打倒四人帮后,邓小平主持工作后,继1977 年决定恢复高考后,在国家经济非常困难的情况下,又于1978 年作出向国外大量派出留学生与访问学者的重大决策。使中国能以最短的时间弥补由于十年文化大革命在科学研究方面造成的损失,跟上世界科技发展的步伐。
我于1978年底参加了出国进修生全国统一考试,并被录取,于1979年中,第一次被派往位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(简称CERN)作为访问学者,参加了诺贝尔物理学奖获得者杰克.斯坦伯格(Jack.Steinberger)领导的CDHS合作组,参与建造CDHS探测器和研究中微子物理。1983-1985年和1992-1993年,又被派往CERN参加丁肇中先生领导的L3国际合作组,主要参加建造L3探测器中的锗酸铋(BGO)晶体电磁量能器以及研究50GeV X 50GeV 大型正负电子对撞机(LEP)的有关物理问题。1998年,又短期被派往CERN参加CMS国际合作组,主要参加将要工作在大型强子对撞机LHC 上的CMS 探测器中的钨酸铅(PWO)晶体电磁量能器的有关工作。
CERN是名符其实的世界实验室。第二次世界大战以后,欧洲的物理学家感到有必要联合起来,建立一个基本粒子物理实验室,研究在宇宙线中正在发现的新介子。这就需要建造大型的高能加速器,这是超出当时西欧任何一个国家的能力的。
1952年2月15日,12个西欧国家(比利时,丹麦,法国, 西德,希腊,意大利,荷兰,挪威,瑞典,瑞士,南斯拉夫以及英国[英国是观察员,直到1953年12月30日才成为正式成员国])签署了成立过渡组织的协议。过渡组织的名称是欧洲核子研究理事会(法文是:Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire)取法文的第一个字母,简称CERN。中文把她译成欧洲核子研究中心。
1952年5月,理事会在巴黎召开了第一次会议。罗马的阿迈迪(E.Amaldi) 被任命为秘书长,负责指导设计质子同步加速器,同步廻旋加速器,物理实验室的建设规划和理论组的建立等工作。
1952年10月,理事会在日内瓦开会,决定把欧洲核子研究实验室建在日内瓦。原因是日内瓦是国际性城市,地理位置合适,且瑞士愿意提供日内瓦与法国边界处的密兰(Meyrin)小镇的40公顷的土地作为实验室的用地。
1954年9月29日,理事会决定把欧洲核子研究理事会的名称改成欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research),但仍然使用最初的法文的简称CERN。目前,CERN已经有20个成员国。日常的行政开支及运行费约为每年10亿瑞士法郎,加速器的建造拨专款,都由成员国按国民生产总值的一定比例分担。 而探测器的建造和维护则由参加的单位共同出资。各成员国按贡献的大小,每年向CERN 派出若干常驻科学家,另外有些科学家不定期到CERN临时出差,如值班取数据,参加学术讨论等,CERN的工作人员约为4000 人。
CERN的最大科学成就是在成立30年后的1984年,卡罗.鲁比亚(Carlo Rubbia)因发现了弱电统一相互作用的传播子W+,W-和Z0,以及西蒙.范德密尔(Simon Van der Meer)因发明随机冷却方法且建成270GeVX270GeV的质子反质子对撞机而共同获得了1984年的诺贝尔物理奖。
1992年,恰巴克(Georges Charpak)因60年代发明新型粒子物理探测器多丝正比室,而获得了1992年的诺贝尔物理奖。
CERN 的最大技术成就是国际互联环球网系统WWW(World Wide Web)的发明和推广。1989年CERN 计算中心的蒂姆.伯纳斯-李(Tim Berners-Lee) 发明了WWW后,没有申请专利,而是无偿地向全世界推广。 WWW的发明和推广大大地影响到全球社会生活的各个方面。
目前,CERN已经有20个成员国,CERN对世界的科学发展,大科学的全球化和用创新技术服务社会等方面作出了巨大贡献。
