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参与超导超级对撞机国际合作始末

 
撰文 | 应家骊(原西安航空发动机(集团)公司外贸处长)
责编 | 吕浩然
 
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缘起
 
对撞机是各国物理学家们研究物质结构的重要手段之一。上世纪八十年代计划研发的超导超级对撞机由于能量特别大(20TeV),物理学家们希望可以用其进行更加复杂和深层的研究,如物质本质和宇宙起源等,试图揭示大自然的奥秘。
 
1993年初我国决定参加超导超级对撞机的国际合作,该项目是当时的最前沿, 也是世界历史上高科技领域最重大的基础科研国际合作。其主要目的是提高我国的科研和工艺技术水平、促进科技进步,并在世界高科技领域占有一席之地,提高我国的国际地位。
 
为此,我国成立了国务院超级对撞机国际合作领导小组,当时的副总理朱镕基任组长,国务委员、科委主任宋健任副组长,其他几位成员均为正部级领导,包括国务院副秘书长刘志坚、国家计委副主任甘子玉、国务院经贸办副主任张寿、中国科学院院长周光召、航空航天工业部部长林宗棠等。林宗棠部长为常务成员兼办公室主任,负责合作工作的具体执行。爱国华侨、诺贝尔物理学奖获得者李政道先生鼎力推动和协助我国参与超导超级对撞机项目的国际合作。
 
从科学家们的角度看万物似乎总是从两个方面:微观和宏观。有趣的是,超导超级对撞机这项研究和微观、宏观都密切相关,它借助质子对撞从微观世界开始来研究宏观世界——宇宙大爆炸和宇宙的形成。不仅如此,一旦我们能够充分了解和认识基本粒子及其相互作用,也将有可能掌握和利用潜力极大的“粒子能”来造福人类和世界。
 
笔者参与对撞机高科技国际合作已是二十多年前的经历,虽然大学所学专业是航空,对高能物理这门科学懂得很少,但仍然觉得有不少值得回顾和受到启迪的事情。
 
超导超级对撞机SSC
 
对撞机是各国物理学家们研究物质结构的重要手段之一,它的出现经历了从直线加速器、高能同步加速器到环形加速器再发展到对撞机的过程,其质心能量也从百万电子伏特级(MeV)提高到十亿电子伏特级(GeV)。对撞机具有积累功能,能加速由前级加速器注入的两束粒子流,当其强度及能量达到预定大小数值时使粒子流在相向运动状态下发生对撞,并同时对粒子对撞破碎后的情况(又称事例)实时记录、测量和分析。全世界现存加速器超过2500台。
 
美国超导超级对撞机(SSC,Super-Conducting Super Collider)项目的能量则要更大,可达到兆兆(万亿)电子伏特级(TeV),可以进行更加复杂和深层次的研究。研究目标是探索和揭开物质最基本的特征和能量的奥秘,包括宇宙大爆炸及宇宙的形成等。该项目由美国牵头,参与合作的有中、俄、日、印、韩、德、台等15个国家和地区。最初美国学者们提出了课题和建议,得到了当时美国最上层的首肯,时任总统里根(Ronald Wilson Reagan)宣布美国将开发用于探究基本粒子的超导超级对撞机,并决定由美国能源部领导实施。1983年秋,能源部批准研究20TeV能量级对撞机的技术与经济可行性。
 
在完成了大量工作后,1989年美国在达拉斯建立了超导超级对撞机实验室SSCL(Super Conducting Super Collider Lab,我们称它为对撞机总部)并开始运作。1992年SSCL对超导超级撞机的关键工程作好安排,在进行或已完成某些基本项目(如磁体测试等)、实验任务得到了批准,并和中国、印度等多国签订了合作协议。整个工程初步计划1999年建成,初始预算40亿美元,不久调整为82亿美元,后来估计总费用达到110-150亿美元,就是在今天这也是一笔不小的资金。
 
