楊振寧先生與加速器物理 ｜ 百年風(fēng)華楊振寧
撰文 ｜ 韋杰
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楊振寧先生是物理學(xué)大師，也是我的老師。在此我想以自身的經(jīng)歷談?wù)剹钕壬鷮铀倨黝I(lǐng)域的高瞻遠矚，及對學(xué)生晚輩的啟蒙和幫助。
1984年九月，我離開清華大學(xué)工程物理系理論物理組，來到楊先生所在的紐約州立大學(xué)石溪分校物理系（圖一）攻讀博士學(xué)位，準(zhǔn)備主攻凝聚態(tài)理論物理。楊先生時任理論物理研究所主任，并在物理系任教。
圖一：1986年紐約州立大學(xué)石溪分校物理及天文系年照。（Department of Physics and Astronomy, State University of New York at Stony Brook）
第一年我修了楊先生開講的量子力學(xué)PHY515課程。楊先生用的是L.I. Shiff的量子力學(xué)課本《Quantum Mechanics》，講得深入淺出，很受研究生們歡迎。第一次留作業(yè)，留了兩道對于我來說頗有難度的題目。我請教了高我一屆的張首晟學(xué)長，也第一次感覺到做理論物理可能不是自己的強項。
一年后，我通過了物理系博士資格考試，開始在導(dǎo)師指導(dǎo)下開展凝聚態(tài)理論物理研究。努力一年后，感覺進展緩慢，困惑之中來到楊先生的辦公室請教。楊先生指點：高能理論物理需要實驗驗證，而實驗驗證所需的高能態(tài)則依賴于粒子加速器。在現(xiàn)有的加速原理及技術(shù)手段下，建造超高能加速器耗費巨大，所以高能物理的前途在于新的加速器物理理論和方法。
楊先生列舉了在他的教誨下從理論物理轉(zhuǎn)行做加速器物理的成功范例，如領(lǐng)導(dǎo)超級超導(dǎo)對撞機（Super Superconducting Collider, SSC）物理設(shè)計的趙午學(xué)長、原創(chuàng)性拓展自由電子激光（Free Electron Laser, FEL）理論的余理華學(xué)長等，他們的名頭在石溪物理系的研究生中如雷貫耳。
經(jīng)楊先生兩次點撥，我決定改變研究方向，主攻加速器物理。楊先生遂與加速器領(lǐng)域的先驅(qū)Ernest D. Courant先生聯(lián)系，推薦我到距石溪30公里的布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory, BNL）師從E D. Courant，而楊先生則成為我在石溪的博士學(xué)位導(dǎo)師。
當(dāng)時，布魯克海文國家實驗室正在進行相對論性重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）加速器工程的預(yù)研。一九八九年底，我以RHIC的研究課題在石溪完成論文答辯（圖二），論文題目是Longitudinal Dynamics of the Non-adiabatic Regime at Transition Crossing（臨界能穿越的非絕熱縱向動力學(xué)）[1]。答辯會后楊先生很高興，并謙虛地說：“I learned something.”
回想在石溪的五年，楊先生引導(dǎo)我學(xué)習(xí)和體會如何實現(xiàn)自己的價值，做自己最為擅長的專業(yè)，在加速器領(lǐng)域發(fā)展。楊先生既是令人仰望的物理學(xué)大師，也是許多晚輩的良師益友，許多在石溪的同學(xué)都受益于楊先生的教誨（圖3）。每次向先生請教，他都會仔細凝聽，問出的問題總是很敏銳，并總能給出獨到的見解，令人豁然開朗。
當(dāng)然，楊先生超然的睿智及敏捷的思維也每每讓我感到難以望先生項背。楊先生給的《Symmetry》講座，至今同學(xué)們還津津樂道。每年春節(jié)前后，石溪的中國學(xué)生學(xué)者聯(lián)誼會舉行慶?；顒樱瑮钕壬紩?yīng)邀前來。楊先生在石溪數(shù)學(xué)樓六樓頂層的辦公室，時常會浮現(xiàn)在我的記憶里，先生的教誨令我受益終身。
自1986年進入加速器領(lǐng)域后，我有機會參與了數(shù)個加速器領(lǐng)域前沿大型工程的預(yù)研、設(shè)計和建造。在攻讀博士學(xué)位期間，我在加速器領(lǐng)域的傳統(tǒng)課題臨界能穿越（transition crossing）上練手，發(fā)現(xiàn)了RHIC作為世界上首臺需要穿越臨界能的由超導(dǎo)磁鐵構(gòu)成的同步加速器環(huán)，由于超導(dǎo)磁場需緩慢提升場強，縱向非線性效應(yīng)在臨界能附近會導(dǎo)致嚴重的束流能散及損失。在發(fā)現(xiàn)與此相關(guān)的重大工程設(shè)計缺陷后，提出了利用降低射頻電壓減小束流穿越能散及臨界能跳躍等改進措施，且被采納。我順利獲得了博士學(xué)位，并為工程建設(shè)作出了貢獻。
畢業(yè)后的十年，我繼續(xù)在RHIC工程（圖四）做加速器物理研究、工程物理設(shè)計及建造[2]。當(dāng)時提出的采用隨機冷卻機制（stochastic cooling）解決因束內(nèi)散射（intrabeam scattering）導(dǎo)致的束流損失及發(fā)散問題的方案，約二十年后成功在RHIC裝置上實施。