由于CERN创立时的宗旨是在与核武器无关的粒子物理的基础研究方面首先联合西欧国家的科学家,进而联合全世界的科学家,CERN先后成功地开展了与美国,苏联,日本,印度的科学家的交流与合作;具有五千年文明传统且勤劳聪明的中国人当然是CERN要与之交流与合作的对象。
虽然杨振宁先生和袁家骝先生多次向CERN所长建议,建立CERN与中国科学家的交流与合作关系,但直到1972年,中美关系解冻之后,特别是邓小平同志主持中央工作后,提出科学技术是第一生产力,提出改革开放政策,承认由于文化大革命使中国丧失了宝贵的时间, 中国在科学技术方面落后了,中国必需向欧美国家学习先进的科学技术。为科学院与国外开展国际科技合作奠定了基础。CERN与中国科学家的交流与合作关系才大踏步的向前发展。
1977年, 中国科学院高能物理研究所张文裕所长邀请CERN所长亚当斯(J.Adams)和科劳利-密灵(M.C.Crowley-Milling) 访问中国. 1977年9月26日晚上,时任国务院副总理的邓小平同志在人民大会堂接见了代表团.据亚当斯回忆, 小平同志在接见中,向代表团成员回顾了中国古代的科学技术以及新中国成立以后科技的发展.并且说,由于四人帮的错误路线,使得中国在过去的10年中,在科学技术上落后了,现在, 四人帮已经被打倒,中国要在本世纪末在科学技术方面赶上世界,为此,中国要向欧美国家学习,在高能物理方面需要CERN的帮助。
在1977年10月的CERN理事会会议上,亚当斯被授权进一步发展与中国的合作关系。1977年12月,亚当斯给张文裕所长写信,提出双方交流合作的领域和方式。亚当斯建议,CERN 派科学家在中国短期访问;中国派从事理论物理,加速器,和实验物理的人到CERN作半年到两年的工作学习。1978年1月,张文裕所长给亚当斯回信,表示同意他的建议。从1978年起,开始了CERN与中国长期的交流与合作的新阶段。
第一批作为访问学者被派到CERN作一年到两年长期工作学习的中国科学家有:
1978年3月,何龙,方守贤领导的4人加速器小组。方守贤在CERN作了一个题目为“中国科学院北京高能物理研究所的30-50GeV的质子同步加速器设计考虑”的学术报告。会后,CERN的专家认为,中国科学家是有水平的。随后,国内有多批派出,1978年夏天,杜东生,张肇西,吴济民三位理论家;薛景瑄领导的直线加速器小组;朱育诚,刘桂林领导的辐射防护小组;1979年夏天,由我负责的实验物理小组;陈思育领导的计算机小组;不断有各种各样的科技代表团到CERN作短期参观访问。此后,中国轮流派出理论物理,加速器,实验物理,辐射防护和计算机等方面的学者到CERN作半年到两年的较长期工作学习。
1980年,CERN开始建造大型电子正电子对撞机LEP(Large Electron Positron Collider)。有四台大型探测装置将工作在LEP上。它们是:ALEPH,DELPHI,L3和OPAL。中国参加了斯坦伯格领导的ALEPH和丁肇中先生领导的L3国际合作组的工作。唐孝威院士是中方参加L3国际合作组的负责人。中国科学家在L3国际合作组取得了很大的成就。中国科学家参加了L3大型探测装置的强子量能器,BGO电磁量能器的建造,性能测试,定标,运行,数据获取,数据分析处理;并且,在北京建立数据分析处理中心,把L3的数据拿回北京分析,以北京分析的数据为基础,写出文章。作为L3国际合作组的文章发表。L3国际合作组精确测量了中间玻色子Z0的质量,衰变宽度和峰形(Line Shape),根据这些数据,在标准模型的框架内,推导出轻中微子的类型只有3 种,这是粒子物理的重要成果。
从1978年CERN与中国大量长期系统地交流访问学者以来,据不完全统计,到CERN较长期工作学习的中国科学家有400多人。周光召院长,何祚庥院士,庆承瑞研究员等科学家都曾经到CERN作短期的访问研究,严东生副院长及许多中央领导同志都多次到CERN短期参观访问。
CERN与中国科学家的交流与合作,从一开始就受到周恩来总理,邓小平同志等中国党和国家领导人的关怀与重视,它一开始就是国家级的合作. 中国从与 CERN的交流与合作中,获益匪浅. 由于篇幅所限,这里只能列举几个例子:
