楊振寧、丘成桐、王貽芳之爭：中國是否應該建造大型對撞機

21世紀以來，中國科學界最有名的論爭應該就是楊振寧王貽芳丘成桐之爭了吧。一位是世界範圍內的物理領域權威泰斗，一位是中國高能物理界領軍人物，還有一個是對 微分幾何和數學物理的發展做出了重要貢獻、斬獲菲爾茲和沃爾夫獎的數學大牛。而三個人爭論的焦點就是中國是否應該建造大型對撞機。

王貽芳、楊振寧、丘成桐

大型對撞機是粒子物理科學家爲了探索新的粒子，和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備。

大型對撞機局部圖

過去幾十年來，物理學家不斷在細節上加深對構成宇宙的基本粒子及其交互作用的瞭解。瞭解的加深讓粒子物理學的“標準模型”變得更爲豐滿，粒子物理學的“標準模型”是指關於已知物質 的微觀最基本單元——輕子和夸克，最基本相互作用（三種規範相互作用：強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用），產生粒子質量機制——黑格斯機制及其量子——輕子、夸克、希格斯粒子和規範相互作用的量子相互作用和轉化的基礎理論。

粒子標準模型的內涵（特別是強作用引起的手徵相變，夸克、膠子、等離子體以及色超導相變的規律和條件等）和應用讓人類對微觀世界的認識推向更加深入的層次（如超對稱，大統一，額外維時空等）。此外，標準模型的成功，推動了天體物理、宇宙學和核物理等學科的重大發展，誕生了新的交叉學科（如粒子宇宙學，高能天體物理學等）。

但這個模型中仍存在縫隙，以至於我們無法繪製一幅完整的關於微觀世界的圖畫。爲了幫助科學家揭示粒子物理學上這些關鍵性的未解之謎，需要大量實驗數據支持，大型對撞機便擔負起“數據提供者”的角色，這也是非常重要的一個步驟。大型對撞機能夠將兩束質子加速到空前的能量狀態而後發生相撞，此時的撞擊可能帶來意想不到的結果，絕對是任何人都無法想象的。

簡單來說， 大型對撞機有望揭開宇宙起源的奧秘在內五大謎團。即96%的宇宙由什麼構成； 爲什麼找不到反物質；物質在宇宙誕生後的第一秒呈什麼狀態；物質在宇宙誕生後的第一秒呈什麼狀態；空間的額外維度真的存在嗎？

所以面對大型對撞機可能帶來的好處，2012年以來，一些高能物理學家紛紛建議中國應該修建大型對撞機。

2016年，著名數學家丘成桐在答媒體的《關於中國建設高能對撞機的幾點意見》掀起了這場論戰的序幕。“一百年來，多少智慧，多少金錢，投入到一些看來沒有用的基礎科學上。但是這些投資卻成就了今天西方國家文化的基礎。”丘成桐寫道，“今日的中國，已非吳下阿蒙，難道不需要爲這個人類最崇高的理想作點貢獻？”

丘成桐在公開演講中表示：“小的不能再小的粒子，經過100公里碰在一起，這需要一個很精細的機器才能做得成功。所以我們需要製造精度空前的探測器和發展強化的數據處理、存儲與傳輸的新技術。每個地方都會對中國有很大的貢獻。”

2016年9月初，在微信公衆號 “ 知識分子 ” 上，楊振寧發表了一篇文章《中國今天不宜建造超大對撞機》，反駁了丘成桐此前發佈的一篇文章《丘成桐：關於中國建設高能對撞機的幾點意見並回答媒體的問題》。此後，王貽芳加入了論戰，由此，掀起了這次論戰的高潮。

楊振寧對於大型對撞機有非常深入的研究。因爲粒子物理學“標準模型”的建立，楊振寧作出了卓越的貢獻，楊振寧提出的Yang-Mills規範理論，這是整個粒子物理標準模型的基礎。標準模型的兩大部分電弱統一模型和量子色動力學（QCD）都是靠Yang-Mills規範理論建立起來的，其中電弱統一模型直接用了他提出的SU(2)，量子色動力學在他的基礎上擴展到了SU(3)。標準模型的建立已經成全了7次諾獎。而他斬獲諾獎的宇稱不守恆同樣對“標準模型”的建立發揮了巨大的作用。

電弱統一模型

所以在這方面具有豐富經驗的楊振寧認爲中國在現在這個時間點建設大型對撞機沒有必要。

楊振寧給出了他的意見：

楊振寧的話其實還是有些實際道理的，1983年7月，美國打算全力建造一個“世界最大”的加速器。資深物理學家戴維·傑克遜將它命名爲“超導超級對撞機”。1986年完成了雄心勃勃的工程方案：環形粒子加速器周長87.1公里，隧道位於地下70米，8662塊超導偶極磁鐵用10個冷凍廠的液態氦維持在4.3K低溫，接近光速的兩束質子在4釐米孔徑中以40萬億電子伏特能量迎頭相撞，模擬出宇宙大爆炸後瞬間的物理環境，找到希格斯玻色子和其他新粒子。預計總成本44億美元。

