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由他開創(chuàng)的“大科學(xué)”時(shí)代,為何至今爭議不斷?

2022/06/18
導(dǎo)讀
?他的名字,你也許陌生,但他所做的一切,你一定有所耳聞……

這幾年,每每回望70多年前的那段歷史,大家都會(huì)對(duì)其中暗含的相似性驚訝不已。


就拿歐洲最近的局勢(shì)來說,被頻繁提及的“戰(zhàn)爭”和“核威脅”,很自然就會(huì)讓我們聯(lián)想到二戰(zhàn)以及原子彈研制競賽背后那段波瀾壯闊的科學(xué)史


然后就是去年頻繁登上國際頭條的熱詞——“基礎(chǔ)科學(xué)”:


除了我們說的“卡脖子”,美國還高票通過了《無盡前沿法案》,呼應(yīng)的正是“曼哈頓計(jì)劃”的領(lǐng)導(dǎo)者、范內(nèi)瓦·布什在1945年提出的讓美國保持了70多年科技優(yōu)勢(shì)的里程碑文件《科學(xué):無盡的前沿》。


二戰(zhàn)至今,科技,一直都是國家間展開競爭的制高點(diǎn)。《求是》雜志去年發(fā)表的題為《努力成為世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地》的文章就指出:

科學(xué)技術(shù)從來沒有沒有像今天這樣深刻影響著國家前途命運(yùn)和人民生活福祉,中國要要強(qiáng)盛、要復(fù)興,就一定要大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)……

我們?cè)摬扇≡鯓拥哪J酵苿?dòng)科技進(jìn)步?回答類似問題,我們總會(huì)從那個(gè)曾經(jīng)逆勢(shì)翻盤的成功案例——二戰(zhàn)前后的美國身上尋求答案,今天的故事也不例外。

只不過,和主流歷史宏大的敘事不同,我們的主角不是威名顯赫的奧本海默或洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室,也不是上面提到過的大名鼎鼎的“布什范式”,而是一位對(duì)于大部分中國讀者來說十分陌生的“實(shí)干家”:


歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯Ernest Orlando Lawrence

你也許對(duì)這個(gè)名字陌生,但歐內(nèi)斯特·勞倫斯所做的一切,你一定有所耳聞:

是他,發(fā)明了回旋加速器,現(xiàn)今的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是其直接產(chǎn)物,并因此獲得1939年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

是他,主導(dǎo)分離出原子彈最為關(guān)鍵的原料——鈾-235和钚,從而將“曼哈頓計(jì)劃”挽救了回來,決定了世界歷史的走向。

二戰(zhàn)后,還是他,推動(dòng)發(fā)展了氫彈計(jì)劃……

第103號(hào)元素lawrencium(勞倫斯,中文譯作鐒),兩座美國頂級(jí)國家實(shí)驗(yàn)室:勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室,都以他命名。

他被認(rèn)為是美國本土培養(yǎng)的最牛的物理學(xué)家美國“軍工復(fù)合體”神話的締造者。

但除卻這些,我們今天重新認(rèn)識(shí)歐內(nèi)斯特·勞倫斯或許還有一重更加現(xiàn)實(shí)且迫切的原因——是他,開創(chuàng)了我們現(xiàn)今所處的跨學(xué)科、天量資金投入的“大科學(xué)”時(shí)代,從而重塑了國家間科技競爭的游戲規(guī)則。

今天,要為你推薦的就是一本將此中細(xì)節(jié)和原委一一揭秘的新書——《大科學(xué):歐內(nèi)斯特·勞倫斯和他開創(chuàng)的軍工產(chǎn)業(yè)》,作者邁克爾·希爾齊克是普利策獎(jiǎng)得主。


中國該不該耗費(fèi)大幾千億建粒子加速器、開展宇宙探索等項(xiàng)目?科學(xué)研究范式的改革對(duì)科學(xué)家和基礎(chǔ)科學(xué)突破有何作用?……

面對(duì)種種當(dāng)下激烈爭論的問題,這本歷史傳記給出了答案。

01 大科學(xué)前夜:從財(cái)政危機(jī)到知識(shí)危機(jī)

那些幾近絕望的歐洲科學(xué)大神們


對(duì)于今天故事開幕之前的時(shí)代背景,華為公司創(chuàng)始人任正非先生曾有過一段精彩的點(diǎn)評(píng),他說:


我們今天的科研狀況很像二戰(zhàn)前的美國,二戰(zhàn)前50年間,盡管美國產(chǎn)業(yè)已經(jīng)領(lǐng)先全球,但在科研上不重視基礎(chǔ)研究,大量依賴歐洲的燈塔照耀。


