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耗资20亿美元的 “科学废墟”?(上)

2021-08-13 09:23     来源:科学元典     欧洲核子研究中心LHC
2012年7月4日,欧洲核子研究中心迎来了盛大的节日。成千人在大礼堂前通宵排队,为了分享和见证新闻发布会的历史性时刻。

两年以来,大型强子对撞机的2个独立团队各自集结3000名科学家,从800万亿次质子对撞数据中大海捞针,分别于5月13日和6月10日发现了希格斯玻色子,实现了高能物理学家半个世纪的追求和梦想。至此,在理论上统一了三种基本自然力的粒子“标准模型”,终于找齐了最后一块“拼图”。

2013年10月8日,比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国物理学家彼得·希格斯共同获得诺贝尔物理学奖。他们在1964年便独具慧眼,预见了希格斯玻色子的存在,如今最终得到证实。


2012年7月4日欧洲核子研究中心大礼堂举行新闻发布会,宣布发现希格斯玻色子。(摄影:Denis Balibouse,来源:New York Times)


大型强子对撞机的2个独立团队CMS和 ATLAS分别于5月13日和6月10日发现了希格斯玻色子(来源:CERN)


2013年10月8日,比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国物理学家彼得·希格斯共同获得诺贝尔物理学奖(来源:nbcnews)

面对全世界额手同庆,大约只有美国粒子物理学家“别有一番滋味在心头”。早在1988年,他们已经决定在德克萨斯州建造一座“超导超级对撞机”,比欧洲今天的强子对撞机大3倍。如果这个“巨无霸”如期落成,美国应该能“提早10年发现希格斯玻色子”。

然而在1993年,“超导超级对撞机”却被美国国会紧急叫停,仓促下马,留下了世界最大的“科学废墟”,也给粒子物理学家带来了永远的“心灵伤疤”。个中缘由虽然极其微妙复杂,但毋庸置疑,“游说”的失利应该是一大主因。

人们把第二次世界大战称为“物理学家的战争”是不无道理的。原子弹、雷达、火箭、近炸引信等,都是物理学的“杰作”。美国高能物理学家一直是政府的宠儿,数量占物理学圈子总人数10%。

世界一流的费米国家实验室加速器、布鲁克黑文国家实验室加速器等,为美国赢得了多块诺贝尔奖牌。但1981年,欧洲核子研究中心开始兴建新一代大型强子对撞机,并于1983年率先发现正负W玻色子和Z玻色子。《纽约时报》闻讯后已经沉不住气,撰写文章《欧洲3分,美国连零分也没有》,无情挖苦奚落了美国粒子物理的停滞落后,使政府和科学界深受刺激和倍感羞辱。

早在1954年1月哥伦比亚大学成立200周年庆典时,美国高能物理学家费米就提出在赤道上空1000英里建造环绕地球的“终极加速器”。遗憾的是,这位“原子能之父”当年便不幸早逝了,他的宏伟构想却展现了美国一代精英的魄力和胆识。


美籍意大利裔物理学家,美国芝加哥大学物理学教授恩里科·费米(来源:(来源:US Department of Energy)


费米的环绕地球“终极加速器”(来源:Enrico Fermi: The Master Scientist)

为了迎接欧洲的挑战,1983年7月,美国高能物理咨询委员会决定砍掉800亿电子伏特的“鸡肋工程”伊莎贝莉对撞机,集中力量建造一座世界最强大的加速器。资深物理学家戴维·杰克逊将它命名为“超导超级对撞机”。

能源部委派康奈尔大学粒子物理学家泰格纳领导中心设计组,甄选全国250多位科学家群策群力,1986年完成了雄心勃勃的工程方案。环形粒子加速器的地下隧道周长54英里,深度250英尺,直径12英尺。8600块超导偶极磁铁和2000块四极磁铁,用10个冷冻站200万升液态氦维持4.3K低温。细于发丝、接近光速的两束质子,在磁铁5厘米孔径中以40万亿电子伏特能量迎头相撞,创造出宇宙大爆炸后瞬间的物理环境,找到希格斯玻色子和其他新粒子,并探索超对称破缺的神秘机制。

