中国科学院院士王贻芳：发展科学和技术领先的大科学装置实际是占领科技制高点的必须

以下为演讲全文:

王贻芳：我给大家介绍我们在探索宇宙，探索微观粒子世界当中特别是过去一两百年的发展历史，当然我们也需要回顾到更早。

人类自从诞生以来，应该说对于外部世界的兴趣一直是存在的。2000年前，再早已经没有记录了，2000年前我们知道希腊人对整个宇宙，对空间，对粒子，对微观世界都有很多思考，甚至提出原子论的设想，提出整个物质世界是由水、气、火、土四种元素构成的。类似想法在中国也是存在的，中国人有金木水火土，我们也讨论道生一、一生二、三生万物，大家对世界的好奇心是一直存在的，这个世界是不是能够被真正认识？我们在孩子的时候都举头望过天上的星星，你们心里在想什么？能不能想象有一天对满天的星星有一个彻底的了解，能够解释它，给它一个数学公式描述出来？这是一个很难回答的问题，不一定有答案。

经过过去几十年上百年的努力，今天我们对物理世界无论是微观还是宏观都有非常清晰的了解。从原子说、分子说到元素周期表、原子、夸克等等，经过几百年的研究，从物质结构的层次差不多有五个，其发展本身源于科学的兴趣，大家希望理解物质是怎么构成的。在这过程中，每个层次都发展出新的科学，比如化学、原子物理、凝聚态物理、核物理等等。对物质最基本成分及其相互作用的研究，实际是过去几百年近代科学发展的根本动力之一。

我们研究物质科学的手段很简单，最早我们用显微镜，显微镜用光子和物质发生相互作用，我们的眼睛去看它，最后能看到的最小尺度就是光子的波长，也就是10的负7次方米。光子的波长显然很长，如果想看得再小怎么办？用电子显微镜，电子的波长比光子的波长要小得多得多，至少差了三个量级。想看得再小怎么办？很自然，我把电子加速一下，电子的能量越高，波长越短，看到的尺度越小，我们从10的负10次方看到了10的负15次方，这就是我们整个物质结构研究的基本手段。为了看到更小的结构，首先要加速，要有探针，从光子、电子到质子，建设加速器。另外一方面有眼睛，过去用裸眼，现在可以用新的科学仪器，可以看得更加清楚。30年代开始，劳伦斯发明了回旋加速器，把电子能量或者质子的能量从0.0001GeV提升到1GeV，提升了差不多四个量级，1GeV是10的9次方电子伏特。2008年欧洲核子中心大型强子对撞机建成，能量提高到14000GeV。可以看到，过去七八十年，整个加速器的能力提高了八个量级。这八个量级的提高，我们从中收获了什么？

首先，对构成世界的基本粒子有了清晰的了解，知道整个物质世界有质子和中子构成了原子核，中子和质子由夸克构成，1964年盖尔曼提出夸克模型，质子和中子还有其他当时发现的各种各样的强子，都由这三种夸克构成。1974年丁肇中和Burton Richter发现第四种粲夸克的存在，这之后一切变得一定程度的顺利，我们发现第五种夸克底夸克，发现第六种夸克顶夸克，经过几十年的努力，我们把构成整个物质世界的基本成分,叫作夸克，搞得非常清楚，都找到了。还有另外一大类粒子，我们发现最基本的粒子第一个就是电子，1897年发现，目前为止还没有找到电子内部有结构的证据，目前为止电子仍然是基本粒子。这之后发现缪子，比电子稍微重一点，其他的相互作用性质完全一样。1956年发现全新的粒子：中微子，一开始我们不知道有多少中微子，后来发现中微子跟轻子完全对应，每个轻子都对应着一个中微子。

这个事情就比较简单了，我们发现还有一个更重的轻子，发现了跟它对应的Tau中微子。这个世界变得非常简单，有六个夸克，有六个轻子，非常清楚，自然会问，有没有更重的夸克，有没有更重的轻子？很奇怪，没有，我们也不知道为什么没有。但是整个世界基本粒子只有三代，没有更多的粒子，这就是粒子物理现在所谓的标准模型。标准模型告诉我们，物质由三代轻子和夸克构成，12种基本粒子，还有传递相互作用的粒子，传递电磁相互作用、弱相互作用等。今天我站在这里能够被看见，那是因为光子传递了电磁相互作用，光子也是一个基本的粒子，传递相互作用。电磁相互作用和弱相互作用可以统一起来，用一个方程式来表达，大家看这个杯子上面的方程式，把所有的相互作用都用一个方程式表达出来，包括电磁相互作用、弱相互作用等等。在这个过程当中还有一个最困难的问题，就是质量的起源问题。我们杯子上的公式要能够成立，所有的基本粒子必须没有质量，如果有质量，这个公式有问题。

