徐珍

我們的主角——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）靜靜躺在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的地下實(shí)驗(yàn)室中，30余年來(lái)，它用智慧的“眼睛”為世人揭開(kāi)了許多奧秘，在物理、生物、材料、化學(xué)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

艱難的誕生歷程

BEPC是什么？盡管它在中國(guó)已誕生30余年，盡管它發(fā)揮著巨大的作用，但對(duì)民眾來(lái)說(shuō)，它仍然十分陌生，對(duì)30年前的中國(guó)人更是如此。因此，當(dāng)物理學(xué)家建議建造BEPC時(shí)，這個(gè)計(jì)劃一直“難產(chǎn)”，甚至一度差點(diǎn)“流產(chǎn)”。

20世紀(jì)50年代初，美、蘇、歐等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始籌建高能加速器。當(dāng)時(shí)，我國(guó)雖然處于艱苦的初創(chuàng)階段，但一批深謀遠(yuǎn)慮的科學(xué)家已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到加速器的廣闊用途，他們向國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人提議：我們也要建造自己的加速器。

加速器是做什么用的？建成后它能帶給我們什么？我們知道，世界萬(wàn)物是由一些基本粒子組成的，但是如果不拆開(kāi)物質(zhì)的外殼，我們就無(wú)法看到其中的粒子，而加速器正是起到“破殼”的作用。物質(zhì)在加速器中相互撞擊，脫去外殼，暴露出其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣我們可以看到組成物質(zhì)的基本粒子，還可能發(fā)現(xiàn)新的基本粒子，更加深入地了解這個(gè)世界。

但是，當(dāng)時(shí)國(guó)家國(guó)力有限，起初愿意提供修建幫助的蘇聯(lián)又與我們關(guān)系惡化了，粒子加速器的制造計(jì)劃被一再推遲。直到20世紀(jì)80年代初，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人鄧小平再次就建造高能加速器的問(wèn)題，廣泛征求國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的意見(jiàn)，經(jīng)過(guò)60多位專(zhuān)家的反復(fù)論證，終于定下了建造一臺(tái)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的方案。方案提出后，鄧小平親自批示：“我贊成加以批準(zhǔn)，不再猶豫?！薄半y產(chǎn)”多年的計(jì)劃正式敲定。

在上下求索中建造

1983年4月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)， BEPC方案上馬，計(jì)劃4年完成。但是，國(guó)家對(duì)建造對(duì)撞機(jī)沒(méi)有理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該怎么辦呢？這時(shí)，以李政道為代表的華裔科學(xué)家提供了巨大的幫助。

BEPC建造過(guò)程中，中國(guó)派出幾百人次的科技人員赴美學(xué)習(xí)考察，并邀請(qǐng)美國(guó)專(zhuān)家來(lái)BEPC工程現(xiàn)場(chǎng)解決設(shè)計(jì)和研制中的問(wèn)題，派人長(zhǎng)駐美國(guó)采購(gòu)所需器材，李政道在其中穿針引線，鋪路搭橋，成為最忙碌的人。為了向美國(guó)高校推薦中國(guó)學(xué)生或者邀請(qǐng)美國(guó)專(zhuān)家來(lái)華指導(dǎo)，李政道手寫(xiě)了上千封書(shū)信，每一封都字跡工整，情深意切，他以自己的信譽(yù)為中國(guó)的物理學(xué)界搭起了一架架通往世界的橋梁。李政道每次回國(guó)，還會(huì)向領(lǐng)導(dǎo)人提出各種發(fā)展科技和教育的建議，不僅為BEPC的建造立下了汗馬功勞，也為中國(guó)的科技發(fā)展鑄就了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

除了國(guó)際上科學(xué)家的幫助，中國(guó)的科學(xué)家、工程師和建造工人也為BEPC的建造嘔心瀝血。對(duì)撞機(jī)建造涉及10多個(gè)門(mén)類(lèi)的高新技術(shù)，數(shù)千臺(tái)設(shè)備的90%以上的部件都靠國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造。在全國(guó)數(shù)百個(gè)單位、上萬(wàn)人的精心研制、安裝調(diào)試下，1988年10月，這臺(tái)中國(guó)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的機(jī)器終于完工：它由北向南臥在地下，形似一只羽毛球拍。球拍的“把”是一臺(tái)長(zhǎng)202米的直線加速器，電子在加速管中不斷得到加速，通過(guò)共200米長(zhǎng)的輸運(yùn)線注入周長(zhǎng)為240米的球拍“框”——儲(chǔ)存環(huán)中，不斷地積累、儲(chǔ)存、加速、對(duì)撞，將萬(wàn)物的奧秘破開(kāi)，呈現(xiàn)在人們的眼前。

