对撞机:物理学的进步或诘难?
——从SSC、LHC看基础物理“大科学”工程的争议

2017-10-12 04:40刘一鸣赖燕茹
中国科技论坛 2017年9期
关键词:高能物理对撞机粒子

刘一鸣,赖燕茹

(1.国防科学技术大学人文与社会科学学院,湖南 长沙 410073;2.国防大学政治学院,江苏 南京 210000)

对撞机:物理学的进步或诘难?
——从SSC、LHC看基础物理“大科学”工程的争议

刘一鸣1,赖燕茹2

(1.国防科学技术大学人文与社会科学学院,湖南 长沙 410073;2.国防大学政治学院,江苏 南京 210000)

对比SSC、LHC两大对撞机项目,其中充斥的科研立项利益之争、大小科学之争、认知与应用之争最终导致了二者的不同命运。随着科学技术与社会联系的日益紧密,公众参与科学的深度和广度不断拓展,甚至对科学研究过程产生重大影响。文章从SSC、LHC项目出发,分析基础物理“大科学”工程中的争议,并对其创新环境问题提出一些建议。

SSC;LHC;高能物理;“大科学”工程

Abstract:There is full of contention research project interests,the size of the scientific dispute,cognition and dispute in SSC and LHC projects,which eventually led to the application of the different fates.As the increasingly close ties between science and technologe and society,the depth and breadth of public participation in science continue to expand,and even have a significant impact on the scientific process.From SSC and LHC projects,the paper analyzes dispute in“Big Science”projects of the basic physics,and puts some suggestions.

Keywords:SSC;LHC;High energy physics;Big Science project

“墨子号”量子卫星的成功升空,再次证明基础物理学研究的重大价值。然而,在物理学发展史中,自普朗克发现量子后,关于量子物理认知与应用的争论从来没有停止过,从爱因斯坦坚信“上帝不会掷骰子”引发与玻尔的论战,到围绕微观世界的测量是否有主观介入,这些科学界的争论向公众展示了更多基础物理学的魅力。此次量子物理在应用领域的突破,使得同为基础物理学的高能物理再次获得公众关注。1993年美国的超级超导对撞机SSC(Superconducting Super Collider)计划历时数年,耗费20亿美元却最终下马了。2008年欧洲大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)建成,随着“上帝粒子”(这里指希格斯玻色子(Higgs boson),它是当代粒子物理学“标准模型”理论所预言的一种粒子,被认为是物质的质量之源。科学家认为,一旦验证了希格斯玻色子的存在,物质质量起源之谜就会被彻底揭开)被发现,高能物理领域的中心再次从美国转移到欧洲。当前,对撞机是否奏响了高能物理的绝唱、中国是否要建超级对撞机等争论仍在继续,再看SSC和LHC两大对撞机项目的不同命运,或能对当前基础物理“大科学”工程的进路有所启发。

1 SSC项目的启动与终止

至19世纪50年代,人类发现了包括重子、轻子在内的几百种粒子,建立了高能物理学,提出描述基本粒子的标准模型理论,并且预言了“上帝粒子”——希格斯玻色子,再次补充了这一理论[1]。SSC项目主要目标是通过寻找顶夸克粒子和希格斯玻色子来对标准模型理论进行验证,从而发现更深层次的新物理,以此打开新物理学的大门[2]。

1.1 国内外危机促成SSC的立项

在美国建成SSC之前,世界高能物理的中心实际上在欧洲,那里有核子研究中心和粒子物理研究中心,SSC项目作为高能物理的伟大创举,之所以在美国上马,有其深层次军事、政治、经济和科技原因。军事方面,时值冷战,美苏军备竞赛激烈,苏联经济发展更有赶超美国的态势,美国因此加大科技投入,积极研究高能物理,想以其军事应用来威慑苏联,维持其军事霸主地位;政治上为了与欧洲抢夺科技领域的领先地位,维持其超级大国的战略地位,加大高能物理领域的投入;经济方面,美国国内市场在遭遇严重的经济危机后呈现持续低迷的态势,急需拉动内需扩大就业,SSC项目这样的“大科学”工程涉及各个领域的协同,带动了相关产业的发展,恰恰提供了相当多的就业机会;此外,二战结束后,美国大力扶持科研项目,吸引来自世界各地的科技人才,这些人才储备为SSC项目的上马提供了可能性。因此,SSC项目在众人瞩目的情况下匆匆上马了。

