欧洲核子研究中心的发展成就与启示

徐愚

摘 要：欧洲核子研究中心是大科学国际合作的典范，目前已有21个欧洲成员国，并且创立了观察员制度。60多年中，CERN建造了众多高能粒子物理实验设施，取得了突出的科学贡献，对我国大科学研究及政策富有启示。最后，分析了大科学国际合作的两种主要特征：第一，以工程为基础的集中研究；第二，以共同目标为核心的分散研究。

关键词：欧洲核子研究中心 大科学 国际合作

中图分类号：N20 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0193-03

位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）该名为“欧洲核子研究理事会”，1954年更名为欧洲核子研究中心。虽然名字改了，但CERN这个简称却被保留了下来，一直沿用至今。CERN是大科学国际合作的典范，它开创了大科学国际合作的先河，并在创立后的近60年中做出了众多富有价值的科学贡献。现如今，CERN不断接纳更多欧洲国家加入其中，并且持续加强与全球范围内科技强国的合作，探索并创新大科学国际合作的发展新方式。因而，梳理并研究CERN的发展历程、机构设置、重大成果对进一步探讨和制定我国科技政策以及我国大科学国际合作战略等问题都将有所帮助和启示。

1 欧洲核子研究中心（CERN）的发展

作为世界上最大的粒子物理实验室，欧洲核子研究中心（CERN）目前有20个欧洲成员国，以及3000多名物理学家、工程技术人员和行政人员。除成员国外， CERN还将诸如美国、日本、俄罗斯、印度等非成员国吸纳为观察员，由此开创国际合作的创新模式。

1.1 CERN的创立

CERN于1954年9月27日宣布成立，它的建立和发展早于欧洲国家的政治一体化。它的产生既有欧洲科学发展的实际需求因素，又由高能物理研究依赖高投入的大科学工程和科学设施的特点所决定。[1]

二战之后，欧洲各国亟待发展以摆脱战后颓势，政治家和科学家都认识到发展的动力必将来自科学研究。然而，对于高能粒子物理研究，欧洲各国都面临着同样的难题：作为高能物理研究所需的实验工具，粒子加速器和探测器的建造和运行都需要大量资金和人力，而这并非一国所能独立承担。在这样的经济环境和科研需求背景下，欧洲科学家们开始推动国际科研合作。1954年，包括比利时、丹麦、联邦德国、法国、希腊、意大利、荷兰、挪威、瑞典、瑞士、英国和南斯拉夫在内的12个欧洲国家达成一致，决定开始联合在瑞士日内瓦和法国的边界上建设CERN。

1.2 CERN的观察员

CERN不仅在持续吸纳欧洲国家加入其中，并且还开展了与其他地区和国家的合作。CERN根据其做出的贡献及其合作态度，发展了一些国家和组织作为CERN的观察员。观察员不能够参与CERN的决策过程，但是可以出席理事会会议，并有权获得理事会的文件。其主要观察员为美国、日本、俄罗斯和印度。

美国在LHC项目中投资约5.31亿美元，其中投入ATLAS和CMS项目各1.65亿美元，其余的2.01亿美元支援LHC的工程建造。由此，1997年CERN将美国纳入到观察员的行列。而日本成为观察员国家的时间则更早一些，日本在1995年之前就声称要向CERN缴付50亿日元，作为LHC的建造费用，并且之后逐步提高了数倍金额，最终日本在1995年CERN理事会上取得了观察员地位。

另外，俄罗斯也是ATLAS和CMS探测器合作的重要合作国家，并在其中承担了非常重要的任务。俄罗斯的杜布纳研究所向CERN提供了价值不菲的横向减震系统，以及大量高水平的研究员和工程师。这些来自俄罗斯的研究人员在LHC探测器研发和制造等方面所做出的贡献十分巨大。最后，作为一个发展中国家，印度一直以来与CERN保持密切合作，为LHC项目贡献了约1250万美元。除此之外，印度也向CERN派出了大量科学家帮助完成LHC对撞机的设计、建造和实验。

2 欧洲核子研究中心（CERN）的科研成就

2.1 CERN建造的大科学装置

CERN历史上共有三台直接加速器，其作用在于为质子同步加速器（Proton Synchrotron）提供低能量的粒子。质子同步加速器于1957年建造完成，1959年调试完毕，直径约为200 m，曾是当时世界上功率最大的加速器，也是CERN加速器中使用时间最久且用途最广的加速器。利用质子同步加速器，可以将质子加速到28 GeV的高能量，而且据此设计实验验证了强聚焦原理。经过适当调试之后，质子同步加速器不仅可以加速质子、反质子，还能加速电子和重离子，可为之后建造功率更大加速器提供粒子束。