高能物理研究所的计算中心的大部分软件是从CERN无偿获得的。1981年,按照当时的高能物理研究所实验部主任萧健学部委员的指示, 我从CERN计算中心负责国际交流的科学家那里获得CERN的全部软件(共两大盘磁带)并亲自带回国内。当时, 萧健先生在物理讨论会上高兴地说,这是几百个人年的工作量获得的成果,价值几百万美元。萧健先生带领他的研究生把部分软件移植到高能物理研究所的计算中心的软件库中。CERN计算中心不断更新软件,所以,后来高能物理研究所不断有人从CERN带回新的软件磁带,特别是CERN与高能物理研究所的互联网开通之后,北京高能物理研究所直接通过互联网从CERN软件库中下载新的软件.此外,CERN计算中心还多次派计算机专家学者到高能物理研究所指导如何使用CERN的软件。例如,高能物理数据分析很有名的软件包Zbook的作者Zoll博士和HBOOK的作者以及著名蒙特卡罗模拟程序GEANT的几位作者都先后访问北京高能物理研究所,指导如何使用CERN的这些软件。最近,CERN又派出云计算方面的专家到高能所普及云计算有关知识。
1984年,按照高能物理研究所实验部主任萧健学部委员的指示,我与CERN所长秘书洛克(W.O.Lock)先生联系,CERN同意无偿给高能物理研究所赠送几百件当时中国没有的,用于粒子物理实验的电子学插件(每个价值约1000美元).并邀请高能物理研究所派两位电子学工程师(赵德本,王津)与CERN的电子学工程师一起,把这些电子学插件调试好,并负责运送回中国. 这些电子学插件对当时高能所建造探测器模型阶段起到很好的作用.直到目前, 高能所有些小型实验仍然部分使用这些电子学插件。
CERN为了支持中国建造高能加速器,曾经先后无偿给高能物理研究所赠送若干加速器部件。
1988年,在高能物理研究所陈和生的协调领导下,得到有关领导部门的大力支持,与CERN计算中心有关网络人员一道,讨论方案,订购关键设备,CERN计算中心派计算机专家到北京安装调试,成功地开通了CERN与北京高能物理研究所的互联网。这是中国第一个计算机国际互联网。当时, 高能所给科学院的每一位知名科学家和有关大学的核物理系分别开了一个国际互联网的户头,那时,国内急需与国外进行国际交流的科学工作者是通过高能所的计算机国际互联网与国外科学家通信联络的。
CERN与中国科学家的交流与合作的另一个成功的例子是L3国际合作组与上海硅酸盐研究所的合作.以前,锗酸铋晶体(BGO)是非常贵的,它的价格与黄金相当.市场上只有厘米级的BGO 晶体。L3探测器要使用一万二千根大型BGO晶体,每根晶体是掕台型的,它的尺寸是:小端面为2.5cmX2.5cm; 大端面为3cmX3cm;长为23cm。在丁肇中先生和当时科学院副院长严东生的大力支持下,由L3国际合作组提供原料,由上海硅酸盐研究所负责BGO晶体的生长,加工,切割,抛光。每立方厘米BGO晶体收取加工费5.1美元.上海硅酸盐研究所成功地向L3国际合作组提供了一万二千根性能优良的大型BGO晶体,L3国际合作组成功地建成了世界第一的BGO晶体电磁量能器,从而使上海硅酸盐研究所在BGO晶体生产方面名扬四海,并且上海硅酸盐研究所在BGO晶体生产过程中,为国家获得了可观的外汇收入。上海硅酸盐研究所在BGO晶体生产国际竞争方面,从与法国,荷兰,美国等无机晶体生产厂家的激烈竞争中胜出,使BGO晶体的价格大大地降低了。这一成功的宝贵经验是当时在领导大力支持下,国内外科技人员团结一致,及时交流有关情况,我也积极参加其中,并提供了很有价值的信息,全部人员共同努力的结果。现在,专门从事生产医用正电子发射计算机控制断层扫描装置(PET)的美国通用电器公司每年从上海硅酸盐研究所大量进口BGO晶体,作为它的PET装置的低能γ射线探头。为此,上海硅酸盐研究所从这一项目中,每年为国家获得可观的利润。
后来,上海硅酸盐研究所又与CERN的CMS国际合作组合作,向CMS国际合作组提供优质的钨酸铅晶体(PWO).现在,世界上要用钨酸铅晶体的粒子物理实验,几乎都向上海硅酸盐研究所购买钨酸铅晶体, 上海硅酸盐研究所的钨酸铅晶体在世界上已供不应求了.