SSC的直接目的是“为了使美国重新找回在基础物理学领域的领先地位”[3],而其科研目的则是通过高能粒子对撞机实验来验证高能物理领域的两大难题。高能物理界的一系列实验不断验证着标准模型,而其预言的顶夸克和希格斯玻色子仍未得到验证。因此,不管是证实还是证伪基本粒子的存在,对高能物理界都是一个巨大突破。若“上帝粒子”被证实,人们对宇宙起源的研究将有重大进展;若被证伪,发现标准模型理论的缺陷和不足,也能够促进科学理论的进一步发展。自1987年SSC项目正式启动以来,该项目也的确取得了一些骄人成绩。SSC扩大了就业拉动了内需,对国防工业也不无裨益;大批的学生和老师得到了培训,高能物理后续人才队伍充足;低温技术、加速器和超导磁体等技术通过SSC溢出回馈社会[4]。

1.2 重重争议制约工程开展

随着SSC预算的大幅度增长,原先预算为44亿美元的项目变为92亿美元(非官方统计达110亿美元),巨额预算成为制约SSC项目发展的枷锁,引发了美国社会各界的热议。从1983年至1993年,SSC项目开展过程中一直伴随着各种争议,国会听证会多次出现关于是否继续追加对SSC项目的科研经费投入的分歧,这些争论主要来自科学界和政府官员两个团体,集中在科研经费分配、科研价值、项目的应用前景以及管理制度上。

支持者主要包括高能物理界的科学家、SSC选址所在地德克萨斯州的议员以及能源部的官员等。他们认为,首先,SSC由于其涉及领域的深度和广度,需要各个领域专业人员的协同合作,能够为今后管理“大科学”工程积累必要的经验[5];其次,SSC的科研价值巨大,远超以往科学实验的高能量级对撞,不仅是对高能物理学的突破,也将带来其他相关科学的发展[6];第三,SSC对确保美国的科技大国地位,保持对其他国家的战略威慑力,具有重大意义[7];第四,SSC提供了大量的就业机会,有效拉动经济增长速度,具备长期的后续发展潜力[8]。

反对者则来自其他领域的物理学家和科学家,以及其他一些州的议员。他们提出的反对意见,一是SSC耗资甚大,将会影响美国政府对其他项目的资金投入;二是SSC的科研价值并不突出,也并不是寻找“上帝粒子”的唯一方法,其他科学研究实验也可能在未来解决相关问题;三是SSC占用大量人力物力财力,导致其他领域人才的流失;四是就前景来看,SSC的产品溢出效应不显著,不适宜长期大量的投入[6]。

1.3 多方博弈终致SSC下马

1993年10月,历时七年的SSC项目在国会的干预下下马了。为什么一个既没有遭遇技术阻碍和更新的科学发现证伪的超级计划就此下马呢?温伯格曾对此愤愤不平,认为科学和社会的“契约似乎正在破裂”,“不仅一些国会议员失去了对纯科学的信心,因为经费的斗争,应用领域的一些科学家也转过来反对我们这些寻求自然定律的人[9]”。大多数人都将SSC下马的原因归结于巨额的财政预算,实际上这一项目的下马有着更加复杂的原因。

