中國科學家看世界的另一雙眼

徐珍

我們的主角——北京正負電子對撞機（BEPC）靜靜躺在中國科學院高能物理研究所的地下實驗室中，30余年來，它用智慧的“眼睛”為世人揭開了許多奧秘，在物理、生物、材料、化學、環境、能源等領域發揮著重要的作用。

艱難的誕生歷程

BEPC是什么？盡管它在中國已誕生30余年，盡管它發揮著巨大的作用，但對民眾來說，它仍然十分陌生，對30年前的中國人更是如此。因此，當物理學家建議建造BEPC時，這個計劃一直“難產”，甚至一度差點“流產”。

20世紀50年代初，美、蘇、歐等工業發達的國家和地區開始籌建高能加速器。當時，我國雖然處于艱苦的初創階段，但一批深謀遠慮的科學家已經預見到加速器的廣闊用途，他們向國家領導人提議：我們也要建造自己的加速器。

加速器是做什么用的？建成后它能帶給我們什么？我們知道，世界萬物是由一些基本粒子組成的，但是如果不拆開物質的外殼，我們就無法看到其中的粒子，而加速器正是起到“破殼”的作用。物質在加速器中相互撞擊，脫去外殼，暴露出其內部結構，這樣我們可以看到組成物質的基本粒子，還可能發現新的基本粒子，更加深入地了解這個世界。

但是，當時國家國力有限，起初愿意提供修建幫助的蘇聯又與我們關系惡化了，粒子加速器的制造計劃被一再推遲。直到20世紀80年代初，國家領導人鄧小平再次就建造高能加速器的問題，廣泛征求國內外科學家的意見，經過60多位專家的反復論證，終于定下了建造一臺正負電子對撞機的方案。方案提出后，鄧小平親自批示：“我贊成加以批準，不再猶豫。”“難產”多年的計劃正式敲定。

在上下求索中建造

1983年4月，經國務院批準， BEPC方案上馬，計劃4年完成。但是，國家對建造對撞機沒有理論基礎和實踐經驗，該怎么辦呢？這時，以李政道為代表的華裔科學家提供了巨大的幫助。

BEPC建造過程中，中國派出幾百人次的科技人員赴美學習考察，并邀請美國專家來BEPC工程現場解決設計和研制中的問題，派人長駐美國采購所需器材，李政道在其中穿針引線，鋪路搭橋，成為最忙碌的人。為了向美國高校推薦中國學生或者邀請美國專家來華指導，李政道手寫了上千封書信，每一封都字跡工整，情深意切，他以自己的信譽為中國的物理學界搭起了一架架通往世界的橋梁。李政道每次回國，還會向領導人提出各種發展科技和教育的建議，不僅為BEPC的建造立下了汗馬功勞，也為中國的科技發展鑄就了堅實基礎。

除了國際上科學家的幫助，中國的科學家、工程師和建造工人也為BEPC的建造嘔心瀝血。對撞機建造涉及10多個門類的高新技術，數千臺設備的90%以上的部件都靠國內自行設計制造。在全國數百個單位、上萬人的精心研制、安裝調試下，1988年10月，這臺中國科學家夢寐以求的機器終于完工：它由北向南臥在地下，形似一只羽毛球拍。球拍的“把”是一臺長202米的直線加速器，電子在加速管中不斷得到加速，通過共200米長的輸運線注入周長為240米的球拍“框”——儲存環中，不斷地積累、儲存、加速、對撞，將萬物的奧秘破開，呈現在人們的眼前。

為了最大限度地節省經費，工程師們還修建了額外部件，讓這臺機器能“一機兩用”：在“球拍”的切線方向，安放了同步輻射裝置（BSRF），實驗室能開展同步輻射相關的實驗。同步輻射就是帶電粒子接近光速時，若在電磁場中偏轉，就會沿切線方向發射出一種電磁輻射，像下雨天旋轉雨傘，水滴會從傘的邊緣飛射出去一樣。這種電子的自發輻射，是探究原子、分子世界的有力工具，在生命科學、材料科學、凝聚態物理、環境科學等領域發揮著重要作用。

無論是加速器建設，還是讓它穩定運行，我國的科研工作者付出了常人難以想象的艱辛。他們白天用穿孔紙帶計算數據，晚上值班提心吊膽地等待著突如其來的電話，由數十萬組件集合而成的大科學裝置，任何一個小元件的損壞故障都會使BEPC停運。最初3年時間， BEPC有近30%的時間花費在設備維護上，經過3年的努力，工程師將故障率降到5%以下，設備平穩運行至今。

不可替代的作用

這臺耗費大量物力人力建成的機器，是否如人們預期的那樣，給中國的科學乃至社會經濟各領域的發展做出了巨大貢獻呢？答案是肯定的。

1992年，BEPC給出了τ輕子質量的精準測量，精度比原來提高了10倍，更新了粒子物理學數據權威《粒子物理手冊》，被認為是當年國際上最好的粒子物理成果。J/ψ粒子的衰變規律、粲夸克的物理性質和X（1835）等新粒子的發現等在國內外引起轟動的物理新知都是依托BEPC取得的成果。

在生物科學領域，BEPC也不容小覷。2004年，中國科學家利用BSRF完成了“菠菜主要捕光復合物（LHC-II）2.72埃分辨率晶體結構”的測定工作，在世界上率先完成了這一具有高度挑戰性的國際前沿課題，推動了我國光合作用機理與膜蛋白三維結構研究進入國際領先水平。揭秘SARS病毒主蛋白酶結構、尋找SARS病毒克星、在分子水平上揭示砒霜治療白血病機理的研究等都是通過BSRF完成的。

另外，古生物學家還利用 BSRF對一塊琥珀進行了無損成像，得到了隱藏在琥珀中的恐龍尾部椎骨的高質量投影圖像，進而構建出恐龍尾部的高清3D形態。憑借此技術，人類有史以來第一次在琥珀中發現了恐龍化石……

更重要的是，BEPC的建設對各種加速器、同步輻射裝置起到了奠基作用，推動了我國工業發展。比如加速器中運用到的高頻微波技術、超導低溫技術、束流測量技術、機械技術、真空技術、磁鐵技術、電源技術等，BEPC的建設和改進將這些技術及相關工藝提高到國際先進水平，為后續的大科學裝置的建設如中國散裂中子源（CSNS）、加速器驅動次臨界系統（ADS）奠定了良好基礎。同步輻射裝置中運用的核成像技術和輻射防護技術則大大推動了醫療健康、安全防護、環境保護等領域的產業發展。

這些學術和工業成果，正印證著我國社會各個領域從跟跑到并跑，到今天部分領域領跑的發展狀況，而在這一過程中，BEPC起到了不可替代的作用。

（樹摘自《大科技》2023年第3期）