楊振寧100歲了！2021年9月23日是我國著名物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧先生的百歲誕辰，他以“但願人長久，千里共同途”為題發表了演講。楊振寧對現代物理學作出了非常突出的貢獻，曾與米爾斯提出楊·米爾斯理論，與李政道合作提出弱相互作用中宇稱不守恆定律，並獲得了1957年諾貝爾物理學獎。
除了這些重要學術成就外，楊振寧在生活方面也一直受人關注，例如其前妻是杜聿明之女杜致禮，現任夫人是28歲時嫁給他的翁帆（當時楊振寧年已82歲）。現在楊老100歲了，思維依舊敏捷，實在是令人敬佩。
楊振寧在百歲生日發表演講
而最近幾年，關於楊振寧最重要的話題之一，就是他和中科院高能物理研究所（簡稱“高能所”）所長、高能物理學家王貽芳院士之間的爭論：中國該不該花費巨資建設超大型的環形正負電子對撞機CEPC，以及後續的超級質子-質子對撞機SppC。
超大型對撞機之爭
楊振寧的觀點概括起來就是這玩意兒燒錢太多，建造CEPC和SppC加上執行維護費用至少得200億美元，相當於1300億人民幣左右，但對我國物理學發展的正面效果有限，而且它們要驗證的物理學理論未必就一定正確，要找的新粒子如超對稱粒子也未必一定存在，如果找不到怎麼辦？並且這麼大的資金需求還會擠壓其它專案的預算。而我國還是發展中國家，資金不寬裕，說白了就是“不值”，因此不應該建。
而支援建造的王貽芳院士的理由是：我國一直以來沒有超大型對撞機，粒子物理的話語權一直掌握在歐美手中。現在歐美的大型對撞機已經不能滿足物理學的發展，而新專案由於種種原因還沒有定論，此時我國上馬超大型電子對撞機，可以實現彎道超車，一舉佔領這塊高地，極大的促進我國粒子物理學的發展。而且據他估計建設CEPC有360億人民幣就夠了，現在以我國的國力，拿出這些錢不成問題。
中科院高能所所長王貽芳院士
雖然在王貽芳院士眼中，這麼大的科學工程花360億不算多，但在我們吃瓜群眾看來，不管是200億美元還是360億人民幣，都是個天文數字！要知道尼米茲級核動力航母的造價才45億美元，360億人民幣足夠造一艘還有餘。如果將來更升級成超大型質子對撞機SppC，那更是天價，楊振寧說的200億美元其實是在說CEPC加上SppC，這筆錢能造四五艘核動力航母了。
其實中科院高能所現在就擁有著名的北京正負電子對撞機BEPC，在當年建成時是價效比的典範，讓我國用相對不算大的投資，佔據了對撞機領域的一塊重要地盤，現在BEPC已經接近使用壽命。為什麼下一代的CEPC就需要這麼大的投資呢？它到底是幹啥的，貴在哪裡呢？
CEPC成本堪比尼米茲級核動力航母造價
對撞機是幹啥的？
原來，對撞機聽起來好像就是讓正負電子迎頭相撞，實現起來可沒有那麼簡單，尤其是超高能量的CEPC，要建成它需要用到各行各業的技術。很多人包括人馬君一開始都搞不明白：讓電子對撞的目的何在，撞了個寂寞嗎？當然不是，這是現代物理學研究的一個重要手段，目的是解決一個重要問題：物質是由什麼構成的。
在古代，人們對這個問題一無所知，認為物質是由金木水火土五種元素組成的。後來隨著化學等學科的發展，才知道組成物質的是一個個微觀的原子。到了上百年前，物理學家透過試驗發現原子還可以細分，陸續找到了質子、中子和電子，建立了原子和原子核的理論模型。
原子核與電子
