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努力为科学高楼再添一块砖

发布时间:2020-01-03     稿件来源:《群众•大众学堂》2019年第6期     作者:王贻芳    

  编者按:王贻芳,1963年出生于江苏南京。1984年毕业于南京大学,随后师从诺奖得主、著名物理学家丁肇中,在意大利国家核物理研究所专攻高能物理。博士毕业后,先后在美国麻省理工学院、斯坦福大学进行研究。现任中科院高能物理研究所所长、中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、第三世界科学院院士、中国科学院大学核科学与技术学院院长等职。王贻芳是我国粒子物理实验研究的主要学术带头人,国际著名高能物理学家,取得了多项粒子物理研究的重大成果。获2016年国家自然科学一等奖、“影响中国”2018年度科技人物等诸多奖项和荣誉,2016年成为首次获得基础物理学突破奖的中国科学家,2019年获得未来科学大奖物质科学奖。

  

  我出生在南京,小时候家住清凉山汉中门附近,小学就读家门口的清凉山小学,中学就近在南京市第四中学,大学也在附近的南京大学。出国之前,我主要活动在这5公里范围之内,我为自己是一个南京人而自豪。大学临近毕业时,我参加了丁肇中教授面向全国招收高能物理研究生的考试并被选中,赴其领导的欧洲核子中心的L3实验深造,在先生指导下研究高能粒子。2001年从美国斯坦福大学回国工作,从国内外两个方面见证了中国高能物理的成长与发展。

  当中国开始改革开放的时候,我们是最先出海的那批人,看到了一个复杂的新世界。我学到了很多,也享受到了很多。在此过程中,中国也取得了长足的进步,并且在经济上能够负担一些纯粹的科学研究。我们应该抓住这个机会,与国际同行合作,积累我们的知识和能力,帮助我们的人民,我觉得这是经济与科学之间的一种交替互动。我想只有做好我能做的事情,才能配得上我早期学到的东西,才可以促进世界变得更好。

  从大亚湾起步,中国奠定了在中微子研究领域的国际地位

  在我的大学时代,吴健雄先生常回南大,她的教诲激励了我们努力寻找前沿研究方向。吴先生曾对我们列举了物理学的几个领域,表示中国人如果要在物理学领域取得进一步的成绩,可以对这些领域加以开拓和研究。这几个领域中就有一个是中微子。

  中微子,是构成物质世界的最基本粒子之一。在构成物质世界的12种最基本粒子中,中微子占了其中的3个。这3种中微子有非常奇怪的性质,在飞行当中可以由一种变为另外一种。这种变化的性质跟我们物质世界、宇宙起源以及为什么我们今天看到的宇宙是现在这个样子、银河系、恒星等,都是极其密切相关的。中微子不带电,质量非常轻,以接近光速运动,与其它基本粒子之间的相互作用十分微弱,被称为宇宙中的“隐身人”“幽灵粒子”。因此,探测这种粒子充满挑战。中微子的3种振荡模式,此前已经发现了两种(即太阳和大气中微子振荡现象),第三种振荡模式则一直没有被发现。

  2003年,国际上开始热烈讨论利用反应堆中微子来测量中微子第三种振荡模式的振幅,有时也称为混合角(θ13),中微子研究成为一场竞争激烈的赛跑。能否成功就看最终谁跑得快、精度高,这就要求对实验布局、探测器等进行创新设计。当时国际上一共有8个类似的项目在起步,但到了2006年,真正准备好投入探测的只有中国、法国和韩国的3个项目。这一年我们也跟美方正式完成了合作组的安排,使得大亚湾实验组成为当时国际上θ13测量的最大合作组。

  粒子物理实验研究有个特点,就是不仅要设定科学目标、选定技术路线,还要自行设计和研制实验设备。我们将中微子探测实验室设在大亚湾核电站。大亚湾核电基地是世界上最大的核反应堆群之一,为实验提供了丰富的中微子源。这里紧邻高山,还可以为地下实验室屏蔽宇宙射线的干扰。但是开挖地下实验室并不容易,需要解决大量的技术与安全难题。最终我们克服重重困难,完成了紧邻核反应堆的约3000次爆破作业,完成了8个中微子探测器的研制和装配。我们想方设法提出了一套真正的创新设计,对中微子能谱进行了世上最精确的测量,使得大亚湾中微子实验对θ13具有世界最高灵敏度。

