勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造出桌面大小的粒子加速器
自1930年代以來(lái)，科學(xué)事業(yè)的規(guī)模就呈指數(shù)增長(zhǎng)。機(jī)器已經(jīng)變得越來(lái)越大，也越來(lái)越花錢(qián)。第一臺(tái)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(lái)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，成本已經(jīng)高達(dá)100億美元，周長(zhǎng)有17英里�？茖W(xué)家發(fā)明了核武器，把人類(lèi)送上了月球，并測(cè)試亞原子水平的屬性，這一切都是通過(guò)大科學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。可以說(shuō)，由政府和企業(yè)支付的行業(yè)研究花費(fèi)，推動(dòng)了我們這個(gè)時(shí)代最偉大的科學(xué)工程。
也許，許多故事都在津津樂(lè)道科學(xué)是如何變“大”的。這是一個(gè)難以置信的故事，一個(gè)發(fā)明改變了全世界！勞倫斯的粒子回旋加速器將徹底帶來(lái)核物理上的革命，它將改變我們對(duì)自然界基本構(gòu)造的理解。由于這個(gè)發(fā)明幫助贏得了第二次世界大戰(zhàn)的勝利，其影響力逐漸滲入到學(xué)術(shù)界和國(guó)際政治中。之后，科學(xué)家們希望能夠使用和改進(jìn)這個(gè)發(fā)明，再加上勞倫斯的樂(lè)觀和管理技能，導(dǎo)致了大科學(xué)多學(xué)科研究的風(fēng)格，吸納工程師和產(chǎn)業(yè)的參與，讓大科學(xué)和軍事工業(yè)聯(lián)合體的交織發(fā)展。目前讓我們來(lái)回顧這些，對(duì)物理學(xué)研究和教育工作者也是非常重要的。
大科學(xué)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(gè)有才華橫溢的年輕科學(xué)家，這個(gè)人就是勞倫斯。他不僅具有物理學(xué)方面的天賦，還更具天分來(lái)推銷(xiāo)他的新發(fā)明。當(dāng)勞倫斯1928年在加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)始他的職業(yè)生涯時(shí)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)還是一個(gè)小規(guī)模的研究。勞倫斯注意到幾年前盧瑟福報(bào)道了第一例原子裂變，并完成了一個(gè)可以放在膝蓋上的手工制作裝置，雖然盧瑟福的技術(shù)是非常高明，由自然的放射性衰變產(chǎn)生撞擊的“子彈”，然而這樣的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的問(wèn)題往往多于答案，要解決這些問(wèn)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(shí)間就想到一個(gè)更好的方法，當(dāng)他看到有一個(gè)設(shè)備可以用很小的電力加速帶電粒子。他認(rèn)為，粒子可以在原子中發(fā)射，把它們分開(kāi)，但要達(dá)到足夠的加速度，需要一個(gè)好幾碼長(zhǎng)的機(jī)器，按照當(dāng)時(shí)的理解這是不可思議的。勞倫斯的突破性洞見(jiàn)，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(huán)繞電磁場(chǎng)的真空容器中會(huì)自然跟隨螺旋路徑運(yùn)動(dòng)。他稱(chēng)這個(gè)發(fā)明為粒子回旋加速器（cyclotron），并聲稱(chēng)他要出名了，就和當(dāng)年的阿基米德那樣跑到校園聲稱(chēng)自己將要出名那般自信和狂妄。于是，大科學(xué)誕生于1929年的某一天，因?yàn)閯趥愃拱l(fā)明了粒子回旋加速器。
事實(shí)上，勞倫斯和加速器技術(shù)對(duì)原子彈工程是非常重要的。他向軍方提供技術(shù)咨詢，伯克利的一臺(tái)回旋加速器發(fā)現(xiàn)了可裂變的钚。但是勞倫斯并不是最重要的戰(zhàn)時(shí)科學(xué)家，加速器也不是曼哈頓項(xiàng)目的明星。如果有可行的技術(shù)，勞倫斯的計(jì)劃的確是可行的，但由于當(dāng)時(shí)他擁有的資源有限，該計(jì)劃并不是那么容易進(jìn)行。最初的原型是非常粗糙的，由一個(gè)研究生來(lái)負(fù)責(zé)，樣子就像是“被卡車(chē)碾壓過(guò)的威士忌酒瓶”（Hiltzik）。第二個(gè)畢業(yè)生做的就要方便多了，是一個(gè)手掌大小類(lèi)似銅管樂(lè)的裝置，也就是憑借著這個(gè)裝置，勞倫斯開(kāi)始籌款要買(mǎi)一個(gè)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(zhǎng)的一生的大部分時(shí)間幾乎都花在追求更大的機(jī)器上。