这项特大工程得到了美国三届总统里根(Ronald Wilson Reagan)、布什(George Herbert Walker Bush)和克林顿(Bill Clinton)的支持,是投资未来的前沿科学项目。能源部声称把它作为科研项目的首选,认为超导超级对撞机的建设有利于维持美国在物理研究领域的领导地位。1989年已签订合同18000项,惠及46个州,并为美国提供大量就业机会:1993年提供了8000个工作岗位,1994年9300个岗位。参与合作的美国和世界各国的厂所院校710所,科学家、学者、研究人员逾千人。项目具有巨大的溢出效应,据建在瑞士和法国边境的欧洲核子研究中心(CERN)一项研究表明,在对撞机上每投入一美元将会产生三美元的经济效益。
 
超导超级对撞机用质子束(Positive & Negative Proton)作为粒子对撞。按设计,对撞机建在美国得克萨斯州达拉斯市附近地下直径超过4米的隧道里,深度12至76米,主要设备多在地下50米深处。项目共建造四段加速助推器,第一段长600米,第二段10.8千米,分别为低能和中能助推器,第三段高能助推器10.8千米,真正的实验区在第四段,是最后一段对撞环,周长87.1千米。四段均由电阻磁铁产生巨大磁场,后两段为超导磁铁。上万组超导磁铁产生的强大磁场会控制和聚焦质子流,使其每秒沿环道循环3000次,并能够选择和控制在最合适的时机发生对撞。除了加速装置外,对撞机还有其它许多结构复杂和精密的系统、设施,如大型量能器等。
 
在对撞过程中,加速器在周长达87.1千米的对撞环封闭管道内,把处于摄氏零下数百度的液态介质中的两束正负质子流加速到接近光速(0.9999999倍光速)进行对撞,此时质子流能量高达20TeV。能量极高的质子在巨大冲击力下撞击后粒子破碎,形成无数新粒子,这些粒子的运行轨迹(高能物理上称为径迹)和参数(能量、速度、质量等)由两个巨型的闪烁量能器SDC和电磁量能器GEM在极短时间内进行测量、记录和分析。
 
超导超级对撞机的加速器和探测器技术能够广泛应用于医疗、诊断、癌症治疗等。对撞机的实验和对超导磁体的研究也可以对研发高速列车、磁桨船、超速计算机、新一代测量技术、新一代X光技术、低损耗电力传输、磁能储存系统、环境(土壤)污染检测和处理及最具商业价值的新产品的开发等方面起巨大作用。
 
中途下马
 
1993年秋天,美国国会由于超导超级对撞机项目发生的费用大幅攀升,造成巨大财政赤字,认为挤占了其他项目的经费,决议停建超导超级对撞机。
 
当时适逢国会中期选举,不少新当选的议员对于超导超级对撞机的重大科学意义并不清楚,许多公众也不了解这个项目的长远价值,加上美国国家审计总署作出过对项目很不利的报告。为此,美国总统克林顿在10月12日写信给众议院,称“超导超级对撞机是美国政府最优先项目”,希望给予支持(参见附录(1)克林顿给国会小组委员会主席贝维尔的信),对撞机的主管单位美国能源部部长奥丽莱(H. R O'Leary)也给国会有关领导去信呼吁给予支持。10月14日,参议院不同意众议院的意见,决定继续支持该项目,并建议1994年为超导超级对撞机项目拨款6.4亿美元。随后在参、众两院代表联席会议上认同了参议院的6.4亿美元拨款方案,再提交审议。但众院再次否决了拨款的议案,并通过停建超导超级对撞机项目的修正案。
 
1993年10月21日,众议院和参议院达成一致,决定“终止超导超级对撞机项目以减少赤字预算”,当时已为超导超级对撞机项目投资约20亿美元。 
 
美国对撞机总部在对撞机项目停建后派来了几个代表团商讨有关收尾工作,中方介绍和提供了各个合作项目的具体情况和发生的费用清单,他们还访问了北京、西安、上海等地的有关单位,最后美方向我们提供了补偿费用,我国参与过合作的各有关单位得到了相应的补偿份额。
 
