王貽芳：李政道先生與中國高能物理發(fā)展
撰文 | 王貽芳（中國科學(xué)院高能物理研究所）
建國伊始，我國高能物理實(shí)驗(yàn)研究一片空白。建立于1950年的中國科學(xué)院近代物理研究所（高能所前身，1953年更名為物理研究所，1958年再更名為原子能研究所）是新中國亞原子物理研究的發(fā)源地。
1956年，我國制定的第一個(gè)科學(xué)發(fā)展十二年遠(yuǎn)景規(guī)劃首次提出了建造一臺(tái)高能加速器的設(shè)想，此時(shí)國際高能物理研究也剛剛進(jìn)入第一代大型加速器實(shí)驗(yàn)階段。但中國的高能加速器計(jì)劃卻經(jīng)過二十多年“七上七下”的曲折，直到1986年北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀開工建設(shè)才真正起步。李先生在這其中起到了關(guān)鍵作用。
1972年美國總統(tǒng)訪華，中美關(guān)系改善。9月，李先生和夫人回到了闊別已久的祖國，受到了周恩來總理的接見。在與周總理及張文裕先生討論云南站的宇宙線研究成果中，李先生首次提出了中國應(yīng)考慮建造一個(gè)小型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建議。
中國領(lǐng)導(dǎo)人認(rèn)真考慮了李先生的建議，支持了中國學(xué)者提出的發(fā)展高能物理實(shí)驗(yàn)的愿望。不久，周總理在給張文裕等18位科學(xué)家的回信中說：“這件事不能再延遲了......”。1973年2月1日，中國科學(xué)院高能物理研究所成立，中國的高能物理研究開始走上正軌。
1975年，中國政府批準(zhǔn)建造一臺(tái)400億電子伏特（40GeV）的質(zhì)子同步加速器（BPS）。這就是“七五三”工程。雖然李先生在物理上不贊成這個(gè)方案，也擔(dān)心這個(gè)計(jì)劃困難太多。除去經(jīng)濟(jì)能力和政治決心之外，還要得到國外特別是美國各大加速器實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)幫助。
但他還是親自與美國能源部和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）聯(lián)系，邀請(qǐng)中國考察團(tuán)去BNL訪問。那時(shí)候中美還沒有正式建交，他花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力與美國政府和能源部溝通協(xié)調(diào)，并安排培養(yǎng)加速器和實(shí)驗(yàn)物理方面的人才。
1979年1月李政道先生寫信給方毅副總理，提出了《關(guān)于培養(yǎng)高能實(shí)驗(yàn)物理學(xué)者的一些建議》。在寫信之前，他與美國二十多所大學(xué)和三大國家高能實(shí)驗(yàn)室，即BNL、費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（FNAL）和SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）進(jìn)行了聯(lián)系，希望接收來自中國的訪問學(xué)者。
他的請(qǐng)求獲得了這些大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的同意。很快我國政府也接受了李先生的建議，并立即開始了派遣學(xué)者的選拔工作。到該年7月，以高能所為主的研究單位向美國五大國家實(shí)驗(yàn)室和部分大學(xué)以及歐洲核子中心派出了近40名學(xué)者，即“李政道學(xué)者”。這一舉措，為后來的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和中國高能物理研究培養(yǎng)了關(guān)鍵人才。
1979年1月29日，鄧小平訪問美國，翻開了中美兩國關(guān)系的新篇章。在小平同志到訪前一周，李先生與以林宗棠為首的赴美考察團(tuán)討論、落實(shí)了美國高能物理相關(guān)的國家實(shí)驗(yàn)室與中國合作的具體項(xiàng)目，并積極推動(dòng)兩國政府簽訂一個(gè)正式的合作協(xié)定。
在很短的時(shí)間內(nèi)，李先生協(xié)調(diào)了中美兩國政府，在鄧小平與卡特簽訂了中美科技和文化合作協(xié)議的同時(shí)，由方毅副總理和美國能源部部長施萊辛格簽訂了《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美利堅(jiān)合眾國能源部在高能物理領(lǐng)域進(jìn)行合作的執(zhí)行協(xié)議》，這是中美科技合作協(xié)定下的第一份執(zhí)行協(xié)議，為中美之間高能物理的40年成功合作奠定了基礎(chǔ)。