20世纪90年代初期,苏联解体东欧剧变,美国失去了竞争对手,这些冷战期间诞生的“大科学”工程也就失去了滋生其的国际政治环境;在SSC的选址问题上一直备受争议,大多数人认为选址德克萨斯州是为讨好即将上任的布什总统[1],而出于利益集团的博弈,克林顿总统上台后自然不会不遗余力地支持这一计划;克林顿政府上台以后实行紧缩的财政政策,基础物理学研究被认为是为了满足科学家的好奇心,相比之下,应用物理研究更能获得国会的预算投资和民众的支持;美国能源部将SSC项目交给大学研究联合会管理,反对者认为其管理不善,并对预算经费严重评估错误,而大学研究联合会也并没有就SSC项目对普通民众做出说明,直接影响了SSC的公众形象[10];此外,SSC项目并不是一个国际项目,美国并未打算将此技术与其他国家共享,在经费捉襟见肘之际,仍然幻想只靠其他国家制造一些配件,以及吸引投资的方式来寻求国际援助,结果当然显而易见。再加上费用超支、进展滞后,SSC项目下马终成定局。

2 LHC项目的争议与启动

欧洲大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)一开始就置于公众的争议之中。与SSC的目标一致,LHC将利用近光速的高速粒子束相撞产生的巨大能量,重建“大爆炸”发生后的宇宙形态,解决诸如自然界是否存在未被发现的粒子、物质的起源问题、暗物质的秘密、是否存在另外的空间、宇宙是如何形成的等物理学问题。LHC隶属目前世界上最大的物理实验室——欧洲核子研究中心(CERN),费时30年、耗资60亿美元,LHC被认为是最有希望检验“标准模型”的对撞机,如果成功,就将揭开宇宙的奥秘[11]。

2.1 LHC启动引发巨大争议

尽管LHC有着重大的物理学意义,大批反对者却担心LHC撞击时制造的黑洞可能会吞噬地球[12],抗议LHC的上马。高能物理学实验已经不止一次引发人类的此类担忧,1999年布鲁克海文的相对重离子对撞机就曾被公众认为将会导致“微型黑洞”产生,直至吞噬地球。物理学家弗朗克·韦尔切克否定了这种想法,但提出另一种可能性,即对撞机可能产生奇异夸克团,使得世界上的其他物质变成奇异夸克。尽管他声明自己的假设并不可信,但在《泰晤士报》借此以“大爆炸机器将会毁灭地球”为题刊登头条,公众已经陷入极大的恐慌之中。布鲁克海文实验室被迫成立专门小组,进行相关可能性的调查研究[11]。

由于此次LHC项目在全球范围内的广泛参与度和关注度,对抗显得更加激烈。LHC启动之际,两位美国公民就此事向美国联邦地方法院提起诉讼,要求在安全性得到证实之前暂缓启动对撞计划[13]。谣言引发了公众的恐慌,甚至有人因为世界末日将至而自杀。科学家对此进行解释,对撞机产生黑洞的机率很小,就算产生黑洞也将马上衰亡,他们认为加速器内发生的粒子对撞不具有危险性。整个CERN的科学家也因此被教导要统一口径,对外宣称对撞机毁灭地球的可能性等于零。

2.2 国际合作促成LHC在争议中上马

LHC被高能物理学家认为是探索微观世界的“哈勃望远镜”,自项目启动之初就被寄予极大的希望。它创造了科学界的多项纪录,是20世纪大科学工程的最重要代表之一。LHC的安全性问题一直备受关注,科学家通过各种途径向公众解释,LHC即使产生黑洞也非常微小,并将通过霍金辐射的机制蒸发消失,不会造成任何危险,奇异粒子说则更是无稽之谈,宇宙射线几十亿年来一直在对地球进行辐射,这些能量甚至高于LHC产生的能量,也没有毁灭地球,带来末日。因此,包括斯蒂芬·霍金在内的科学家都力挺LHC,认为它将对众多领域产生积极影响,从而促使整个人类社会的进步。

此外,与SSC有所不同的是,LHC是一个大型国际合作计划,由34国超过2000位物理学家所属的大学与实验室共同出资兴建。LHC预期的建造总额约为80亿美金,资金由各国凑足。为了节省成本,物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机,而是拆掉了原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器,代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备[14]。来自全世界80多个国家的约7000多名科学家和工程师一起参与了该项目,其中包括数百位中国科学家和工程师。稳定的国际合作关系、充裕的资金来源,使得LHC最终上马了。

