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中国超级对撞机与人均负担 | 争鸣

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2017-07-13 07:00

正文

►LHC，来源：sciencealert.com

撰文 | 张裕宏

责编 | 吕浩然

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回顾早前关于超级对撞机CEPC-SPPC的讨论不难发现，一个关键因素或话题是中国能否承受这个大型科学装置的建造费用以及这个负担是否合理、符合囯情。杨振宁教授在一次访谈中从人均收入的角度论证了中国建造超级对撞机的不可行性。他认为，虽然目前中国的GDP很高, 但是人均收入还是非常低，因此不适合在现阶段建造超级对撞机。杨先生特别提到，与中国的人均收入相近的一些国家都没有考虑超级对撞机，“将来建造超级对撞机的条件应该是中国的人均收入达到美国的程度”。

中国真的没有承受建造CEPC-SPPC费用的能力么？这个问题确实值得探讨。笔者认为，相比于人均收入或人均GDP，相对人均负担（即大科学装置分摊的人均造价与人均GDP之比）更能准确地反映一个国家对大科学项目的承受能力，而这个指标只与国家经济总量（总GDP）相关且成反比。而笔者的初步研究结果也无法得出与杨先生相同的结论。

相反，在与其他国家的大科学装置项目的横向比较中，计入国家经济总量的差别，笔者发现超级对撞机，尤其是第一期环型正负电子对撞机CEPC的目标造价给中国人民带来的负担并不会比世界上其他国家目前已建或在建的一些大型项目重。因此，高能物理研究所王贻芳所长“中国己具备了经济条件在现阶段建造超级对撞机”的观点应该是有根据，本文对此提供了一些补充的数据和分析。

本文没有涉及中国超级对撞机的科学目标和意义，建造与否的得失及其性价比，因为这不在笔者的专业范围内。另外中国应该选择支持哪些科学领域和哪些大科学装置或大科学项目而达到资源的最优化配置和最大的科学产出也不在本文讨论之列。

大科学装置的相对人均负担只与国家经济总量相关

以杨先生提到的马来西亚为例，如表1所示，它的人均GDP比中国略高（约1.2倍），人口三千多万，是中国人口的四十五分之一。一个简单的事实是，对仼何一个大科学装置，无论造价多少，平均分摊到每一个马来西亚人头上的造价是每个中国人分摊的四十五倍, 从绝对数值上讲显然要大的多。

►表1: 相关各国人均GDP和人口统计

注1: 人均GDP的数据来自维基百科Wikipedia，取三组数据的平均值，数据分别来自世界银行 (World Bank, 2015年份)，联合国 (United Nations, 2015年份)，和国际货币基金会 (International Monetary Fund, 2016年份)

注2: 人口数据来自维基百科, 源自联合国(United Nations, 2016年份)

注3: 丹麦和瑞典两国GDP之和为8千亿美元，与中国GDP之比约1：13.9，即中国GDP是两国GDP之和的13.9倍

在日常生活中，人们常常用相对负担来度量或指导消费。比如一个月工资五千元的职员吃一顿午饭花了五十元，占他月工资的百分之一。而同样的这顿饭对另一位月工资只有五百元的职员来说负担就重多了，因为饭费占了他月工资的百分之十。相对的，五元一顿的经济午餐是他月工资的百分之一，因而达到与前一位高薪职员吃五十元午餐承受的相当的负担。

同样的，考虑国家对一个大科学装置的承受能力, 我们不妨引进一个“相对人均负担”的慨念，即大科学工程分摊的人均造价与人均GDP的比，如下列公式：

应用此公式，对同一个大科学装置，马来西亚的相对人均负担比中国高38倍(见表1)。换句话说，马来西亚若要以与中国相同的相对人均负担建造一个大科学装置，它的人均GDP必须比现在高38倍，即达37万美元，那是绝对不可能的。

将上述公式换算一下，总人口乘以人均GDP正好是一个国家的总GDP，即国家经济总量，亦可得出相对人均负担等于总造价除以国家经济总量，即与国家经济总量成反比。这淸楚地显现了大国与小国（或高GDP与低GDP）在发展大科学装置的实力的不同。这样也就能很容易理解为什么象马来西亚这样的小国不会考虑超级对撞机这样的巨型项目，因为它的经济总量太小。

中国的经济总量目前已是世界的第二位，达美国的61%。欧盟的经济总量比美国略高。因此公平地说，现在的中国应该己基本具备了美国与欧盟那样的经济实力，有能力建造世界最大型的科学装置而不会造成过重的人均负担。一般预期，中国的经济总量（GDP）在未来几年或十几年还会继续保持比较快的速度增长并有可能最终超过美国，因而综合国力会有进一步的增强，这正好与超级对撞机第一期CEPC规划的建设周期相吻合。

其他国家大科学装置与中国超级对撞机的比较

那么，怎样程度的“相对人均负担”是可以接受的呢？要回答这个问题，我们可以看看目前世界上其它大型科学装置的建造事例。这些事例的有关数据汇集在表2中。下面介绍一下有关项目的具体情况。

