柳怀祖

自古以来，人类一代又一代努力探索着，我们人类和周围的空间从哪儿来，周围的一切物质又是由什么组成的。在古代，这些只是猜想、推测。随着欧洲手工业的发展、技术的提高，以及生产力的发展，加上14世纪三四十年代欧洲大陆的一轮鼠疫也削弱了天主教势力。人们的思想随之得到了些解放，对美也广泛追求。14世纪在欧洲兴起“文艺复兴”，其不但促进了艺术的繁荣，也促使了科学的启蒙。16世纪末、17世纪初，显微镜和望远镜的相继出现，使伽利略借此对微小生物和天体进行观察。虽伽利略等近代科学先驱仍遭遇中世纪神权的迫害，但近代科学的大门从此开启了。17世纪，牛顿力学三大定律的发现开始了近代科学的研究。18世纪中，蒸汽机的发明使生产力进一步得到发展，标志着人类从农耕社会进入了工业时代，也促进了社会和科学技术的进步。19世纪中以后，麦克斯韦电磁理论的发现，使人类很快进入了电的时代，生产力得到了更大的发展。

探索物质微观世界的奥秘

随着社会生产力的发展、近代科学的进步，人们对物质组成的探索也进一步深入。在近代科学实验的基础上，17到18世纪，人们已认识到不同物质是由不同的分子组成；19世纪又认识到了不同的分子则是由不同的原子（约100多种，直径在10-10米量级）组成，即所有物质都是由原子组成。19世纪末之后，由于量子力学、相对论等一系列重大科学理论，以及原子核、质子、中子、电子、放射性等被发现。人们进一步了解到原子是由原子核（直径在10-15—10-14米量级）及更微小的电子组成。1930年代发现中子后，人们深入了解到原子核由不同数量的质子和中子组成。1960年代初，隨着对宇宙线里的粒子的研究和在能量越来越高的粒子加速器上获得的发现，人们又进一步了解到中子和质子内部存在更基础的结构，也就是组成中子和质子更小的“基本”粒子，近代物理学家称之为“夸克”。夸克具有多种种类和量子数。不同种类的夸克具有不同的质量和电荷。

研究物质深层次的微结构，必须借助更先进的技术和更精准的探测设备。首先需要把深层次的微观粒子打碎，用于打碎它们的“炮弹”是高速的粒子流，而产生高速粒子流的装置就是粒子加速器。这如同炮弹能量越大，其穿透的能力就越强，粒子加速器产生的带电粒子（质子、电子等）束流能量越大，它就能穿透到物质更深的层次，从而让我们观测到其中的微观结构。因此，粒子加速器成为物理学研究物质微观结构最重要的工具。

粒子加速器中有一真空管道，其中有两束比头发丝细、近光速的带电束流，它们被加速后，在超高真空环境下特定探测点进行对撞，可以将带电束流的能量从10⁶电子伏（兆电子伏）量级发展到10⁹电子伏（吉电子伏）量级以上。但由于粒子加速器能量的可调节范围很小，因而研究不同粒子时，需要用不同能量不同带电束流的加速器，每台加速器都具有特定的研究对象和目的。北京正负电子对撞机（The Beijing Electron P o s i t r o n C o l l i d e r， B E P C）是专为研究τ-粲物理设计建造的。截至20世纪末，全世界各种类型大大小小的粒子加速器已超过2500台，用于研究不同粒子的各种特性。

1960年代后，理论物理学家提出了一套描述强力、弱力和电磁力三种基本力，以及组成所有物质的基本粒子理论的“标准模型”，并不断修正和扩展。其理论基础来自量子力学及狭义相对论的完美结合。几乎有关实验结果都合乎这套理论的预测。该模型预测有17种基本粒子的存在，包括W玻色子、Z玻色子、希格斯玻色子等，至今已全部被实验发现。而且它们的性质及理论计算与实验结果吻合得非常好，特别是希格斯玻色子。标准模型建立前，物理学家无法解释物质质量的来源。英国理论物理学家希格斯（P. Higgs）引入了希格斯玻色子的概念，认为希格斯玻色子在空间形成希格斯场，使得标准模型中的一部分对称性自发破缺，其他的基本粒子在希格斯场中运动，获得质量。而且，通过希格斯机制建立标准模型，是实现电磁力和弱力统一的关键。因此，对希格斯玻色子的深入研究，成为当今探索物质微观世界的关键。下一步，物理学家试图把标准模型和广义相对论结合起来，以实现理论物理学大统一的思想。