  大亚湾反应堆中微子实验于2007年开始建设,2011年底投入运行。短短两个多月后,我们积累了足够的事例,发现了一种新的中微子振荡,并获得了精确的振幅测量数值。2012年3月8日,这个结果向全世界公布。历时8年,在这一多国参与的大科学“赛事”中率先冲线,中国奠定了在中微子研究领域的国际地位。第三种中微子振荡的确立,也打开了理解“反物质消失之谜”的大门。

  江门中微子实验,有望揭开幽灵粒子的“神秘面纱”

  在大亚湾之后,中微子研究该如何继续?2008年左右,我们开始规划设计下一代的中微子实验——江门中微子实验。它延续我们反应堆中微子实验研究的技术方向,但将探测中微子的质量顺序,精确测量中微子混合参数,还会研究太阳中微子、超新星中微子、地球中微子、质子衰变等。

  江门实验的核心是一个直径35米、重2万吨、由液体闪烁体和光电倍增管构成的中微子探测器。实验的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序,这对人类了解物质世界的基本规律和宇宙的起源与演化具有重要意义。目前有来自17个国家和地区、77个机构的600多位科研人员共同参与该项目。除了江门中微子实验项目,还有日本顶级神冈和美国深部地下中微子实验(DUNE)设施也分别将于2030年和2027年“上岗”,这三大项目将有望为我们揭开宇宙中最难以捉摸的幽灵粒子的“神秘面纱”。

  江门中微子实验比大亚湾有更大的目标。从规模上来说,就有一个巨大的差别。大亚湾的时候我们的探测器也就是100吨左右,三五米的大小。现在我们是30多米的直径,20000吨的液体,规模上差了量级,难度上也就差了量级,所以说这里面挑战是非常巨大的。比如在探测器中填充的20000吨液体闪烁体,这个液体闪烁体必须非常透明,否则光线将无法到达探测器。过去,我们努力在大亚湾生产出了世界上最好的液体闪烁体,其透明度约为15米。现在我们必须在这个实验中将之再提高约1倍,这也是一个巨大的挑战,几乎要达到理论极限了……我们现在面临着巨大的压力,但最具挑战性的是最后安装的那一刻。预计在2021年左右,我们会完成这样一个新的实验建设,开始它的科学研究工作。

  目前,江门中微子实验即将完成土建,2020年将开始安装探测器,计划在2030年进行升级。升级方案就是在江门中微子探测器的中间置入一个气球,填充掺入另外一种液体闪烁体(探测中微子的介质),使其变成世界上最好的双β衰变探测器,研究中微子是否是其自身的反粒子。我们相信,江门中微子实验将取得重大成果。中国技术能力已经走入国际第一方阵,10年内中微子振荡、20年内中微子质量、30年内无中微子双β衰变等问题都能得到解决。

  其实,中微子只是科学的一个子领域,是其中很小的一部分,是一种纯粹的科学。我认为每一项知识都是有用的。这些与纯科学相关的知识的积累是会对我们的世界有所帮助的。最后,每个人都会从中受益。科学就像一栋高楼,有很多砖,你不能说哪块砖更重要,因为只要有一处断开,整栋楼都会倒塌。所以我们只是在努力地为这栋高楼再添一块砖。整个世界的科学体系乃至整个社会中,每个人都在尽其所能。

  在基础科学研究中,我们要对人类文明发展作出重大贡献

  我们中国的高能物理实验研究真正的起步是从20世纪80年代建设北京正负电子对撞机开始。北京正负电子对撞机、大亚湾中微子实验、江门中微子实验取得的成绩,无论是科学还是技术,使得我们基本上达到了国际平均水平,甚至有个别的地方、个别的成果是别人没有的,是领先的。但在整体上来说,我们还是有很大差距的。因此,中国科学家向高能物理研究最前沿探索的脚步绝对不能止于此。

  北京正负电子对撞机完成它的科学寿命以后,我们希望能够在2020年到2025年开始一个更大的正负电子对撞机的建设,我们把它叫作环形正负电子对撞机(CEPC)。这个对撞机可以对整个粒子物理的发展起到一个极其重要的作用,对我们中国高能物理的发展也会奠定一个更大的基础。

