如果缺乏科學(xué)上的領(lǐng)先地位，在新技術(shù)上我們只能是追隨者，缺失源頭創(chuàng)新能力。我們必須勇于承擔(dān)前沿探索的風(fēng)險，才能打通并掌控科技創(chuàng)新的全鏈條
高能物理，也稱作粒子物理，研究的是物質(zhì)最深層次的結(jié)構(gòu)，是對分子、原子、原子核研究的自然發(fā)展與深化。
那么，對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，我們是怎么進行研究的？
早期是借助顯微鏡，可以看到的最小尺度為光的波長，約為10-7米；為看到更小的結(jié)構(gòu)，人們采用電子顯微鏡，電子的波長可以小3個量級，達到10-10米；繼續(xù)減小，就需要依靠加速器把電子提升到更高的能量，即更短的波長。目前可以觀測到的最小尺寸為約10-15米。
通過加速器提高能量、減小波長，利用探測器——復(fù)雜的“電子眼”，就可以研究前沿微觀世界。
古希臘時期，人們認為構(gòu)成物質(zhì)世界的最小單位是原子。到了19世紀，現(xiàn)代科學(xué)意義上的原子論得以建立，元素周期表和化學(xué)分子成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基石。20世紀初，人們理解了物質(zhì)更精細的結(jié)構(gòu)——原子核里有質(zhì)子和中子，而電子在外面繞著它轉(zhuǎn)。20世紀五六十年代，人們在加速器實驗中發(fā)現(xiàn)數(shù)百個新粒子。最終，我們理解了質(zhì)子、中子和新發(fā)現(xiàn)的很多粒子都是由夸克這種基本粒子構(gòu)成，電子和中微子也是基本粒子，且其家族與夸克有很好的對應(yīng)關(guān)系。描述基本粒子之間相互作用與轉(zhuǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大的成功，共獲得約30個諾貝爾科學(xué)獎。
對于粒子物理的研究到盡頭了嗎？未來的發(fā)展方向是什么？
我們的回答是，標(biāo)準(zhǔn)模型雖然成功描述了已知基本粒子及其相互作用，但仍無法解釋暗物質(zhì)、暗能量及物質(zhì)—反物質(zhì)不對稱性等重大科學(xué)問題，理論本身也存在許多不自洽、不完整之處，特別是實驗上發(fā)現(xiàn)了一些與標(biāo)準(zhǔn)模型不符的現(xiàn)象，如中微子有質(zhì)量。因此，未來粒子物理學(xué)的發(fā)展需要突破現(xiàn)有框架，探索新的物理規(guī)律。
面對這一挑戰(zhàn)，中國在高能物理領(lǐng)域迎來了重要機遇。近年來，我國在該領(lǐng)域取得了多項突破。例如，北京正負電子對撞機（BEPC）及北京譜儀（BESⅢ）對XYZ粒子的研究為全球粒子物理研究貢獻了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，大亞灣中微子實驗展現(xiàn)了中國在粒子物理前沿的創(chuàng)新能力。
展望未來，我們的研究除發(fā)展新的理論之外，還要尋找新的實驗證據(jù)。比如在太空、地下，在加速器或中微子設(shè)施中尋找更多關(guān)于暗物質(zhì)、反物質(zhì)、中微子等的新物理現(xiàn)象。
粒子物理發(fā)展到現(xiàn)在，除了中微子振蕩之外，標(biāo)準(zhǔn)模型的建立幾乎都依賴于加速器。將來要解決上述問題，加速器雖非唯一途徑，但無疑是最主要的手段。至于建什么樣的加速器，存在各種選擇（如直線或環(huán)形、電子或質(zhì)子），各有各的可行性，中國高能物理面臨的關(guān)鍵抉擇是應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展哪條路徑呢？
2012年，我們發(fā)現(xiàn)對于中國最佳的技術(shù)路線和方案：先建設(shè)環(huán)形正負電子對撞機，待其科學(xué)使命完成后，在同一隧道內(nèi)升級質(zhì)子對撞，“一道兩用”實現(xiàn)隧道資源高效復(fù)用。5年后，歐洲核子中心也宣布，建設(shè)環(huán)形加速器是最佳方案，從另一個角度印證了我們的判斷。事實上，我們不僅在科學(xué)上抓住了未來發(fā)展的“牛鼻子”，在方案與技術(shù)上也實現(xiàn)了創(chuàng)新與領(lǐng)先。過去10多年的研發(fā)不僅使設(shè)備國產(chǎn)化率達95%以上，也在許多概念和技術(shù)上實現(xiàn)了全球引領(lǐng)。
歷史上，對撞機技術(shù)作為源頭，催生了加速器的廣泛應(yīng)用。比如同步輻射光源來源于環(huán)形對撞機，自由電子激光來源于直線對撞機。而這些關(guān)鍵技術(shù)，又進而成為眾多學(xué)科與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。例如，同步輻射及散裂中子源，是材料結(jié)構(gòu)與性能研究的利器；輻照效應(yīng)，緊緊牽動著高科技企業(yè)在芯片、手機終端、鋰電池、先進制造、醫(yī)藥等方面的研究。
如果缺乏科學(xué)上的領(lǐng)先地位，在新技術(shù)上我們只能是追隨者，缺失源頭創(chuàng)新能力。即便技術(shù)指標(biāo)偶有超越，但其源頭創(chuàng)新在國外。因此，科學(xué)領(lǐng)先是技術(shù)主導(dǎo)的前提，否則核心技術(shù)必將受制于人。我們必須勇于承擔(dān)前沿探索的風(fēng)險，才能打通并掌控科技創(chuàng)新的全鏈條。
粒子物理是人類文明的標(biāo)志性成就之一，中國正在追求從一席之地走向全面領(lǐng)先。
（作者為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，本報記者吳月輝采訪整理）
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