無(wú)疑，勞倫斯是第二十世紀(jì)最杰出的物理學(xué)家之一，1939年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在這個(gè)領(lǐng)域獲獎(jiǎng)的還有原子核物理學(xué)之父歐內(nèi)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(zhǎng)崎后的半年，美國(guó)政府授予勞倫斯功績(jī)勛章（Medal for Merit，為國(guó)建立特殊功績(jī)的非軍事人員）。授獎(jiǎng)人說(shuō)“我們?cè)谒砩腺�了1億美元，結(jié)果他贏了”，這也是科學(xué)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(lái)要求更多的資金。他主持的團(tuán)隊(duì)有許多朝氣蓬勃的年輕科學(xué)家和研究生，包括物理學(xué)家、化學(xué)家、醫(yī)生和工程師，所有的努力和思考都是跨學(xué)科的融合，用數(shù)百萬(wàn)美元保證公司的運(yùn)行。
戰(zhàn)后，在塑造軍事與工業(yè)合作的新研究體系方面，勞倫斯的功勞無(wú)人能及，加速器的作用也無(wú)可匹敵。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束前，勞倫斯就與軍方開(kāi)始接觸，他的輻射實(shí)驗(yàn)室獲得了聯(lián)邦資金的資助，建立了規(guī)�？涨暗募铀倨鳎梢匀グl(fā)現(xiàn)那些令人激動(dòng)的粒子。之后，一個(gè)新的聯(lián)邦政府資助的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室體系開(kāi)始出現(xiàn)了，擁有了世界上最大的加速器。在冷戰(zhàn)時(shí)期，這些設(shè)備和知識(shí)成就成為技術(shù)力量、軍事實(shí)力和自由社會(huì)文化利益的象征。勞倫斯的輻射實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)廣泛的領(lǐng)域資助了基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的研究。此外，他還創(chuàng)辦了利弗莫爾（Livermore）實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)讓科學(xué)家與軍方合作，增加了國(guó)家實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在防御研究方面的實(shí)力。
更大的回旋加速器可以探討更詳細(xì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。事實(shí)證明，他們也能生產(chǎn)核醫(yī)學(xué)需要的人工同位素，經(jīng)過(guò)一定的改變后也可以分離出武器級(jí)的鈾。這個(gè)填滿整個(gè)建筑的裝置，應(yīng)該是與許多實(shí)際應(yīng)用有關(guān)的有效研究工具，可以從慈善機(jī)構(gòu)和軍方同時(shí)獲得更多的資助，勞倫斯注意到了這一點(diǎn)。然而，驅(qū)動(dòng)更大、更好裝置的產(chǎn)生是有自身邏輯的。每一次使用回旋加速器的發(fā)現(xiàn)就為物理學(xué)家的探索開(kāi)辟了新前景，而每解決一個(gè)新的謎題就需要更強(qiáng)大的機(jī)器。這種野心不斷增加的循環(huán)，一直控制著勞倫斯，成為大科學(xué)的主要推動(dòng)力，也是其未來(lái)的主要威脅。通過(guò)這些手段，大科學(xué)蓬勃發(fā)展起來(lái)。加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯實(shí)驗(yàn)室成立了（現(xiàn)在被稱(chēng)為勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室），持續(xù)產(chǎn)生諾貝爾獎(jiǎng)的研究，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)也是遵循勞倫斯的計(jì)劃，建立了曾經(jīng)更強(qiáng)大的加速器。
勞倫斯也為“新大科學(xué)”時(shí)代鋪平了道路。隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束和數(shù)十億美元的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的取消，新的、更官僚化的聯(lián)邦贊助需要更嚴(yán)格的理由，大科學(xué)的秘密議程失寵了。國(guó)會(huì)對(duì)高能物理學(xué)和空間探索也變得越來(lái)越吝嗇，表明大科學(xué)的內(nèi)在邏輯不能抵御外部的經(jīng)濟(jì)因素的。每一個(gè)發(fā)現(xiàn)都變得更昂貴、更深?yuàn)W。如果不考慮其科學(xué)價(jià)值，大科學(xué)的前提是不可持續(xù)也難于支持的。此時(shí)，以加速器為中心的多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，在勞倫斯的幫助下順利轉(zhuǎn)移到目前的系統(tǒng)中，大型加速器服務(wù)于廣大的小團(tuán)隊(duì)用戶。工業(yè)合作伙伴幫助提取一些成本，但此時(shí)軍事支持是最小的，因?yàn)閲?guó)防實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在已擁有自己的資源。
