歐洲核子研究中心的發展成就與啟示

徐愚

摘 要：歐洲核子研究中心是大科學國際合作的典范，目前已有21個歐洲成員國，并且創立了觀察員制度。60多年中，CERN建造了眾多高能粒子物理實驗設施，取得了突出的科學貢獻，對我國大科學研究及政策富有啟示。最后，分析了大科學國際合作的兩種主要特征：第一，以工程為基礎的集中研究；第二，以共同目標為核心的分散研究。

關鍵詞：歐洲核子研究中心 大科學 國際合作

中圖分類號：N20 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0193-03

位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）該名為“歐洲核子研究理事會”，1954年更名為歐洲核子研究中心。雖然名字改了，但CERN這個簡稱卻被保留了下來，一直沿用至今。CERN是大科學國際合作的典范，它開創了大科學國際合作的先河，并在創立后的近60年中做出了眾多富有價值的科學貢獻。現如今，CERN不斷接納更多歐洲國家加入其中，并且持續加強與全球范圍內科技強國的合作，探索并創新大科學國際合作的發展新方式。因而，梳理并研究CERN的發展歷程、機構設置、重大成果對進一步探討和制定我國科技政策以及我國大科學國際合作戰略等問題都將有所幫助和啟示。

1 歐洲核子研究中心（CERN）的發展

作為世界上最大的粒子物理實驗室，歐洲核子研究中心（CERN）目前有20個歐洲成員國，以及3000多名物理學家、工程技術人員和行政人員。除成員國外， CERN還將諸如美國、日本、俄羅斯、印度等非成員國吸納為觀察員，由此開創國際合作的創新模式。

1.1 CERN的創立

CERN于1954年9月27日宣布成立，它的建立和發展早于歐洲國家的政治一體化。它的產生既有歐洲科學發展的實際需求因素，又由高能物理研究依賴高投入的大科學工程和科學設施的特點所決定。[1]

二戰之后，歐洲各國亟待發展以擺脫戰后頹勢，政治家和科學家都認識到發展的動力必將來自科學研究。然而，對于高能粒子物理研究，歐洲各國都面臨著同樣的難題：作為高能物理研究所需的實驗工具，粒子加速器和探測器的建造和運行都需要大量資金和人力，而這并非一國所能獨立承擔。在這樣的經濟環境和科研需求背景下，歐洲科學家們開始推動國際科研合作。1954年，包括比利時、丹麥、聯邦德國、法國、希臘、意大利、荷蘭、挪威、瑞典、瑞士、英國和南斯拉夫在內的12個歐洲國家達成一致，決定開始聯合在瑞士日內瓦和法國的邊界上建設CERN。

1.2 CERN的觀察員

CERN不僅在持續吸納歐洲國家加入其中，并且還開展了與其他地區和國家的合作。CERN根據其做出的貢獻及其合作態度，發展了一些國家和組織作為CERN的觀察員。觀察員不能夠參與CERN的決策過程，但是可以出席理事會會議，并有權獲得理事會的文件。其主要觀察員為美國、日本、俄羅斯和印度。

美國在LHC項目中投資約5.31億美元，其中投入ATLAS和CMS項目各1.65億美元，其余的2.01億美元支援LHC的工程建造。由此，1997年CERN將美國納入到觀察員的行列。而日本成為觀察員國家的時間則更早一些，日本在1995年之前就聲稱要向CERN繳付50億日元，作為LHC的建造費用，并且之后逐步提高了數倍金額，最終日本在1995年CERN理事會上取得了觀察員地位。

另外，俄羅斯也是ATLAS和CMS探測器合作的重要合作國家，并在其中承擔了非常重要的任務。俄羅斯的杜布納研究所向CERN提供了價值不菲的橫向減震系統，以及大量高水平的研究員和工程師。這些來自俄羅斯的研究人員在LHC探測器研發和制造等方面所做出的貢獻十分巨大。最后，作為一個發展中國家，印度一直以來與CERN保持密切合作，為LHC項目貢獻了約1250萬美元。除此之外，印度也向CERN派出了大量科學家幫助完成LHC對撞機的設計、建造和實驗。

2 歐洲核子研究中心（CERN）的科研成就

2.1 CERN建造的大科學裝置

CERN歷史上共有三臺直接加速器，其作用在于為質子同步加速器（Proton Synchrotron）提供低能量的粒子。質子同步加速器于1957年建造完成，1959年調試完畢，直徑約為200 m，曾是當時世界上功率最大的加速器，也是CERN加速器中使用時間最久且用途最廣的加速器。利用質子同步加速器，可以將質子加速到28 GeV的高能量，而且據此設計實驗驗證了強聚焦原理。經過適當調試之后，質子同步加速器不僅可以加速質子、反質子，還能加速電子和重離子，可為之后建造功率更大加速器提供粒子束。