2.3 “上帝粒子”回应公众质疑

备受瞩目的LHC在启动后不到一个月时间因为液态氦发生严重泄漏而暂停进度,直到一年以后才得以重启。在一片质疑声中,因为LHC而备受关注的“上帝粒子”在重启后三年终于“姗姗来迟”。2012年7月4日,CERN宣布其 Atlas(超环面仪器)实验和CMS(紧凑缪子线圈)实验都观测到新粒子,该粒子与科学界寻求已久的被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子一致,但是否是“上帝粒子”,科学的严谨性让结果确认至少需要1年甚至更长时间[15]。这一发现不但帮助比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯获得了2013年诺贝尔物理学奖,还有力回击了来自社会各界的质疑,使得科学界和公众再次将目光转向物理学的基础探索。为了获得新的科学发现,LHC于2013年2月关闭升级,直至2015年再度重启,进行更高能量状态的对撞,继续探索“上帝粒子”以及“暗物质”的存在。能够确定的是,不管它能撞出什么,物理学的探寻之旅都不会终结,而会是另一个新的开始。

3 基础物理“大科学”工程研究价值的争议

除了在上马过程中充斥着毁灭地球的“绯闻”,LHC似乎就是SSC的升级版,两者都是为寻找“上帝粒子”,解密宇宙起源之谜,并且许诺有相当明显的溢出效应,也都将确保主导国家处于高能物理的领先地位……从SSC到LHC,导致这两个高能物理“大科学”工程产生不同命运的根本原因,正是源自科学家和公众对高能物理“大科学”工程研究价值的不同判断。

3.1 科学价值与社会价值之争

像LHC和SSC这种大型基础物理工程注定备受争议,这也在一定程度上体现了基础物理“大科学”工程的尴尬所在。一方面,人类探寻宇宙奥秘的脚步不会停滞,国家也需要发展基础物理科学研究来确保在国际上的科技领先地位;另一方面,大部分民众不理解基础物理研究意义所在,认为这样的“大科学”工程只是烧钱,为满足科学家好奇心的玩具。科学价值与社会价值并不总是和谐共存,一些科学研究的社会价值不能立即实现,此时两种价值取向极大地碰撞了。

当年雄心勃勃的SSC预算经费曾远远超过“阿波罗登月计划”和“人类基因组计划”,而今LHC拉长国际战线,同样耗费巨资,的确不愧烧钱一说。物理学家们在做什么?大多数民众其实不甚了解,他们关注更多的是摆在眼前的生存问题。在面对巨额研究经费公布时,不少人会悲悯一问:多少孩子挨饿,烧钱“探索宇宙”,你怎么舍得?有个故事或许能够很好地解答这一疑问。16世纪的德国,一位小镇上的伯爵乐善好施,时常资助穷人,有一天他遇到一个总喜欢泡在家里磨玻璃片的怪人,他将怪人请回家让他专心磨玻璃片。镇上的人们很生气,认为人们在受瘟疫之苦,伯爵却为一个怪人的爱好花钱。而这个古怪的爱好最终却导致了显微镜的发明,随后其在医学上的应用造福了往后的子孙万代。无数科学发现和研究表明,科技的研发效益并不总是立竿见影的,基础科学研究一开始往往没有过于明确的应用前景,但是发现真理后对其他科学的推动作用却是无可估量的。比如量子理论在刚提出之际也被认为是无用的,但后来它在实践中获得的成就却令人吃惊。科学家通过量子理论发明了晶体管、半导体,研制出芯片,广泛地应用于人类生活中[7]。然而,公众依然是健忘的,他们对于“烧钱”的基础物理“大科学”工程的实际效用持怀疑态度,尽管科学家解释LHC的几大关键技术,比如加速器、探测器和计算机技术都有实际应用价值。