此后，我負責(zé)了布魯克海文國家實驗室參與歐洲核物理研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）的大型強子對撞機（US part of Large Hadron Collider, US-LHC）的加速器物理工作，提出了對撞區(qū)域磁場誤差的束流動力學(xué)校正原理及具體方案。
自1999至2005年，我參與了由六家美國能源部國家實驗室合作，在橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）建造的散裂中子源工程（Spallation Neutron Source, SNS）（圖五），初期負責(zé)工程加速器物理、物理設(shè)計及預(yù)研，后來全面負責(zé)SNS儲存環(huán)及輸運系統(tǒng)的設(shè)計和建造，直至工程順利完工[3]。
此間，由楊先生作為推薦人之一，我由助理研究員逐步成為布魯克海文國家實驗室的終身研究員， 并于2003年成為美國物理學(xué)會會士（American Physical Society Fellow）。
在過去七十年里，高能物理加速器的設(shè)計都基于1952年E.D. Courant等先輩發(fā)現(xiàn)的加速器強聚焦原理[4]。隨著加速粒子能量的不斷上升，高能物理加速器的建造越來越趨于周期冗長、建設(shè)團隊龐大、建設(shè)費用高昂。
更先進的加速原理的研究至今遲遲無法成熟到能應(yīng)用于具體工程中。鑒于這些原因，這些年楊先生更致力于支持中、低能量及應(yīng)用型加速器的發(fā)展，包括服務(wù)于能源、生物、材料、醫(yī)療等領(lǐng)域的光源、中子源、離子治療等加速器項目。
2005至2009年，在楊先生的直接支持、鼓勵及香港方潤華先生的幫助下，我來到中國科學(xué)院高能物理研究所參與中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）的設(shè)計和預(yù)研（圖六），并擔(dān)任中國散裂中子源工程（籌）經(jīng)理，負責(zé)工程的籌備工作[5]。
這項由中國科學(xué)院高能物理研究所負責(zé)的基于強流加速器的工程于2018年全面建成，目前已達到設(shè)計指標(biāo)并開放運行，成為中國第一座脈沖散裂中子源，服務(wù)于眾多前沿研究領(lǐng)域。
2009年，在楊先生的支持下，我應(yīng)唐傳祥系主任和顧秉林校長的邀請來到清華大學(xué)工程物理系任教，籌建基于質(zhì)子束的緊湊型脈沖強子源（Compact Pulsed Hadron Source, CPHS）（圖七）。這個項目所推動發(fā)展的技術(shù)不僅適用于低、中能質(zhì)子加速及中子散射、成像平臺，并可拓展至質(zhì)子應(yīng)用平臺、離子治療、核物理研究及應(yīng)用平臺和加速器驅(qū)動次臨界裝置（圖八）等。
強子加速器項目與清華傳統(tǒng)的基于電子加速器和光源及輻照技術(shù)形成技術(shù)互補，形成適合大學(xué)發(fā)展的加速器研發(fā)平臺。當(dāng)時，關(guān)遐令、龍振強等老師一同加盟清華，組建了一支質(zhì)子加速器及中子技術(shù)隊伍。有居住在清華的楊先生的熱情鼓勵，顧秉林校長的全力支持，及唐傳祥、陳懷璧等系領(lǐng)導(dǎo)全方位配合，項目設(shè)計及預(yù)研發(fā)展很快，并在清華主校園迅速選址開建[6]。
2010年我離開清華后，王學(xué)武老師接手負責(zé)項目發(fā)展，很快該加速器項目建成出束并進入用戶運行。近些年來，清華質(zhì)子加速器團隊又承擔(dān)了基于質(zhì)子同步加速器的空間輻照模擬設(shè)施的設(shè)計和建造任務(wù)，并于近期成功調(diào)試運行。
2010年，我應(yīng)美國密西根州立大學(xué)邀請，到該校任職，并擔(dān)任稀有同位素束流設(shè)施（Facility for Rare Isotope Beams, FRIB）加速器項目負責(zé)人，負責(zé)加速器的設(shè)計、預(yù)研、建造、調(diào)試及運行（圖九）。
這項由美國能源部和密西根州立大學(xué)合作的加速器工程項目建設(shè)總投資約十億美元，于2010年立項，2012年通過工程基準(zhǔn)，2014年開工建設(shè)，目前工程進展順利，將于2022年建設(shè)完工并開始用戶運行。
這項世界上最大規(guī)模的重離子直線加速器采用2K液氦超導(dǎo)射頻腔加速、液態(tài)金屬膜電子剝離及旋轉(zhuǎn)靶站和旋轉(zhuǎn)廢束站技術(shù)，將以最先進指標(biāo)服務(wù)于核物理領(lǐng)域的研究和應(yīng)用[7]。
圖九：建造于密西根州立大學(xué)主校園的稀有同位素束流設(shè)施（Facility for Rare Isotope Beams， FRIB）工程設(shè)計示意圖[7]。（Michigan State University）
自1986年由楊先生引薦到加速器領(lǐng)域，至今已三十五年。對我個人來說，加速器行業(yè)的回報是如此獨特，以至于可以通過工程項目的執(zhí)行將物理想法變?yōu)楝F(xiàn)實。在整個建設(shè)過程中，體驗到在物理、技術(shù)、團隊合作和建立友誼諸方面的無盡收獲[8]。能夠親歷從概念到實體的全過程，讓我感到無勝榮幸，并樂此不疲。
很幸運在我事業(yè)起步迷茫之時有楊先生的及時指點，找到自己擅長并熱愛的事業(yè)（圖十）[9]。衷心感謝恩師楊先生三十多年來的教誨、指導(dǎo)和支持，衷心祝愿楊先生童心永駐、鶴發(fā)常新、健康長壽！
