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        大科學之父勞倫斯,科學英雄還是警世寓言?

        大科學之父勞倫斯,科學英雄還是警世寓言?

        2016-02-05 12:22:17  科學網/中國科學報
        本文作者:趙斌

        2016-02-05 12:22:17
        作者:趙斌
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              在美國加州大學伯克利分校的一座小山上,坐落著一個物理實驗室,雇員超過3000人,與13個諾貝爾獎關,有超過7.5億美元的科研預算。這就是勞倫斯伯克利(Lawrence Berkeley)實驗室,是根據其創始人——美國著名物理學家歐內斯特·勞倫斯(Ernest Lawrence)的名字而命名的。以任何標準來衡量,這都是一個巨大的美國物理學實驗室。可以說,20世紀后期的科學方法的整個架構都需要大機器、大預算和大量的員工,因此稱為“大科學”(Big Science)。科學計量學奠基人普賴斯(Derek John de Solla Price)1962年6月發表了以《小科學、大科學》為題的演講。他認為二戰前的科學都屬于小科學,從二戰起,才進入大科學時代。就其特點來看,表現為:(1)投資強度大,需要巨額投資建造、運行和維護大型研究設施,如國際空間站計劃、歐洲核子研究中心的大型強子對撞機計劃(LHC)、卡西尼(Cassini)衛星探測計劃、雙子望遠鏡(Gemini)計劃等;(2)多學科交叉,需要跨學科合作的大規模、大尺度的前沿性科學研究項目,如人類基因圖譜研究、全球變化研究等。

         


        勞倫斯伯克利國家實驗室制造出桌面大小的粒子加速器

        自1930年代以來,科學事業的規模就呈指數增長。機器已經變得越來越大,也越來越花錢。第一臺粒子加速器的成本還不到100美元,可以放在使用者的手掌中,而后來的大型強子對撞機,成本已經高達100億美元,周長有17英里。科學家發明了核武器,把人類送上了月球,并測試亞原子水平的屬性,這一切都是通過大科學來實現的。可以說,由政府和企業支付的行業研究花費,推動了我們這個時代最偉大的科學工程。

        也許,許多故事都在津津樂道科學是如何變“大”的。這是一個難以置信的故事,一個發明改變了全世界!勞倫斯的粒子回旋加速器將徹底帶來核物理上的革命,它將改變我們對自然界基本構造的理解。由于這個發明幫助贏得了第二次世界大戰的勝利,其影響力逐漸滲入到學術界和國際政治中。之后,科學家們希望能夠使用和改進這個發明,再加上勞倫斯的樂觀和管理技能,導致了大科學多學科研究的風格,吸納工程師和產業的參與,讓大科學和軍事工業聯合體的交織發展。目前讓我們來回顧這些,對物理學研究和教育工作者也是非常重要的。

        大科學的誕生可以追溯到近90年前,在加利福尼亞的伯克利,有一個有才華橫溢的年輕科學家,這個人就是勞倫斯。他不僅具有物理學方面的天賦,還更具天分來推銷他的新發明。當勞倫斯1928年在加州大學伯克利分校開始他的職業生涯時,實驗物理學還是一個小規模的研究。勞倫斯注意到幾年前盧瑟福報道了第一例原子裂變,并完成了一個可以放在膝蓋上的手工制作裝置,雖然盧瑟福的技術是非常高明,由自然的放射性衰變產生撞擊的“子彈”,然而這樣的簡單實驗產生的問題往往多于答案,要解決這些問題需要更大的原子裂變,而這需要更高能的撞擊。勞倫斯到伯克利后僅僅用一年的時間就想到一個更好的方法,當他看到有一個設備可以用很小的電力加速帶電粒子。他認為,粒子可以在原子中發射,把它們分開,但要達到足夠的加速度,需要一個好幾碼長的機器,按照當時的理解這是不可思議的。勞倫斯的突破性洞見,就是他能將粒子送到螺旋中并加速到巨大的速度,粒子在環繞電磁場的真空容器中會自然跟隨螺旋路徑運動。他稱這個發明為粒子回旋加速器(cyclotron),并聲稱他要出名了,就和當年的阿基米德那樣跑到校園聲稱自己將要出名那般自信和狂妄。于是,大科學誕生于1929年的某一天,因為勞倫斯發明了粒子回旋加速器。

