導讀
2021年10月1日，楊振寧先生將迎來農曆100週歲生日，學術界紛紛推出活動或文集祝賀楊先生百歲誕辰。《賽先生》自8月起陸續刊發系列重溫楊振寧先生重要貢獻的經典文章。9月22日起與《知識分子》聯合推出 “百年風華楊振寧” 系列文章。邀請朱邦芬、潘建偉、施一公、饒毅等科學家及楊振寧先生學生為楊先生百歲誕辰送上祝福。
本期推送楊振寧先生學生韋杰特別撰文，回憶自己師從楊先生的經歷，以及楊振寧對加速器物理研究領域的高瞻遠矚。
撰文 ｜ 韋傑
楊振寧先生是物理學大師，也是我的老師。在此我想以自身的經歷談談楊先生對加速器領域的高瞻遠矚，及對學生晚輩的啟蒙和幫助。
1984年九月，我離開清華大學工程物理系理論物理組，來到楊先生所在的紐約州立大學石溪分校物理系（圖一）攻讀博士學位，準備主攻凝聚態理論物理。楊先生時任理論物理研究所主任，並在物理系任教。
圖一：1986年紐約州立大學石溪分校物理及天文系年照。（Department of Physics and Astronomy, State University of New York at Stony Brook）
第一年我修了楊先生開講的量子力學PHY515課程。楊先生用的是L.I. Shiff的量子力學課本《Quantum Mechanics》，講得深入淺出，很受研究生們歡迎。第一次留作業，留了兩道對於我來說頗有難度的題目。我請教了高我一屆的張首晟學長，也第一次感覺到做理論物理可能不是自己的強項。
一年後，我通過了物理系博士資格考試，開始在導師指導下開展凝聚態理論物理研究。努力一年後，感覺進展緩慢，困惑之中來到楊先生的辦公室請教。楊先生指點：高能理論物理需要實驗驗證，而實驗驗證所需的高能態則依賴於粒子加速器。在現有的加速原理及技術手段下，建造超高能加速器耗費巨大，所以高能物理的前途在於新的加速器物理理論和方法。
楊先生列舉了在他的教誨下從理論物理轉行做加速器物理的成功範例，如領導超級超導對撞機（Super Superconducting Collider, SSC）物理設計的趙午學長、原創性拓展自由電子鐳射（Free Electron Laser, FEL）理論的餘理華學長等，他們的名頭在石溪物理系的研究生中如雷貫耳。
經楊先生兩次點撥，我決定改變研究方向，主攻加速器物理。楊先生遂與加速器領域的先驅Ernest D. Courant先生聯絡，推薦我到距石溪30公里的布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory, BNL）師從E D. Courant，而楊先生則成為我在石溪的博士學位導師。
當時，布魯克海文國家實驗室正在進行相對論性重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）加速器工程的預研。一九八九年底，我以RHIC的研究課題在石溪完成論文答辯（圖二），論文題目是Longitudinal Dynamics of the Non-adiabatic Regime at Transition Crossing（臨界能穿越的非絕熱縱向動力學）[1]。答辯會後楊先生很高興，並謙虛地說：“I learned something.”
圖二：1989年韋傑博士論文答辯會後與答辯委員會成員合影。自左至右為：S.Y. Lee, J. Kirz, C.N. Yang（委員會主席）, E.D. Courant, J. Wei。
回想在石溪的五年，楊先生引導我學習和體會如何實現自己的價值，做自己最為擅長的專業，在加速器領域發展。楊先生既是令人仰望的物理學大師，也是許多晚輩的良師益友，許多在石溪的同學都受益於楊先生的教誨（圖3）。每次向先生請教，他都會仔細凝聽，問出的問題總是很敏銳，並總能給出獨到的見解，令人豁然開朗。
當然，楊先生超然的睿智及敏捷的思維也每每讓我感到難以望先生項背。楊先生給的《Symmetry》講座，至今同學們還津津樂道。每年春節前後，石溪的中國學生學者聯誼會舉行慶祝活動，楊先生都會應邀前來。楊先生在石溪數學樓六樓頂層的辦公室，時常會浮現在我的記憶裡，先生的教誨令我受益終身。
圖三：1997年，第二屆全球華人物理和天文學會（OCPA）會議在臺北圓山飯店舉行。會議期間，楊先生邀請數位由他引導進入加速器領域的石溪校友在凱悅酒店聚餐：趙午（左四）、李世元（左一）、餘理華（左六）、韋傑（左三）等。
自1986年進入加速器領域後，我有機會參與了數個加速器領域前沿大型工程的預研、設計和建造。在攻讀博士學位期間，我在加速器領域的傳統課題臨界能穿越（transition crossing）上練手，發現了RHIC作為世界上首臺需要穿越臨界能的由超導磁鐵構成的同步加速器環，由於超導磁場需緩慢提升場強，縱向非線性效應在臨界能附近會導致嚴重的束流能散及損失。在發現與此相關的重大工程設計缺陷後，提出了利用降低射頻電壓減小束流穿越能散及臨界能跳躍等改進措施，且被採納。我順利獲得了博士學位，併為工程建設作出了貢獻。
畢業後的十年，我繼續在RHIC工程（圖四）做加速器物理研究、工程物理設計及建造[2]。當時提出的採用隨機冷卻機制（stochastic cooling）解決因束內散射（intrabeam scattering）導致的束流損失及發散問題的方案，約二十年後成功在RHIC裝置上實施。
圖四：建造於布魯克海文國家實驗室的相對論性重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）加速器工程鳥瞰圖[2]。（Brookhaven National Laboratory）