对撞机的下马在美国引起了极大的震撼,美国能源部部长奥丽莱就国会决议立即发表声明(参见附录(2)),她对美国国会决定停止对世界最重要的高科技国际合作项目超级对撞机拨款深感遗憾,并认为这一项目的取消会使科学研究工作受到损害,也会对美国在世界科技的领导地位产生不利影响。能源部将与科学家们一起探求继续在高能物理领域研究的其它方法,并向参与和支持SSC项目的部门和个人表示真诚的感谢。
 
一些科学家也对中止建造超导超级对撞机深表忧虑和不安,李政道先生说这是美国科学界一个黑色的日子。对撞机总部国际部主任迪艾克博士(Dr. Duek) 给我们来电说:总部全体职工(对项目停建)受到巨大冲击。日本科学界反映强烈,他们原计划出资十亿美元,最后表示:没有想到会发生这样的事情。我国高能物理研究所的科学家们则认为对撞机下马会影响全世界的高能物理研究工作。
 
在超导超级对撞机实验室主任皮帕尔斯(Peoples)1994年1月31日给中国加速器研发中心柳怀祖副主任来信对中方参与合作给予了高度评价,并提出:他本人希望强调,中方对于对撞机的合作的态度积极、热情、支持,显示了良好的技术水平。中方也表示愿和美方为今后可能的合作做努力。
 
SSC停建后,建在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC,Large Hadron Collider)就成为当今世界最大的对撞机。但LHC对撞区的周长和能量等级都仅仅为SSC的1/3左右(SSC周长87千米, 能量为40TeV;LHC周长只有27千米,能量为14TeV)。
 
 
我们的任务和具体工作
 
1993年初,我国决定参加超导超级对撞机的国际合作,以便促进科技进步,提高我国的科研和工艺技术水平,提升国际地位。
 
当时,为开展超导超级对撞机国际合作,国务院在航空航天工业部附近的友好宾馆主楼一楼设立了办公室,并成立了中国加速器研发中心,林宗棠部长是中心主任,中国科学院办公厅副主任柳怀祖为副主任,从第四设计院、上海飞机厂、飞行所等部属单位调来多人参与工作,我就是在那个时候参加到项目中的。工作得到航空航天工业部机电产品出口办、国际合作司(外事局)、中科院、高能所及有关厂所院校、企业的极大关心和支持。
 
国务院对撞机国际合作领导小组办公室和美国达拉斯的超导超级对撞机总部保持很密切的联系和沟通,并及时把有关信息汇报和转达给领导和有关部门,当时我国已有科学家在对撞机总部工作。在合作的几年里,我们接待过多个美国对撞机总部派出的代表团来给中方介绍超导超级对撞机的原理和技术,了解和考察我国有关部门或企业的技术及制造能力,以便进一步合作。在各种场合的会谈纪要中均有这样的表述:林宗棠部长代表中国国务院超级对撞机国际合作领导小组表示,中国政府将积极支持并愿意为这一项世界最大、最重要的国际高科技研究项目的合作作出贡献。
 
当时,我们整理有关材料并不定期地出刊“超级对撞机简报”汇报给林宗棠部长及其他领导和有关单位,李政道先生特为“简报”题了字。在“简报”上刊登过的材料包括《美国超导超级对撞机简介》、《超导超级对撞机有关情况汇报》、《西航公司领导会见著名物理学家李政道》、《(接待美国对撞机总部来宾)会谈纪要》等。
 
此期间,航空航天工业部国际合作司鲁永强和我一起担任林宗棠部长的技术助手和英语翻译,处理与美国能源部在超导超级对撞机高科技国际合作项目中的具体业务,并有机会陪同林宗棠部长多次访问国内外的工厂、大学、研究机构,鲁永强负责接待、生活和其它方面的翻译,我则负责技术性会谈、讲座以及参观有关单位时的翻译。
 