电子是有质量的，夸克是有质量的，理论的需求和实际的实验结果是矛盾的，1964年希格斯提出来完全新的想法，其实这些粒子本身都是没有质量的，但是我们整个世界充满着希格斯场，都会跟这些粒子发生相互作用，这些没有质量的基本粒子就在这个环境当中像穿了一件衣服一样，获得了后天的质量。我们整个世界像打补丁一样被描述出来，穿了衣服像打了补丁，不管怎么样，它有效，我们实验上发现了希格斯粒子，基本粒子标准模型完全成立。

都成立了，所有粒子都发现了，是不是我们的粒子物理就结束了？有人说可以休息了。但事实上我们知道，从粒子物理研究的专业角度来看，我们还有很多问题没有解决，比如说基本粒子还能不能再分。轻子和夸克有非常严格的对称性，2×3的矩阵，为什么？如果没有底层的结构，为什么会呈现出这样漂亮的对称性？无法解释。电和磁及弱相互作用可以统一，它们跟强相互作用能不能统一？跟引力相互作用能不能相统一？如果引入新的粒子的话，引入新的相互作用的话，就可以统一。

我们希望寻找基本粒子在更高能量下的统一。同时宇宙学对粒子物理也提出巨大的挑战，宇宙学，特别是天文观察中说有暗物质粒子，但现在没有看到，不知道在标准模型当中放到哪个位置，标准模型当中没有暗物质粒子的位置。宇宙大爆炸的时候，我们下面会讲宇宙学模型，一定有一个所谓的正的宇宙和反的宇宙，有正粒子和反粒子。目前在整个宇宙当中，没有看到一个反质子外面正电子绕着转，如果宇宙大爆炸起始的时候不带电的话，是中性的话，一定有一个正物质世界和反物质世界，一定有质子对应着反质子，是对称的。反物质粒子为什么不存在？显然是非常奇怪的问题。实际上现在的物理粒子标准模型并非终极理论，只是在现在的加速器能量范围之内大约在100GeV左右有效能量下的所谓有效理论。这些新的问题，包括中微子有质量，都要求我们修改粒子物理标准模型，怎么修改？我们不知道。

另外一个方面，我们要看宇宙，从天文学的研究，从伽利略发明望远镜开始，我们开始对星空探索，除了人眼之外有了设备，有各种各样的望远镜，从可见光、红外、射频、伽马、带电粒子、中微子、引力波，所有这些手段都用上之后，我们对宇宙有一个非常清晰的了解，有一个基本的宇宙学标准模型。宇宙学的标准模型，把宇宙完全用数学模型非常清楚地描述出来，除了前面发白的地方，发白的点是宇宙大爆炸的起点，还有前面发白的暴胀过程，我们对它的了解也有一定的不确定性，不太了解，除此之外，在这之后对它的整个了解应该说非常清楚，我们完全可以定量把它描述出来。大爆炸的宇宙模型基于大量科学观测的事实，特别是宇宙正在膨胀，这是观测事实。我们测量到的宇宙微波背景辐射和理论预期完全一样，我们也测量了宇宙当中星体、宇宙射线等各种各样元素的丰度，发现元素的丰度跟早期大爆炸后的核合成理论预期完全一样。从早期的爆炸到所谓黑暗时刻之后，产生了基本的粒子，基本粒子发生相互作用产生物质，这些物质聚合成为天体，再成为今天这个样子，我们已经了解得非常清楚。

当然这里面不是没有问题，我们还有很多问题，包括暗物质、暗能量、反物质的问题，理解宇宙最早期的暴涨附近的过程，我们需要粒子物理的知识，后面的这些也是基于物理学的知识。前面不太理解的地方主要依靠物理学知识。无论从尺度还是能量，还是其他方面表达，最终我们要理解宇宙起源的地方，需要最微观的粒子物理知识和最宏观的宇宙学知识两者相互结合，才能把这些问题了解清楚，解决还没有解决的这些问题。

高能所做高能物理，非常惭愧，中国对刚才所说的两个标准模型：粒子物理和宇宙学标准模型的建立基本没有太多贡献。从80年代开始建设了北京正负电子对撞机，本世纪初开始建设了大亚湾中微子实验，在过去的三四十年一直在努力奋力追赶。第一个加速器是北京正负电子对撞机250米，现在希望建设的下一个对撞机想跳大约三个量级，周长100公里。第一个大亚湾实验是20吨的质量，现在的江门中微子实验室是2万吨，也是三个数量。从小的地方开始，我们不断希望提高国际竞争力，能够使得我们真的在物理学、宇宙学后面的发展中能够赶上国际的水平。这里面具体的科学问题就不介绍了。