        事實上,勞倫斯和加速器技術對原子彈工程是非常重要的。他向軍方提供技術咨詢,伯克利的一臺回旋加速器發現了可裂變的钚。但是勞倫斯并不是最重要的戰時科學家,加速器也不是曼哈頓項目的明星。如果有可行的技術,勞倫斯的計劃的確是可行的,但由于當時他擁有的資源有限,該計劃并不是那么容易進行。最初的原型是非常粗糙的,由一個研究生來負責,樣子就像是“被卡車碾壓過的威士忌酒瓶”(Hiltzik)。第二個畢業生做的就要方便多了,是一個手掌大小類似銅管樂的裝置,也就是憑借著這個裝置,勞倫斯開始籌款要買一個更大的電磁鐵。勞倫斯在1958年去世,享年57歲。自此,他不算太長的一生的大部分時間幾乎都花在追求更大的機器上

        無疑,勞倫斯是第二十世紀最杰出的物理學家之一,1939年獲得諾貝爾物理學獎,在這個領域獲獎的還有原子核物理學之父歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)以及居里夫人(Marie Curie)。在1946年初,也就是原子彈摧毀了日本廣島和長崎后的半年,美國政府授予勞倫斯功績勛章(Medal for Merit,為國建立特殊功績的非軍事人員)。授獎人說“我們在他身上賭了1億美元,結果他贏了”,這也是科學史上前所未有的賭博。勞倫斯欣然接受了這枚勛章,并用它來要求更多的資金。他主持的團隊有許多朝氣蓬勃的年輕科學家和研究生,包括物理學家、化學家、醫生和工程師,所有的努力和思考都是跨學科的融合,用數百萬美元保證公司的運行。

        戰后,在塑造軍事與工業合作的新研究體系方面,勞倫斯的功勞無人能及,加速器的作用也無可匹敵。戰爭結束前,勞倫斯就與軍方開始接觸,他的輻射實驗室獲得了聯邦資金的資助,建立了規模空前的加速器,可以去發現那些令人激動的粒子。之后,一個新的聯邦政府資助的國家實驗室體系開始出現了,擁有了世界上最大的加速器。在冷戰時期,這些設備和知識成就成為技術力量、軍事實力和自由社會文化利益的象征。勞倫斯的輻射實驗室在一個廣泛的領域資助了基礎科學和應用科學的研究。此外,他還創辦了利弗莫爾(Livermore)實驗室,繼續讓科學家與軍方合作,增加了國家實驗室系統在防御研究方面的實力。

        更大的回旋加速器可以探討更詳細的原子內部結構。事實證明,他們也能生產核醫學需要的人工同位素,經過一定的改變后也可以分離出武器級的鈾。這個填滿整個建筑的裝置,應該是與許多實際應用有關的有效研究工具,可以從慈善機構和軍方同時獲得更多的資助,勞倫斯注意到了這一點。然而,驅動更大、更好裝置的產生是有自身邏輯的。每一次使用回旋加速器的發現就為物理學家的探索開辟了新前景,而每解決一個新的謎題就需要更強大的機器。這種野心不斷增加的循環,一直控制著勞倫斯,成為大科學的主要推動力,也是其未來的主要威脅。通過這些手段,大科學蓬勃發展起來。加州大學伯克利分校的勞倫斯實驗室成立了(現在被稱為勞倫斯伯克利國家實驗室),持續產生諾貝爾獎的研究,大型強子對撞機也是遵循勞倫斯的計劃,建立了曾經更強大的加速器。