在工作中,我们力图争取有更多的合作研究和制造机会,和美国超导超级对撞机总部或来访的代表团商定派出多名科学家和工程师去美国参与合作研究和设计。有多人应邀去美国对撞机总部、相关实验室或大学参观考察,包括橡树岭实验室、费米实验室及布鲁克海文实验室、芝加哥大学等。初步统计,我国出访对撞机总部和美国其它国家实验室或大学参与合作设计、研究、实验累计超过30人次,包括中科院高能所、清华大学、航空精密机械研究所、航空材料研究所、上海航空工业公司、上海飞机制造厂、西航公司及量能器、成形器零部件的生产厂均有参与。
 
来访的专家们则来自许多美国的重要研究和制造部门,如马丁·马里艾达航天集团、布鲁克海文和橡树岭国家实验室、波士顿大学、芝加哥大学等,他们对所接触和看到的情况赞不绝口,对所参观企业的加工能力和组织管理水平以及工作人员的素质留下深刻印象,并对航空系统打算将航空质量保证体系用于所有和对撞机电磁量能器(GEM)有关项目的制造感到鼓舞(这些体系在上海航空工业公司与麦道公司在麦道飞机制造合作中得到成功应用)。
 
来访的美方专家认为中国有能力参与和承担两套主要的大型探测器中较多的研制任务,包括闪烁量能器(SDC,Scintillating Detecting Calorimeter)的部分技术、器件以及电磁量能器(GEM - Gamma,Electron,Muon,格玛、电子、缪介子)。参与研制工作将会大大促进我国在高科技领域的进步,提高我国在国际上的地位和话语权。
 
在国务院超级对撞机国际合作领导小组成立之前,中科院高能物理研究所已经承担了加速器和闪烁量能器部分零组件的试制工作,参与单位包括上海电机厂、新河造船厂等,在领导小组成立后和美方商谈了电磁量能器、电磁铁支架、闪烁量能器的其它工作,如覆铜板、微电子器件、对准技术等。
 
1993年4月,林宗棠部长率领航空航天和中科院有关领导及工作人员访问美国达拉斯对撞机总部,就双方的进一步合作进行商谈,并达成了一致。随后,我们一行人员赶赴纽约哥伦比亚大学拜访李政道教授,感谢他为促进中美两国在高能物理领域开展合作所作的贡献。李政道在他所在的物理系大楼普平实验室里向我们介绍了当今世界物理领域的最新研究内容和情况。和对撞机总部达成的协议为我们后来加深合作提供了具体的、可遵循的依据。
 
中方按林宗棠部长访问对撞机总部时的协议和美方来人访问时的纪要进行合作项目的有关工作,如完成测试量能器模块的大型宇宙线试验台架的设计方案,试制大型铸造支架样件,编写焊接支架取代铸造支架的设计和应力、应变分析报告,研制钨棒、光电倍增管、阴极条板等样件,设立闪烁量能器试验室,设计读出系统开关电容阵列、模数变换器、以及电路功能块等。开展对准技术、微电子芯片、印制板等的设计和试制、调研光纤、阴极板、闪烁板的生产供应、试制和试验电磁量能器多层间隙阴极条板、蜂窝夹层结构等。对前向磁场成形器、前向量能器等进行了分析、研究并开始部分零件的试制。
 
当时中国参与和美国超导超级对撞机合作的单位包括中国科学院高能物理研究所、北京正负电子对撞机国家实验室、清华大学、南京大学、宝鸡有色金属加工厂、洛阳铜加工厂以及航空系统的许多厂所院校等等。
 
我们曾在国内有关科研机构、院校或企业进行调研,陪同来访外宾一起访问,参与商谈。包括到清华大学、上海飞机制造厂、航空部的几处研究所、西航公司、兰石化机厂等进行调研。时任航空航天工业部部长的林宗棠、中国科学院院长周光召、国务院计委副主任甘子玉、中科院办公厅副主任柳怀祖、中科院高能物理研究所领导叶铭汉、郑志鹏及上海航空工业公司、上海飞机制造厂、西航公司、清华大学、南京大学、兰州石化机器厂铸造厂等单位领导及有关工作人员参与了具体工作的领导和实施。
 
