杨振宁100岁了！2021年9月23日是我国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生的百岁诞辰，他以“但愿人长久，千里共同途”为题发表了演讲。杨振宁对现代物理学作出了非常突出的贡献，曾与米尔斯提出杨·米尔斯理论，与李政道合作提出弱相互作用中宇称不守恒定律，并获得了1957年诺贝尔物理学奖。

除了这些重要学术成就外，杨振宁在生活方面也一直受人关注，例如其前妻是杜聿明之女杜致礼，现任夫人是28岁时嫁给他的翁帆（当时杨振宁年已82岁）。现在杨老100岁了，思维依旧敏捷，实在是令人敬佩。

杨振宁在百岁生日发表演讲

而最近几年，关于杨振宁最重要的话题之一，就是他和中科院高能物理研究所（简称“高能所”）所长、高能物理学家王贻芳院士之间的争论：中国该不该花费巨资建设超大型的环形正负电子对撞机CEPC，以及后续的超级质子-质子对撞机SppC。

超大型对撞机之争

杨振宁的观点概括起来就是这玩意儿烧钱太多，建造CEPC和SppC加上运行维护费用至少得200亿美元，相当于1300亿人民币左右，但对我国物理学发展的正面效果有限，而且它们要验证的物理学理论未必就一定正确，要找的新粒子如超对称粒子也未必一定存在，如果找不到怎么办？并且这么大的资金需求还会挤压其它项目的预算。而我国还是发展中国家，资金不宽裕，说白了就是“不值”，因此不应该建。

而支持建造的王贻芳院士的理由是：我国一直以来没有超大型对撞机，粒子物理的话语权一直掌握在欧美手中。现在欧美的大型对撞机已经不能满足物理学的发展，而新项目由于种种原因还没有定论，此时我国上马超大型电子对撞机，可以实现弯道超车，一举占领这块高地，极大的促进我国粒子物理学的发展。而且据他估计建设CEPC有360亿人民币就够了，现在以我国的国力，拿出这些钱不成问题。

中科院高能所所长王贻芳院士

虽然在王贻芳院士眼中，这么大的科学工程花360亿不算多，但在我们吃瓜群众看来，不管是200亿美元还是360亿人民币，都是个天文数字！要知道尼米兹级核动力航母的造价才45亿美元，360亿人民币足够造一艘还有余。如果将来更升级成超大型质子对撞机SppC，那更是天价，杨振宁说的200亿美元其实是在说CEPC加上SppC，这笔钱能造四五艘核动力航母了。

其实中科院高能所现在就拥有著名的北京正负电子对撞机BEPC，在当年建成时是性价比的典范，让我国用相对不算大的投资，占据了对撞机领域的一块重要地盘，现在BEPC已经接近使用寿命。为什么下一代的CEPC就需要这么大的投资呢？它到底是干啥的，贵在哪里呢？

CEPC成本堪比尼米兹级核动力航母造价

对撞机是干啥的？

原来，对撞机听起来好像就是让正负电子迎头相撞，实现起来可没有那么简单，尤其是超高能量的CEPC，要建成它需要用到各行各业的技术。很多人包括人马君一开始都搞不明白：让电子对撞的目的何在，撞了个寂寞吗？当然不是，这是现代物理学研究的一个重要手段，目的是解决一个重要问题：物质是由什么构成的。

在古代，人们对这个问题一无所知，认为物质是由金木水火土五种元素组成的。后来随着化学等学科的发展，才知道组成物质的是一个个微观的原子。到了上百年前，物理学家通过试验发现原子还可以细分，陆续找到了质子、中子和电子，建立了原子和原子核的理论模型。

原子核与电子

再后来，科学家预言质子和中子还可以再分，它们由各种各样的夸克构成。那么物质是不是可以这样无穷无尽的细分下去？夸克又是什么构成的呢？于是物理学家抛出了各种各样的理论，终于构建了一个“标准模型”，一举统一了强相互作用、弱相互作用和电磁力，并认为我们的世界由60多种基本粒子构成，这些基本粒子再组合成质子、中子等较重的粒子。杨振宁提出的杨·米尔斯理论就是标准模型的重要基石。

标准模型在某些粒子还未被发现时就预言了其存在，因此很有希望实用物理学家永恒的夙愿：用一个理论来完美解释大千世界。

物理学家就喜欢用一个理论解释整个世界

但是现实世界中我们只能观测到有限的粒子，例如质子、中子、电子、中微子等，要想了解夸克以及更细分的微观世界，自然界中没有这个条件，必须把质子、电子这些基本粒子打碎，才有可能发现比它们更微观的粒子的蛛丝马迹。因此才需要建造对撞机，让粒子迎头相撞，大力出奇迹，看看有什么惊喜。

而标准模型中有一个极为重要的粒子——希格斯粒子，也被称为“上帝粒子”。这个粒子相当神奇，其它粒子的质量就是通过它来获得的。但希格斯粒子很难出现，需要有极高能量的对撞机才能发现并研究，人们将这类对撞机称为“希格斯工厂”。假如人们能够通过对撞机制造出大量希格斯粒子，并搞清楚它的性质，就能在很大程度上验证标准模型的有效性。

欧洲的LHC大型强子对撞机用质子对撞的方法发现了希格斯粒子，但质子由夸克组成，对撞的时候乱七八糟的信息太多，不如正负电子对撞来得纯粹，所以王贻芳院士才建议先搞CEPC电子对撞机，能量为240GeV，足以产生大量希格斯粒子，并对它进行精确的测量。将来再在同一位置建设一个更高能量的SppC超大型质子对撞机，去寻找超出标准模型的超对称粒子。那么怎样才能把质子和电子加速并且对撞呢？

