些新知识为人类服务。
  最为常见的“抓捕”工具就是加速器、对撞机。用加速器把某种粒子加速到高能,轰击一个固定的靶位,与组成靶的粒子相互作用,就有可能产生新的基本粒子。
  1956年,我国第一次有了建造对撞机的计划。在那一年制定的“12年科技远景规划”(《1956—1967年科学技术发展远景规划》)中,提出了“制造适当的高能加速器”的构想。然而,直到20世纪80年代,这一设想都未能落地。在中国科学院院士,曾任北京正负电子对撞机国家实验室主任的方守贤的记忆里,北京正负电子对撞机是在“七上七下”的挫折中诞生的。
  1958年,在苏联专家的指导下,我国已经设计出20亿电子伏电子同步加速器。但在当时的形势下,这一设计因“保守落后”被否。此为“第一下”。之后,20亿电子伏的方案被改为建造150亿电子伏质子同步加速器,却又受到苏联专家冷遇,他们认为中国只能在苏联原有的70亿电子伏加速器技术上加以修补。这一方案遭到了我方设计人员的抵制,此为“第二下”。
  在20多年里,计划上马,再下马,一共反复七次。而放眼全球,世界加速器已经发展了近半个世纪。
  中国科学院办公厅原副主任、原北京正负电子对撞机工程领导小组办公室主任柳怀祖回忆说,除了政治环境影响,当年围绕计划上与不上的另一个原因就是资源分配问题,说白了就是“没有钱”。
  这似乎是一个全世界范围内的问题。柳怀祖还谈到美国超级超导对撞机(SSC)引发争论的情况,美国国会一位议员反对建造该装置,就对科学家们说:“你们不是要找希格斯玻色子——上帝粒子吗?可以。如果上帝说要找他的‘儿子’,我就投票!”大科学装置上马之艰辛可见一斑。
  后来,在广泛听取国内外科学家意见的基础上,中国科学院在1981年12月,向中央提出了关于建造能量为2×22亿电子伏的正负电子对撞机的报告。邓小平在听取了这个方案的汇报后,当日就在报告上批示:“我赞成加以批准,不再犹豫。”1983年4月,国务院批准了这个计划。同年12月,中央书记处会议上确定北京正负电子对撞机工程为国家重点建设项目,称为“8312工程”。
  不过,工程上马之后,仍非坦途。柳怀祖清晰地记得,现场开工在即,曾有人拿着方案图问:“这个地方要搞加速器的话,会有辐射吧,那不能动工!”
  这件事僵持不下,最终还是找到了国家领导人。柳怀祖在汇报时说:“他们说放射性,其实没有,德国电子同步加速器DESY,就建在汉堡公园的底下。”国家领导人听后随即拍板:“那就没得问题!”
  除了这些,来自内行的争议,更让科学家们焦头烂额。
  20世纪80年代,对撞机是加速器发展的主流,这比传统的打静止靶的加速器性能要好,但技术难度也大。按照国际发展惯例,都是先建打静止靶加速器,后建对撞机。“当时就有人提出,中国连打静止靶加速器都没有做过,一步就要造对撞机,相当于‘一步登顶’,风险太大!”方守贤说。
  甚至有人指出:“想要跳过建设固定靶加速器的经验积累,直接建设电子对撞机,就好比站在月台上,想跳上一列飞驰而来的特快列车。如果跳上了,从此走在世界前列,否则将粉身碎骨。”
  即便是在高能所自己的队伍中,也有这样的担心:“对撞机包含许多顶尖技术,难度比一般加速器大得多,中国能造出来吗?”这些专家更倾向于建造质子同步加速器,因为已经开展了相应的预制研究,在技术上比较有把握。
  各种各样的质疑声此起彼伏。比如:国外专家估计,造价不到2000万美元(按当时的汇率恰好为9000万元人民币),但中国的国情不同,造价将是多少?对撞机技术复杂,中国在加速器技术方面很落后,能做出来吗?中国对大工程的管理缺少经验,能管理这个尖端工程吗?有人说有物理窗口,几年以后还有吗?
  质疑声后是一轮又一轮的论证和调研,为了对比权衡两条路线的优缺点,中国科学院院士谢家麟、朱洪元曾多次组织国内科学家进行反复论证,甚至还曾赴美取经,经过充分的调研和论证后,终于拍板确定了北京正负电子对撞机的方案。
  但疑惑却并未就此打住。1986年年初,磁铁、高频机、速调管、调制器等8大难度较高的专用设备试制成功,路线问题得到了初步解决。然而,能否按期完成仍是个大大的疑问。直到1987年年初,批量生产的部件按质按期陆续交货,才不再有人担心这个问题。
  但接下来,对撞机的主要性能——亮度,到底能达到多高?又成了一个问题。直到1988年年底,即对撞后的两个月,才得到了回答——其亮度是世界上同能量加速器中最高的,为美国正负电子对撞机SPEAR的4倍以上。
  