1971年，CERN建造了質子交叉儲存環（ISR）。該設備將質子對撞能量提高到56 GeV，創造了當時高能量的世界紀錄。科學家在ISR上完成了一系列重要的實驗，但遺憾的是ISR已于1984年被拆除。

在質子同步加速器之后，CERN開始向超級質子同步加速器（SPS）邁進。SPS從1971年開始建造，1976年投入運行，其主加速器平均直徑達2200 m，能量輸出范圍為300～450 GeV。利用SPS產生的質子束進行靜止靶實驗，完成了中微子散射等重要試驗。[2]通過提出統計冷卻原理，超級質子同步加速器于1983年被改造為最高能量達800 GeV的質子-反質子對撞器。正是在這臺設備上，CERN的科學家發現了傳遞弱相互作用的媒介子三種玻色子。2007年后，超級質子同步加速器開始為LHC注入中子及重離子。與此同時，1983年CERN開始建造大型正負電子對撞機（LEP），其總投資達6億美元。LEP的周長為27 km，主環跨越法國和瑞士國界，占地36公頃。1989年8月13日LEP正式投入運行，直至2000年被拆除。

20世紀末，美國和歐洲在加速器建設方面形成一定的競爭關系，但是美國超導超級對撞機SSC計劃被美國國會否決，與此同時CERN成員國理事會批準了大型強子對撞機（LHC）計劃，由此二者競爭的天平開始傾斜。從2001年開始，CERN在LEP原有的隧道中建造大型強子對撞機LHC，將實現總撞擊能量高達14 TeV，主要用于開展模擬宇宙大爆炸的實驗。

在LHC的不同對撞點上建有四個大型探測器：緊湊型子螺旋型磁譜儀（CMS）、超環面儀器（ATLAS）、研究CP破缺實驗裝置（LHCb）以及大型離子對撞機（ALICE）。其中，CMS和ATLAS探測器的主要物理目標就是尋找希格斯玻色子，以及研究CP破缺和超對稱，這正是2014年7月報告發現希格斯玻色子的兩個研究組。除上述這些大科學裝置以外，CERN歷史上還有一些裝置，例如：反質子積累器、低能反質子環、反質子收集器AC以及后來由AC改造而成的反質子減速器。

2.2 CERN幾十年來取得的成績

1984年，CERN的科學家卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）和西蒙· V·范德梅爾（Simon Van Der Meer）由于在發現弱作用傳播子中所起到的決定性作用和杰出貢獻，而榮獲了諾貝爾物理學獎。此項研究結果確認了弱力和電磁力的統一，也即確認了標準模型的電弱理論。這也是在CERN工作的科學家第一次獲此項殊榮。然而，僅僅幾年之后，CERN的科學家喬治·夏帕克（Georges Charpark）就再次斬獲1992年諾貝爾物理學獎，以表彰他在他在粒子探測器以及多絲正比室方面的突出成果。

如今我們“賴以生存”且發展迅猛的萬維網也可以認為是CERN的成果之一。1990年，CERN的計算機學家蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）發明了萬維網，他甚至在2004年被英國女王伊麗莎白二世晉封為二等高級英帝國勛爵士。萬維網是由CERN的大型高能物理合作組發明并發展起來的，由于需要在全球范圍內不同大學和研究所之間交流科研信息，因此，促使了萬維網的誕生。

另一個重要的成就即為希格斯玻色子的發現。在所有解釋質量起源的機制中，希格斯機制是最簡單、最被寄予厚望的一種。希格斯機制假定宇宙普遍存在著“希格斯場”，希格斯場能夠與基本粒子相互作用產生希格斯玻色子。所以，希格斯玻色子是粒子物理學期待已久的發現，希格斯玻色子的確認對希格斯機制給予了極大的肯定。

3 國際科技合作的啟示

3.1 大科學的興起

“大科學”的概念源于《小科學與大科學》，此書是美國耶魯大學科學家普賴斯（D.Price）1962年在布魯克海文國家實驗室所作的四次“培格萊姆講演”（Pegram Lectures）基礎上寫就而成。書中開篇就寫道：“由于當今的科學大大超過了以往的水平，顯然已經進入了一個新的時代，那是清除了一切陳腐卻保留著基本傳統的時代。現代科學的大規模性，面貌一新且強而有力使人們以‘大科學一詞來美譽之。”[3]