        勞倫斯也為“新大科學”時代鋪平了道路。隨著冷戰的結束和數十億美元的超導超級對撞機的取消,新的、更官僚化的聯邦贊助需要更嚴格的理由,大科學的秘密議程失寵了。國會對高能物理學和空間探索也變得越來越吝嗇,表明大科學的內在邏輯不能抵御外部的經濟因素的。每一個發現都變得更昂貴、更深奧。如果不考慮其科學價值,大科學的前提是不可持續也難于支持的。此時,以加速器為中心的多學科實驗室系統,在勞倫斯的幫助下順利轉移到目前的系統中,大型加速器服務于廣大的小團隊用戶。工業合作伙伴幫助提取一些成本,但此時軍事支持是最小的,因為國防實驗室現在已擁有自己的資源。


        關于這個故事,普利策新聞獎得主,洛杉磯時報的撰稿人Michael Hiltzik最近撰寫了一本新書,叫Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military–Industrial Complex(大科學:歐內斯特·勞倫斯及其啟動軍事工業聯合體的發明)。這并非一本歌功頌德的圣傳體書籍,恰恰相反,Hiltzik在這本書中,對勞倫斯的描述更多是負面的。而這可能正反映了一個社會對大科學看法的轉變,特別是其與軍方根深蒂固的聯系。史蒂文斯理工學院的Alex Wellerstein在Science周刊上發表了對該書的書評。下面的文字主要摘選自該書評的內容。

        Hiltzik認為,勞倫斯不一個發明家,一個工匠,在他的世界中心是他發明的圓形粒子回旋加速器。圍繞著這個最初卑微的創造,勞倫斯建立了動用一個帝國的勞動力和資金來研究物理的新方法。Hiltzik還說,勞倫斯的方法就是依賴于對“研究生廉價勞動力的無情剝削” 。他們的第一個回旋加速器,完全是由一位名叫Niels Edlefsen的研究生完成的,而第一個功能模型是由他的另一名研究生M. Stanley Livingston開發的,這名學生調試了早期的機器并修復了許多問題。勞倫斯只是熱衷于去撈更多的錢來構建一個更大的機器。

        另外,勞倫斯是否屬于科學巨人是值得懷疑的。在第一個十年,他們未能產生任何實質性的結果。第一個重大科學公告——證實氘核分解理論就是一個尷尬的失敗。勞倫斯并沒有悟出這種可能推翻物理定律的新現象,而是向世界公布其輻射實驗室沒有清潔的樣品。因此當時很多人調侃,勞倫斯更感興趣的是機器而不是科學成果,是對“機器的崇拜”。一名法國人曾經嘲笑這個實驗室是“一個追求工具的躁狂者或對科學組合游戲入迷的大嬰兒”。輻射實驗室的許多重大發現應該是偶然碰到的,只要你一直在監視這些機器并有足夠長的時間,總能有所發現。正電子的存在和中子就是在這段時間被發現的,其實這就是感生放射性和核裂變的現象。然而,資金繼續涌入,部分原因就是勞倫斯有一種“雜耍”的能力,可以為非科學頭腦的觀眾設計無限的熱情和信心來支持項目申請。勞倫斯自己也承認他能做更大的回旋加速器,只是因為他能弄到這筆錢,而不是因為他對做大科學有什么想法。

        但是,Hiltzik認為,勞倫斯的工作是很有戰略性的。回旋加速器從一個瘋狂的風險演變成一個常見的工具,勞倫斯在1939年能獲得諾貝爾獎,部分原因在于他走在正確的研究方向并因此而取得了重要成果。所有后來的諾貝爾獎得主,比如埃德·麥克米蘭(Ed McMillan)、路易斯·阿爾瓦雷茨(Luis Alvarez)和格倫·西博格(Glenn Seaborg)都利用輻射實驗室的資源做了一些最好的工作,并找到了如何在勞倫斯混亂的領地做自己的工作。此外,很明顯的是,回旋加速器可以產生大量的放射性同位素,這可以用于其他類型的科學研究。而勞倫斯非常高興能提供這些給他們的合作者,知道增加實驗室應用性,他就能獲得更多的資助。