在協(xié)議的框架下，李先生建議成立了中美高能物理聯(lián)合委員會(huì)。第一次會(huì)議于1979年6月在北京飯店召開。更是在李先生的積極爭(zhēng)取下，6月12日中國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美國能源部正式簽訂了《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和美利堅(jiān)合眾國能源部在高能物理領(lǐng)域進(jìn)行合作的執(zhí)行協(xié)議的附件》和《一九七九年六月至一九八零年六月中美高能物理技術(shù)合作項(xiàng)目》兩個(gè)協(xié)議。中美在高能物理領(lǐng)域的合作正式開始，這也是中美科技合作的最早項(xiàng)目。
北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是我國第一臺(tái)高能加速器，1988年10月，實(shí)現(xiàn)第一次正負(fù)電子對(duì)撞，《人民日?qǐng)?bào)》稱“這是我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”，“它的建成和對(duì)撞成功，為我國粒子物理和同步輻射應(yīng)用開辟了廣闊的前景，揭開了我國高能物理研究的新篇章”。
從物理目標(biāo)的選擇到加速器方案的確定，從人才培養(yǎng)到工程管理，從物理研究到國際合作，沒有李先生殫思竭慮和全力以赴，就不會(huì)有北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)和成功。
1981年3月，在中國高能物理方案經(jīng)過“七上七下”，大家一籌莫展時(shí)，李先生召集中美科學(xué)家一同研討，以防中國高能物理又會(huì)錯(cuò)過發(fā)展時(shí)機(jī)，再遭嚴(yán)重挫折。會(huì)上，他和美國SLAC時(shí)任所長潘諾夫斯基正式提出建造44億電子伏（2×2.2GeV）質(zhì)心能量的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，研究粲物理。
他們認(rèn)為這樣一臺(tái)對(duì)撞機(jī)作為中國高能加速器的起步，在技術(shù)上是先進(jìn)的，可以帶動(dòng)中國的高科技；物理窗口是廣闊的，有豐富的研究課題；同時(shí)可以產(chǎn)生同步輻射，有極大的應(yīng)用價(jià)值。這個(gè)建議得到中國高能物理學(xué)家的廣泛支持。
1981年底，李先生親自向小平同志介紹了這一方案，獲得了支持。小平同志認(rèn)為，這是中國科技界與國外交流的一個(gè)重要方向，盡管花了一些錢，但是卻改善了國外科技界跟我們的關(guān)系，建立了各種學(xué)術(shù)聯(lián)系。在李先生的幫助下，高能物理所開始進(jìn)行設(shè)計(jì)和預(yù)制研究工作。1983年4月，國務(wù)院正式批準(zhǔn)BEPC工程立項(xiàng)。
李先生支持北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，承擔(dān)了巨大的壓力和風(fēng)險(xiǎn)，傾注了全部心血和智慧。在幾乎完全沒有基礎(chǔ)的中國高能物理和加速器界，建設(shè)亮度比SPEAR高一個(gè)量級(jí)的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（SPEAR是發(fā)現(xiàn)了tau和charm，獲得兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的加速器），在許多人看來簡直是天方夜譚。但李先生押上了自己的聲譽(yù)，全力投入到這項(xiàng)事業(yè)中。
他仔細(xì)分析了利弊和成敗因素，利用自己的影響，創(chuàng)造各種渠道，花了很大精力推動(dòng)和組織美國能源部所屬的五個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室在物理、技術(shù)、工程、人才上支持和幫助中國建造加速器和探測(cè)器，并親自參與各種討論，協(xié)助發(fā)現(xiàn)和解決大大小小的各種問題，促進(jìn)了中國高能物理和加速器隊(duì)伍的成長。
1984年10月，小平同志來到高能所為對(duì)撞機(jī)工程奠基，他聽了匯報(bào)，明確地說：“我相信這件事不會(huì)錯(cuò)！”。他還特地感謝李先生為中國高能物理發(fā)展做出的努力。1988年10月，在中外科學(xué)家的共同努力下，BEPC和北京譜儀（BES）高質(zhì)量完成了建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)撞。在慶祝典禮上，黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人在李先生的陪同下參觀了對(duì)撞機(jī)，小平同志發(fā)表了“中國必須在高科技領(lǐng)域占有一席之地”的著名講話。
BEPC只用了4年就完成建設(shè)，即使在有對(duì)撞機(jī)基礎(chǔ)的國家，也幾乎是前所未有的。其建造成功，使中國人掌握了高能加速器、探測(cè)器技術(shù)，以及同步輻射的應(yīng)用技術(shù)，對(duì)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。投入運(yùn)行后，迅速達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，取得許多重大物理成果，在粲物理研究方面處于國際領(lǐng)先，成為世界八大高能加速器中心之一，在世界高能物理領(lǐng)域占有了一席之地。北京同步輻射裝置成為我國主要的廣譜同步光源，為多學(xué)科交叉前沿研究提供了大型平臺(tái)。