1971年，CERN建造了质子交叉储存环（ISR）。该设备将质子对撞能量提高到56 GeV，创造了当时高能量的世界纪录。科学家在ISR上完成了一系列重要的实验，但遺憾的是ISR已于1984年被拆除。

在质子同步加速器之后，CERN开始向超级质子同步加速器（SPS）迈进。SPS从1971年开始建造，1976年投入运行，其主加速器平均直径达2200 m，能量输出范围为300～450 GeV。利用SPS产生的质子束进行静止靶实验，完成了中微子散射等重要试验。[2]通过提出统计冷却原理，超级质子同步加速器于1983年被改造为最高能量达800 GeV的质子-反质子对撞器。正是在这台设备上，CERN的科学家发现了传递弱相互作用的媒介子三种玻色子。2007年后，超级质子同步加速器开始为LHC注入中子及重离子。与此同时，1983年CERN开始建造大型正负电子对撞机（LEP），其总投资达6亿美元。LEP的周长为27 km，主环跨越法国和瑞士国界，占地36公顷。1989年8月13日LEP正式投入运行，直至2000年被拆除。

20世纪末，美国和欧洲在加速器建设方面形成一定的竞争关系，但是美国超导超级对撞机SSC计划被美国国会否决，与此同时CERN成员国理事会批准了大型强子对撞机（LHC）计划，由此二者竞争的天平开始倾斜。从2001年开始，CERN在LEP原有的隧道中建造大型强子对撞机LHC，将实现总撞击能量高达14 TeV，主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验。

在LHC的不同对撞点上建有四个大型探测器：紧凑型子螺旋型磁谱仪（CMS）、超环面仪器（ATLAS）、研究CP破缺实验装置（LHCb）以及大型离子对撞机（ALICE）。其中，CMS和ATLAS探测器的主要物理目标就是寻找希格斯玻色子，以及研究CP破缺和超对称，这正是2014年7月报告发现希格斯玻色子的两个研究组。除上述这些大科学装置以外，CERN历史上还有一些装置，例如：反质子积累器、低能反质子环、反质子收集器AC以及后来由AC改造而成的反质子减速器。

2.2 CERN几十年来取得的成绩

1984年，CERN的科学家卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia）和西蒙· V·范德梅尔（Simon Van Der Meer）由于在发现弱作用传播子中所起到的决定性作用和杰出贡献，而荣获了诺贝尔物理学奖。此项研究结果确认了弱力和电磁力的统一，也即确认了标准模型的电弱理论。这也是在CERN工作的科学家第一次获此项殊荣。然而，仅仅几年之后，CERN的科学家乔治·夏帕克（Georges Charpark）就再次斩获1992年诺贝尔物理学奖，以表彰他在他在粒子探测器以及多丝正比室方面的突出成果。

如今我们“赖以生存”且发展迅猛的万维网也可以认为是CERN的成果之一。1990年，CERN的计算机学家蒂姆·伯纳斯·李（Tim Berners-Lee）发明了万维网，他甚至在2004年被英国女王伊丽莎白二世晋封为二等高级英帝国勋爵士。万维网是由CERN的大型高能物理合作组发明并发展起来的，由于需要在全球范围内不同大学和研究所之间交流科研信息，因此，促使了万维网的诞生。

另一个重要的成就即为希格斯玻色子的发现。在所有解释质量起源的机制中，希格斯机制是最简单、最被寄予厚望的一种。希格斯机制假定宇宙普遍存在着“希格斯场”，希格斯场能够与基本粒子相互作用产生希格斯玻色子。所以，希格斯玻色子是粒子物理学期待已久的发现，希格斯玻色子的确认对希格斯机制给予了极大的肯定。

3 国际科技合作的启示

3.1 大科学的兴起

“大科学”的概念源于《小科学与大科学》，此书是美国耶鲁大学科学家普赖斯（D.Price）1962年在布鲁克海文国家实验室所作的四次“培格莱姆讲演”（Pegram Lectures）基础上写就而成。书中开篇就写道：“由于当今的科学大大超过了以往的水平，显然已经进入了一个新的时代，那是清除了一切陈腐却保留着基本传统的时代。现代科学的大规模性，面貌一新且强而有力使人们以‘大科学一词来美誉之。”[3]