随后,我们计划在1993年10月27日的美中联合会议上汇报我国在与美国对撞机总部合作中所做的具体工作,由中国科学院院士、北京正负电子对撞机国家实验室主任方守贤教授、中国加速器研发中心副主任柳怀祖、航空航天工业部部长林宗棠及中国科学院院长周光召发言,我们起草了英文演讲稿,并由方院士介绍中方在已签合同项目上的执行情况,柳怀祖和我介绍双方已口头或书面商定但还未签署的合同项目的进展。方院士在演讲中提到,在美国国会众院决议不再为SSC项目拨款(1994年)后,对撞机总部随后停止了所有出访,给我方造成了疑虑,直到谢尔登博士(Dr. Sheldon)和迪艾克博士(Dr. Duek)1993年7月2日电告我方继续进行有关任务之前, 我们一直按之执行,并未停止过工作。 
 
我国非常重视高科技项目的研究和发展,在建造北京正负电子对撞机 ( BEPC,Beijing Electron and Positron Collider) 时设立了四人领导小组,以中科院顾问谷羽为首,包括国务院经委和计委领导林宗棠、张寿及北京市副市长张百发(谷退休后由中科院院长周光召任组长)负责项目的实施。
 
北京正负电子对撞机设计能量指标为2.2GeV,由谢家麟院士担任总设计师,该项目得到了许多外籍华人专家和教授,包括诺贝尔奖获得者李政道、丁肇中等人的关注、帮助和支持。北京正负电子对撞机在1984年10月奠基,1988年10月实现对撞并正式建成,它是继我国“两弹一星”后在高科技领域的又一项重大成果,其溢出效应十分显著,在高能物理、生物、光学、医学等方面发挥了很重要的作用,北京正负电子对撞机也已在实验中成功地发现了粲夸克偶素,1990年北京正负电子对撞机荣获国家科技进步特等奖。   
 
参与SSC项目合作的收获
 
1993年10月下旬,美国国会决议停止为超导超级对撞机拨款使这个在当代和历史上最大的国际高科技合作项目被迫下马。我们和美国超导超级对撞机总部的合作也就此终止,这是件令人十分遗憾和可惜的事。
 
回顾我国在设立国务院超级对撞机国际合作领导小组时提到:“参与重大高科技国际合作的目的是为了提高我国的科研和工艺技术水平,直接参加最前沿科研,促进科技进步并在世界高科技领域占有一席之地,提高我国的国际地位”,这一项目合作的要求和意义十分清楚,那时我国已经改革开放,提倡学习和引进国外的先进技术、管理理念为我所用,像超级对撞机国际合作这样的项目对我国有重要价值和作用。
 
比如超导超级对撞机上的闪烁量能器(SDC)和电磁量能器(GEM) 要在千万分之一秒的时间内对质子撞击时产生的百亿个以上的每一个新粒子(实际就是质子撞击后的碎片)的运动径迹和能量、速度、质量等作出精密的测量、记录和分析。这两台主要测试装置的设计和结构都非常复杂,电磁量能器直径达23米、长36米、重两万余吨,在不同部位采用不同的金属材料起到各异的作用,既有铜、铅、钨等高密度材料也有镁及其它轻金属。闪烁量能器内有大量大尺寸的覆铜板及其它电子器件,安装要求十分严格,需要用激光装置对准,精度极高。这一切无疑都是新事物,不仅是对物理学家们的挑战,也是对最尖端高科技研究和工业领域的挑战。我国的参与会极大地促进和提高了我国在高科技领域的技术,许多厂所院校就曾参与设计和制造了两台主要量能器及电磁铁大型支架的有关工作。
 
作为世界最前沿的特大型科研项目,SSC的下马给人留下很多思索,该如何建设和运作好大型科研项目,处理完善这样一个要求十分严格的系统工程,的确需要有明确的科学大方向,资金落实,做好风险评估以及组织、管理,还需要有良好的交流沟通。张九庆在2005年所作的《从超导超级对撞机(SSC)看大科学工程研究的实施》一文,对美国超导超级对撞机的建设、成就、下马进行了分析,并提出了与大科学工程研究有关的一些问题和建议。
 
