◇◇新语丝(www.xys.org)(xys.dxiong.com)(xys.3322.org)(xys.dyndns.info)◇◇ 　　从超导超级对撞机（SSC）看大科学工程研究的实施 　　张九庆 　　摘要：本文在简单介绍美国超导超级对撞机（SSC）的建设历程、成就、下 马过程和原因的基础上，分析了SSC的经验教训对一个国家开展大科学工程研究 提出的几个问题：如何确保大科学工程研究的持续建设与运行的费用，如何预测 大科学工程研究的预算费用的涨幅，大科学工程研究中谁最具有发言权，大科学 工程研究如何面对来自任务导向的研究和应用研究的竞争，多方参与的大科学工 程研究的政治风险如何避免；最后列举了SSC对我国开展大科学工程研究的几点 启示：大科学工程研究需要全过程和全方位的交流，运行和管理要更加严格和规 范，要预测经济发展趋势和财政政策的变化，要考虑国际政治风险，在领域选择 上要更加谨慎。 　　大科学工程研究是指需要投巨资建立一个大型的科研装置，众多科学家利用 这个装置开展相对集中的研究，如粒子加速器、空间站。由于大科学工程研究需 要巨额的建设投资和运行投资即研发投资，一旦上马就面临着资金的巨大压力， 具有极大的风险性。 　　本文以美国的大科学工程研究项目超导超级对撞机（Superconducting Super Collider,简称SSC）的建设和下马为例，来说明开展大科学工程研究面临 的问题。虽然SSC项目已经过去10多年了，但它对大科学工程研究的开展仍然具 有巨大的启示作用。 　　1 SSC的建设和成就 　　1）建设过程。 　　从建设历史来看，SSC经历了科学家倡议发起、政府小额资助进行前期研究、 项目可行性分析、政府通过法案正式立项启动、政府大规模拨款建设、项目下马 听证、政府通过法案正式停止建设、善后处理等一系列非常正规的过程，科学家、 工程师、各级政府官员、国会议员等多方面的人士参与其中。 　　理论物理学家已经从标准模型理论上阐述了自然界存在四种力：引力、弱力、 电子力和强力（核力），弱力和强力的载体是原子核层次到夸克层次的微粒子。 实验物理学家需要通过加速器实验来验证和扩展这些理论。带电粒子加速器是高 能物理研究的重要实验工具。加速器的发展经历着从同步加速器到环形加速器再 到对撞机的三次革命，其质心能量从MeV级到GeV级再朝向TeV发展。 　　美国政府从二战结束就开始支持高能物理的研究，并在美国建立了多家加速 器实验室。在1978年到1979年召开的一系列未来国际加速器发展的会议上，科学 家开始讨论质能达到20TeV的质子对撞机，1982年美国科学家最初提出了超导超 级对撞机的设想，1983年秋天美国能源部批准了正式的研究，同年12月开始研究 20TeV的对撞机的技术与经济可行性；经过大约150位加速器物理学家和工程师的 努力，1984年4月，形成了基于不同类型的超导磁体的三种不同的技术可行性方 案，并给出了三种方案的经费预算。1984年秋天，形成了以劳伦斯伯克利实验室 为主体的中心设计组，由Maury Tigner 教授领导，由大学研究联合会管理。 与 此同时，五种不同的磁体的选型设计也交给了加速器领域的其他五家国家实验室 （如布鲁克文国家实验室、费米国家加速器实验室等）。1985年，磁体选型确定。 1986年，约250位科学家与工程师参与的中心设计组完成了核心设计报告。1987 年1月，经总统同意，SCC工程正式实施，选址工作开始。1988年，从43个地址申 请中，由国家科学院组织专家筛选出7个地址，交给能源部裁决。1988年10月， 国会预算管理办公室对SSC进行了研究，发表了“建造SSC的潜在风险与利益”的 评估报告，对比其他几项加速器项目后，该报告给出了SSC风险最低的结论。 1988年11月，得克萨斯州埃里斯县被确定为最合适的地址。1989年1月，SSC实验 室建立，由Roy Schwitter 教授指导和大学研究联合会管理。在实验室负责人的 指导下，一系列国际咨询单位也产生了，包括科技政策委员会、项目咨询委员会 和设备咨询委员会。实验室早期的任务之一是针对地址的方案设计，于1990年7 月完成。环境影响报告也相继完成。1991年第一批主体工程在15号工地（磁体研 发与测试实验室）动工兴建。