回過頭來看，建設(shè)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)無比正確的決定，是當(dāng)時(shí)所能做的一個(gè)最好的決定。
首先科學(xué)意義重大，建成以后一直在出重要成果，BES國際合作組，發(fā)表重要物理文章167篇，包括tau輕子質(zhì)量的精確測(cè)量、R值測(cè)量、6夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)等，使粲物理研究成為國際粒子物理研究的熱點(diǎn)之一。最近我們論證這臺(tái)在2004年改造完成的機(jī)器，還能運(yùn)行10年，加起來一共有超過40年的科學(xué)壽命，成為世界上少有的長壽加速器。中國的高能物理學(xué)界十分幸運(yùn)地獲得了長達(dá)四十年的發(fā)展空間。
其次造價(jià)低，比原來的50GeV質(zhì)子加速器方案便宜很多，包括初期建設(shè)和后來的改造，一共花了8.8億。這樣的一臺(tái)8.8億的設(shè)備讓全國的高能物理學(xué)者近千人用40年，是極為劃算的。第三是技術(shù)含量高，能支撐同步輻射應(yīng)用，我國的北京同步輻射光源、上海光源、散裂中子源和現(xiàn)在正在懷柔建設(shè)的高能同步輻射光源的建設(shè)隊(duì)伍，都來源于高能所的這支隊(duì)伍。
上世紀(jì)末，中國的高能物理發(fā)展路線曾有過一次大討論，從1994年起，在李先生和潘諾夫斯基教授支持及國內(nèi)同行的積極參與下，我國高能物理界開始了“τ-粲工廠”的預(yù)制研究，由于各種原因這一方案最終沒有獲得國家支持，但依舊鍛煉了隊(duì)伍，為以后的BEPCII/BESIII的建造打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2000年，高能所提出了我國的高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展目標(biāo)，提議對(duì)BEPC進(jìn)行重大改造，李先生本著有利于我國高能物理發(fā)展的初衷，一如既往地支持BEPCII的改造方案。終于BEPCII及相關(guān)的中國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略獲得了中央的原則同意。
其后，高能所的科學(xué)家們考慮到國際競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的變化和國際高能加速器的最新發(fā)展，提出了在原有隧道中的雙環(huán)方案，這就集合了τ-粲工廠方案的高指標(biāo)和原BEPCII方案利用原有隧道的低成本這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使對(duì)撞亮度提高到100倍。但問題是中央已經(jīng)原則批準(zhǔn)的方案還能改嗎？ 經(jīng)費(fèi)從4億漲到6.4億能得到批準(zhǔn)嗎？
在此關(guān)鍵時(shí)刻，李先生對(duì)這個(gè)新方案表達(dá)了堅(jiān)定的支持立場(chǎng)，出面與各方面溝通并寫信給中央領(lǐng)導(dǎo)，解釋了方案改變的原因與理由，希望能得到支持。最終，在各方面的努力與支持下，新的BEPCII方案得到國家發(fā)改委的批復(fù)同意，于2004年正式開工建設(shè)。這時(shí)離大家開始討論τ-粲工廠，已過去了10年。
前文中提到李先生在1979年設(shè)計(jì)成立了中美高能物理聯(lián)合會(huì)員會(huì)，由美國能源部負(fù)責(zé)高能物理的最高官員及國家實(shí)驗(yàn)室的高能物理負(fù)責(zé)人參加。李先生每年都會(huì)親自參加，從不間斷直至2011年。
早年這個(gè)委員會(huì)實(shí)際上就是BEPC和高能所的國際顧問委員會(huì)，它組織了美方單位幫助BEPC開展設(shè)計(jì)與研制，大力推動(dòng)了BEPC的建設(shè)和高能所的發(fā)展。隨后在李先生的建議下，美方一些單位正式參加了BES合作組，參與物理分析，推動(dòng)BES走向國際化。在90年代初，美方還貢獻(xiàn)了幾百萬美元參與BES的升級(jí)改造。
由于中方的技術(shù)與能力進(jìn)步，除了個(gè)別的特殊技術(shù)與一般的方案與技術(shù)評(píng)審之外，BEPCII的設(shè)計(jì)與研制基本上不需要美方參與。但李先生仍然十分關(guān)心BEPCII的研制工作進(jìn)展，在每年的中美高能物理聯(lián)合會(huì)上，他不厭其煩，詢問細(xì)節(jié)，安排各種所需要的幫助，并組織評(píng)審和技術(shù)交流。