關(guān)于這個(gè)故事，普利策新聞獎(jiǎng)得主，洛杉磯時(shí)報(bào)的撰稿人Michael Hiltzik最近撰寫(xiě)了一本新書(shū)，叫Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military–Industrial Complex（大科學(xué)：歐內(nèi)斯特·勞倫斯及其啟動(dòng)軍事工業(yè)聯(lián)合體的發(fā)明）。這并非一本歌功頌德的圣傳體書(shū)籍，恰恰相反，Hiltzik在這本書(shū)中，對(duì)勞倫斯的描述更多是負(fù)面的。而這可能正反映了一個(gè)社會(huì)對(duì)大科學(xué)看法的轉(zhuǎn)變，特別是其與軍方根深蒂固的聯(lián)系。史蒂文斯理工學(xué)院的Alex Wellerstein在Science周刊上發(fā)表了對(duì)該書(shū)的書(shū)評(píng)。下面的文字主要摘選自該書(shū)評(píng)的內(nèi)容。
Hiltzik認(rèn)為，勞倫斯不一個(gè)發(fā)明家，一個(gè)工匠，在他的世界中心是他發(fā)明的圓形粒子回旋加速器。圍繞著這個(gè)最初卑微的創(chuàng)造，勞倫斯建立了動(dòng)用一個(gè)帝國(guó)的勞動(dòng)力和資金來(lái)研究物理的新方法。Hiltzik還說(shuō)，勞倫斯的方法就是依賴(lài)于對(duì)“研究生廉價(jià)勞動(dòng)力的無(wú)情剝削” 。他們的第一個(gè)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(gè)功能模型是由他的另一名研究生M. Stanley Livingston開(kāi)發(fā)的，這名學(xué)生調(diào)試了早期的機(jī)器并修復(fù)了許多問(wèn)題。勞倫斯只是熱衷于去撈更多的錢(qián)來(lái)構(gòu)建一個(gè)更大的機(jī)器。
另外，勞倫斯是否屬于科學(xué)巨人是值得懷疑的。在第一個(gè)十年，他們未能產(chǎn)生任何實(shí)質(zhì)性的結(jié)果。第一個(gè)重大科學(xué)公告——證實(shí)氘核分解理論就是一個(gè)尷尬的失敗。勞倫斯并沒(méi)有悟出這種可能推翻物理定律的新現(xiàn)象，而是向世界公布其輻射實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有清潔的樣品。因此當(dāng)時(shí)很多人調(diào)侃，勞倫斯更感興趣的是機(jī)器而不是科學(xué)成果，是對(duì)“機(jī)器的崇拜”。一名法國(guó)人曾經(jīng)嘲笑這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是“一個(gè)追求工具的躁狂者或?qū)茖W(xué)組合游戲入迷的大嬰兒”。輻射實(shí)驗(yàn)室的許多重大發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是偶然碰到的，只要你一直在監(jiān)視這些機(jī)器并有足夠長(zhǎng)的時(shí)間，總能有所發(fā)現(xiàn)。正電子的存在和中子就是在這段時(shí)間被發(fā)現(xiàn)的，其實(shí)這就是感生放射性和核裂變的現(xiàn)象。然而，資金繼續(xù)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(xué)頭腦的觀眾設(shè)計(jì)無(wú)限的熱情和信心來(lái)支持項(xiàng)目申請(qǐng)。勞倫斯自己也承認(rèn)他能做更大的回旋加速器，只是因?yàn)樗芘竭@筆錢(qián)，而不是因?yàn)樗麑?duì)做大科學(xué)有什么想法。
但是，Hiltzik認(rèn)為，勞倫斯的工作是很有戰(zhàn)略性的�；匦铀倨鲝囊粋�(gè)瘋狂的風(fēng)險(xiǎn)演變成一個(gè)常見(jiàn)的工具，勞倫斯在1939年能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，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(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)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(shí)驗(yàn)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(lǐng)地做自己的工作。此外，很明顯的是，回旋加速器可以產(chǎn)生大量的放射性同位素，這可以用于其他類(lèi)型的科學(xué)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)用性，他就能獲得更多的資助。
勞倫斯是建造原子彈最高調(diào)的支持者，很大程度上是因?yàn)樗暦Q(chēng)幾乎可以一個(gè)人搞定。在這方面，與許多事情一樣，他信誓旦旦。結(jié)果導(dǎo)向型的萊斯利·格羅夫斯（General Leslie Groves）將軍是曼哈頓計(jì)劃負(fù)責(zé)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(xí)慣，提供了一種支持的力量。勞倫斯最終能夠產(chǎn)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(zhàn)后早期競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)。