围绕主要设备的设计和施工同步推进。整个工程分 为四段，第一段环形加速器—低能助推器为600米，第二段中能助推器为10.8公 里，前两段都使用电阻磁铁产生磁场；第三段高能助推器为10.8公里，最后一段 是87.1公里的对撞环，后两段使用超导磁铁产生磁场。1993年1月，隧道开始施 工。到1993年秋天，挖掘了大约23公里的隧道。 　　与实验室同步进行的是实验项目的申报与审核工作。国际上的科学家共提出 了21个各种主题的研究项目。初始的实验项目包括两个大的、用于综合目的的探 测器和几个小的、用于特定目的的实验。1992年4月和1993年4月，两个大型实验 的任务得到了批准，这些涉及到了来自世界各地的200个研究机构和2000个科学 家。一系列的教育项目也延伸到了研究型大学、一般学院和高中的教师和学生。 　　2）SCC取得的成绩。 　　美国高能物理学家们认为经过几年的努力，SCC已经取得了一系列成绩。 　　在科学政策方面，SSC得到了里根、布什和克林顿三届总统的支持。1992年， 戈尔副总统会见7位诺贝尔奖得主时表示，一定全力支持SSC。能源部也已申称把 SSC作为科研项目的首选。 　　已经签署的45000份合同惠及了48个州，其中大部分合同是与德克萨斯州之 外的其他州签署的。能源部估计，SSC至少创造了7000份工作，其中与国防相关 的企业得到了比四分之一更多的好处，有利于军民结合。 　　23000多个学生和教师通过SSC的教育计划得到了数学和科学技巧的培训，其 中一半以上是女性。SSC是大项目和小项目的混合体。100多所大学的研究机构参 与了试验，其中很多是只有几个科学家的小组。 　　SSC是一项投资未来的项目。如果推迟10到20年，美国科学家只能放弃前沿 科学，一代学生将被失去，届时再也没有合适的物理学家人选了，50年建立起来 的高能物理研究基础将崩溃。继续开展SSC，有利于维持美国在物理研究的领导 地位。 　　SSC的技术溢出效应十分明显。例如，加速器和检测器技术广泛用于医疗、 诊断，用于癌症治疗，超导磁体的研究有利于超导电缆的开发，等等。 　　1992年，所占经费只是全年联邦政府R&D投入经费的0.6%。整个项目预算为 83亿美元，其中已经投资大约20亿。项目进展完成了20%。对撞机隧道的70%的合 同已经签订完成，所有合同都低于预算，所有的关键性工程已经完成或者列入了 议程，特别是关键性的磁体测试已经完成。而且，美国已经和一些国家（例如中 国、印度）签订了合作协议，能够得到一些合作资金。 　　2 SSC停建的过程、原因和善后处理 　　对大科学工程研究的评价明显不同于基础研究项目的同行评议，那些被科学 家和工程师强调的好处和成就并没有得到美国国会的多数议员的认同，SSC也因 为国会的强烈干预而提前下马。 　　1）停建过程。 　　导致SSC关闭的直接原因是1993年年初审计总署（GAO）做出的对项目不利的 报告。经过对整个承包合同的分析，该报告认为，整个项目费用超支，进展滞后。 例如，付给建筑师、工程师的服务费和基础建设费在预算12.5亿美元的基础上会 超出6300万美元，完成项目的总费用增加和工期则难以估计。能源部实行的控制 建筑费用的建筑—成本策略会导致建筑商取消、减少、延迟某些结构工程，从而 削减SSC的实验能力，危害实验研究。能源部只能从外国获得4亿美元的资助，使 17亿美元的超支仍有14亿美元的缺口。该报告的结论是，要完成该项目，国会将 面临着增加联邦资助的巨大压力。 　　实际上，从一开始，SSC就遭遇到了不少非议，因为这样的大科学工程研究 项目挤占了其他项目的经费。1988国会预算办公室（CBO）在报告《建造SSC的潜 在风险与利益》中指出， 5年之内，SSC可能会占掉全部联邦资助基础研究的6% ～7%、占物理科学的13%。除非国会提供其他相关领域经费实质性的增长，SSC就 会挤掉其他基础科学研究。一些著名科学家也加入到了反对的行列。例如固体物 理学家、1977年诺贝尔学奖获得者安德森（Philip Anderson）公开指责能源部 官员向国会撒了谎，而SSC的科学家则对失实之处保持了沉默；刚从自然科学基 金委主任退下来的科学家布洛赫（Erich Bloch）在1991的一次国会听证会上表 示，SSC的经费增长120%，其他领域的研究却是在乞讨，这一点也不公平。 　　