為何做“沒有價值”的科學：費米國家加速器實驗室50周年
?威爾遜霍爾，F(xiàn)ermilab標志性的高層建筑。
撰文 | 吳進遠（美國費米國家加速器實驗室）
責編 | 陳曉雪
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2017年是美國費米國家加速器實驗室成立50周年。50年來，實驗室取得了輝煌的成就，這一切與它的第一任實驗室主任羅伯特·威爾遜 (Robert R. Wilson) 以及其他同事的卓越貢獻是分不開的。時至今日，回顧科學先賢們的實踐和理念，對于我們的工作，仍然有著寶貴的借鑒意義。
?圖1：費米國家加速器實驗室成立50周年紀念合影。作者在圖中箭頭標示的位置（來源：www.fnal.gov）
羅伯特·威爾遜最著名的一個論斷，是他在1969年4月答復國會議員質(zhì)詢時說的一句話。當時議員們關心這個新的實驗室以及獲得的新知識對國家的安全有哪些幫助，羅伯特·威爾遜回答說，這是一個長期的，關乎國家榮耀，愛國主義的事。這些新知識并不能直接地保衛(wèi)國家，但卻能“使之值得被保衛(wèi)”[1]。
?圖2: 羅伯特?威爾遜（來源：www.fnal.gov）
這樣一句看似不經(jīng)意的話卻道出了國家實驗室以及大型科學裝置的定位：它們不僅僅是科研工作所需的儀器設備，更是國家價值的體現(xiàn)。
費米實驗室與科學技術研究
在威爾遜和幾代科學家的領導下，費米國家加速器實驗室取得了許多令人矚目的成就。別的不說，單說組成我們這個世界的12種基本粒子：6種夸克與6種輕子。費米實驗室發(fā)現(xiàn)了其中的b與t兩種夸克，以及輕子陶中微子。這些發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對于世界的認識。僅以我的經(jīng)歷而言，我在初入高能物理學時，人們確實對于t夸克講不出什么。這是由于人們當時還沒有探測到它，對它的質(zhì)量、壽命、衰變模式等知之甚少。這些知識，都是在1995年費米實驗室發(fā)現(xiàn)了第六個，也就是最后一個夸克，t夸克之后，才得以最終確認。在數(shù)十年這么短的時間尺度上，能夠見到科學知識如此的迅速積累，這在科學史上并不多見。
粒子物理的發(fā)現(xiàn)，并不是靠每天推導量子力學公式得到的，而是通過精密的實驗得到的。實驗用到的裝備，不論是產(chǎn)生新粒子用的加速器，還是探測新粒子衰變產(chǎn)物的探測器，都需要投入大量人力物力來研發(fā)。通過這種研發(fā)工作，我們可以得到很多“副產(chǎn)品”，那就是在超導，射頻，探測器材料與結構，電子學，計算機等領域的新技術與新知識。這些新技術與新知識又逐步地在工業(yè)，醫(yī)學檢測與治療技術等方面獲得應用，造福社會。
費米實驗室與人文、藝術和環(huán)境
毫無疑問，科學與技術的研發(fā)成果是一個實驗室存在的終極價值。但威爾遜并不滿足于此，他為實驗室注入了許多人文、藝術與環(huán)境元素。整個實驗室建設得像一個公園，園區(qū)甚至開辟了一片牧場，飼養(yǎng)了一群美洲野牛 (American bison ，Bison bison )，這個種群不斷繁衍并與其它種群交換，一直飼養(yǎng)到現(xiàn)在。
?圖3：美洲野牛（來源：www.fnal.gov）
實驗室里有許多雕塑，是威爾遜自己設計制作的。有一個當年的老同事回憶[2]，曾經(jīng)有一位暑期實習生，晚上到車間加班，看到一個人在那里電焊，就和他打招呼：“你在做什么？”威爾遜回答：“我在給外面的水池做一個雕塑?！睂W生并沒有想到，這個人就是實驗室主任。他還說：“哎媽呀，他們可真能給你找活，讓你在這里浪費時間”。
?圖4：費米實驗室園區(qū)的一座威爾遜的雕塑作品《莫比烏斯環(huán)》。（作者拍攝）
據(jù)記載，威爾遜有一個時期利用業(yè)余時間制作了多個金屬雕塑，這些雕塑至今仍然矗立在費米國家加速器實驗室的園區(qū)中，成為實驗室的景觀。
費米實驗室與公眾科普教育
費米實驗室多年來形成了重視對公眾進行科普教育的傳統(tǒng)。2017年9月23日，作為50周年慶典系列活動之一，費米實驗室舉辦了盛大的開放日活動。實驗室開放了多處科研設施讓公眾參觀，并租用了幾十輛校車，接運1萬名訪客（本次活動注冊的訪客有2萬人，當天因天氣異常炎熱，實到1萬人。筆者也是千余名志愿者之一）。
?圖5：費米實驗室50周年慶典系列開放日活動前，幾十輛校車等候接運訪客（作者拍攝）
除了這種超大型的開放日，費米實驗室還經(jīng)常舉辦各種各樣的科普活動。事實上，全年365天，公眾每天都可以來實驗室的開放區(qū)域自由參觀。每周三，或提前預約的團體，還可以參加由專業(yè)講解人員引導的深度參觀。此外，實驗室還會經(jīng)常舉辦各種科學普及教育講座。