然而，早在1961年美国科学家艾尔文·温伯格（Alvin Weinberg）在《大规模科学对于美国的影响》中已经注意到了“大规模科学”所带来的问题。普赖斯在书中也写道“我从温伯格的文章中受惠匪浅”。对于大科学的内涵，温伯格曾做过这样的概括：“科学愈来愈庞大有两个不同的意义。一方面是指，现代科学的许多活动——核物理学、基本粒子物理学，或空间研究——要求非常精密的仪器设备和专业人员的巨大队伍。另一方面，科学事业，小科学和大科学两者，都在爆炸式地增长，并且变得非常复杂。”[4]

大科学（Big Science）指需要大规模的仪器设备和巨额资金的研究，其中涉及规模巨大的多学科的研究队伍，包括科学家和工程师。[5]从管理结构来看，大科学研究项目更加复杂且多层次，需要多方面协作完成；从作用影响来看，大科学研究项目所关注的是更为基础的科学理论，拥有更大规模的实验设施、更高水平的人才队伍、更巨额的资本投入，因此，所产生的影响相较于“小科学”而言则更加广泛且深远。

3.2 大科学国际合作的特点

综上所述，大科学项目国际合作研究的特点主要是：第一，投资强度大，一国之力难以承担；第二，多学科多领域交叉，需要大量高水平科研人员；第三，研究目标多为基础且宏大的课题，对人类知识体系及社会发展将产生难以估计的影响。但是，从研究性质和研究类别来看，大科学国际合作有两种不同的特征。

首先，以工程为基础的集中研究。这些大科学研究需要建设大规模工程设施，需要投入巨额研发资金、众多科研人员，主要方法是在拥有大型实验设备的前提下进行研究探索。这就意味着其中包含了工程设计、建造、运行、维护等一系列研究开发活动。例如：欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）、Cassini卫星探测计划、Gemini望远镜计划等都可划分为此类大科学研究。[6]

其次，以共同目标为核心的分散研究。该类大科学项目的主要特点是研究场所相对分散，全位于全世界的各个科学家、科学团体朝着一个相同研究目标开展协同合作。虽然相对分散，但其中却不乏组织性，即分工明确，又相互补充。人类基因组计划、全球变化研究以及海洋与大陆科学钻探等大科学项目都具备此特征。

4 结语

目前，CERN的LHC粒子撞击总能量已达到发现希格斯玻色子的两倍，并且正在以最高能量运行，试图探测微型黑洞，以此可以验证宇宙中额外维度或者“平行宇宙”是否真的存在。无论结果如何，CERN都将继续拓展对于粒子物理学以及宇宙空间的认知边界。2015年10月底，党的十八届五中全会强调要牢固树立并切实贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念。其中，“实现创新发展，就要深入实施创新驱动发展战略，实施一批国家重大科技项目，在重大创新领域组建一批国家实验室，努力取得一批原创性科研成果，增強国家自主创新能力。积极参与国际科技合作，提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程。加快科技成果产业化，使创新深度融入经济发展之中。”[7]据媒体称，我国将于2020年至2025年间开始建造世界上最大的粒子加速器，其大小将是LHC的两倍，最高能量将是LHC的数倍以上。因此，研究CERN的发展与成就，借鉴前人的经验与模式，中国将在大科学国际合作领域、粒子物理加速器领域同全世界科学家们一起开拓未来的科学征程。

参考文献

[1] 张永涛.欧洲核子中心50年发展历程和辉煌成就[J].中国基础科学，2004（6）：52.

[2] 张闯.科研上国际合作的典型——欧洲核子研究中心简介[J].科学中国人，1996（12）：26-28.

[3] （美）普赖斯，著.小科学与大科学[M].宋剑耕，戴振飞，译.上海：世界科学社，1982：2.

[4] 万劲波，孙中锋，全利平.大科学时代中长期科技发展规划的制定[J].科研管理，2003（12）：12-15.

[5] 樊春良.全球化时代的科技政策[M].北京：北京理工大学出版社，2005：265.

[6] 刘云，常青.我国大科学研究国际合作的现状分析与政策建议[J].科技发展，2000（9）：63-67.

[7] 王一鸣.贯彻五大发展理念 实现百年奋斗目标[N].人民日报，2015-10-30（3）.