然而，早在1961年美國科學家艾爾文·溫伯格（Alvin Weinberg）在《大規模科學對于美國的影響》中已經注意到了“大規模科學”所帶來的問題。普賴斯在書中也寫道“我從溫伯格的文章中受惠匪淺”。對于大科學的內涵，溫伯格曾做過這樣的概括：“科學愈來愈龐大有兩個不同的意義。一方面是指，現代科學的許多活動——核物理學、基本粒子物理學，或空間研究——要求非常精密的儀器設備和專業人員的巨大隊伍。另一方面，科學事業，小科學和大科學兩者，都在爆炸式地增長，并且變得非常復雜。”[4]

大科學（Big Science）指需要大規模的儀器設備和巨額資金的研究，其中涉及規模巨大的多學科的研究隊伍，包括科學家和工程師。[5]從管理結構來看，大科學研究項目更加復雜且多層次，需要多方面協作完成；從作用影響來看，大科學研究項目所關注的是更為基礎的科學理論，擁有更大規模的實驗設施、更高水平的人才隊伍、更巨額的資本投入，因此，所產生的影響相較于“小科學”而言則更加廣泛且深遠。

3.2 大科學國際合作的特點

綜上所述，大科學項目國際合作研究的特點主要是：第一，投資強度大，一國之力難以承擔；第二，多學科多領域交叉，需要大量高水平科研人員；第三，研究目標多為基礎且宏大的課題，對人類知識體系及社會發展將產生難以估計的影響。但是，從研究性質和研究類別來看，大科學國際合作有兩種不同的特征。

首先，以工程為基礎的集中研究。這些大科學研究需要建設大規模工程設施，需要投入巨額研發資金、眾多科研人員，主要方法是在擁有大型實驗設備的前提下進行研究探索。這就意味著其中包含了工程設計、建造、運行、維護等一系列研究開發活動。例如：歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）、Cassini衛星探測計劃、Gemini望遠鏡計劃等都可劃分為此類大科學研究。[6]

其次，以共同目標為核心的分散研究。該類大科學項目的主要特點是研究場所相對分散，全位于全世界的各個科學家、科學團體朝著一個相同研究目標開展協同合作。雖然相對分散，但其中卻不乏組織性，即分工明確，又相互補充。人類基因組計劃、全球變化研究以及海洋與大陸科學鉆探等大科學項目都具備此特征。

4 結語

目前，CERN的LHC粒子撞擊總能量已達到發現希格斯玻色子的兩倍，并且正在以最高能量運行，試圖探測微型黑洞，以此可以驗證宇宙中額外維度或者“平行宇宙”是否真的存在。無論結果如何，CERN都將繼續拓展對于粒子物理學以及宇宙空間的認知邊界。2015年10月底，黨的十八屆五中全會強調要牢固樹立并切實貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念。其中，“實現創新發展，就要深入實施創新驅動發展戰略，實施一批國家重大科技項目，在重大創新領域組建一批國家實驗室，努力取得一批原創性科研成果，增強國家自主創新能力。積極參與國際科技合作，提出并牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程。加快科技成果產業化，使創新深度融入經濟發展之中。”[7]據媒體稱，我國將于2020年至2025年間開始建造世界上最大的粒子加速器，其大小將是LHC的兩倍，最高能量將是LHC的數倍以上。因此，研究CERN的發展與成就，借鑒前人的經驗與模式，中國將在大科學國際合作領域、粒子物理加速器領域同全世界科學家們一起開拓未來的科學征程。

參考文獻

[1] 張永濤.歐洲核子中心50年發展歷程和輝煌成就[J].中國基礎科學，2004（6）：52.

[2] 張闖.科研上國際合作的典型——歐洲核子研究中心簡介[J].科學中國人，1996（12）：26-28.

[3] （美）普賴斯，著.小科學與大科學[M].宋劍耕，戴振飛，譯.上海：世界科學社，1982：2.

[4] 萬勁波，孫中鋒，全利平.大科學時代中長期科技發展規劃的制定[J].科研管理，2003（12）：12-15.

[5] 樊春良.全球化時代的科技政策[M].北京：北京理工大學出版社，2005：265.

[6] 劉云，常青.我國大科學研究國際合作的現狀分析與政策建議[J].科技發展，2000（9）：63-67.

[7] 王一鳴.貫徹五大發展理念 實現百年奮斗目標[N].人民日報，2015-10-30（3）.