第五次索爾維會(huì)議


不過,彼時(shí)的歐洲學(xué)界雖然大神云集,但隱憂也漸漸浮現(xiàn)。


從伽利略、牛頓到愛因斯坦,科學(xué)家數(shù)百年間憑借著自己的頭腦和筆頭,頂多配合一些簡單儀器就能在書齋里搗騰出重大發(fā)現(xiàn)的“小科學(xué)”古典傳統(tǒng)已經(jīng)嚴(yán)重落伍了


就拿愛因斯坦來說,雖然僅僅靠著自己的筆頭和極少數(shù)朋友的幫助,廣義相對(duì)論得以在1915年正式發(fā)表,但是這個(gè)理論是否管用,卻需要驗(yàn)證。


為此,從1914年到1922年,德國天文學(xué)家歐文·芬萊-弗倫德里希、英國天文學(xué)家阿瑟·愛丁頓、美國天文學(xué)家威廉·華萊士·坎貝爾等人先后5次組織科學(xué)考察隊(duì),攜帶珍貴儀器,奔赴俄羅斯、非洲、巴西、澳大利亞等地進(jìn)行觀測。


1919年,人們觀測到了愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)測的太陽附近的光線彎曲現(xiàn)象。


而補(bǔ)全愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言最后一塊缺失拼圖的“引力波”,更是遲至2015年才被美國科學(xué)家探測證實(shí),其所依賴實(shí)驗(yàn)裝置——激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)累計(jì)投資超過11億美元,且資金至今仍在不斷追加中。


如此巨大的投入已經(jīng)遠(yuǎn)超愛因斯坦個(gè)人所能承受的極限。


而真正將整個(gè)科學(xué)界的推入一場知識(shí)危機(jī)的,是1908年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、法拉第之后最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、原子核物理學(xué)之父歐內(nèi)斯特·盧瑟福。


歐內(nèi)斯特·盧瑟福


盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子的第一次人工分裂,從而在“波粒二象性”之后,為物理學(xué)家已然嚴(yán)重混亂的大腦帶來的了第二個(gè)巨大難題:核結(jié)構(gòu)。


盧瑟福將原子描述成一個(gè)微型太陽系并且認(rèn)為它們?cè)谡?/strong>體上呈現(xiàn)中性。


這個(gè)模型的誘人的簡單性使得它成為廣為接受的真理。但問題很快就變得明顯,這個(gè)模型產(chǎn)生的問題比它解決的問題還要多,而且越重的原子問題越大。



隨著探索的進(jìn)行事情變得越發(fā)明顯:要解開核結(jié)構(gòu)的神秘性,所需的探針的高能量已超出大自然提供的范圍。


然而,天然的鐳發(fā)射的α粒子的能量接近7.6百萬電子伏,而盧瑟?,F(xiàn)在科學(xué)家所需要的


是這樣一種設(shè)備,它能提供10百萬伏特量級(jí)的電壓,可以安全地置于一個(gè)相當(dāng)大的房間內(nèi),由幾個(gè)千瓦功率的電源驅(qū)動(dòng)……


但產(chǎn)生所要求的電壓僅僅是問題的一部分,難題是如何操縱它對(duì)原子核實(shí)施攻擊

科學(xué)家在試圖獲得所需能量的過程中常常遭遇到設(shè)備被炸成碎片的沮喪局面。


在物理學(xué)撞上原子核的這面大墻之際,歐內(nèi)斯特·勞倫斯如命中注定一般開始了他的職業(yè)生涯。


02 大科學(xué)的開啟:歐內(nèi)斯特·勞倫斯

帶著回旋加速器來了!


早在研究生時(shí)期,勞倫斯在實(shí)驗(yàn)上早熟的天性和他做事十分投入的性格引起了學(xué)界和業(yè)界獵頭們的注意。

1928年3月12日,勞倫斯終于接受了伯克利的邀約,職業(yè)高光時(shí)刻也隨即開啟。


1929年春,歐內(nèi)斯特·勞倫斯是從一本不起眼的德國技術(shù)類雜志看到了一篇挪威物理學(xué)家羅爾夫·維德勒用德文寫下的文章,壓根不懂德語的勞倫斯僅憑圖標(biāo)和照片,立刻就領(lǐng)會(huì)了論文的重大意義

維德勒的“一般方法”是讓離子通過一系列加載有電位差的間隙來不斷地給離子施加一個(gè)作用力,使它們沿直線加速。


這種由多個(gè)小脈沖對(duì)粒子的逐步加速馬上使他意識(shí)到,這似乎解決了如何在不用高電壓的情形下產(chǎn)生盧瑟福所要求的的高能粒子的問題。

放下文章,他很快畫出了一幅將質(zhì)子加速到1百萬伏的直線加速器草圖,而要實(shí)現(xiàn)這一能量還需要一個(gè)長到實(shí)驗(yàn)室根本無法容得下的直管?!?/span>那將離子路徑改成圓形軌道,讓它們不斷重復(fù)通過單個(gè)電間隙會(huì)怎樣?”勞倫斯想。