戰(zhàn)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(xué)家“本可以致力于科學(xué)研究時(shí)卻在一些政治問(wèn)題上浪費(fèi)太多的時(shí)間和精力”。面對(duì)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(diào)地強(qiáng)調(diào)，“我是一名物理學(xué)家，我沒(méi)有將知識(shí)浪費(fèi)在物理學(xué)讓我明白的原罪中”。如果你相信他這些情緒是根植于真實(shí)的信念，那么你可能會(huì)傾向于認(rèn)為勞倫斯是疑罪從無(wú)的。但是，人們很容易冷嘲熱諷地理解這些評(píng)論，因?yàn)閯趥愃箯倪@種科學(xué)軍事化的穩(wěn)定位置受益無(wú)窮。
勞倫斯的一些政治觀點(diǎn)最終迷惑了自己。例如，他堅(jiān)定地支持反共的效忠宣誓和內(nèi)部調(diào)查，使得1950年代早期他實(shí)驗(yàn)室的許多頂級(jí)理論物理學(xué)家離去。他大力鼓吹1949年的熱核“超級(jí)”炸彈，后來(lái)也給他的帶來(lái)了名聲和信譽(yù)，他還倡導(dǎo)許多問(wèn)題重重的冷戰(zhàn)項(xiàng)目，包括所謂的“干凈炸彈”。對(duì)許多與他同時(shí)代的人來(lái)說(shuō)，他被認(rèn)為是為了取悅于那些政治靠山而不惜降低自己科學(xué)家的聲譽(yù)。勞倫斯的強(qiáng)硬派傾向是符合當(dāng)時(shí)參與卷入戰(zhàn)略防御工作的物理學(xué)家觀點(diǎn)的，只是他的政治傾向最終走得更遠(yuǎn)。他在“奧本海默事件”中扮演了關(guān)鍵性角色，一個(gè)由原子能委員會(huì)舉辦的聽(tīng)證會(huì)，最終導(dǎo)致了撤回奧本海默的安全調(diào)查。開(kāi)庭前當(dāng)審查委員會(huì)的首席律師詢問(wèn)時(shí)，勞倫斯對(duì)他以前的朋友做了詆毀性的評(píng)論，慷慨陳詞奧本海默“再也不應(yīng)該做任何與政策制定有關(guān)的事情”。由于勞倫斯聲稱(chēng)自己有疾在身，更有可能是害怕報(bào)復(fù)，他請(qǐng)求在聽(tīng)證會(huì)的最后一分鐘出來(lái)作證。
勞倫斯努力建立利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室時(shí)，是參照輻射實(shí)驗(yàn)室的模式來(lái)進(jìn)行的，即一名全能的領(lǐng)導(dǎo)帶領(lǐng)一批廉價(jià)的工人，最終這種模式失敗了。當(dāng)他的項(xiàng)目建議被一些不易受他樂(lè)觀主義態(tài)度感染的物理學(xué)家來(lái)審查時(shí)，他獲得資金資助變得越來(lái)越難了。在1950年代短暫進(jìn)軍私營(yíng)企業(yè)也以慘淡失敗而告終。勞倫斯所擅長(zhǎng)的事情是獲得超預(yù)算的一次性技術(shù)成就，而這與用技術(shù)制造利潤(rùn)可觀的消費(fèi)性電子產(chǎn)品的途徑是格格不入的。但是，沒(méi)有誰(shuí)會(huì)指責(zé)他是缺乏進(jìn)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(jià)，勞倫斯死于與壓力有關(guān)的潰瘍性結(jié)腸炎并發(fā)癥。
當(dāng)然，Hiltzik也認(rèn)為，如果僅僅從勞倫斯在物理學(xué)上的遺產(chǎn)，而不考慮他所工作的后冷戰(zhàn)環(huán)境，最終是很難評(píng)判他的。當(dāng)時(shí)各國(guó)政府都在花納稅人的巨額資金來(lái)打造各種不朽功業(yè)，而隨著軍事效益的期待越來(lái)越模糊，這種競(jìng)爭(zhēng)似乎已經(jīng)結(jié)束了。Hiltzik甚至無(wú)法確定這本書(shū)應(yīng)該屬于什么類(lèi)型：時(shí)而羞愧地進(jìn)行奉承，時(shí)而有進(jìn)行詛咒式的聲討，他承認(rèn)自己無(wú)法真正進(jìn)入勞倫斯的內(nèi)心。是什么驅(qū)使了勞倫斯的行為，對(duì)科學(xué)的獻(xiàn)身還是自負(fù)？他是一個(gè)科學(xué)英雄還是一個(gè)警世寓言？
從這則正反評(píng)價(jià)的故事中，我們可以看到，勞倫斯的巨大貢獻(xiàn)是持續(xù)地推動(dòng)大科學(xué)研究發(fā)展起來(lái)�，F(xiàn)在，我們的大科學(xué)探索應(yīng)該吸取勞倫斯的一些好想法（如跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作），摒棄他個(gè)人的一些缺點(diǎn)（如工具主義的狂熱者）和性格上的缺陷（如可以為錢(qián)做任何事）�？吹酱罂茖W(xué)是從哪里來(lái)的，我們更容易理解那些過(guò)時(shí)的假設(shè)。同樣，可以激勵(lì)我們尋找新的方法，就像勞倫斯引導(dǎo)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)革命一樣。
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