超大型环型正负电子对撞机CEPC的组成

怎么才能加速带电粒子并让它们对撞？

基本原理很简单：质子和电子都带电，只要带电就比较好办，在正负极之间施加一个电场，带电粒子就会在电场作用下加速，获得能量。电场越强，获得的能量就越大。于是就出现了让粒子经过一个或几个高压电场加速的直线加速器。不过在这种加速器中，一个电场只能加速一次，效率太低。

后来劳伦斯发明了回旋加速器，让带电粒子在磁场的作用下绕圈圈，每绕半圈就经过一个交变电场，从而被多次加速。但回旋加速器的磁场不变，结果就是带电粒子的转圈半径越来越大，要想提高能量，就得把磁铁和电极做得越来越大，越来越重，到一定程度就无法接受了，而且还会因为相对论效应而逐渐和交变电场的频率不合拍。

我国第一台回旋加速器

但这难不倒聪明的人类，我们又发明了“同步加速器”，这是一个固定周长的圈，用强大的磁场把带电粒子紧紧地箍在这个圈里面，相当于粒子运动的路径是固定的。这需要相当多的磁铁，有的负责偏转粒子的方向，有的负责把粒子流聚焦成束。

然后在某些位置设置多个高频腔，加上高频的高压电场，粒子穿过高频腔时，刚好处在被加速状态，这样它的能量就会不断提高。但这样一来，粒子的速度越来越快，每转一圈的时间越来越短，因此高频腔里的高频电场频率，以及约束磁场的强度都要不断变化，与粒子的运动同步，所以才叫“同步加速器”。

一台质子同步加速器，能看到大块的磁铁

而同步加速器中的带电粒子束也不再是一个完整的束流，而是多个“束团”。如果建造两套粒子运行方向相反的装置，然后让加速后的粒子束团在某个位置相撞，并在附近架起探测器记录对撞过程中产生的新粒子，这就是对撞机了。实际的对撞机采用的是多级加速，先用一个或多个直线或同步加速器把带电粒子加速到一定能量，再引导它们进入储存环（对撞环），进一步加速和对撞。对撞机的原理是不是很复杂？一看就便宜不了！它的成本主要有哪些呢？

建一台超大型对撞机有哪些成本？

首先你得挖一条长长的隧道来容纳这个巨大的储存环，这条隧道必须深埋在地下，以减少宇宙射线的干扰。由于储存环直径越大，粒子最终能获得的能量也越大，因此这个隧道往往需要几十公里。

例如欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC，储存环的隧道长度达到了27公里。而CEPC的对撞环隧道长度更是达到了100公里，直径达6米。要知道我国最长的铁路隧道是莞惠城际铁路松山湖隧道，长度才38.8公里。虽然我国被誉为“基建狂魔”，搞个100公里长的隧道不是太大的难题，但这造价肯定能惊掉不少人的下巴。

欧洲的大型强子对撞机LHC隧道长达27公里

所以，王贻芳院士也提到，这条隧道不仅要给CEPC电子对撞机用，还需要考虑未来在里面再建一个SppC超大型质子对撞机，这样就不用再挖新的隧道了。其实隧道的费用还只是刚刚开始，前面说过要用磁铁来产生强大的磁场，偏转和聚焦粒子束，这些磁铁的体量非常大，光是钢铁就需要几万吨。

而且下一步如果要搞超大型质子对撞机的话，由于质子质量远比电子大，用普通的电磁铁已经不能满足要求，必须要用超导磁铁，现在的超导材料需要用液氦冷却到绝对零度附近，实现低温所需的系统庞大又昂贵，也是一大块成本。另外其它方面如真空系统、高频腔、大型探测器等，哪一个在花钱时也不是省油的灯，成本会直线蹿升。

大型强子对撞机的设备，没有不贵的

等我们花了大价钱建成了CEPC，事情还没完，这么大的科学装置不能闲着，要连续工作，其长期运行和维护的成本未必就比建造费用低，有可能还更高，每年都得拿出一大笔钱投入其中，是名副其实的“资金黑洞”。

关键是CEPC只是能观测到比较多的希格斯粒子，要想研究标准模型之外的超对称理论，还需要进一步升级为超级质子对撞机SppC，能量达到欧洲LHC的7倍。它的建造和运行费用比CPEC更高，吞金能力更强。所以，一旦CEPC和SppC上马，将是连续几十年的高强度投入，耗费纳税人上千亿的巨大资金，并如杨振宁所说，很多其它科学项目都得给它让道。那么我们能从中获得什么呢？

CEPC的隧道结构，长达100公里

我们花几百上千亿，能得到什么？

首先，假如真的验证了标准模型或超对称理论，这会对全人类的科学进步做出贡献。您可能觉得这和老百姓没啥关系，其实不然。现在我们人类的科技发展越来越深入，很多技术已经深入微观世界，遇到了瓶颈，好像被“智子”锁死了一样。

如果在基本理论方面能有所突破，也许能引发新的技术革命。其实我们生活中就有利用基础物理学的例子，比如医院里的核磁共振，就是利用电子的自旋来分析人体结构的，而量子通信等新技术的发展也极其依赖基础理论。

其次，由于对撞机建在中国，外国科学家要想做实验就得向我们申请，这样就在一定程度上掌握了高能物理学科研领域的话语权。此外，在大型对撞机本身的建造过程中，就需要攻克加速器技术、粒子探测、辐射防护、材料、超导、电子学等一系列难题，会推动相关学科和工业的发展。

现在，还是让我们回到前面的问题：为了获得以上收益，让我国付出200亿美元的成本，到底值不值呢？其实没有定论，相信大家各有各的判断吧。

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