按照美国法律，国会掌握着政府的拨款，国会议员通过提出议案来建议增加 或者削减政府的某部分财政拨款的预算。关于政府拨款的议案是一种联合决议案， 即该议案需要经过国会两院通过并由总统签署后才具有法律效力。 　　在SSC的停建过程中，参议员邦佩斯（Dale Bumpers）起了决定性作用。多 年来，邦佩斯一直提倡政府财政平衡预算，竭力反对政府浪费。邦佩斯的主要反 对者是参议员约翰逊（J.Bennet Johntson），他主要强调SSC的科学意义和对美 国的重要性。1992年6月众议院以232票对181票的结果通过了邦佩斯的“终止SSC 以减少赤字预算”的提案，但是参议院否决了这个提案。1993年的6月，众议院 再次投票赞成SSC下马，参议院则继续挽救这个项目，7月3日参议院以57对42票 决定继续支持该项目。但是这一次，众议院坚持己见，SSC下马与否被推迟到10 月做出最后的裁决。10月19日，停建SSC的一个修正提案以280对141由众议院通 过，10月21日众议院和参议院达成一致意见，10月26日众议院以332对81通过了 最后的修正提案。该提案经过参议院程序性的步骤后，由克林顿总统签署实施。 　　至此，尽管已经投资了20多亿美元，SSC真正寿终正寝了。 　　2）停建原因。 　　SSC停建的原因可以归纳以下几点。 　　费用攀升：项目建设费用开始预算为40亿美元，但1989年就有人指责其投资 已经超额了30%，预计今后会持续增加。1990年能源部的一个独立成本评估小组 得出的结论是全部SSC预算费用会高达93亿美元。 　　预算赤字：国会裁减政府费用的压力空前巨大，使得一些大项目如高级固体 火箭发动机和SSC成为消除预算赤字的牺牲品。 　　外国参与：虽然有外国科学家参加项目，在财政上却缺乏来自外国政府的明 显支持。尤其是在项目前期，美国政府没有出于垄断科学前沿并与欧洲核研究中 心竞争的需要，没有和有前景的国家合作。更为重要的是，国会虽然批评美国没 有得到外来资金，实际上美国只想要其他国家的投资，却不想和别的国家分享可 能的技术利益和工作机会。 　　管理缺陷：能源部和SSC办公室缺乏一套完整的跟踪项目费用的审计系统。 尽管项目采取了合同管理的模式，但是被认为是最糟糕的合同管理。大学研究联 合会是SSC的总承包商。这个由科学家组成的机构精于科研管理却不善建筑工程 管理，而且自视清高，对政府监督有抵触，不配合来自能源部和国家审计局的调 查。 　　缺乏共识：国会议员中很少有几个人能够描述SSC和它的作用，科学家没有 就它的好处向公众讲清楚。事实上，SSC的科学前景也很难预料，更难向公众描 述。因此，对很多公众来说，尽管他们认为是SSC是好的项目，但是纳税人却负 担不起。 　　经济利益：该项目的预期的经济效益并不明显，SSC的科学家们夸大了所谓 的技术溢出效应。SSC是投资仅逊于航天空间站的大科学工程，但其可能产生的 经济预期却远逊色于航天空间站。因此，尽管航天空间站项目的超支也很严重， 还是得以继续进行。 　　政治策略：德克萨斯州是布什总统的老家，因此总统竭力支持SSC的建设。 在选址之前，很多议员和州政府都对SSC表示了极大的兴趣，认为该项目对美国 科技发展和各州的发展至关重要。选址确定为德州之后，这种膨胀起来的热情一 下子就烟消云散了。克林顿上台后，项目的反对者对克林顿的经济政策进行了批 评，克林顿立场不再坚定。 　　新议员反对：113个新议员中，81个投了反对票。他们是裁减政府支出的支 持者，对SSC项目更是知之甚少，对SSC一开始就抱有偏见。 　　3）善后处理。 　　当SSC的停建不可逆转的时候，国会对SSC的善后处理进行了讨论。在10月21 日的国会会议上，确定了善后处理的方法。 　　首先，国会同意继续拨付6400万美元用于完成工程的停建期间的善后工作。 这笔费用用于支付那些与总承包商和特定承包商正式签约人员的90天的工资和用 于合同毁约的赔付等。提案生效90天后，冻结所有开支，未使用完的资金全部返 回国库。 　　