超导超级对撞机

二战结束前夕，美国总统罗斯福（F. Roosevelt）认识到要保持美国的世界领先地位，必须确保美国科研水平的领先地位，而且要领先几代。因为任何新工业、新技术、新发明、新工艺、新产品，都必然来自科学原理及规律的发现，而科学原理和规律的发现必然来自基础科学领域里持久不懈的艰苦努力。如果一个国家的基础科学知识依赖于他国，那么这个国家的科学技术及产业竞争力必然是非常弱的。因此只有基础科学研究引领世界，技术和产业才能引领世界。二战后历任美国总统都遵循了这个方针。

1980年代，希格斯玻色子尚未被找到，寻找和研究希格尔斯玻色子是极有意义的基础科学研究。为维持美国在物理基础研究领域的领先地位，美国于1983年在总统里根（R. Reagan）的支持下开始了超导超级对撞机（Super Conducting Super Collider， SSC）的可行性研究。计划在该对撞机环周长87千米、零下数百摄氏度低温的封闭超真空管道内，将两束加速到接近光速、能量分别达20太电子伏（1太电子伏=10¹²电子伏）的质子，在特定点进行对撞。高能粒子撞击后，会产生大量粒子。其中一部分是新粒子，根据这些新粒子的运行轨迹（径迹）、能量、速度、质量等参数，利用巨型闪烁探测器和电磁量能器，在极短时间内进行测量、记录、分析、研究，寻找和研究新的粒子，特别是希格斯玻色子。同时，虽然标准模型具有高度的对称性，但希格斯机制下的真空使得部分对称性破缺。使极高能量的粒子在真空中对撞，有望造成极高密度的“激发真空”状态，恢复标准模型原有的对称性，从而能够模拟并研究宇宙“大爆炸”后瞬间的状态。

1989年1月，美国政府决定在得克萨斯州的达拉斯开始正式建造超导超级对撞机实验室（Super Conducting Super Collider Lab， SSCL），计划1999年建成，预算为110亿到150亿美元。这一前沿基础科学研究中的特大项目历经里根、布什（G. Bush）和克林顿（W. Clinton）三任总统的支持。在美国主导下，苏联、日本、印度、韩国、德国和中国等国也不同程度地参与到这个项目中，中国科学院高能物理所参与了其可行性研究及一些部件的设计和预制研究。到1989年为止，SSCL已与全世界715个研究所和工业企业签订了18 000项合同，超过1000位科技工作者参与了这项工程，美国国内的单位也涉及46个州。1993年产生了8000个岗位，1994年已达9000个岗位。其应用和研发的新技术已开始或将对医疗诊断、癌症治疗、高速列车、磁桨船、超级计算机、新一代测量技术、低损耗电的传输、储能系统等新技术的研发起到推动作用。就如同历史上每一次重大基础科学研究的突破，对人类认识物质结构和规律产生巨大的推动作用，伴随而来的是新技术带来的生产力发展。

1830年代，人们研究电和磁时，也不知道它们的用途，但麦克斯韦证明它们是现在称作电磁现象的同一种相互作用的两个方面，可以用一组方程式加以描述，电和磁很快成为社会文明的基础。1930年代人们了解到原子核是由质子和中子组成时，亦不知其用途，但十几年后即进入“既造福、亦为祸”的原子能时代。20世纪后期，由于高能物理实验产生大量信息数据传输的需要，而发明创造出的网络已成今天人类每日不可少的工具。多年来，很多获诺贝尔物理学奖的奖项成果也都与粒子加速器有关。

欧洲原子核研究组织（European Organization for Nuclear Research， CERN）的研究表明，在对撞机研究上每投入1美元，将会对社会产生3美元的经济效益。

中国参加超导超级对撞机建设

1988年10月，我国BEPC建成后，其建造速度之快、质量之好、价格之低、部件研发制造能力之强，令美国和世界其他国家的很多科学家折服。它已成为τ-粲物理能区性能国际领先的粒子加速器。世界上另外几台τ-粲物理能区粒子加速器相继关闭，进行相关领域研究的科学家都将研究工作转到BEPC上进行。在李政道教授的推动下，在中美科学家广泛交换意见，特别是经中美高能物理联合委员会认真讨论后，SSC项目被列入合作内容。1993年初，中国正式参加美国SSC项目的国际合作，并将涉及的各种中国产品作为投资。