3.2 高能物理的研究价值之争

高能物理是否仍具备研究价值?物理学界及公众对此有两种截然不同的观点。一是以诺贝尔奖得主温伯格为代表的挺高能派,他在其著作《终极理论之梦》以及多次接受采访中都曾力挺高能物理,支持建造SSC,认为高能物理研究虽然耗费巨大但物有所值,美国结束超级超导对撞机计划是一个极大的错误。丁肇中领导的AMS计划(阿尔法磁谱仪)集中了全世界一大批科学家,监测位于太空中的精密粒子,试图寻找暗物质的踪影。丁肇中曾言:“这将使我们能够直至宇宙的边缘寻找反物质宇宙的存在”。而华裔数学家丘成桐于2015年出版《从长城到大对撞机》一书,并致信领导人,游说中国进行对撞机实验。另一种观点则认为高能物理已经进入衰落期,没有必要耗费如此巨大的人力物力进行一个不确定前景的基础物理学实验。师从温伯格的哈佛大学博士王孟源甚至撰文《高能物理的绝唱》,质疑高能物理学界执着于进行对撞机实验之举。他认为“标准模型”的成功反而导致了高能物理学的衰落,因为除了对它进行修补,别无可做,没有一项实验结果能超出“标准模型”的计算范围,同理,它所遇到的困难也因失去实验的引导而无法解决。而超弦理论在LHC升级后进行13TeV能阶实验过后,并没有找到超对称粒子,99.999%的超对称理论的原始参数空间已被否定,王孟源因此称2015年为“高能物理的绝唱”[16]。

3.3 科学路径选择之争

在科学研究的优先性上,一直以来就有大小科学之争,究其根源,实际上是科学路径选择的争议。大科学规模大、花费大,涉及多个学科,需要众多科学家的协同合作,以及大型高能精密的仪器做支撑,管理结构较为复杂;小科学规模小、花费较少,一般集中在单一学科,往往由科学家个人或团队进行,对仪器要求不高,管理比较单一。从科学史看,以往的科学研究以小科学的组织形式为主,重大科学发现往往来源于小科学,如X射线、计算机晶体管的发明,等等。随着交通及通信技术的发展,大科学项目逐渐出现在不同领域的科学研究中,涉及各类学科。不同的科学路径选择,实际上与不同的时代背景和国家实力有极大关联,SSC的下马与冷战的结束、经济危机的爆发、财政经费的缩减有着直接关系;LHC的上马与欧洲经济复苏、国际合作日益紧密不无相关。支持小科学研究方式的人认为,科学的发展不可预测,不少科学发现都是通过不同途径实现的,小科学的创新性、灵活性以及竞争性才是科学发现最重要的条件[17]。支持大科学研究方式的人则认为,交叉学科研究已成为目前科学研究创新发展的进路,各种学科的融合、碰撞才能带来科学研究的新鲜血液,大科学研究的资源利用率高,能够极大程度避免小科学重复研究造成的资源浪费。此外,科学界也存在“知沟”,越有名的科学家越容易接触前沿理论和技术,也更容易获得资源;科技强国占据更多的科学资源,更容易取得科学突破,这种优势随着“马太效应”,将愈发显著,而这些国家和科学家则更倾向于进行大科学研究。

4 基础物理“大科学”工程的出路

“墨子号”量子卫星的成功升天,不仅迎来了量子力学的再度辉煌,量子卫星将“薛定谔的猫”、量子纠缠、量子叠加态等物理概念引入公众视野,公众的科学参与度大大提升。量子通信的安全性基于量子物理基本原理,或可验证量子力学,这一基础物理“大科学”工程的成功实现,为基础物理学研究注入了一剂强心剂,而与量子物理有着千丝万缕联系的高能物理能否回春?面对基础物理“大科学”工程的尴尬现状,再看造成SSC和LHC两者截然不同结局的原因,或许能对基础物理研究的发展道路有所启示。

4.1 建立完善的风险评估体系

SSC和LHC都经过了重重评估,包括经费预算审核和技术可行性评估等,一旦通过审核,很容易得到早期经费支持。然而,此类基础大科学工程项目需要长时间的经费投入,往往远远超出最初的经费预算。国家由于经济形势的变化随之调整对科学研究的投资比例,又左右了工程的进度。基础物理“大科学”工程目的在于探索最前沿的科学发现,从长远来看,其科学意义特别重大,但短期的实际效用和溢出效应并不明显,属于高风险性投资,因此,必须建立完善的风险评估体系。这一体系应对较长一个时期的经济形势进行预判,对项目上马后可能遇到的各种风险也要有所预估,在出现可能的风险时必须启动预警机制,降低非科技因素对项目的影响。