地球是全人类所拥有的共同财富,研究地球、宇宙及物质的本质不仅仅是前人的义务和责任,也是我们这一代,乃至后世的义务和责任,人类已经从原子和核子的发现及利用中得到了巨大的收益,进一步深入研究一定会给人类带来更大的福祉。我国和多个国家有幸参与了美国在超导超级对撞机项目上的合作,是很好的实践过程。
 
近年来,我国在科研上取得了长足的进步,有了北京正负电子对撞机的成功建设和运行经验,以及和各国科学家们在高能物理领域的交流,相信我们也将会熟悉和掌握这些非常前沿的基础科学,揭示大自然的奥秘,为造福人类做出更大贡献。
  
附录:
 
(1)美国总统克林顿给国会众院水力能源委员会主席要求支持对撞机项目的信
 
THE WHITE HOUSE   
WASHINGTON
October 12, 1993
 
Dear Mr. Chairman:
I am writing to underscore my continuing support for the Super-Conducting Super Collider.
The SSC represents not only the culmination of high energy physics research in the twentieth century, but also the cornerstone of continued American international scientific leadership in the century to follow. The SSC is expected to unlock fundamental secrets about the nature of matter and energy.
The SSC represents a vital investment in our nation’s ability to maintain its preeminence in basic scientific research and to simulate the development of new technologies in many areas critical to the health of the U.S. economy. We cannot abandon our commitment to improving our national scientific and technological performance, which will, in turn, stimulate economic growth. The SSC is an investment in our future.
Fundamental science forms the foundation of technological progress. The SSC has the potential to strengthen the U.S. superconducting industry. Materials and techniques resulting from the SSC will help to improve the performance of U.S. manufacturing and many stimulate advances in health care.
The SSC is a top priority of my administration. Secretary of Energy Hazel O’Leary has instituted a number of management reforms to ensure the project is well managed and cost effective. The Secretary is personally committed to keeping Congress informed of the full costs of the project and the progress of the Department in meeting critical milestones.
 
I urge support for this important project.
 
 Sincerely, 
 Bill Clinton (Signature) 
 
The Honorable Tom Bevill, Chairman
Subcommittee on Energy and Water Development
Committee on Appropriations
House of Representatives
Washington, D.C. 20515
 
(2)美国能源部新闻公报(DOE News)
美国能源部部长奥丽莱就国会决议停止给超级对撞机拨款发表的声明
 
FOR IMMEDIATE RELEASE,October 21, 1993
News Media Contacts: Jeff Sherwood 202/585-5806
 
NOTE TO EDITORS: The following is a statement by Secretary of Energy Hasel R. O’Leary on the Super-Conducting Super Collider (SSC)
 
The decision by Congress to terminate this project is a devastating blow to basic research and to the technological and economic benefits that always flow from that research. The SSC was expected to be the flagship for the world’s high energy physics program, but Congress has now decided that the SSC will not be completed. The House made this decision based on the need to reduce the federal deficit, yet the outcome will be the less of an important, long-term investment for the Nation in fundamental science.
I deeply regret the House decision, but we see no prospect of reversing it. Accordingly, we have begun the process of an orderly termination of this project. The department will work with the State of Texas as it moves to terminate the project. Over the next months we will study the feasibility of other uses for the assets of the project. The department will also work with the scientific community as we search for ways to ensure the continued progress of research in high energy physics in the absence of the SSC.
Throughout the project’s history, the State of Texas has been an excellent, patient partner. To the employees at the SSC site, to the scientists around the Nation and the world who have supported this project, and to the people of Texas, I extend my profound appreciation for your dedication, effort and vision. The department will work closely with the employees and other interested parties to mitigate the impacts of this termination and to assist with transition activities.
 
参考文献:
1)《北京正负电子对撞机》科学出版社 1994
2)《北京正负电子对撞机工程建设亲历记》 柳怀祖、杨小林、陈京辉访问整理 湖南教育出版社 2016.11 一版
3)《从超导超级对撞机(SSC)看大科学工程研究的实施》张九庆 2005
4)美国SSC总部有关材料和文献



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