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大科学之父劳伦斯,科学英雄还是警世寓言? 精选

已有 11411 次阅读 2016-2-5 12:22 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记| 大科学, 劳伦斯, Hiltzik

在美国加州大学伯克利分校的一座小山上,坐落着一个物理实验室,雇员超过3000人,与13个诺贝尔奖关,有超过7.5亿美元的科研预算。这就是劳伦斯伯克利(Lawrence Berkeley)实验室,是根据其创始人——美国著名物理学家欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)的名字而命名的。以任何标准来衡量,这都是一个巨大的美国物理学实验室。可以说,20世纪后期的科学方法的整个架构都需要大机器、大预算和大量的员工,因此称为“大科学”(Big Science)。科学计量学奠基人普赖斯(Derek John de Solla Price)1962年6月发表了以《小科学、大科学》为题的演讲。他认为二战前的科学都属于小科学,从二战起,才进入大科学时代。就其特点来看,表现为:(1)投资强度大,需要巨额投资建造、运行和维护大型研究设施,如国际空间站计划、欧洲核子研究中心的大型强子对撞机计划(LHC)、卡西尼(Cassini)卫星探测计划、双子望远镜(Gemini)计划等;(2)多学科交叉,需要跨学科合作的大规模、大尺度的前沿性科学研究项目,如人类基因图谱研究、全球变化研究等。


劳伦斯伯克利国家实验室制造出桌面大小的粒子加速器

自1930年代以来,科学事业的规模就呈指数增长。机器已经变得越来越大,也越来越花钱。第一台粒子加速器的成本还不到100美元,可以放在使用者的手掌中,而后来的大型强子对撞机,成本已经高达100亿美元,周长有17英里。科学家发明了核武器,把人类送上了月球,并测试亚原子水平的属性,这一切都是通过大科学来实现的。可以说,由政府和企业支付的行业研究花费,推动了我们这个时代最伟大的科学工程。

也许,许多故事都在津津乐道科学是如何变“大”的。这是一个难以置信的故事,一个发明改变了全世界!劳伦斯的粒子回旋加速器将彻底带来核物理上的革命,它将改变我们对自然界基本构造的理解。由于这个发明帮助赢得了第二次世界大战的胜利,其影响力逐渐渗入到学术界和国际政治中。之后,科学家们希望能够使用和改进这个发明,再加上劳伦斯的乐观和管理技能,导致了大科学多学科研究的风格,吸纳工程师和产业的参与,让大科学和军事工业联合体的交织发展。目前让我们来回顾这些,对物理学研究和教育工作者也是非常重要的。

大科学的诞生可以追溯到近90年前,在加利福尼亚的伯克利,有一个有才华横溢的年轻科学家,这个人就是劳伦斯。他不仅具有物理学方面的天赋,还更具天分来推销他的新发明。当劳伦斯1928年在加州大学伯克利分校开始他的职业生涯时,实验物理学还是一个小规模的研究。劳伦斯注意到几年前卢瑟福报道了第一例原子裂变,并完成了一个可以放在膝盖上的手工制作装置,虽然卢瑟福的技术是非常高明,由自然的放射性衰变产生撞击的“子弹”,然而这样的简单实验产生的问题往往多于答案,要解决这些问题需要更大的原子裂变,而这需要更高能的撞击。劳伦斯到伯克利后仅仅用一年的时间就想到一个更好的方法,当他看到有一个设备可以用很小的电力加速带电粒子。他认为,粒子可以在原子中发射,把它们分开,但要达到足够的加速度,需要一个好几码长的机器,按照当时的理解这是不可思议的。劳伦斯的突破性洞见,就是他能将粒子送到螺旋中并加速到巨大的速度,粒子在环绕电磁场的真空容器中会自然跟随螺旋路径运动。他称这个发明为粒子回旋加速器(cyclotron),并声称他要出名了,就和当年的阿基米德那样跑到校园声称自己将要出名那般自信和狂妄。于是,大科学诞生于1929年的某一天,因为劳伦斯发明了粒子回旋加速器。