上海硅酸盐研究所没花一分钱的广告费,但全世界都知道,中国上海硅酸盐研究所生产的晶体价廉物美,质量优良,交货及时。
1995年,CERN开始建造大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)。有四台大型探测装置将工作在LHC上。它们是:ATLAS, CMS, LHC-B和ALICE。在中国科技部,中国科学院,基金会和高教部的支持下,来自高能所,理论所,原子能研究院,北京大学,清华大学,南京大学,中国科技大学,山东大学,华中科技大学,华中师范大学等中国科学家分别参加了LHC的四台大型探测装置的国际合作。1999年5月28日,基金委副主任王乃彦与CERN 所长卡斯莫(Cashmore)签署中国与CERN的合作协议。1999年11月,在北京召开了第一次中国与CERN的LHC合作的联合工作组会议;2003年底,在山东威海召开了第二次中国与CERN的LHC合作的联合工作组会议。2004年2月17日,中国国家科学技术部副部长刘燕华与CERN所长罗伯特.阿米尔(Robert Aymar)续签了中国与CERN的合作协议书。21世纪, 中国科学家与CERN的交流与合作将继续发展, 中国将从与黎圣母院。CMS大小只有ATLAS的1/6,但重量是ATLAS的1.8倍,它使用的铁比埃菲尔铁塔还多。它采用圆柱形超导电缆线圈,可产生4万高斯的磁场,相当于地球磁场的10万倍。来自37个国家155个研究所的大约2000名科学家参加了CMS实验;37个国家172个研究所的约2900名科学家参加了ATLAS实验;15个国家55个研究所的约750名科学家参加了LHCb 实验;34个国家116个研究所的约1000名科学家参加了ALICE 实验。中国科学家分别参加了LHC的这四台大型实验装置: CMS,ATLAS,LHC-B和ALICE的国际合作:中科院高能物理所和北京大学组成的CMS中国组成功地建造了三分之一的端部缪子探测器阴极条室和阻性板室,总计约400个。中国科学院上海硅酸盐研究所向CMS提供了核心探测材料——用于电磁量能器的5000余根自主研制的钨酸铅(PWO)闪烁晶体。中国科技大学参与了电磁量能器的研制。CMS中国合作组在高能所建立了CMS实验远程控制中心,与CERN和美国费米实验室一起轮班承担CMS实验的一部分实时控制工作。共投入2000多万人民币,做出了相当于500万瑞士法郎的实物贡献,约占整个CMS工程造价的1%。中科院高能物理所、南京大学、山东大学和中国科技大学等组成的ATLAS中国组分别承担了部分缪子探测器的研制,投入1000多万人民币,占ATLAS造价的0.5%。清华大学的高能物理实验组参加了LHC-b国际合作,参与了探测器的触发及数据获取系统的研制,投入约200万人民币。华中师范大学、原子能科学院和华中科技大学组成的ALICE实验组参与了电子学研制和探测器的安装,投入500万元研制探测器、建立测试平台、安装ALICE探测器,CERN承认中方贡献176万瑞士法郎(折合人民币1118万元)。CERN的交流与合作中得益,同时,中国科学家将利用CERN的科学舞台,对世界科学发展做出自己出色的贡献。
CERN建造的大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)是世界上能量最高的加速器,建在周长为27公里的环形隧道里。隧道埋在地下50到175米处。LHC的设计目标是对撞两个反向回旋的质子束流。质子束流的总能量最高可达到14万亿电子伏特。总投资约25亿欧元,几十个国家、数百个科研机构、几千名科学家和工程技术人员已为此奋斗了十几年。终于在2011年3月30日宣布,总能量为7万亿电子伏特的两个束流对撞,获得成功。这是世界上目前能量最高的对撞。LHC的隧道里安放了4个探测器:CMS(紧凑缪子线圈)、ATLAS(超环面仪器)、LHCb(底夸克探测器)和ALICE(大型离子对撞机)。4个探测器中ATLAS体积最大,能占半个巴。CMS和ATLAS两个实验的物理目标是寻找粒子物理标准理论预言的Higgs黑格斯粒子、超对称理论预言的超对称粒子,额外维度和宇宙神秘的暗物质。
LHCb实验将有助于人们了解为什么宇宙中反物质不可思议地缺少。它通过研究一种称为“底夸克”的粒子,专门对物质和反物质之间的微妙差异展开调查。