4.2 注重科学传播的影响力

相对SSC来说,LHC无疑活在一个好时代。人们享受着各种高科技的惠泽,对高深的科学知识不再一无所知。LHC引发的争议更多是对于“末日”的恐慌,而非财政的质疑。当然,“上帝粒子”这一名号一定替LHC赢得了一些关注票。SSC则是一个悲剧,两位诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬·温伯格和利昂·莱德曼不得不一次次地在听证会上向那些对物理学毫无概念的议员解释,为什么发现希格斯玻色子对人类的知识体系如此重要,以至值得花上110亿美元去探寻。于是,温伯格于1992年出版了《终极理论之梦》,莱德曼则在一年后出版了《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么才是问题?》,这两本科普著作在SSC下马后风靡全球,造就了后来的LHC。

公众对科学研究项目是否具有发言权?引用江晓原教授的一句话:“当社会进步到一定程度,当公众文明素质发展到一定阶段,科学从公众顶礼膜拜的对象变为公众从纳税人的角度关注的对象,是不可避免的,其积极意义也是毋庸置疑的[18]。”而今的基础物理“大科学”工程已经是多方参与的项目,而公众则是这些科学家的直接供养者。科学立项的拨款是否该由普通民众“指手画脚”,这是见仁见智的问题。然而,面对一项需要由大量纳税人提供的资金投资的项目,至少应该随时向纳税人普及一下这项研究的重大意义及最新进展。面对“外行人”的质疑或争论,科学家有义务向普通民众普及相关知识。公众科普应该成为一种义务,更是一种责任。“如果广泛的疑虑一时消除不了,则如超导超级对撞机之被迫下马,也未尝不是社会进步的标志[13]。”江晓原如是说。科学提供了一个公共话语体系,如何利用这种话语体系使不同学科背景之间的人更好地理解,更好地对话,将科学形象传输给公众,这是未来科学传播中公众科普的重点。

4.3 加强国际间的交流与合作

由于这类大科学工程耗资巨大,单独一个国家往往无法负担其资金和技术要求,因此需要采取多国合作的形式。SSC项目在建设过程中缺乏国际援助,这也是该项目之所以下马的重要原因之一。1987年SSC初始预算经费仅为44亿美元之时,美国政府并不愿意别的国家参与项目分享技术,随着经费的增长,美国意识到单独一个国家无法负担如此巨大的项目而四处寻求国际援助,此时美国政府仍只愿意让他国生产技术含量较低的一些配件[19],因此来自国际的援助相当有限,最终只有印度以派遣物理学家以研究对撞机的方式和捐赠一些部件的“实物形式”投资0.5亿美元[20]。与SSC遭受的冷遇不同,LHC以其更经济和更开放的姿态受到了更多国家的支持。LHC项目由34个国家的科研机构共同建造和维护,其中包括欧洲20个CERN成员国,美国、日本、俄罗斯等6个观察国,以及加拿大、中国等参与国,LHC的顺利进行,是科学家智力投入和资金投入的国际化合作的结果。LHC鼓励国际资金注入和技术参与,每个国家的实验室能够获得什么样级别的分享数据待遇,主要看其投入建设LHC项目的资金比重[21]。从SSC到LHC,不同的结局在提醒着科学政策决策者,只有多方参与的国际合作才是基础物理“大科学”工程的康庄大道。

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(责任编辑 沈蓉)

Collider:PhysicalProgressorCriticism? ——TheDisputeof“BigScience”ProjectsinBasicPhysicsfromtheSSCandLHCProjects

Liu Yiming,Lai Yanru

(1.School of Humanity and Sciences,National Univercity of Defense Technology,Changsha 410073,China; 2.Political College of National Defence University,Nanjing 210000,China)

B26

A

2016-09-22

刘一鸣(1991-),男,黑龙江人,国防科学技术大学人文与社会科学学院博士研究生;研究方向:军事技术哲学。

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