其次，要求能源部牵头，和大学研究联合会一起，在1994年7月1日前向总统 提交一份详细的报告，内容主要涉及3个方面：如何最大限度减少联邦政府、州 政府和个人的损失；如何有效利用SSC的设备；下一步美国应该如何参与高能物 理研究。 　　最后，SSC项目交由州政府的国有土地管理局处理。该局对部分设备和土地 进行了拍卖。例如，线性加速器设备卖了40万美元、中心实验室设备卖了1千万 美元。 　　SSC 下马之后，美国加大了对现有的高能物理实验室如费米国家实验室的投 资，也加强了与欧洲核研究中心的合作，以确保美国科学在高能物理研究中的领 先地位。 　　3 对大科学工程研究提出的问题 　　一些科学家认为国会停止SSC的多数理由有很多是站不住脚的。例如，经费 超支是政府资助的拖延造成的；如果经费能够快速投入并达到一半以上，估计国 会议员谁也不敢承担如此大投入的项目下马的经济损失，如同空间站那样骑虎难 下；政府不能因为经济恶化、财政赤字就随意取消一个科学计划，政治家不能拿 科技项目作为财政调控的象征符号。 　　SSC停建后再也没有恢复。这给大科学工程研究的未来发展和准备资助大科 学工程研究的国家提供了一系列值得思考的问题。 　　1）如何确保一个大科学工程研究的持续建设与运行的费用？ 　　大科学工程项目需要较长时期的经费投入，工程建设的早期经费很容易得到 政府的支持。随着工程的进行，一方面会导致建设费用和运行成本逐渐增加，政 府支持压力加大；第二，经济总有波动现象，建设过程不可避免地要遭遇国家经 济不景气时期；第三，政府更迭也会使政府的财政支出发生转向，政府就会削减 甚至取消再投入，导致工程下马。对于大科学项目的建设应不应该通过立法来确 保稳定的、长时间的政府支持，值得探讨。 　　2）如何预测大科学工程研究的预算费用的涨幅？ 　　大科学工程项目具有科学研究的不确定性特点，其结果是必然导致研究与发 展费用的增加。不管是NASA、国防部还是能源部，预算超支和工程延期是大科学 工程项目的普遍风险。例如，国会预算办公室在1988年的评估报告中，已经对加 速器经费攀升有了警告。在80年代能源部的加速器项目中，“能源节约器 （energy saver）”和“亿电子伏特加速器一期（tevatron I）”工程的总费用 涨幅分别达到64%和122%，其中研究与发展费用更具有不确定性，其涨幅也最大， 分别为106%和243%。这样的涨幅能够预测吗？如果能并且科学家们诚实地抬高了 预算，政府会因为搞预算投资吗？如果不能，科学家们和政府又将如何应对这么 大的涨幅风险呢？ 　　3）大科学工程研究中最最具有发言权？ 　　大科学工程也被认为是战略研究，在涉及到资助和优先领域的决策过程中， 谁最具有发言权，是科学家还是政治家？无论研究的本性还是研究方向的确定， 任何一个大科学工程研究都是基于科学家对科研方向的把握，由科学家决定的。 但是，资助过程和决定是一个政治过程。科学家要与其他不同领域的基础项目竞 争，要与同一领域的其他小科学研究项目竞争，也要与政府领导、国会议员等政 治家们建立良好的沟通渠道。因此，大科学工程项目的进行不是由简单地由同行 评议决定的，而是复杂的政治决策的产物。 　　4）大科学工程研究如何面对任务导向的研究和应用研究的竞争？ 　　虽然大科学工程研究的主要实验设备是建立在已知的技术基础之上，但它后 续的研究和发展却属于基础研究，具有小科学研究的特点：不确定性、前瞻性。 为了说服政府资助，大科学工程的组织者们过分强调了良好的技术利益和由此带 来的工作机会，淡化了作为基础研究的不确定性。当这些技术副产品没有立竿见 影的时候，政府官员和国会议员就失去了信心，把资助投向了社会急需的项目。 对大科学工程研究的绩效评价究竟应该按照工程项目、基础研究还是应用研究的 要求来进行呢？当它面临着其他的较小的任务导向和应用研究频频出成绩的压力 时，该如何评价它对国家战略和目标的实现程度呢? 　　5）多方参与的大科学工程的政治风险如何避免？ 　　如果是一国运行的大科学工程，它必将涉及多个地方政府。美国的州政府具 有较大的自主权力，如果联邦政府资助的项目对本州的贡献不大，他们就没有积 极性。如果州和地方受益很大，州政府应不应该积极地为此配套一定数量的资金 呢?SSC的审计表明，德州政府在配套资金上明显滞后和不足。如果是多国参与的 大学工程，它必将涉及多国政府。