事实上,劳伦斯和加速器技术对原子弹工程是非常重要的。他向军方提供技术咨询,伯克利的一台回旋加速器发现了可裂变的钚。但是劳伦斯并不是最重要的战时科学家,加速器也不是曼哈顿项目的明星。如果有可行的技术,劳伦斯的计划的确是可行的,但由于当时他拥有的资源有限,该计划并不是那么容易进行。最初的原型是非常粗糙的,由一个研究生来负责,样子就像是“被卡车碾压过的威士忌酒瓶”(Hiltzik)。第二个毕业生做的就要方便多了,是一个手掌大小类似铜管乐的装置,也就是凭借着这个装置,劳伦斯开始筹款要买一个更大的电磁铁。劳伦斯在1958年去世,享年57岁。自此,他不算太长的一生的大部分时间几乎都花在追求更大的机器上

无疑,劳伦斯是第二十世纪最杰出的物理学家之一,1939年获得诺贝尔物理学奖,在这个领域获奖的还有原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)以及居里夫人(Marie Curie)。在1946年初,也就是原子弹摧毁了日本广岛和长崎后的半年,美国政府授予劳伦斯功绩勋章(Medal for Merit,为国建立特殊功绩的非军事人员)。授奖人说“我们在他身上赌了1亿美元,结果他赢了”,这也是科学史上前所未有的赌博。劳伦斯欣然接受了这枚勋章,并用它来要求更多的资金。他主持的团队有许多朝气蓬勃的年轻科学家和研究生,包括物理学家、化学家、医生和工程师,所有的努力和思考都是跨学科的融合,用数百万美元保证公司的运行。

战后,在塑造军事与工业合作的新研究体系方面,劳伦斯的功劳无人能及,加速器的作用也无可匹敌。战争结束前,劳伦斯就与军方开始接触,他的辐射实验室获得了联邦资金的资助,建立了规模空前的加速器,可以去发现那些令人激动的粒子。之后,一个新的联邦政府资助的国家实验室体系开始出现了,拥有了世界上最大的加速器。在冷战时期,这些设备和知识成就成为技术力量、军事实力和自由社会文化利益的象征。劳伦斯的辐射实验室在一个广泛的领域资助了基础科学和应用科学的研究。此外,他还创办了利弗莫尔(Livermore)实验室,继续让科学家与军方合作,增加了国家实验室系统在防御研究方面的实力。

更大的回旋加速器可以探讨更详细的原子内部结构。事实证明,他们也能生产核医学需要的人工同位素,经过一定的改变后也可以分离出武器级的铀。这个填满整个建筑的装置,应该是与许多实际应用有关的有效研究工具,可以从慈善机构和军方同时获得更多的资助,劳伦斯注意到了这一点。然而,驱动更大、更好装置的产生是有自身逻辑的。每一次使用回旋加速器的发现就为物理学家的探索开辟了新前景,而每解决一个新的谜题就需要更强大的机器。这种野心不断增加的循环,一直控制着劳伦斯,成为大科学的主要推动力,也是其未来的主要威胁。通过这些手段,大科学蓬勃发展起来。加州大学伯克利分校的劳伦斯实验室成立了(现在被称为劳伦斯伯克利国家实验室),持续产生诺贝尔奖的研究,大型强子对撞机也是遵循劳伦斯的计划,建立了曾经更强大的加速器。

劳伦斯也为“新大科学”时代铺平了道路。随着冷战的结束和数十亿美元的超导超级对撞机的取消,新的、更官僚化的联邦赞助需要更严格的理由,大科学的秘密议程失宠了。国会对高能物理学和空间探索也变得越来越吝啬,表明大科学的内在逻辑不能抵御外部的经济因素的。每一个发现都变得更昂贵、更深奥。如果不考虑其科学价值,大科学的前提是不可持续也难于支持的。此时,以加速器为中心的多学科实验室系统,在劳伦斯的帮助下顺利转移到目前的系统中,大型加速器服务于广大的小团队用户。工业合作伙伴帮助提取一些成本,但此时军事支持是最小的,因为国防实验室现在已拥有自己的资源。