在这4个实验中,3个是质子对撞实验,只有ALICE是重离子对撞实验。LHC将让铅离子进行对撞,在实验室条件下重建“大爆炸”之后的宇宙初期形态,撞击时产生的高温是太阳内部温度的10万倍。物理学家希望看到的是,质子和中子会在这种高温条件下“熔化”,并释放被胶子束缚的夸克。ALICE获得的数据将允许物理学家研究夸克—胶子等离子体的性质和状态。
大型强子对撞机是人类历史上最大也是最贵的物理实验。相对论性的高能粒子将以前所未及的能量——质心能量最高将达到1.4*1013电子伏特——相互碰撞,并产生大量的粒子——其中可能会包括未知的新粒子——它们将被粒子探测器探测到并被记录下相应的运动轨迹。这个历史性的实验需要配套相应的海量数据收集和存储的能力,这会革新现有的数据处理方式。大型强子对撞机上每五秒钟就会产生相当于一张DVD光盘容量的数据,也就是相当于每秒产生1G的数据量。我们可以做一个简单的对比以说明这到底是怎样的一个概念:一台普通的家用电脑,在网络连接都正常的情况下,下载数据的速度一般可以达到每秒钟两兆(2M );也就是说大型强子对撞机产生数据的速率是家用电脑正常下载速率的五百倍。正因为如此,大型强子对撞机的工程师们才开发了一种新的数据处理方法,超级计算机国际互联网GRID,将几百万GB的数据分布式地保存于全世界的合作单位。
CERN建造的超级计算机国际互联网GRID是世界上容量最大, 传输速度最高的国际通讯网络.中国以高能物理研究所计算中心负责人陈刚为首,组织有关单位参加,向国家申请经费,在中国建立GRID国际互联网系统. 高能所的计算中心建立了LHC数据分析的网络平台,有2500个CPU,加入全球LHC的实验数据分析网络,为中国物理学家和世界各国的物理学家服务.超级计算机国际互联网系统GRID在中国建成之后,除了能最快从CERN获得LHC实验数据外,还将会大大地改变中国与世界的网络通讯,并可能把GRID互联网系统用于某些数据量大的领域。
目前,中国每年派出一批科学家和研究生到CERN 参加LHC值班取数,分析数据,另外,中国科学家也可以在国内通过网络获取CERN的数据, 在国内编写数据分析程序,通过网络把作业交到CERN,利用CERN 强大的计算能力,进行分析,通过网络获得分析结果,在北京写成文章,提供给合作组发表。例如,高能所的CMS合作组, 每周五下午3:00 (日内瓦时间早上8:00)与在日内瓦CERN的CMS中方科学小组开视频会议,交流工作进度,共同解决工作中遇到的问题。
高能物理的特点是公开化,国际化,投资大,技术先进。所要求的技术往往超过当时工业生产水平,一台新型加速器,或一台新型探测器的建成往往促成工业生产水平上一个新台阶。大型超导线圈的使用是一个例子;WWW互联网在全世界的推广应用是另一个例子;上海硅酸盐研究所与丁肇中先生合作研发BGO 晶体,为L3 电磁量能器提供价廉物美的BGO 晶体也是一个很好的例子,它把以前与黄金相同价格的BGO晶体一下子降低到一般医用探测器(正电子扫描诊断仪PET)可以接受的水平。以前,中国科学家参加CERN的合作,除了自己负担生活费外,CERN并没有收费,参加 LHC 的四个探测器的合作,中国总共投资约为4 千万元,不到LHC 的四个探测器建造投资的百分之一,但我们取得了可以分析全部数据的权利。我们的科研水平一下子与世界水平接轨了。这是花钱少,收效大的事情。即使10 年后,按某些乐观派的预言,那时,中国的GDP 总量世界第一,如被13 亿人口平均,平均GDP也只是中游水平,不可能建造如CERN那样规模的科研中心,所以,继续参加如CERN这样的世界实验室的合作研究,仍然是科学院应坚持的方针之一。
国家改革开放,使中国科学家走出国门,使中国高能物理研究与CERN这一世界高能物理研究方面最先进的中心之一进行有效的合作。而CERN自豪地认为,自己是世界实验室,且高能物理研究是公开的,由CERN发展出的高技术都没有专利,可以免费获取。 CERN与中国科学家的交流与合作,把中国高能物理研究在理论物理,加速器物理和建造,实验物理和探测器,辐射防护和计算技术等方面带到世界水平, 使中国高能物理研究与国际接轨。这是国际科技合作的成功事例。
(2011年,“我心中的中国科学院”征文作品,http://www.cas.cn/zhengwen/jsgj/201108/t20110811_81379.shtml) |