科学探索不等人


  这些历史瞬间已经过去了30年,回顾过去,中国科学院院士、高能所所长王贻芳经过梳理,总结出了一条经验——要敢于接受技术上的挑战,对于北京正负电子对撞机的建造如此,后来的改造也是如此。
  在决策对撞机重大改造方案前,面对美国康奈尔大学加速器CESR的正面竞争,我国科学家也是经过反复计算、研讨和评估风险,最终把改造方案从麻花轨道单环方案修改为双环方案,从原来计划把对撞机性能提高7倍左右,提高到了100倍左右。
  2004年至2009年,北京正负电子对撞机的重大改造工程(BEPCⅡ)启动实施并顺利完成。投入运行后,CESR关闭了,在其中工作的美国6所大学的物理学家,转而参加了中国对撞机实验的合作。
  至今提起那次改造升级,时任高能所所长的陈和生院士有一肚子的话要说:“到现在还有人抱怨,说我们是做赔本生意,把1亿元投到大科学装置,投到科学项目里去,为啥不把改造升级的钱用来建办公楼,建实验楼?”
  那是1998年,高能所年度经费7000多万元,其中北京正负电子对撞机的运行费占到2700万元。根据陈和生的回忆,当时设备逐渐老化,缺乏维护更新,故障率增高,影响运行效率,改造在即。高能所向时任中国科学院院长路甬祥提出一个6.4亿元的改造方案,这其中国家支持5.4亿元,高能所自筹1亿元。
  为什么会是这个方案?按照陈和生的说法是:“如果所有资金都请国家支持,就增加了60%的预算,而且方案很可能还要回到国家科技领导小组去讨论,但科学探索不等人啊!”
  如今再说起来,陈和生很是感慨:“高能所到现在为止,仅新修了一栋实验办公大楼。我们的钱去哪儿了?都去修大科学装置了。修到阿里去了——全球海拔最高的原初引力波观测站;修到稻城去了——高海拔宇宙线观测站;修到东莞去了——中国散裂中子源。我们不仅要修建,还要运行开放。”陈和生说。
  在他看来,这也是中国大科学装置设计者、建设者的情怀所在,优先保证的永远是中国高能物理的科学研究能够持续发展。
  

贡献不可限量


  北京正负电子对撞机坐落于北京西郊八宝山东侧。从外形来看,它就像一个巨大的羽毛球拍,主要由注入器、储存环、北京谱仪和同步辐射装置四大部分组成,占地5万平方米。第一次来到这里的人往往会问:这个大家伙有什么用?
  两弹一星元勋、核物理学家王淦昌说过这样一番话:“有人说,北京正负电子对撞机是继原子弹、氢弹、人造卫星等之后,我国取得的又一伟大成就,依我看,这话说得一点也不过分。”
  如果用奖项和成果拉个对撞机的成绩单,可能两三页也未必能写完:1988年10月该装置建造成功,成为国际上τ-粲物理能区性能最好的对撞机,相继斩获1990年度国家科技进步奖特等奖、2016年度国家科技进步奖一等奖、5项国家自然科学奖二等奖;2013年3月,该装置发现四夸克物质,入选美国物理学会年度重要成果,并位列榜首。
  2004年至2009年,北京正负电子对撞机重大改造工程的启动实施并顺利完成,使中国高能物理在加速器和探测器技术上又实现了跨越式发展。
  30年来,以北京正负电子对撞机为基础,高能所开拓了中微子研究领域,利用大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子新的振荡模式,并开始了江门中微子实验的建设;中国在高海拔和空间宇宙线实验、暗物质探测、X射线天体物理研究等方面也取得了长足的进步,“慧眼”卫星得以遨游太空。此外,在北京正负电子对撞机的技术带动下,北京同步辐射装置、兰州重离子加速器、合肥同步辐射加速器等大型加速器在全国相继建成。
  不仅如此,北京正负电子对撞机的建成和北京正负电子对撞机的重大改造工程还带动了高稳定电源、高性能磁铁、精密机械、计算机自动控制等高新技术的发展,这些技术的产业化对我国广播通信、航空、医疗等领域都做出了重要贡献。
  最能引发共鸣的一个例子,可能还是人们如今触手可及的互联网。
  1986年我国建成第一条国际计算机通信线路,并向国外发出中国第一封Email,1993年建成第一根国际互联网专线,一年后,建立中国第一个万维网(WWW)网站。这一切,都和北京正负电子对撞机直接相关。
  在高能所的档案室里,保存着一封不寻常的信件,这是美国高能物理及加速器物理学家潘诺夫斯基于1991年6月写给中国科学家的,其中表达了这样一层意思:时值北京正负电子对撞机基本建成以及实验数据开始获取之际,必须有一条新的高速的电子数据网线。
  高能所计算中心研究员、网络安全实验室首席科学家许榕生回忆:“当时提起要建立一条因特网连线,有美国人开玩笑说‘你是想到月球上去吗?’,并称‘这是很不可能的事!’”
  最终,许榕生作为这项工程的具体负责人,带领年轻人奋战了18个月,在1993年3月,建成了中国第一条与国际互联网正式接通的网络。这之后,高能所还引进了基于网格技术的集群计算替代集中式的大型计算机,也就是今天热议的“云计算”雏形。
  王贻芳说,欧洲核子中心为了解决科学家之间的数据共享传输问题,发明了万维网——一个今天几乎没有人能够离开的技术。这和北京正负电子对撞机带动国内互联网发展的道路何其相像,这些技术从根本上改变了人类生活,其贡献已无法用金钱衡量。
  