关于这个故事,普利策新闻奖得主,洛杉矶时报的撰稿人Michael Hiltzik最近撰写了一本新书,叫Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military–Industrial Complex(大科学:欧内斯特·劳伦斯及其启动军事工业联合体的发明)。这并非一本歌功颂德的圣传体书籍,恰恰相反,Hiltzik在这本书中,对劳伦斯的描述更多是负面的。而这可能正反映了一个社会对大科学看法的转变,特别是其与军方根深蒂固的联系。史蒂文斯理工学院的Alex Wellerstein在Science周刊上发表了对该书的书评。下面的文字主要摘选自该书评的内容。

Hiltzik认为,劳伦斯不一个发明家,一个工匠,在他的世界中心是他发明的圆形粒子回旋加速器。围绕着这个最初卑微的创造,劳伦斯建立了动用一个帝国的劳动力和资金来研究物理的新方法。Hiltzik还说,劳伦斯的方法就是依赖于对“研究生廉价劳动力的无情剥削” 。他们的第一个回旋加速器,完全是由一位名叫Niels Edlefsen的研究生完成的,而第一个功能模型是由他的另一名研究生M. Stanley Livingston开发的,这名学生调试了早期的机器并修复了许多问题。劳伦斯只是热衷于去捞更多的钱来构建一个更大的机器。

另外,劳伦斯是否属于科学巨人是值得怀疑的。在第一个十年,他们未能产生任何实质性的结果。第一个重大科学公告——证实氘核分解理论就是一个尴尬的失败。劳伦斯并没有悟出这种可能推翻物理定律的新现象,而是向世界公布其辐射实验室没有清洁的样品。因此当时很多人调侃,劳伦斯更感兴趣的是机器而不是科学成果,是对“机器的崇拜”。一名法国人曾经嘲笑这个实验室是“一个追求工具的躁狂者或对科学组合游戏入迷的大婴儿”。辐射实验室的许多重大发现应该是偶然碰到的,只要你一直在监视这些机器并有足够长的时间,总能有所发现。正电子的存在和中子就是在这段时间被发现的,其实这就是感生放射性和核裂变的现象。然而,资金继续涌入,部分原因就是劳伦斯有一种“杂耍”的能力,可以为非科学头脑的观众设计无限的热情和信心来支持项目申请。劳伦斯自己也承认他能做更大的回旋加速器,只是因为他能弄到这笔钱,而不是因为他对做大科学有什么想法。

但是,Hiltzik认为,劳伦斯的工作是很有战略性的。回旋加速器从一个疯狂的风险演变成一个常见的工具,劳伦斯在1939年能获得诺贝尔奖,部分原因在于他走在正确的研究方向并因此而取得了重要成果。所有后来的诺贝尔奖得主,比如埃德·麦克米兰(Ed McMillan)、路易斯·阿尔瓦雷茨(Luis Alvarez)和格伦·西博格(Glenn Seaborg)都利用辐射实验室的资源做了一些最好的工作,并找到了如何在劳伦斯混乱的领地做自己的工作。此外,很明显的是,回旋加速器可以产生大量的放射性同位素,这可以用于其他类型的科学研究。而劳伦斯非常高兴能提供这些给他们的合作者,知道增加实验室应用性,他就能获得更多的资助。

劳伦斯是建造原子弹最高调的支持者,很大程度上是因为他声称几乎可以一个人搞定。在这方面,与许多事情一样,他信誓旦旦。结果导向型的莱斯利·格罗夫斯(General Leslie Groves)将军是曼哈顿计划负责人,他是不接受延迟、借口和成本超支的,这也成为劳伦斯的习惯,提供了一种支持的力量。劳伦斯最终能够产生足够的高浓缩铀(广岛炸弹);然而,最终他的方法还是被取消了,取而代之的是战后早期竞争对手的技术。