        勞倫斯是建造原子彈最高調的支持者,很大程度上是因為他聲稱幾乎可以一個人搞定。在這方面,與許多事情一樣,他信誓旦旦。結果導向型的萊斯利·格羅夫斯(General Leslie Groves)將軍是曼哈頓計劃負責人,他是不接受延遲、借口和成本超支的,這也成為勞倫斯的習慣,提供了一種支持的力量。勞倫斯最終能夠產生足夠的高濃縮鈾(廣島炸彈);然而,最終他的方法還是被取消了,取而代之的是戰后早期競爭對手的技術。

        戰后初期勞倫斯給人的印象是特別膚淺而草率的。他抱怨參加了原子能控制討論的科學家“本可以致力于科學研究時卻在一些政治問題上浪費太多的時間和精力”。面對他前同事奧本海默(原子彈之父)的不悅表情,勞倫斯油腔滑調地強調,“我是一名物理學家,我沒有將知識浪費在物理學讓我明白的原罪中”。如果你相信他這些情緒是根植于真實的信念,那么你可能會傾向于認為勞倫斯是疑罪從無的。但是,人們很容易冷嘲熱諷地理解這些評論,因為勞倫斯從這種科學軍事化的穩定位置受益無窮。

        勞倫斯的一些政治觀點最終迷惑了自己。例如,他堅定地支持反共的效忠宣誓和內部調查,使得1950年代早期他實驗室的許多頂級理論物理學家離去。他大力鼓吹1949年的熱核“超級”炸彈,后來也給他的帶來了名聲和信譽,他還倡導許多問題重重的冷戰項目,包括所謂的“干凈炸彈”。對許多與他同時代的人來說,他被認為是為了取悅于那些政治靠山而不惜降低自己科學家的聲譽。勞倫斯的強硬派傾向是符合當時參與卷入戰略防御工作的物理學家觀點的,只是他的政治傾向最終走得更遠。他在“奧本海默事件”中扮演了關鍵性角色,一個由原子能委員會舉辦的聽證會,最終導致了撤回奧本海默的安全調查。開庭前當審查委員會的首席律師詢問時,勞倫斯對他以前的朋友做了詆毀性的評論,慷慨陳詞奧本海默“再也不應該做任何與政策制定有關的事情”。由于勞倫斯聲稱自己有疾在身,更有可能是害怕報復,他請求在聽證會的最后一分鐘出來作證。

        勞倫斯努力建立利弗莫爾實驗室時,是參照輻射實驗室的模式來進行的,即一名全能的領導帶領一批廉價的工人,最終這種模式失敗了。當他的項目建議被一些不易受他樂觀主義態度感染的物理學家來審查時,他獲得資金資助變得越來越難了。在1950年代短暫進軍私營企業也以慘淡失敗而告終。勞倫斯所擅長的事情是獲得超預算的一次性技術成就,而這與用技術制造利潤可觀的消費性電子產品的途徑是格格不入的。但是,沒有誰會指責他是缺乏進取心,野心或精力的。他忘我的工作似乎也讓他在1958年付出了沉重的代價,勞倫斯死于與壓力有關的潰瘍性結腸炎并發癥。

        當然,Hiltzik也認為,如果僅僅從勞倫斯在物理學上的遺產,而不考慮他所工作的后冷戰環境,最終是很難評判他的。當時各國政府都在花納稅人的巨額資金來打造各種不朽功業,而隨著軍事效益的期待越來越模糊,這種競爭似乎已經結束了。Hiltzik甚至無法確定這本書應該屬于什么類型:時而羞愧地進行奉承,時而有進行詛咒式的聲討,他承認自己無法真正進入勞倫斯的內心。是什么驅使了勞倫斯的行為,對科學的獻身還是自負?他是一個科學英雄還是一個警世寓言?

        從這則正反評價的故事中,我們可以看到,勞倫斯的巨大貢獻是持續地推動大科學研究發展起來。現在,我們的大科學探索應該吸取勞倫斯的一些好想法(如跨學科的團隊合作),摒棄他個人的一些缺點(如工具主義的狂熱者)和性格上的缺陷(如可以為錢做任何事)。看到大科學是從哪里來的,我們更容易理解那些過時的假設。同樣,可以激勵我們尋找新的方法,就像勞倫斯引導當時的物理學革命一樣。


        責任編輯:微科普網

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