緊接著,下一個(gè)天才的合作者也閃亮登場:米爾頓·斯坦利·利文斯頓簽約拜入勞倫斯門下。

按照導(dǎo)師的理論設(shè)計(jì),他用一個(gè)黃銅打造了一個(gè)直徑10厘米的扁筒狀真空室,真空室內(nèi)部的一半由形如字母D的半圓形中空電極占據(jù)。

斯坦利·利文斯頓制作的10厘米回旋加速器。

利文斯頓用較大的磁鐵得到的測量結(jié)果表明,他已經(jīng)讓離子在真空室內(nèi)轉(zhuǎn)了41圈,即取得了82次諧振,能量被提高到80000伏。

這說明,勞倫斯的幻想即將變成現(xiàn)實(shí),為了購買更強(qiáng)大的、能使質(zhì)子超越百萬伏閾值的電磁鐵,從這時(shí)開始,勞倫斯開始為錢瘋狂奔走

到新的加速器于1931年準(zhǔn)備開始運(yùn)行的時(shí)候,大學(xué)標(biāo)稱的預(yù)算平衡已經(jīng)膨脹至12000美元,這在當(dāng)時(shí)全球的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室來說都已經(jīng)算是一個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的天文數(shù)字

歐內(nèi)斯特·勞倫斯的能力不僅僅表現(xiàn)為從他精心設(shè)局的贊助人那里弄來現(xiàn)金,他還忽悠伯克利的校長,給了他校園里一棟兩層的木結(jié)構(gòu)小樓。

勞倫斯將這座樓命名為“輻射實(shí)驗(yàn)室”,由此開始了新的科研范式。

1931年,伯克利大學(xué)校長羅伯特·斯普勞爾給了勞倫斯一座將要拆除的木板搭條建的校園建筑,

以安置新的69厘米回旋加速器。



自此之后,由于伯克利回旋加速器的功率和效率大大提高,根據(jù)1939年的計(jì)算,輻射實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全球回旋加速器所發(fā)現(xiàn)的全部同位素的一多半,其中就有我們現(xiàn)在熟知的,用于考古斷代的“碳-14”。

美國基礎(chǔ)科學(xué)研究也開始了彎道超車之路,大科學(xué)已明顯展示出它的價(jià)值

輻射實(shí)驗(yàn)室的工作人員和同事坐在152厘米加速器的磁鐵軛的底邊上。

1939年11月9日,歐內(nèi)斯特·勞倫斯因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

03 大科學(xué)的黃金時(shí)代:歐內(nèi)斯特·勞倫斯、二戰(zhàn)與核武競賽

獲得諾貝爾獎(jiǎng)還只算一個(gè)小高潮,真正將“大科學(xué)”和歐內(nèi)斯特·勞倫斯的職業(yè)生涯雙雙推進(jìn)黃金時(shí)代的,是二戰(zhàn)。


1940年,伯克利研究184英寸回旋加速器會(huì)議,左一為歐內(nèi)斯特。


我們現(xiàn)今知道的主流敘事是,1939年8月,萊奧·西拉德與阿爾伯特·愛因斯坦共同起草的那封著名的給羅斯??偨y(tǒng)的信,開啟了美國原子彈的研制計(jì)劃。


不過,另外一部被分隱藏在歷史之下的真相卻是,從1939年到1941年,這項(xiàng)計(jì)劃幾乎飄在空中,誰都不知道原子彈究竟該怎么造。


期間的1940年,美國戰(zhàn)時(shí)“科研沙皇”范內(nèi)瓦·布什甚至一度想將這項(xiàng)計(jì)劃徹底報(bào)廢。


此時(shí),兩項(xiàng)有分量的技術(shù)依據(jù)出來了。


第一個(gè)來自于勞倫斯:伯克利輻射實(shí)驗(yàn)室的格倫·西伯格發(fā)現(xiàn)并提純了少量新的放射性元素——94號(hào)元素“钚”。勞倫斯宣稱在钚的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中,“能量是以爆炸性的速度釋放出來的,這可以描述為‘超級(jí)炸彈’”


第二份技術(shù)依據(jù),來自于英國原子彈研究機(jī)構(gòu)莫德委員會(huì),1941年7月15日他們得出了一個(gè)完全不同于布什的結(jié)論:第一批炸彈可在1943年年底生產(chǎn)出來,“可能導(dǎo)致戰(zhàn)爭的決定性結(jié)果”