战后初期劳伦斯给人的印象是特别肤浅而草率的。他抱怨参加了原子能控制讨论的科学家“本可以致力于科学研究时却在一些政治问题上浪费太多的时间和精力”。面对他前同事奥本海默(原子弹之父)的不悦表情,劳伦斯油腔滑调地强调,“我是一名物理学家,我没有将知识浪费在物理学让我明白的原罪中”。如果你相信他这些情绪是根植于真实的信念,那么你可能会倾向于认为劳伦斯是疑罪从无的。但是,人们很容易冷嘲热讽地理解这些评论,因为劳伦斯从这种科学军事化的稳定位置受益无穷。

劳伦斯的一些政治观点最终迷惑了自己。例如,他坚定地支持反共的效忠宣誓和内部调查,使得1950年代早期他实验室的许多顶级理论物理学家离去。他大力鼓吹1949年的热核“超级”炸弹,后来也给他的带来了名声和信誉,他还倡导许多问题重重的冷战项目,包括所谓的“干净炸弹”。对许多与他同时代的人来说,他被认为是为了取悦于那些政治靠山而不惜降低自己科学家的声誉。劳伦斯的强硬派倾向是符合当时参与卷入战略防御工作的物理学家观点的,只是他的政治倾向最终走得更远。他在“奥本海默事件”中扮演了关键性角色,一个由原子能委员会举办的听证会,最终导致了撤回奥本海默的安全调查。开庭前当审查委员会的首席律师询问时,劳伦斯对他以前的朋友做了诋毁性的评论,慷慨陈词奥本海默“再也不应该做任何与政策制定有关的事情”。由于劳伦斯声称自己有疾在身,更有可能是害怕报复,他请求在听证会的最后一分钟出来作证。

劳伦斯努力建立利弗莫尔实验室时,是参照辐射实验室的模式来进行的,即一名全能的领导带领一批廉价的工人,最终这种模式失败了。当他的项目建议被一些不易受他乐观主义态度感染的物理学家来审查时,他获得资金资助变得越来越难了。在1950年代短暂进军私营企业也以惨淡失败而告终。劳伦斯所擅长的事情是获得超预算的一次性技术成就,而这与用技术制造利润可观的消费性电子产品的途径是格格不入的。但是,没有谁会指责他是缺乏进取心,野心或精力的。他忘我的工作似乎也让他在1958年付出了沉重的代价,劳伦斯死于与压力有关的溃疡性结肠炎并发症。

当然,Hiltzik也认为,如果仅仅从劳伦斯在物理学上的遗产,而不考虑他所工作的后冷战环境,最终是很难评判他的。当时各国政府都在花纳税人的巨额资金来打造各种不朽功业,而随着军事效益的期待越来越模糊,这种竞争似乎已经结束了。Hiltzik甚至无法确定这本书应该属于什么类型:时而羞愧地进行奉承,时而有进行诅咒式的声讨,他承认自己无法真正进入劳伦斯的内心。是什么驱使了劳伦斯的行为,对科学的献身还是自负?他是一个科学英雄还是一个警世寓言?

从这则正反评价的故事中,我们可以看到,劳伦斯的巨大贡献是持续地推动大科学研究发展起来。现在,我们的大科学探索应该吸取劳伦斯的一些好想法(如跨学科的团队合作),摒弃他个人的一些缺点(如工具主义的狂热者)和性格上的缺陷(如可以为钱做任何事)。看到大科学是从哪里来的,我们更容易理解那些过时的假设。同样,可以激励我们寻找新的方法,就像劳伦斯引导当时的物理学革命一样。


参考文献:
(1) Alex Wellerstein. Cult of the machine. Science, 2015-09-04, 349(6252): 1062-1063.
(2) Michael Hiltzik. 2015. Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military-Industrial Complex. Simon & Schuster Press.  549 pp.
(3) http://michaelhiltzik.com/big-science/
(4) http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/9/10.1063/PT.3.2916
(5) The man who invented 'Big Science,' Ernest Lawrence



http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-954617.html

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