為了最大限度地節(jié)省經(jīng)費(fèi)，工程師們還修建了額外部件，讓這臺(tái)機(jī)器能“一機(jī)兩用”：在“球拍”的切線方向，安放了同步輻射裝置（BSRF），實(shí)驗(yàn)室能開(kāi)展同步輻射相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。同步輻射就是帶電粒子接近光速時(shí)，若在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，就會(huì)沿切線方向發(fā)射出一種電磁輻射，像下雨天旋轉(zhuǎn)雨傘，水滴會(huì)從傘的邊緣飛射出去一樣。這種電子的自發(fā)輻射，是探究原子、分子世界的有力工具，在生命科學(xué)、材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

無(wú)論是加速器建設(shè)，還是讓它穩(wěn)定運(yùn)行，我國(guó)的科研工作者付出了常人難以想象的艱辛。他們白天用穿孔紙帶計(jì)算數(shù)據(jù)，晚上值班提心吊膽地等待著突如其來(lái)的電話，由數(shù)十萬(wàn)組件集合而成的大科學(xué)裝置，任何一個(gè)小元件的損壞故障都會(huì)使BEPC停運(yùn)。最初3年時(shí)間， BEPC有近30%的時(shí)間花費(fèi)在設(shè)備維護(hù)上，經(jīng)過(guò)3年的努力，工程師將故障率降到5%以下，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行至今。

不可替代的作用

這臺(tái)耗費(fèi)大量物力人力建成的機(jī)器，是否如人們預(yù)期的那樣，給中國(guó)的科學(xué)乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)呢？答案是肯定的。

1992年，BEPC給出了τ輕子質(zhì)量的精準(zhǔn)測(cè)量，精度比原來(lái)提高了10倍，更新了粒子物理學(xué)數(shù)據(jù)權(quán)威《粒子物理手冊(cè)》，被認(rèn)為是當(dāng)年國(guó)際上最好的粒子物理成果。J/ψ粒子的衰變規(guī)律、粲夸克的物理性質(zhì)和X（1835）等新粒子的發(fā)現(xiàn)等在國(guó)內(nèi)外引起轟動(dòng)的物理新知都是依托BEPC取得的成果。

在生物科學(xué)領(lǐng)域，BEPC也不容小覷。2004年，中國(guó)科學(xué)家利用BSRF完成了“菠菜主要捕光復(fù)合物（LHC-II）2.72埃分辨率晶體結(jié)構(gòu)”的測(cè)定工作，在世界上率先完成了這一具有高度挑戰(zhàn)性的國(guó)際前沿課題，推動(dòng)了我國(guó)光合作用機(jī)理與膜蛋白三維結(jié)構(gòu)研究進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平。揭秘SARS病毒主蛋白酶結(jié)構(gòu)、尋找SARS病毒克星、在分子水平上揭示砒霜治療白血病機(jī)理的研究等都是通過(guò)BSRF完成的。

另外，古生物學(xué)家還利用 BSRF對(duì)一塊琥珀進(jìn)行了無(wú)損成像，得到了隱藏在琥珀中的恐龍尾部椎骨的高質(zhì)量投影圖像，進(jìn)而構(gòu)建出恐龍尾部的高清3D形態(tài)。憑借此技術(shù)，人類(lèi)有史以來(lái)第一次在琥珀中發(fā)現(xiàn)了恐龍化石……

更重要的是，BEPC的建設(shè)對(duì)各種加速器、同步輻射裝置起到了奠基作用，推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)發(fā)展。比如加速器中運(yùn)用到的高頻微波技術(shù)、超導(dǎo)低溫技術(shù)、束流測(cè)量技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、真空技術(shù)、磁鐵技術(shù)、電源技術(shù)等，BEPC的建設(shè)和改進(jìn)將這些技術(shù)及相關(guān)工藝提高到國(guó)際先進(jìn)水平，為后續(xù)的大科學(xué)裝置的建設(shè)如中國(guó)散裂中子源（CSNS）、加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)（ADS）奠定了良好基礎(chǔ)。同步輻射裝置中運(yùn)用的核成像技術(shù)和輻射防護(hù)技術(shù)則大大推動(dòng)了醫(yī)療健康、安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

這些學(xué)術(shù)和工業(yè)成果，正印證著我國(guó)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域從跟跑到并跑，到今天部分領(lǐng)域領(lǐng)跑的發(fā)展?fàn)顩r，而在這一過(guò)程中，BEPC起到了不可替代的作用。

（樹(shù)摘自《大科技》2023年第3期）