原子对撞机,砸钱搞基础研究真的值得吗?

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从半个世纪的争论到今天的国产新进展

关于原子对撞机该不该建的争论,其实从半个多世纪前就开始了,放在国内,最广为人知的就是2016年杨振宁先生和丘成桐先生的那场公开辩论,当时杨振宁先生提出“不要建”的核心观点,一是当时中国的经济基础还不够雄厚,超大对撞机预计几百亿的投资,可能会挤压其他民生领域和基础学科的经费;二是高能物理的黄金时代已经过去,就算建了也很难做出颠覆性成果,最后很可能变成花钱养全世界的科学家,而丘成桐先生等支持方则认为,中国已经到了需要引领基础科学发展的阶段,一个顶级的对撞机能吸引全世界的顶级人才来华,带动整个国内基础科学的发展,错过这个机会,我们可能要再等几十年。

原子对撞机,砸钱搞基础研究真的值得吗?

这场争论之后,项目并没有停下来,而是走了“先预研,后立项”的稳妥路线,就在2024年4月,中国科学院高能物理研究所正式对外公布,我国规划的环形正负电子对撞机(CEPC)关键技术预研项目已经顺利通过国家验收,换句话说,之前很多人担心的核心技术“卡脖子”问题,我们已经靠自己解决了:大孔径二极磁铁的磁场均匀性达到了国际领先水平,超高真空系统的性能满足工程要求,探测技术、计算技术这些核心领域都实现了国产替代,整个预研项目提前半年完成,现在CEPC已经走到了工程立项的最后准备阶段。

放到全球来看,这场对撞机的竞赛早就打响了:欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)2024年刚完成了第三阶段升级,对撞亮度提升了10倍,现在已经开始满负荷运行寻找超出标准模型的新物理;美国在1993年下马了超导超级对撞机项目之后,最近几年也急着推出新的对撞机规划,就怕在基础物理的赛道被甩开;俄罗斯、日本也都有自己的中小型对撞机项目,都想在前沿基础研究分一杯羹。

几百亿投资真的打水漂?这些好处你天天在用

很多人反对建对撞机,最核心的观点就是“花那么多钱,和普通人有什么关系?不如投民生”,我之前也这么想过,直到去年我家里发生的一件事,改变了我的看法,去年春天,我家一位退休长辈体检,肺部CT发现了一个不到8毫米的小结节,边界模糊良恶性分不清楚,医生建议做PET-CT进一步确诊,最后PET-CT确诊是极早期的肺腺癌,马上做了腔镜手术切除,现在半年复查已经完全没事了,医生当时说,如果晚半年发现,病灶扩散到淋巴结,就是晚期肺癌,治愈率不到10%。

你知道吗?PET-CT的全称是正电子发射计算机断层扫描,这个技术的核心原理,就是来自原子对撞机对正电子的研究,最早就是高能物理学家在做对撞实验的时候,搞清楚了正电子湮灭的规律,才慢慢发展出了这个医疗技术,现在PET-CT已经成为癌症早筛最有效的手段之一,每年帮上百万家庭发现早期癌症,挽救了不知道多少生命,这就是对撞机给民生带来的实实在在的好处。

这还只是其中之一,我们现在每天离不开的万维网,就是CERN的科学家为了方便对撞机实验的数据共享发明的,1989年,CERN的工程师蒂姆·伯纳斯-李,发现参与LHC实验的科学家来自全世界几十个国家,大家跨地域共享实验数据特别不方便,于是就搞出了第一个网页浏览器、第一个网页服务器,发明了万维网,而且免费开放给全世界,没有申请专利,你现在刷短视频、网购、在线办公、和远方的亲人视频通话,所有这一切的基础,都是当年为了原子对撞机发明的万维网,你还敢说对撞机和你没关系吗?

还有现在治癌最先进的质子重离子治疗,用到的高能加速器技术,完全就是从对撞机的加速技术延伸来的;半导体行业研发先进芯片,需要用同步辐射光源(本质就是对撞机家族的装置)来表征纳米级材料的微观结构,没有这个,我们研发先进芯片就少了一双能看清微观世界的“眼睛”;甚至我们现在研发可控核聚变用到的超导磁铁技术,很多核心工艺都是在对撞机的超导部件研发过程中迭代出来的,对我国的双碳目标都有直接推动作用。

基础研究的账,不能只算眼前的“经济账”

也有很多人说,就算有技术溢出,花几百亿赌一个不知道能不能出来的成果,值吗?会不会赔本?我觉得,算基础研究的账,不能只算眼前的一亩三分地,不能要求今天投钱明天就要赚回本金。

原子对撞机,砸钱搞基础研究真的值得吗?