這種公眾科普教育對于社會的貢獻是漸進的。人們也許并沒有完全理解科學研究的內(nèi)容本身，但科學精神與科學思維方式會潛移默化地影響到人們。在精神層面，人們通過了解大型科學裝置所獲得的自豪感、自信感和認同感，亦深刻地影響著人們的精神面貌。我自己接觸過許多公眾訪客，能夠相當直接地感受到人們在精神上體現(xiàn)出來的快樂、健康。我觀察到的一個有趣現(xiàn)象是，人們談論科研工作和科學裝置時，都喜歡使用“we”，“our”這樣的代詞，使用“they”的情況并不多，使用“you”的情況幾乎沒有。
這里我想特別指出，在訪客當中，很多成年人對于科學保持了濃厚的興趣和好奇。而在我接觸過的華人群體中，大家都很重視孩子的科學教育，為了孩子來參觀或聽講座可以開很遠的車，任勞任怨，但家長自己卻往往對科學缺乏興趣。這是一個應該引起重視的差距。希望至少從《知識分子》的作者與讀者們開始，大家能夠保持自己對于科學的興趣，《知識分子》也有更多面對成年人的科普作品。
與很多人的印象相反，公眾對于這種完全靠納稅人的錢建設運行的科研設施實際上相當支持。在我接觸過的訪客中，從來沒有聽到過任何負面評論，從沒有人抱怨：我們還有那么多窮人，你們耗費納稅人那么多錢，做的事情有什么用。科研單位與公眾能夠形成這樣良好的互動，這與很多人的努力密不可分，這中間的經(jīng)驗值得認真研究與借鑒。
費米實驗室與中小學生科學教育
實驗室對于中小學生的科學教育也非常重視。特別值得介紹的，是附近的一所數(shù)理高中。這所學校是由實驗室的第二任主任、諾貝爾獎獲得者里昂·萊得曼 (Leon M. Lederman) 與伊利諾伊州政府有關機構創(chuàng)辦的，名為Illinois Mathematics and Science Academy（IMSA）[3]。學校設置高中10至12年級，面向全州選拔學生，作者的女兒也是這個學校的畢業(yè)生。里昂?萊得曼曾有很長一個時期常駐學校，除了在各種活動上，學生們還經(jīng)常有機會與他交談，共進午餐，直接感受科學家的思維方式。
?圖6：里昂·萊得曼（來源：www.fnal.gov）
IMSA最重要的一個特點是它的研學課程，通常是11與12年級的學生參加。每周三，學校安排車輛，將學生送往芝加哥附近的多個國家實驗室或大學，學生在一個學年中，到這些科研機構，每周在導師指導下工作一天，以此獲得第一手的真實科學研究經(jīng)驗。能夠指導安排準備知識明顯不足的高中學生有效地參與科研工作，并取得雖小但確實有用的結果，對于導師來說也是個不小的挑戰(zhàn)。費米實驗室每年都會接待多位學生，也同時訓練出了這樣一批導師，作者也是其中之一。要想帶好學生，導師要有愛心、耐心與細心，但僅僅做到這點還不夠，還要有科學方法，把帶學生當成一項科研題目來做，隨時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。至今，作者累計帶了十多位學生，最早的學生現(xiàn)在已經(jīng)成為他們工作領域中的優(yōu)秀人才。
費米實驗室與國際合作
費米實驗室的實驗研究工作，通常都是與國際上的科研機構以及大學合作進行的。這種合作，可以將國際上本領域的智力與財力資源有效地整合起來，以完成單一機構難以實現(xiàn)的目標。而在冷戰(zhàn)期間，實驗室與蘇聯(lián)科學研究機構從1972年開始就有合作，這種合作顯得格外引人注目。作為一個科研單位，同時起到緩和國家關系的作用，這種貢獻是獨特而無可替代的。
在實驗室的餐廳，現(xiàn)在還有一個彩繪的飯桌，就是這種合作的見證。
?圖4：費米實驗室餐廳中的彩繪飯桌（作者拍攝）
這個飯桌是一位早期來實驗室合作過的蘇聯(lián)科學家贈送的[4]，上面繪制了七個俄羅斯風格的娃娃。我曾聽到過實驗室的一位講解員介紹說，這七個娃娃象征最早來參加合作工作的七位蘇聯(lián)科學家的妻子。盡管這個說法暫時沒有辦法考證，但確實是一個很好的故事。
回顧科學界前輩們對大型科學研究裝備的定位，對我們來說很有參考與借鑒的價值。中國的經(jīng)濟發(fā)展與工業(yè)基礎建設都取得了巨大的成就，從而使得建設更多的大型科學裝置成為可能。大型科學裝置除了在科學探索方面的功能，同時也使國家變得更好更有價值。大型科學裝置還具備技術研發(fā)平臺，公眾科學教育平臺以及國際交往平臺等多種功能。因而在決策過程中，更寬地認知大型科學裝置的效益，有利于促使其發(fā)揮更大的社會作用。對于已經(jīng)建成運行的大型科學裝置，我們應該像重視其科學目標一樣地重視它的其它功能，使之更好地為社會服務。
參考文獻：
[1]https://history.fnal.gov/testimony.html
[2]Fermi News, Jan. 28, 2000 (Online: https://www.fnal.gov/pub/ferminews/Ferminews00-01-28.pdf)
[3]https://www.imsa.edu/extensionprograms/greatminds/Dr_Lederman
[4]https://history.fnal.gov/visitors.html#festival
制版編輯： 許逸｜