韩国大加速器科学装置

►图1: 韩国X射线自由电子激光装置 PAL-XFEL. 右上方的圆形建筑是浦项同步辐射光源 PLS-II

目前韩国已建成或在建中的加速器驱动大科学装置有三个，即浦项同步辐射光源（PLS-II），X射线自由电子(PAL-XFEL)和稀有同位素科学项目（RISP）。中国的经济总量是韩国的8.1倍（见表1），意味着中国应该可以支持这类大科学装置多达24个。而笔者己知的目前中国己建或在建的加速器大科学装置一共有八个，其中不包括CEPC-SPPC。对比两国的GDP，中国明显偏少。

从造价成本上来看，己建成的韩国X射线自由电子激光装置（PAL-XFEL, 见图1）的造价为4亿美元（2011年价格），折合成人民币约33亿元（2017年价格，其中己计入六年的每年3%的物价上涨，下同）。通过前文提到的公式进行换算可知，在中韩两国人民的相对人均负担相当的情况下，这个造价等同于在中国兴建一个266亿元人民币的超大型科学装置。按高能物理研究所的规划，中国超级对撞机第一期环型正负电子对撞机CEPC的目标造价会控制在人民币400亿元，其中300亿元由中国承担，另外100亿元通过囯际合作筹集。相比较，中国为建造CEPC所要承受的相对人均负担与韩国建造一个X射线自由电子激光装置的相对人均负担相当接近。

►图2: 韩国稀有同位素科学计划 RISP

韩国目前己启动了一个更大的的科学项目，即稀有同位素科学计划（RISP, 见图2）, 包括建造一台重离子加速器（RAON）及配套多学科实验装备。韩国政府己在2014年宣布批准了整个计划约21亿美元的总建设经费，其中仅一台重离子加速器的设备费用就达4.5亿美元。如果用相同的相对人均负担为标准，这就等同于在中国建造一个1279亿元人民币的超级科学装置, 比CEPC所需的建设费用（中国分摊部分）300亿元人民币还要大4倍多。

大型强子对撞机

►图3: 欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC是全世界最大的粒子对撞机

欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC是全世界最大的对撞机（见图3）。2012年，科学家们在这台质子-质子对撞机上发现了希格斯（Higgs）粒子，最终完成了粒子物理标准模型的拼图，这是一项划时代的伟大发现。大型強子对撞机由一群欧洲国家联合投资兴建，它们大部分属于欧盟。其他国家如美国也有参与和贡献，但主要建设资金来自于这些欧洲国家。这台对撞机的造价是75亿欧元（2010年的价格），折合成人民币约711亿元（2017年的价格）。目前中国的经济总量是欧盟的58%，按照相同的相对人均负担来计算，这个造价等同于在中国兴建一个411亿元人民币的超大型科学装置，远高于超级对撞机第一期CEPC的300亿元人民币造价（中国分摊部分）。

丹麦瑞典与欧洲散裂中子源

►图3: 欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC是全世界最大的粒子对撞机

欧洲的另一个在建的大科学装置是欧洲散裂中子源ESS（见图4），造价是18.4亿欧元（2010年的价格），预计2022年完工运行。按协议两个东道国丹麦和瑞典承担一半的建造费用，约9.2亿欧元, 折合成人民币80亿元（2017年的价格）。这两个国家非常小，人口加起来才1550万，少于北京市或上海市的人口。当然这两个国家非常富裕，人均GDP都高于5万美元，是中国的6.4倍（见表1），但是中国的GDP却是这两个国家GDP之和的13.9倍。应用上述公式，这两个国家共同分担的欧洲散裂中子源ESS一半的造价，相当于中国兴建一个1114亿元人民币的超级大科学装置，而人民所承受的相对人均负担相同。

高能物理研究所对未来（至少25年后兴建）的超级对撞机第二期超级质子-质子对撞机SPPC的期望造价是人民币1000亿元，其中中国承担的分额是700亿元。显然，CEPC和SPPC这两大完全独立的超级对撞机加起来，跨越四五十年时间，项目对中国人民造成的相对人均负但，还不及丹麦和瑞典两个北欧小国承担建造半个大科学装置ESS的人均负担重。

结论

笔者认为，一个国家对于大科学项目的承受能力应该由建设成本与GDP的比值来衡量。根据这个标准，笔者相信中国目前己具备强大国力建造数百亿元人民币级别的大科学项目。超级对撞机CEPC和SPPC的目标造价的绝对数值确实都很大，但与中国的经济规模和综合国力是相称的，尤其是采取分两个阶段实施以达到把经费压力降得更低。相比较，其他国家的一些大型科学装置相对于它们的经济规模来说要远大得多，人民负担的也更重（见表2）。退一步说，如果韩国或丹麦和瑞典能够建造一个千亿元人民币（等效）以上的超大型科学装置，笔者很难看出中国没有能力建造一个只是其四分之一造价的科学装置.。