再後來，科學家預言質子和中子還可以再分，它們由各種各樣的夸克構成。那麼物質是不是可以這樣無窮無盡的細分下去？夸克又是什麼構成的呢？於是物理學家丟擲了各種各樣的理論，終於構建了一個“標準模型”，一舉統一了強相互作用、弱相互作用和電磁力，並認為我們的世界由60多種基本粒子構成，這些基本粒子再組合成質子、中子等較重的粒子。楊振寧提出的楊·米爾斯理論就是標準模型的重要基石。
標準模型在某些粒子還未被發現時就預言了其存在，因此很有希望實用物理學家永恆的夙願：用一個理論來完美解釋大千世界。
物理學家就喜歡用一個理論解釋整個世界
但是現實世界中我們只能觀測到有限的粒子，例如質子、中子、電子、中微子等，要想了解夸克以及更細分的微觀世界，自然界中沒有這個條件，必須把質子、電子這些基本粒子打碎，才有可能發現比它們更微觀的粒子的蛛絲馬跡。因此才需要建造對撞機，讓粒子迎頭相撞，大力出奇跡，看看有什麼驚喜。
而標準模型中有一個極為重要的粒子——希格斯粒子，也被稱為“上帝粒子”。這個粒子相當神奇，其它粒子的質量就是透過它來獲得的。但希格斯粒子很難出現，需要有極高能量的對撞機才能發現並研究，人們將這類對撞機稱為“希格斯工廠”。假如人們能夠透過對撞機制造出大量希格斯粒子，並搞清楚它的性質，就能在很大程度上驗證標準模型的有效性。
歐洲的LHC大型強子對撞機用質子對撞的方法發現了希格斯粒子，但質子由夸克組成，對撞的時候亂七八糟的資訊太多，不如正負電子對撞來得純粹，所以王貽芳院士才建議先搞CEPC電子對撞機，能量為240GeV，足以產生大量希格斯粒子，並對它進行精確的測量。將來再在同一位置建設一個更高能量的SppC超大型質子對撞機，去尋找超出標準模型的超對稱粒子。那麼怎樣才能把質子和電子加速並且對撞呢？
超大型環型正負電子對撞機CEPC的組成
怎麼才能加速帶電粒子並讓它們對撞？
基本原理很簡單：質子和電子都帶電，只要帶電就比較好辦，在正負極之間施加一個電場，帶電粒子就會在電場作用下加速，獲得能量。電場越強，獲得的能量就越大。於是就出現了讓粒子經過一個或幾個高壓電場加速的直線加速器。不過在這種加速器中，一個電場只能加速一次，效率太低。
後來勞倫斯發明了迴旋加速器，讓帶電粒子在磁場的作用下繞圈圈，每繞半圈就經過一個交變電場，從而被多次加速。但迴旋加速器的磁場不變，結果就是帶電粒子的轉圈半徑越來越大，要想提高能量，就得把磁鐵和電極做得越來越大，越來越重，到一定程度就無法接受了，而且還會因為相對論效應而逐漸和交變電場的頻率不合拍。
我國第一臺迴旋加速器
但這難不倒聰明的人類，我們又發明了“同步加速器”，這是一個固定周長的圈，用強大的磁場把帶電粒子緊緊地箍在這個圈裡面，相當於粒子運動的路徑是固定的。這需要相當多的磁鐵，有的負責偏轉粒子的方向，有的負責把粒子流聚焦成束。
然後在某些位置設定多個高頻腔，加上高頻的高壓電場，粒子穿過高頻腔時，剛好處在被加速狀態，這樣它的能量就會不斷提高。但這樣一來，粒子的速度越來越快，每轉一圈的時間越來越短，因此高頻腔裡的高頻電場頻率，以及約束磁場的強度都要不斷變化，與粒子的運動同步，所以才叫“同步加速器”。
一臺質子同步加速器，能看到大塊的磁鐵