我们要建设的100公里周长环形正负电子对撞机就是为了寻找新物理，从250米的小加速器，当时国际上最大的加速器是27公里，也就是说我们跟别人差了差不多三个量级以上的距离。到现在我们可以跟世界上最强的粒子物理研究单位做竞争，包括欧洲、日本、美国。我们提的方案，无论从造价、指标、时间都有非常强的竞争力。

同时，我们也在推动很多未来技术的发展。可以看到，这样一个装置无论在科学上还是技术上都有它的正面作用。我们跟国际上正在设计和建设的各种同步辐射光源比，它也是一个非常强烈的竞争对手，除了它的基本粒子物理研究内容之外，可以给应用同步辐射做很多贡献。右上角的图可以看到隧道除了做正负电子对撞机之外，将来可以用来做别的对撞机比如质子对撞机。

另外一个江门中微子实验，经过十年的建设，今年大约八九月份正式启用，这是世界上正在设计建设的三大中微子实验当中第一个完成的实验，另外两个一个2028年完成，一个2032年完成。我们希望能够在未来的五年到十年当中能够在中微子研究的很多方面，包括质量、振荡、性质等方面能够取得国际领先的成果。规模可以从这张图片上看到，几十个人在球底下，那只是一个很小的部分。

粒子物理是极小和极大的结合，我们高能所也有大量宇宙学的研究。现在在天上正在运行的有两颗卫星，一颗叫作慧眼，一颗叫怀柔一号，还有跟国台联合研究的EP X射线望远镜，正在研制慧眼2号和在中国空间站上的高能辐射探测装置。通过这些装置，研究宇宙线的起源和加速，黑洞、超新星、脉冲星等所谓重要天体物理的过程，解决我们刚才提到的这些问题，这是在天上的。

在地面上，我们有四川稻城的高海拔宇宙线观测站，在西藏阿里的原初引力波望远镜，超高能伽马射线望远镜，对中微子的研究有江门中微子实验，同时规划水下的高能中微子探测器。

加速器其实有非常广泛的应用，我们日常生活离不开加速器，平时估计在座各位都会碰到，我们的食品、医药药品、电缆、农业育种、质子、中子和重离子治癌和核废料处理、安检都需要加速器，同步辐射和自由电子激光对其他领域的研究也非常重要。

刚才大家都说过了，粒子物理使得我们的互联网经济有今天，1989年Tim Berners Lee发明了万维网WWW，这个技术欧洲核子研究中心向全世界公开，1993年促进了当时互联网的发展，在这之后有了网景、雅虎、搜狐等等，所有这些企业全都起来了。今天世界上有18.4亿个WWW网站，粒子物理给全世界的老百姓带来了日常生活当中的一些收益。

北京正负电子对撞机也给我国的高技术互联网带来了很多重要的影响，北京正负电子对撞机1988年建成，这之前1986年中国有第一条国际计算机通讯线路，对外发出了中国第一封E-mail，当时全中国只有高能所有对外的E-mail联络，所有中国的顶尖科学家和所有驻中国的外国大使馆都要到高能所来发E-mail，高能所也建立了中国第一个WWW网站，这个网站“中国之窗”，所有外国人要看中国的信息要到这个网站上看一看，可惜我们没有把它发展成中国的雅虎。

发展科学和技术领先的大科学装置实际是占领科技制高点的必须，科学和技术互相依存、互提需求，也互相帮助，这样的大科学装置实际上是占领科技制高点的必须。我们跟国际上还有很大的差距，欧洲有大型强子对撞机，美国有LIGO发现了引力波，美国的韦伯望远镜将近1000亿元人民币。北京正负电子对撞机、“天眼”还有江门中微子实验，江门已经是国内最大的大科学装置，还差了一个量级以上。无论是装置的规模，还是对装置的总投入，我们还有很大的差距，如果要想在2035年像刚才王校长说成为世界科技强国，这十年非常关键，应该说任务非常艰巨。建任何一个大装置，至少十年。

在座的年纪大一点的可能都看过北京奥运会的开幕式，当然很震撼，造纸、毛笔、印刷、太极等等。四年之后在伦敦奥运会开幕式，人家打出来的是原子核，里面出来CERN的标志，这位Tim Berners Lee最后从球里面升出来，这是人家的骄傲。百年之后再开奥运会，希望我们不再依赖古人的成就提高我们的民族自豪感，我们占世界1/4的人口和GDP，应该有等比例对人类文明的贡献，这也是我们应该有的软实力。