此後，我負責了布魯克海文國家實驗室參與歐洲核物理研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）的大型強子對撞機（US part of Large Hadron Collider, US-LHC）的加速器物理工作，提出了對撞區域磁場誤差的束流動力學校正原理及具體方案。
自1999至2005年，我參與了由六家美國能源部國家實驗室合作，在橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）建造的散裂中子源工程（Spallation Neutron Source, SNS）（圖五），初期負責工程加速器物理、物理設計及預研，後來全面負責SNS儲存環及輸運系統的設計和建造，直至工程順利完工[3]。
此間，由楊先生作為推薦人之一，我由助理研究員逐步成為布魯克海文國家實驗室的終身研究員， 並於2003年成為美國物理學會會士（American Physical Society Fellow）。
圖五：建造於橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源工程（Spallation Neutron Source, SNS）設計概念示意圖[3]。該工程由六家美國能源部所屬國家實驗室合作建造。（Oak Ridge National Laboratory）
在過去七十年裡，高能物理加速器的設計都基於1952年E.D. Courant等先輩發現的加速器強聚焦原理[4]。隨著加速粒子能量的不斷上升，高能物理加速器的建造越來越趨於週期冗長、建設團隊龐大、建設費用高昂。
更先進的加速原理的研究至今遲遲無法成熟到能應用於具體工程中。鑑於這些原因，這些年楊先生更致力於支援中、低能量及應用型加速器的發展，包括服務於能源、生物、材料、醫療等領域的光源、中子源、離子治療等加速器專案。
2005至2009年，在楊先生的直接支援、鼓勵及香港方潤華先生的幫助下，我來到中國科學院高能物理研究所參與中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）的設計和預研（圖六），並擔任中國散裂中子源工程（籌）經理，負責工程的籌備工作[5]。
這項由中國科學院高能物理研究所負責的基於強流加速器的工程於2018年全面建成，目前已達到設計指標並開放執行，成為中國第一座脈衝散裂中子源，服務於眾多前沿研究領域。
圖六：中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）於2007年選址東莞的籌建概念設計示意圖[5]。（中國科學院高能物理研究所）
2009年，在楊先生的支援下，我應唐傳祥系主任和顧秉林校長的邀請來到清華大學工程物理系任教，籌建基於質子束的緊湊型脈衝強子源（Compact Pulsed Hadron Source, CPHS）（圖七）。這個專案所推動發展的技術不僅適用於低、中能質子加速及中子散射、成像平臺，並可拓展至質子應用平臺、離子治療、核物理研究及應用平臺和加速器驅動次臨界裝置（圖八）等。
強子加速器專案與清華傳統的基於電子加速器和光源及輻照技術形成技術互補，形成適合大學發展的加速器研發平臺。當時，關遐令、龍振強等老師一同加盟清華，組建了一支質子加速器及中子技術隊伍。有居住在清華的楊先生的熱情鼓勵，顧秉林校長的全力支援，及唐傳祥、陳懷璧等系領導全方位配合，專案設計及預研發展很快，並在清華主校園迅速選址開建[6]。
2010年我離開清華後，王學武老師接手負責專案發展，很快該加速器專案建成出束並進入使用者執行。近些年來，清華質子加速器團隊又承擔了基於質子同步加速器的空間輻照模擬設施的設計和建造任務，並於近期成功除錯執行。
圖七：建造於清華大學主校園的緊湊型脈衝強子源（Compact Pulsed Hadron Source, CPHS）於2010年的概念示意設計圖[6]。（清華大學）
圖八：2010年基於清華大學緊湊型脈衝強子源技術發展設想的加速器發展方向，包括中子應用平臺（中子散射、中子成像、硼中子醫療等）、質子應用平臺（強子輻照、成像等）、強子醫療、核物理研究及應用平臺（同位素採集、稀有同位素研究）和加速器驅動次臨界應用（核嬗變廢料處理、釷基核反應能源）。
2010年，我應美國密西根州立大學邀請，到該校任職，並擔任稀有同位素束流設施（Facility for Rare Isotope Beams, FRIB）加速器專案負責人，負責加速器的設計、預研、建造、除錯及執行（圖九）。
這項由美國能源部和密西根州立大學合作的加速器工程專案建設總投資約十億美元，於2010年立項，2012年透過工程基準，2014年開工建設，目前工程進展順利，將於2022年建設完工並開始使用者執行。
這項世界上最大規模的重離子直線加速器採用2K液氦超導射頻腔加速、液態金屬膜電子剝離及旋轉靶站和旋轉廢束站技術，將以最先進指標服務於核物理領域的研究和應用[7]。
圖九：建造於密西根州立大學主校園的稀有同位素束流設施（Facility for Rare Isotope Beams， FRIB）工程設計示意圖[7]。（Michigan State University）
自1986年由楊先生引薦到加速器領域，至今已三十五年。對我個人來說，加速器行業的回報是如此獨特，以至於可以透過工程專案的執行將物理想法變為現實。在整個建設過程中，體驗到在物理、技術、團隊合作和建立友誼諸方面的無盡收穫[8]。能夠親歷從概念到實體的全過程，讓我感到無勝榮幸，並樂此不疲。
很幸運在我事業起步迷茫之時有楊先生的及時指點，找到自己擅長並熱愛的事業（圖十）[9]。衷心感謝恩師楊先生三十多年來的教誨、指導和支援，衷心祝願楊先生童心永駐、鶴髮常新、健康長壽！
圖十：2017年韋傑在香港沙田拜會楊先生。