中国参与这个重大科学研究项目，一是为了通过与各国一起探索物质微观世界奥秘的过程，直接参与世界最前沿的科学研究，争取在高科技领域占有一席之地；同时也可促进我国科研和工艺技术水平的提高。为便于对此事的领导和协调，1993年初中央决定沿用之前建造BEPC时成立领导小组的组织形式，成立了国务院超级对撞机国际领导小组，由时任国务院副总理朱镕基任组长，国务委员兼国家科委主任宋健任副组长，成员有国务院副秘书长徐志坚、国家计委副主任甘子玉、国务院经贸办副主任张寿、航空航天部部长林宗棠、中国科学院院长周光召等。林宗棠兼领导小组办公室主任，主持日常工作。我任副主任，协助林宗棠处理日常事务。为方便对外技术交流和商务活动，领导小组办公室同时以中国加速器研发中心的名义对外活动，一套人马，两块牌子。林宗棠亦为这个“中心”主任，我为副主任。同时，专门从航空航天部调来精兵强将，如上海飞机厂副厂长张士元、高工王达先，西安发动机厂高工应家骊，飞行研究所杨龙，还有航空航天部国际合作司杨春澍司长，航空航天部机电产品出口办负责人刘恒君等同志，加入该项目领导小组办公室的工作。中国科学院高能物理所的叶铭汉、方守贤院士，郑志鹏、赵维勤研究员也在一些物理和加速器专业上给予指导。领导小组办公室设在航空航天部旁的友好宾馆，负责与SSCL总部的沟通联系和对国内各参与单位的协调，并随时用简报形式向领导小组成员、各有关部委和参加单位报送发《超级对撞机简报》，通报合作项目的进展及其问题。

领导小组办公室处理大量具体合作项目的技术和商务问题，协调并具体组织落实我方各单位的研制工作。同时，还与SSCL总部商讨新的可能的合作研究和研制生产制造项目，双方合作十分热络、友好。我国参加此项目的有关研究及生产单位，都是各部委所属的研究院、研究所和大型企业，有22家以上，而且其中大多参加过BEPC的研制和生产，对于对撞机设备和部件的研制有丰富的经验：從大型磁铁支架到光电倍增管、阴极板、闪烁计数器、开关电容阵列、模数变换器、电器功能块等的材料研发到设备、部件的设计研制无所不包。

林宗棠还陪同李政道教授等美方代表赴西安等地的工厂、研究单位实地考察，了解设备和部件情况。周光召、甘子玉等多次会见美国能源部和SSCL领导人，听取和讨论合作中的问题。SSCL总部美方人员也多次来华，参加该项目合作研究所、工厂现场的具体研究和讨论，对我方单位强大的研究和技术实力、设备及部件的研发和生产能力，大为赞赏。林宗棠还亲自参与主持了磁铁支架的设计，提出用焊接支架取代原美方设计的铸造支架，并做了应力、应变分析测试，仅此一项就节省了上万吨不锈钢，受到美方的高度赞扬。林宗棠还亲自前往达拉斯，与SSCL总部人员讨论合作中的具体问题。

超导超级对撞机项目的终结

正当国际高能物理学界准备大干一场的时候，不料，1993年夏天，美国国会众议院通过了“终止超导超级对撞机项目，以减少赤字预算”的提案。在总统克林顿和能源部部长奥利里（H.OLeary）的干预下，10月14日参议院否决了众议院的提案决定，继续支持该项目，并建议1994年为该项目拨款6.4亿美元。尽管当时美国已为此项目投入了20亿美元，具有了相当的规模。但众议院还是再次否决了拨款议案，并通过了停建SSC项目的修正案，最终，在1993年10月21日，参众两院达成一致，停止SSC项目。由于存在巨大预算赤字，美国国会裁减政府费用的压力空前巨大，SSC最终成为美国国会消除预算赤字的牺牲品。显然，这样的结果不仅是因为美国国会需要减少赤字预算所致，更是因为议员们不了解基础科学研究对科学发展的重要性，以及基础研究对美国国际地位的重要性所致。美国能源部部长奥利里在国会作出决定后立即声明，她对国会停止对世界上最重要的高科技国际合作项目SSC拨款一事表示深深的遗憾；她认为这一项目的取消会使科学研究工作受到损害，也将对美国世界科技的领导地位产生不利影响，能源部将与科学家们一起探求该项目下马后继续在高能物理领域做研究的其他方法；她还向参与和支持合作的所有国家和参加者表示真诚的感谢。国际上，一些科学家也对美国国会的这一决定十分愤怒，深表忧虑和不安。李政道教授称，国会表决通过停止SSC项目的1993年10月21日是美国科学界一个“黑色的日子”。日本科学界的反应也十分强烈，日本原计划出资10亿美元，但没想到发生这样意外的事。我国科学家则认为，美国国会此举将会严重影响全世界高能物理研究工作及人类对物质微观世界的探索。