英國立馬派出了澳大利亞物理學(xué)家馬克·奧利芬特直接找歐內(nèi)斯特·勞倫斯面談,勞倫斯意識(shí)到了問題的緊迫性。


1941年9月22日,原子時(shí)代的一次關(guān)鍵性會(huì)面。澳大利亞物理學(xué)家馬克·奧利芬特(左)與勞倫斯。


隨后,1941925日,芝加哥,歐內(nèi)斯特·勞倫斯要求與羅斯福政府科學(xué)顧問、哈佛大學(xué)校長詹姆斯·科南特,以及負(fù)責(zé)評(píng)估原子能軍事用途的藍(lán)帶委員會(huì)負(fù)責(zé)人亞瑟·霍利·康普頓舉行緊急會(huì)晤。


從此之后,美國的原子彈研制計(jì)劃才算真正起步。


1942年6月,范內(nèi)瓦·布什批準(zhǔn)買下距田納西州諾克斯維爾40千米遠(yuǎn)的一塊21000多公頃的土地,由萊斯利·格羅夫斯上校掌管,曼哈頓計(jì)劃正式誕生。


勞倫斯設(shè)計(jì)出一種大規(guī)模運(yùn)用卡留管的工廠化生產(chǎn)模式 ,正是這種工藝配置生產(chǎn)出了摧毀廣島的炸彈燃料。

橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室用于大規(guī)模地將可裂變的鈾-235與天然鈾分離開來的技術(shù)手段“阿爾法賽道”。

戰(zhàn)后,勞倫斯的實(shí)驗(yàn)室對(duì)擴(kuò)張和資金的期望迅速膨脹。

1946年及其以后,輻射實(shí)驗(yàn)室的預(yù)算攀升到每年超過200萬美元。

1946年3月,在伯克利大學(xué)校長羅伯特·斯普勞爾(右)的見證下,

格羅夫斯將軍向勞倫斯頒發(fā)了功勛勛章。


勞倫斯由此駕馭著美國科學(xué)研究模式的轉(zhuǎn)變,其深刻程度絲毫不亞于純粹由科學(xué)發(fā)現(xiàn)所激發(fā)的轉(zhuǎn)變:和平時(shí)期政府贊助的推進(jìn)。

勞倫斯還幫忙播下了產(chǎn)業(yè)界參與研究的種子。對(duì)于生物研究機(jī)構(gòu),他利用加速器生產(chǎn)了大量的人工放射性同位素,用以了解光合作用的復(fù)雜性和殺死癌細(xì)胞的效果。他還讓能源企業(yè)到了原子核作為發(fā)電機(jī)的美好前景……


而作為大科學(xué)的核心,輻射實(shí)驗(yàn)室已重新命名為勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室,已培養(yǎng)出了13位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、70位美國國家科學(xué)院院士……

歐內(nèi)斯特·勞倫斯在伯克利輻射實(shí)驗(yàn)室。

1952年,歐內(nèi)斯特·勞倫斯還與氫彈之父愛德華·特勒一起創(chuàng)辦了利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室,如今已經(jīng)重新命名為勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室,在冷戰(zhàn)末期的國際軍備競賽中發(fā)揮著舉足輕重的作用。


大科學(xué)的成功給科學(xué)家?guī)砹司薮蟮臉s耀,但隨著大科學(xué)項(xiàng)目變得越來越大,科學(xué)家們開始變得舉步維艱:


原子彈贏得了戰(zhàn)爭,但代價(jià)是核的陰云永遠(yuǎn)籠罩在人類的頭頂。人類漫步月球,但在壯觀的瞬間過后,公眾對(duì)太空探索的興趣卻迅速消退。


所有這些巨大的花費(fèi)——圖什么?


1990年代,作為勞倫斯加速器的后代,預(yù)算60億美元的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)(SSC)被取消,全球高能物理的重心轉(zhuǎn)移到歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上,2013年,這臺(tái)世界最強(qiáng)大加速器在雇傭了數(shù)千名物理學(xué)家后,終于發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。

但問題似乎又回到了盧瑟福時(shí)代的“怪圈”——這一發(fā)現(xiàn)只是為研究關(guān)于自然界基本粒子和基本相互作用力的更多的問題指明了方向,而這些問題可能需要建造束流更強(qiáng)、能量更高的機(jī)器來回答。

在一個(gè)沒有戰(zhàn)爭驅(qū)動(dòng)的和平年代里,“大科學(xué)”一詞的提出者,阿爾文·溫伯格指出,如果建立大科學(xué)所需的大規(guī)模支出吸干了稀缺的資源,并將科學(xué)家從探索與人類生存條件更密切相關(guān)的領(lǐng)域引開的話,那么:

我認(rèn)為,大多數(shù)美國人寧愿選擇一個(gè)優(yōu)先考慮如何治愈癌癥的項(xiàng)目,而不是把第一個(gè)宇航員送上火星。


直到今天,關(guān)于大科學(xué)的爭論,仍在繼續(xù),從未停止……

BOOK TIME

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