我親身經(jīng)歷的一個(gè)感人場(chǎng)面是有關(guān)新的北京譜儀（BESIII）超導(dǎo)磁鐵。這臺(tái)磁鐵長3.5米，直徑3米，磁場(chǎng)強(qiáng)度1特斯拉，是當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的單體超導(dǎo)磁鐵。研制大型超導(dǎo)磁體的難處在于無法分步測(cè)試并做修改，只能在全部制造完成后才能測(cè)試，這時(shí)如果有問題也無法修改了。這是BEPCII風(fēng)險(xiǎn)最大、價(jià)格最高的單體設(shè)備。
2007年6月在“Workshop on Possible Parity Restoration at High Energy”的晚宴上，我們告知李先生，一小時(shí)前超導(dǎo)磁體勵(lì)磁成功。他非常激動(dòng)和高興，當(dāng)場(chǎng)表示要去看看大家。晚宴結(jié)束之后，81歲高齡的李先生深夜11點(diǎn)來到現(xiàn)場(chǎng)，慰問課題組成員，祝賀并感謝大家的努力，給了大家莫大的鼓舞。
2003年，高能所提出在大亞灣建造一個(gè)中微子探測(cè)裝置，尋找一種新的中微子振蕩，并測(cè)量其振幅（sin22θ13）。李先生知道了以后并未立刻表態(tài)。
回美國以后，他花了相當(dāng)多的時(shí)間閱讀文獻(xiàn)，找國際上的相關(guān)專家研討，并與美國能源部科學(xué)局高能物理辦公室溝通，了解他們的態(tài)度。最終他在2004年表態(tài)支持這個(gè)項(xiàng)目，并強(qiáng)烈支持中美合作開展這個(gè)項(xiàng)目。
幾十年來，李先生對(duì)高能物理的支持從來都不是口頭上的，都會(huì)投入大量精力，付諸實(shí)際行動(dòng)。由于他在國內(nèi)外的地位和影響，他的作用有時(shí)是具有決定性的。
當(dāng)時(shí)，美國也有兩個(gè)類似的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)方案，分別在東西海岸。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)國際上還有好幾個(gè)方案，顯然不可能都得到支持。大家都在組建國際合作團(tuán)隊(duì)，設(shè)法合并別人，以壯大自己的聲勢(shì)，提高獲得各自政府支持的可能。
由于歷史上的原因，高能所跟美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的西海岸團(tuán)隊(duì)達(dá)成了合作意向，實(shí)際上是各自希望對(duì)方參加自己的項(xiàng)目。在這個(gè)過程中，雙方都想爭(zhēng)取主動(dòng)，采用自己的方案。
在復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)中，李先生出面積極溝通協(xié)調(diào)，支持了中方的努力，最終推動(dòng)了中美合作的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)合作組的成立。這是中美兩國首次有這樣規(guī)模的大型基礎(chǔ)科學(xué)合作，有八所美國大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家參加，得到美國能源部的大力支持，提供建造探測(cè)器一半的經(jīng)費(fèi)。
另一方面，針對(duì)中方經(jīng)費(fèi)與立項(xiàng)的困難，李先生積極與有關(guān)部門溝通，并兩次給中央領(lǐng)導(dǎo)寫信，陳述大亞灣實(shí)驗(yàn)的重要意義，推動(dòng)有關(guān)部門的立項(xiàng)準(zhǔn)備工作。在科技部的協(xié)調(diào)下，在各方人士及有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)的大力支持與創(chuàng)新性的努力之下，主要由科技部、科學(xué)院、基金委、廣東省、深圳市、中廣核集團(tuán)及美國能源部聯(lián)合支持的大亞灣實(shí)驗(yàn)終于在2007年正式啟動(dòng)了，并得到港、臺(tái)、捷克、俄羅斯等國家和地區(qū)的支持。這樣的國際、國內(nèi)合作項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)的國內(nèi)是前所未有的。
李先生的支持，使大亞灣實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作，無論是在國內(nèi)還是國外，都順利推進(jìn)了。在建設(shè)過程中，我們也多次遇到各種困難。李先生經(jīng)常過問，并主動(dòng)提出幫助協(xié)調(diào)。同時(shí)他還積極組織科學(xué)研究的準(zhǔn)備工作。
2010年11月，在他的提議下，我們組織了“大亞灣時(shí)代的中微子實(shí)驗(yàn)”研討會(huì)，李先生親自參加，并報(bào)告了他自己關(guān)于中微子振蕩研究的新成果。為支持國內(nèi)科學(xué)期刊的發(fā)展，李先生還同意將自己的文章發(fā)表在《中國物理C》上。