德克薩斯超導超級對撞機工程開挖的隧道和豎井

然而隨着工程造價太高並不斷攀升。1989年預算爲59億美元，1991年達82.5億美元。引起了美國史上最大的一次爭議，那就是建造這個有什麼用，耗費如此大的資金。

最終，1993年，國會衆議院以280票對150票的懸殊比例通過決議，將總預算已增至110億的超導超級對撞機“就地正法”。美國“超導超級對撞機”成爲世界上最大的“科學廢墟”。

建造大型強子對撞機的確費用太高，即使是美國也負擔不起如此高額的費用，而且短期內無法看到任何成果。只能寄希望於“運氣”。

成爲一片廢墟

而日本的超級神岡中微子探測實驗投入建造只花費了1億美金，目標是探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河系內超新星爆發。從1983年建造，到如今，已經出現了2位諾獎。實現了最小的投入最高的產出。

另外也可以做一個對比，“天眼”（FAST）大家都熟悉，造價大概是10億人民幣，散裂中子源20億人民幣，北京正負電子對撞機8.8億人民幣，所以你會發現，造大型對撞機成本的確很高。

所以，也可以理解楊振寧爲什麼會反對建設大型強子對撞機。

而王貽芳則認爲建造大型強子對撞機利大於弊，王貽芳是中國高能物理界的領軍人物，2012年3月8日王貽芳團隊實驗測得新的中微子振盪模式，該實驗入選美國《科學》評選的“2012年十大科學進展”。

王貽芳則認爲在這方面其他國家花的錢比這更多，歐洲的大型強子對撞機55億歐元，還沒建的“未來環形對撞機”第一步計劃投入90億歐元。用他的話來說，與其做很多“小東西”，不如建個大的，三年後開始建，2030年完成，如果比競爭對手歐洲核子中心的未來環形對撞機快，對人才引進和培養大有好處。

環形對撞機設想

在王貽芳的設想裡，可在地下挖掘環形通路，先後建造正負電子對撞機和質子對撞機。正負電子對撞機的對撞能級較低，但它的建設可爲質子對撞機節省成本。與LHC相似，質子對撞機在環形通道內使用質子對撞。物理學家設想的中國對撞機的通道長度將是LHC的2—4倍，對撞能級達70—100TeV或100—140TeV，遠超LHC的14TeV。計劃，中國的對撞機將在初期階段只針對電子，且對撞能量僅有能量240 GeV，而後期則逐漸開足馬力進行質子對撞。這會是一個兩倍於LHC的環形粒子對撞機，周長達到了52公里，能量能夠較LHC提升五到十倍。

另外，王貽芳也提出歐洲的大型對撞機的確也做出了成果，2012年7月4日，歐洲核子研究中心更是震驚了整個世界。兩年以來，大型強子對撞機的兩個獨立團隊各自集結3000名科學家，從800萬億次質子對撞數據中大海撈針，分別於5月13日和6月10日發現了“上帝粒子”希格斯玻色子，實現了高能物理學家半個世紀的追求和夢想。至此，粒子“標準模型”的最後一塊“拼圖”終於找齊了。

上帝粒子

2013年10月8日，比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國物理學家彼得·希格斯共同獲得諾貝爾物理學獎，他們在1964年便獨具慧眼，預見了希格斯玻色子的存在，如今最終得到證實。

2018年8月，歐洲核子研究中心宣佈，該機構人員用大型強子對撞機（LHC）加速了電離的鉛原子，這是該設備首次用於加速原子。

歐洲粒子物理研究所科學家將質子與鉛原子放入大型強子對撞機

另外王貽芳認爲中國對基礎科學的投入越來越多，對於大型對撞機的投入並不會影響對其他基礎科學的投入，而且還有利於吸收人才。

兩個人的爭論在中國科學界掀起了巨大風波，一大批科學家紛紛站隊，甚至擴散到了全球，個大物理學家都紛紛闡述了自己的意見。

比如牛津大學物理系 Daniela Bortoletto教授認爲：大型粒子對撞機不可取代，利大於弊，希格斯玻色子的研究非常重要，中國如建成將從各方面受益匪淺。

但德國馬克思普朗克研究所 Christoph Keitel 教授則持反對意見：

“高能物理學界需要研發效能更高的加速器，例如激光粒子加速器就很有潛力。歐洲大型強子對撞機（LHC）投入產出比已經相當不錯。對於“中國規劃中的對撞機獲得的成果能顯著超越歐洲大型強子對撞機”的說法，我持謹慎態度。”

而著名物理學獎得主菲利普·沃倫·安德森以及戴維·格羅斯更是髮長文支持楊振寧，認爲建大型對撞機代價昂貴，可探索其他研究方式。格羅斯則直言中國如重複美國的錯將是悲劇。

安德森

這兩位都是在粒子物理中中做出過卓越成就的科學泰斗，菲利普·沃倫·安德森憑藉磁性和無序體系電子結構的基礎性理論研究斬獲諾獎，而格羅斯則是對量子場中夸克漸近自由過程中的開創性發現

迄今爲止，依然沒有爭論出一個結論。衆多科學家針鋒相對的發言在互聯網上引發了一波又一波激烈的辯論。然而，辯論不斷升級，甚至還有科學媒體邀請了支持反對兩方的科學家在互聯網上進行公開論爭。

然而迄今爲止，依然沒有爭論出一個結論。

如今，中國大型對撞機已經確認建設，到時候是否會有巨大的發現，就會給這場21世紀中國影響最大的科學論爭劃上一個句點！一切就交給時間吧！