该项目预计总成本44亿美元。此时,争取国会和政府鼎力支持,慷慨解囊,就成了当务之急和先决条件。

“超导超级对撞机”的倡导者和“发言人”莱德曼曾任费米实验室主任,1988年因对中微子的研究而获得诺贝尔物理学奖。他的身份地位十分有利于上层游说,曾多次对国会议员发表演讲:“假如你看不见足球,就无法明白场上的队员为何东冲西撞。同样在物质运动中,必须找到希格斯玻色子这个‘足球’”。

莱德曼几易方案,为里根总统精心制作了一部10分钟的电视片,普及粒子物理和对撞机知识,送到戴维营播放后大获好评。


《今日物理》报道美国高能物理咨询委员会动议砍掉伊莎贝莉对撞机项目改建20TeV加速器(来源:Physics Today 1983.September 17)


1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼(来源:upost.info)

1987年1月29日,里根总统在白宫听取辩论后,从口袋里掏出一张卡片,诵读了杰克伦敦的诗句“宁为灰烬,不做浮尘”,并说橄榄球明星斯特布勒的读后体会是“深掷远投”。预算主任米勒调侃道,“如果方案通过,一小撮物理学家该高兴了”,里根回答“很可能,我上中学时曾经让2位物理老师伤过心”。1月30日,白宫正式宣布批准“超导超级对撞机”。

1988年3月,由4位诺贝尔奖得主克罗宁、温伯格、丁肇中、里克特在美国能源部大楼共同举办科普沙龙,回答高中优秀学生代表团对超导超级对撞机提出的各种疑问。并于3月30日和学生们结伴访问白宫。受到里根总统隆重接待。

里根在玫瑰园发表演讲,盛赞超级对撞机是“通向量子科学新世界的大门”,并引用开国元勋富兰克林的话说,“最有价值的投资是对知识的投资”。仪式开始前,温伯格向里根面交一封感谢信,由他和丁肇中、里克特、格拉肖、克罗宁、菲奇6位诺贝尔奖得主共同签署,称颂里根为支持基础研究做出了“里程碑意义的贡献”。里根演说结束后,又愉快接受了印有超级对撞机图案的T恤衫。


1987年1月29日里根总统在白宫听取关于超导超级对撞机的辩论(来源:A BridgeToo Far)


1988年3月由4位诺贝尔奖得主克罗宁、温伯格、丁肇中、里克特在美国能源部大楼共同举办科普沙龙,回答高中优秀学生代表团对超导超级对撞机提出的各种疑问(摄影:W. Walsh,来源:Nobel Laureates, Student Scientists Meet with President on Collider)


1988年3月30日里根总统在白宫玫瑰园向全国高中优秀生代表和诺奖得主及媒体发表演讲,高度赞美超级对撞机工程(来源:DOE This Month)


里根演说结束后接受了印有超级对撞机图案的T恤衫(来源:Video, President Reagan’s Remarks on the Superconducting Super Collider Program on March 30 ,1988)

超导超级对撞机选址是一场激烈的角逐,美国有25个州43个地区参加投标。经过1年多争长竞短和重金游说,1988年11月10日,能源部最终“画了一个圈”,宣告德克萨斯州瓦克萨哈奇从7个最佳候选名单中胜出。除了经济文化条件外,这里200平方英里松软而坚固的“德克萨斯白垩”地貌,最有利于隧道的掘进和稳定。何况德克萨斯州还是新任总统布什的家乡,并承诺出资10亿美元。

1991年春,“超导超级对撞机”工程正式启动,征地16000英亩。昔日的棉田变成“大科学”的热土。“从地平线到地平线,如同一场军事入侵”。德克萨斯大学物理教授罗伊·施威特斯被任命为实验室主任,1000多位粒子物理学家先后从美国和世界各地接踵而来,预计将有5000个就业岗位虚席以待,可谓轰轰烈烈,盛极一时。谁会想到“塞翁得马焉知非祸”呢?


美国能源部月刊发布超级对撞机的7处合格选址(来源:DOE This Month)


美国电视台播出7个州竞争超级对撞机选址的进展(来源:KXAX-TV Dallas/Front Worth, Sept 26,1988)


1988年11月10日美国能源部宣布超导超级对撞机最终选址为得克萨斯州沃克萨哈奇镇(来源:commons wikimedia)


德克萨斯超导超级对撞机工程全景(来源:University of Texas Archive)

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