就拿一百年前来说,爱因斯坦提出相对论的时候,全天下没有几个人能看懂,更别说能带来什么经济效益了,当时肯定也有人说,爱因斯坦整天研究这些看不见摸不着的东西,浪费国家经费,不如去搞点农业搞点工业实在,结果呢?现在我们每个人用的车载导航、手机导航,都必须用相对论来修正卫星的时间误差,如果没有相对论,导航会偏出好几公里,根本没法用,如果当年没有容得下基础研究的耐心,哪里来的今天万亿规模的导航和位置服务产业?

还有上世纪40年代物理学家发现半导体的时候,一开始也只是在实验室里研究半导体的导电特性,谁能想到几十年后会发展出整个几万亿美元的半导体产业,会有我们手里功能强大的智能手机?基础研究就是这样,它是“种树”,不是“摘果子”,你今天种下树,可能二三十年之后才能吃到果子,但如果你今天不种,未来你永远只能花钱买别人的果子,甚至被别人卡脖子。

很多人总拿杨振宁先生当年的反对意见说事,却忽略了一个最重要的大背景:当年争论的时候,我们国家GDP才五十多万亿,CEPC整个项目分十五年建设,总投资大概三百多亿,平均到每年才二十多亿,现在我们的GDP已经超过130万亿,一年修高速公路的投资就超过两万亿,一年给实体经济的普惠型贷款都有十几万亿,二十多亿真的拿不出来吗?我们娱乐圈一年的明星片酬加起来都不止三百亿,为什么拿三百亿分给十五年搞基础科学,就有人喊浪费?

我个人的观点是,杨振宁先生当年的担心非常有道理,他是从当时中国的实际情况出发,反对冒进,这种严谨的态度值得所有人尊重,但今时不同往日,我们现在已经到了必须要突破基础科学瓶颈的时候了,现在粒子物理的标准模型已经有半个多世纪,学界公认标准模型肯定不完整,暗物质、暗能量、引力的统一,这些核心问题都需要新的物理规律来解释,而找新物理最直接、最可靠的手段,就是更高能量的对撞机,谁先建成更高性能的对撞机,谁就能握住未来五十年基础物理的话语权,就能吸引全世界最优秀的年轻人来中国做研究,这个收益,是几百亿投资换不来的。

对撞机不是物理学家的玩具,是我们的未来

很多普通人会觉得,原子对撞机是顶尖物理学家躲在实验室里玩的玩具,和我一个每天上班打卡的打工人有什么关系?其实真不是这样,除了刚才说的PET-CT、万维网、半导体研发这些和你息息相关的成果,它对整个国家的科学人才培养的作用,更是看不见但影响深远。

我认识一个985大学的高能物理博士生,他说他当年上高中的时候,看了CERN对撞机发现希格斯玻色子的直播,那一瞬间就被“找到上帝粒子”这件事震撼了,原来人类居然能靠自己的智慧窥探到宇宙最本质的秘密,于是毅然报考了高能物理专业,现在他就在做CEPC的探测技术研发,他说他最大的梦想就是退休前能在自己参与建设的对撞机上做出成果,如果我们没有CEPC项目,很多这样有天赋的孩子,可能就会转而去学金融学计算机,不会选择留在国内搞基础物理了。

现在我们国家的科技发展,已经从“跟跑”进入了“并跑”甚至“领跑”的阶段,以前我们可以跟着外国人做研究,外国出了成果我们拿来用就行,现在不同了,最前沿的地方没有人走过,我们得自己踩出一条路来,原子对撞机就是这样一条路,就算我们最后没有找到想要的新物理,我们在建设过程中积累的超导技术、真空技术、探测技术、计算技术,都是实实在在落在我们自己手里的,这些技术都会外溢到各个行业,给整个国民经济带来升级。

去年我看到一个报道,甘肃的兰州重离子加速器研究中心,已经用对撞机的加速器技术开发出了处理核废料的新技术,能把几万年半衰期的长寿命核废料,变成几百年半衰期的短寿命核废料,大大降低了核废料处理的成本和风险,这个就是所有人都想不到的额外收获,你永远不知道,你在基础研究上投的钱,会在哪个地方给你带来惊喜。

最后我想说,原子对撞机听起来遥远,其实它代表的是一个国家对未来的信心,对基础科学的尊重,我们这一代人,享受了过去一百年基础科学突破带来的红利,现在该我们给下一代人种下更多的树了,花几百亿建对撞机,不是烧钱,是给全人类的未来下注,我觉得这个注,值得下。