1994年1月31日，SSCL主任在给我方代表的信中，对中方的参与给予了高度评价，他说：“我本人希望强调，中方对此合作态度积极、热情支持，并显示了良好的技术水平”。我代表中方在给他的回信中表示了中方对终止该项目的遗憾，并表示中方愿和美国朋友为今后可能的合作而努力。

SSC下马后，美国国会同意拨付6400万美元用于美方对此项目的善后处理。SSCL几次派代表团来华商讨有关收尾工作，还访问了北京、上海、西安等地的有关单位，我方提供了各合作项目的具体情况和发生费用清单。美方提供了补偿费用，我方各参与单位都得到了相应的补偿。

同时，美国加大了对已有几个美国高能物理有关的国家实验室的投资，并加强了与CERN的合作，以确保美国在高能物理研究领域的领先地位。

有意思的是，在1993年美国国会审查给SSC拨款的听证会上，一位议员问道：“我们有这台机器能找到什么？”答曰：“希格斯玻色子。”听证会上的议员们几乎无人懂得什么是“希格斯玻色子”。提问议员惊叫：“啊！花100多亿美元难道就是为了找一个粒子？”因有物理学家戏称希格斯玻色子为“上帝粒子”，另一位议员接着问：“这台机器能让我们找到上帝吗？”还有一位议员马上说：“如果它能找到上帝，那我再回过头来支持（拨款）。”这听起来似乎科学家是在对牛弹琴，显示出美国国会议员们是那么无知。但实际上全世界又有多少人，多少议员和领导人知道寻找这个所谓“上帝粒子”对人类的意义呢？

2012年7月，希格斯玻色子终于成功地在由CERN于1994年立项、2008年建成的大型强子对撞机（LHC）上被找到，这成为人类认识物质结构历史上重大的里程碑式突破。建造这个周长27千米、能量为2×7太电子伏的LHC，花费了百亿美元。包括中国在内的全世界80多个国家近7000名科技人员参加了这项突破性的研制和实验工作，为发现希格斯子做出了贡献。

2019年升级改造后的LHC是目前世界上最大的粒子加速器，其亮度比初建时提高了5到10倍，对希格斯玻色子有了进一步了解。目前，中国仍有几十位高能物理學家在这台加速器上参与研究。

探索物质结构、宇宙起源等科学基本问题是全人类共同关注的问题，像SSC这种用于探索物质微世界和宇宙起源的超大型研究装置，应当集中人类智慧的精英，走国际合作的道路，让更多国家、更多科学家参与。早在1950年代中期，当时同属社会主义阵营的各国就共同出资在莫斯科郊外的杜布纳建立联合核子研究所，同时，西欧各国及美国在法瑞边境共建CERN。其实这些就是国际合作进行物质微观世界研究的雏形，只因冷战时期意识形态不同，而分成两摊。随着冷战结束，才出现以美国为主导、世界各国共建SSC的合作局面，但不幸因美国国会的决定而夭折。

中国的超级环形对撞机计划

随着我国改革开放后，经济和科技实力的增强。特别是BEPC的成功建造，以及在BEPC上取得了τ-粲物理研究上的成就。我国也涌现了一批优秀的加速器专家和实验物理学家，与国际高能物理学界也有了十分广泛密切的沟通交流合作。BEPC的建造过程也使中国工业界获得了加速器设备制造方面的经验，有些产品已向国外出口，所以完全能承担新的粒子加速器大部分设备的制造。2012年我国一些高能物理科学家提出建议，未来以中国为主导，投资360多亿人民币建造周长100多千米、能量为2×125 吉电子伏的超级环形正负电子对撞机（CEPC），深入研究希格斯玻色子等相关的基础科学问题。当时计划在2027年建成。该计划得到国内外很多高能物理学家和国际未来加速器委员会（ICFA）的赞同和支持，并已开始进行概念设计和预研，设想2030年开始进行升级改造的准备，2040年建成2×375太电子伏的质子—质子对撞机（SPPC）。

如此投入巨大的涉及几代人的科学大工程的决策当然应该十分慎重。务必对其科学目的、目标进行充分的反复的论证，尤其要重视不同的意见，还需考虑国际环境等因素。当然，如果该计划能顺利实现，无疑会极大地提高我国的科研和技术水平，使我国在此基础科学领域处于领先地位，也将大大提高我国的国际地位。还有，中国主导建造CEPC和SPPC，也必然需要与世界各国的共同合作。

（本文作者为中国高等科学技术中心原秘书长）

关键词：粒子加速器 超导超级对撞机 北京正负电子对撞机大型强子对撞机 超级环形对撞机计划 ■