圖2： “大亞灣時(shí)代的中微子實(shí)驗(yàn)”討論會(huì)海報(bào)
2012年3月，大亞灣實(shí)驗(yàn)組獲得了首批數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備發(fā)布重大結(jié)果。經(jīng)過討論，合作組同意把即將投稿的文章發(fā)給李先生過目，以表達(dá)我們對(duì)他最大的敬意及感謝。他是合作組外看到文章的第一人。
李先生看完文章后立即發(fā)來了賀信，并以讓人極度不安的方式對(duì)我們這些晚輩表達(dá)了鼓勵(lì)。從中我們也看到了李先生的人品、修養(yǎng)和氣度。
圖3： 大亞灣實(shí)驗(yàn)成果公布時(shí)，李先生的賀信
BEPC對(duì)發(fā)展我國科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略意義重大。
從1988到今天，我國高能物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域以北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建成為基礎(chǔ)和起點(diǎn)，取得了令世界矚目的進(jìn)展：我們能獨(dú)立設(shè)計(jì)建造加速器、探測(cè)器并開展物理研究；在2-5GeV能區(qū)的τ物理、粲物理、粲偶素、量子色動(dòng)力學(xué)檢驗(yàn)等方面走到了世界前列；開拓了中微子研究領(lǐng)域，利用大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子新的振蕩模式，精確測(cè)量了其振蕩幅度，并開始了江門中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)。
同時(shí)，我們?cè)诟吆０魏涂臻g宇宙線實(shí)驗(yàn)、暗物質(zhì)探測(cè)、X射線天體物理研究等方面也取得了長足的進(jìn)步，“慧眼”衛(wèi)星正遨游太空，LHAASO高海拔宇宙線探測(cè)設(shè)施建設(shè)完成并已經(jīng)取得重大成果，未來的空間探測(cè)衛(wèi)星和空間站實(shí)驗(yàn)正在準(zhǔn)備中。
在此基礎(chǔ)上，北京高能同步輻射光源、東莞散裂中子源等大型多學(xué)科交叉研究平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用也從無到有，迅速發(fā)展，成為國家科技創(chuàng)新體系的重要單元，也逐步成為國際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)基地。在科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)方面，高能所也取得了一系列驕人成績。
三十多年來，在李先生的幫助和支持下，中國的高能物理取得了巨大的進(jìn)步。而未來30年，將是中國科技發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵期，我們要從“追趕”成為“領(lǐng)跑”。
自希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)后，國際高能物理學(xué)界普遍認(rèn)為對(duì)它的深入研究極為重要和迫切，是探索標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的最好窗口。我們?cè)趪H上首先提出了建造質(zhì)心能量為90~240 GeV的高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）的設(shè)想，并在同一隧道中適時(shí)建設(shè)超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)。
作為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)以后的下一代中國高能加速器，這一項(xiàng)目給我國的高能物理發(fā)展提供了一個(gè)追趕、領(lǐng)跑的絕佳機(jī)遇，將使我們從占有國際上的“一席之地“，到成為“國際中心和引領(lǐng)”。
我想李先生四十年的心血與努力，就是為了看到這一天。這是我們中國高能物理學(xué)家的夢(mèng)想，也是我們的中國夢(mèng)。CEPC在提出后便在質(zhì)疑和爭(zhēng)議中前行，參與CEPC的科學(xué)家、工程師們百折不撓，預(yù)研工作正如火如荼進(jìn)行著，一批關(guān)鍵技術(shù)取得了卓有成效的進(jìn)展。
相信在未來的30年中，在李先生為我們奠定的基礎(chǔ)上，我國高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展會(huì)再上一個(gè)臺(tái)階，我國的基礎(chǔ)科學(xué)研究將迎來又一個(gè)輝煌時(shí)期。
注： 本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》即將刊出的“李政道?？?，YWA編輯，《賽先生》獲授權(quán)轉(zhuǎn)載。