而同步加速器中的帶電粒子束也不再是一個完整的束流，而是多個“束團”。如果建造兩套粒子執行方向相反的裝置，然後讓加速後的粒子束團在某個位置相撞，並在附近架起探測器記錄對撞過程中產生的新粒子，這就是對撞機了。實際的對撞機採用的是多級加速，先用一個或多個直線或同步加速器把帶電粒子加速到一定能量，再引導它們進入儲存環（對撞環），進一步加速和對撞。對撞機的原理是不是很複雜？一看就便宜不了！它的成本主要有哪些呢？
建一臺超大型對撞機有哪些成本？
首先你得挖一條長長的隧道來容納這個巨大的儲存環，這條隧道必須深埋在地下，以減少宇宙射線的干擾。由於儲存環直徑越大，粒子最終能獲得的能量也越大，因此這個隧道往往需要幾十公里。
例如歐洲核子研究中心CERN的大型強子對撞機LHC，儲存環的隧道長度達到了27公里。而CEPC的對撞環隧道長度更是達到了100公里，直徑達6米。要知道我國最長的鐵路隧道是莞惠城際鐵路松山湖隧道，長度才38.8公里。雖然我國被譽為“基建狂魔”，搞個100公里長的隧道不是太大的難題，但這造價肯定能驚掉不少人的下巴。
歐洲的大型強子對撞機LHC隧道長達27公里
所以，王貽芳院士也提到，這條隧道不僅要給CEPC電子對撞機用，還需要考慮未來在裡面再建一個SppC超大型質子對撞機，這樣就不用再挖新的隧道了。其實隧道的費用還只是剛剛開始，前面說過要用磁鐵來產生強大的磁場，偏轉和聚焦粒子束，這些磁鐵的體量非常大，光是鋼鐵就需要幾萬噸。
而且下一步如果要搞超大型質子對撞機的話，由於質子質量遠比電子大，用普通的電磁鐵已經不能滿足要求，必須要用超導磁鐵，現在的超導材料需要用液氦冷卻到絕對零度附近，實現低溫所需的系統龐大又昂貴，也是一大塊成本。另外其它方面如真空系統、高頻腔、大型探測器等，哪一個在花錢時也不是省油的燈，成本會直線躥升。
大型強子對撞機的裝置，沒有不貴的
等我們花了大價錢建成了CEPC，事情還沒完，這麼大的科學裝置不能閒著，要連續工作，其長期執行和維護的成本未必就比建造費用低，有可能還更高，每年都得拿出一大筆錢投入其中，是名副其實的“資金黑洞”。
關鍵是CEPC只是能觀測到比較多的希格斯粒子，要想研究標準模型之外的超對稱理論，還需要進一步升級為超級質子對撞機SppC，能量達到歐洲LHC的7倍。它的建造和執行費用比CPEC更高，吞金能力更強。所以，一旦CEPC和SppC上馬，將是連續幾十年的高強度投入，耗費納稅人上千億的巨大資金，並如楊振寧所說，很多其它科學專案都得給它讓道。那麼我們能從中獲得什麼呢？
CEPC的隧道結構，長達100公里
我們花幾百上千億，能得到什麼？
首先，假如真的驗證了標準模型或超對稱理論，這會對全人類的科學進步做出貢獻。您可能覺得這和老百姓沒啥關係，其實不然。現在我們人類的科技發展越來越深入，很多技術已經深入微觀世界，遇到了瓶頸，好像被“智子”鎖死了一樣。
如果在基本理論方面能有所突破，也許能引發新的技術革命。其實我們生活中就有利用基礎物理學的例子，比如醫院裡的核磁共振，就是利用電子的自旋來分析人體結構的，而量子通訊等新技術的發展也極其依賴基礎理論。
其次，由於對撞機建在中國，外國科學家要想做實驗就得向我們申請，這樣就在一定程度上掌握了高能物理學科研領域的話語權。此外，在大型對撞機本身的建造過程中，就需要攻克加速器技術、粒子探測、輻射防護、材料、超導、電子學等一系列難題，會推動相關學科和工業的發展。
現在，還是讓我們回到前面的問題：為了獲得以上收益，讓我國付出200億美元的成本，到底值不值呢？其實沒有定論，相信大家各有各的判斷吧。