例如，在1961年，欧洲核研究中心的预算增加 方案得到了经济状况较好的法国政府的支持，遭遇到了经济不景气的英国政府的 强烈反对；结果是法国政府动用了外交手段，以退出欧洲核研究中心为要挟才使 英国政府勉强同意了预算增加方案。当大科学工程研究面临着国家之间的冲突时， 大科学工程研究和政治之间的关系就更加复杂了。 　　4对我国大科学工程研究的启示 　　作为一个大国，我国开展大科学工程研究是国家发展战略的需要，也是政府 资助科技领域有所为有所不为的必然选择。思考和探究SSC建设的经验和教训， 能给我国开展大科学工程带来一些有益的启示。 　　第一，大科学工程研究需要全过程和全方位的交流。大科学工程研究是一个 系统工程，是较长时间内多方参与的结果，既涉及到科学共同体，也涉及到政府， 还涉及到国家的立法机构，甚至也涉及到广大公众。各方关注的焦点各不相同， 有的主要关心工程能否在科学前沿出成果，有的主要关心工程对政府政绩的影响， 有的关心该工程的合法性和合理性，有的关心工程对社会、对环境的影响。因此， 不论是在立项之前还是在实施过程中，多方的相互沟通、相互了解是必不可少的。 尤其是科学家和工程师必须要人大代表、社会公众普及相关科技知识，宣传最新 进展，而不只是在科学共同体之间交流或者只对政府主管部门进行汇报。 　　第二，大科学工程研究的管理要更加严格和规范。大科学工程具有一般科学 研究项目具有的不确定性，具有与一般工程不同的特殊性，但这些特殊性不能作 为放松管理的理由。大科学工程的主要负责人管理一般仍由权威的科学家担任， 他往往缺乏在财务、设备和工程建设特别是后期研发经费等的管理经验，如果研 发主管、财务管理、行政管理等不能相互配合，就有可能延误工程进行，造成预 算严重超支。从预研究开始，就需要建立一套完善的管理、运行、绩效评价的体 系和制度，确保大科学工程的可持续发展。 　　第三，大科学工程研究要评估经济发展趋势和经济政策的变化。大科学工程 的建设周期往往很长，需要持续稳定的资金投入。较长一段时间内的经济发展趋 势和经济政策左右着政府对大科学工程的投资强度。SSC的下马就与克林顿政府 实行的从赤字财政到平衡预算和宏观调控转移的财政政策密切相光。例如，政府 可以设立大科学工程研究的专项资金，把每年的预算按一定幅度递增列入到长远 规划中，以克服临时增加预算的困难。 　　第四，大科学工程研究也要考虑国际风险。大科学工程往往需要多国科学家 的合作参与，也需要多国政府的共同资助，其风险及涉及到科学竞争，也涉及到 外交政策。因此，在进行项目可行性分析时，需要预测它国科学家是否有开展类 似的大科学工程研究的动向（例如，与SSC类似的项目有欧洲核研究中心的大型 强子对撞机），也要评估如果合作伙伴减少投资后政府还有没有增加投资的能力 （大科学项目增加预算时需要参与国共同同意增加投资），还要考虑能否争取到 更多国家的支持。在SSC费用节节攀升的时候，美国物理学家寄希望于日本和欧 洲的同行说服他们的政府投资，总统科学顾问也加入到筹款之中，但是这些政府 都无动于衷。政府可以把大科学工程研究列入到国家外交的议事日程，进行积极 的筹资活动。 　　第五，大科学工程研究在领域选择上必须更加慎重。虽然大科学工程研究的 目的在于探索前沿科学领域的未知现象，其科学意义特别重要，但其对技术和经 济产生的影响和对小科学项目的作用也是不能忽略的，毕竟大投资期待更大更多 的回报，大投资会挤占更多的小投资。如果研究方向过于超前，其技术溢出效应 就很小，经济效益更是难以预期；如果研究领域过于狭窄，就缺乏与其他学科的 关联和共享，其他小科学项目就无法受益。一方面，美国国会预算办公室评价 SSC的技术溢出效应（如对计算机技术和高技术设备）并不比其他的国家实验室 突出；另一方面，有科学家批评高能物理把其他物理科学研究的经费榨干了。克 林顿政府把联邦科技的重点从高能物理转向了信息技术和生物医学等新兴学科领 域，信息高速公路建设和人类基因组计划等的实施让美国继续保持着高科技的领 先地位。 　　参考文献： 　　[1]http://www.hep.net/ssc/new/history 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