在关键拐点发力


  北京正负电子对撞机工程2018年刚刚过了它的30岁生日。曾为它的建成做出重要贡献的诺贝尔物理学奖得主李政道专门发来贺信:“热烈祝贺北京正负电子对撞机建成30周年,这是中国在国际高能物理领域占一席之地并取得一系列重大成果的30年。衷心祝愿祖国科学家利用对撞机做出更多世界一流的成果,在粲物理和τ轻子研究方面继续保持国际领先地位,为人类探索物质结构的奥秘做出更大的贡献。”
  多年过去,很少有人再记得,在北京正负电子对撞机建成前,我国科学家只能参与别的国家主导的高能物理实验。方守贤说,20世纪60年代,中苏在高能物理研究方面的合作中断后,中国科学家都憋着一口气,这口气就转化为一股巨大的力量,决心在中国大地上建造自己的加速器。
  “尽管工资很低,但没有人抱怨和计较,也没有人在意能拿到多少科研经费,更没有评院士的概念,增选停过好多年......”方守贤停顿了一下说,“那时确实是无私奉献,因为大家都想干成事!这背后是一代又一代科学家的接力和坚守。”
  如今,他们又想干成另一件事:瞄准世界物理最前沿热点——希格斯玻色子粒子研究,规划建设中国的新一代对撞机——环形正负电子对撞机。
  2013年,欧洲核子中心宣布探测到希格斯玻色子粒子,基础物理学走到了一个关键的拐点。王贻芳说,研究希格斯玻色子粒子,是通向更深层次物理的钥匙,正好给我国的高能物理发展提供了一个赶超、领先的绝佳机遇。即便面对再多争议,他始终相信一点,即大科学装置研制一定是高科技发展的沃土。在他的描述中,一旦环形正负电子对撞机建成,中国将成为全球高能物理研究的中心,吸引全世界最优秀的科学家和工程师来华工作,并作为龙头带动一系列核心技术的发展,在核物理、国防、材料、微加工、大型部件检测等许多方面将大有作为。
  在北京正负电子对撞机建成30周年纪念活动现场,柳怀祖站在演讲台上,给王贻芳打气:“你不要有什么负担,当年反对建正负电子对撞机的人,绝不比今天少,而且是更多!反对、争议没啥了不起的。”
  当然,也有教训摆在面前。曾任高能所所长的中国科学院院士叶铭汉就提到,回过头来反思高能物理事业的得失,1980年的北京正负电子对撞机“第七下”即“八七工程”下马,对我国高能事业来说,是“塞翁失马,焉知非福”。假如沿着原来的“大高能”走下去,物理上步人后尘,难出成果,摊子又铺得过大,经费势难维持,结果将是不上不下,造成极大浪费,后果不堪设想。
  因此综合考虑前沿科学目标、国家实力与需求、学科自身发展目标来选择装置建造方案就成为必须慎重考虑的问题。站在北京正负电子对撞机的肩膀上,目前新一代对撞机——环形正负电子对撞机已完成概念设计,并获国际评审认可,预研工作已全面展开。若该方案顺利实现,我国或可一跃成为世界重要前沿基础科学的领头羊。在粒子物理面临暗物质和暗能量严峻挑战的重大历史性突破的前夜,中国理应为此做出一个大国应有的贡献。

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2019年5月下

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