  我们必须在基础科学研究当中有对人类文明发展作出能够载入史册的重大贡献。孩子们上课学的自然科学的书里,都是外国人的名字,中华民族曾经对人类的文明作出过重大的贡献,我们也希望未来的中国在人类文明的发展上,能有一些有显示度的贡献。

  这样的贡献,第一方面应该期待一些突然有的奇思妙想,但这不是全部,可能还有相当一部分的重大科学成果,是从有组织的、大规模的科学实践当中产生的,就像大家知道的引力波、希格斯粒子的发现、中微子振荡等一样。第二方面,从中国现在的情况来看,做这种有组织的、大规模的科学研究相对来说比那种奇思妙想出成果的机会可能略大一些,这是我们的特长。第三方面,大规模、有组织的大科学装置的建设带来的收益很大,主要是在科学仪器的研制和相关的人才培养方面。设施越先进、规模越大,起的推动作用就会越大。

  这也就是为什么我们提出CEPC这个项目。这个装置,无论它落在哪里,哪里就是一个世界科学中心,对当地的经济发展也会有重大的推动作用。它的国际化科研管理方式,对我们整个国家的科技管理也会有示范引领作用,对科技发展也会有重大的推动作用。我们觉得它足够重要,它会成为中国的科学中心、世界的科学中心,成为一个标杆,这个装置具有50年以上的科学寿命。

  做好基础研究,是一个国家走上创新之路的必然选择

  很多人可能会比较关心,中微子的研究成果对大众生活有直接影响吗?应该说对大众生活不会有立刻的直接的影响,但是基础科学研究是一个现代国家,特别是一个有抱负的大国应该从事的研究方向。基础科学研究并不直接产生“有用”的价值,不能直接带动GDP的发展,但却是最好的创新平台、人才培养平台。

  科学,特别是基础科学,一般很难被社会大众认可。我经常被问:“你这个研究到底有什么用?”有时其它领域的科学家甚至领导也这么问。我常常很不礼貌地回答“没什么用”。“热爱科学”大家都会说,但热爱“无用的科学”,就不那么容易。我从事的中微子及粒子物理研究就是这样的“无用之学”。但粒子物理研究的是物质世界最基本的“元素”,探索的是物质世界最基本的规律。从近代科学发展的几百年历史来看,其基本思路就是寻找这种最基本的“元素”和“规律”,在分子、原子、原子核、基本粒子等各个层次上发展。对世界的好奇,探索自然规律,是科学发展的主要推动力。在这个过程中,我们人类也收获良多。中国的科学落后于世界,主要原因之一就是我们较少这种纯粹的好奇心,更多地被功利心驱使,使我们“欲速则不达”,收获有限。放眼未来,到2035年或者2049年,当我们GDP世界第一时,我们应该对人类有较大贡献,应该在文学、艺术和纯粹科学方面对人类有较大贡献,要有媲美我们的祖先、能载入人类史册的贡献。

  为此我们希望尽一点自己绵薄的力量。中微子研究也好,大型对撞机也好,都是这个出发点。特别是大型对撞机,大家现在可能还看不清楚需求,就像20年前我们很难想象为什么要做一个花费20亿元的江门中微子实验,10年前我们推动花费50亿元的怀柔高能同步辐射光源时也很艰难,但现在无论是技术还是经费我们都很自信。10到20年后,大家会认识到,我们需要有CEPC这样的有重大科学意义、社会意义,也有重大的技术发展意义的大科学装置。当然这不影响“小型研究”为主的科研模式。

  基础科学研究可以带来重大的科学发现,很可能是革命性的技术突破。同时它可以从科学、技术,还有人才方面,给一个国家带来最核心的竞争力,它也是核心技术发展、前沿技术发展的一个核心推动力。做好基础研究,是一个国家走上创新之路的必然选择;在基础研究领域取得的成就,是国家软实力的重要标志。我们欢迎并呼吁社会对基础科学的支持。中国的科学在大家的支持推动下,一定能走到世界前列,我们的孩子也一定能在教科书中看到中国科学家的名字。

责任编辑:张

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