未来科学论坛_与奥本海默齐名,由他开创的“大科学”时代,至今为何仍争议不断?

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由 湘科君 发表于2022-06-23 18:39:25

来源:湖南科学技术出版社,ID:hunankeji


这几年,每每回望70多年前的那段历史,大家都会对其中暗含的相似性惊讶不已。


就拿欧洲最近的局势来说,被频繁提及的“战争”和“核威胁”,很自然就会让我们联想到二战以及原子弹研制竞赛背后那段波澜壮阔的科学史


然后就是去年频繁登上国际头条的热词——“基础科学”:


除了我们说的“卡脖子”,美国还高票通过了《无尽前沿法案》,呼应的正是“曼哈顿计划”的领导者、“研究沙皇”范内瓦·布什在1945年提出的让美国保持了70多年科技优势的里程碑文件《科学:无尽的前沿》


二战至今,科技,一直都是国家间展开竞争的制高点。《求是》杂志去年发表的题为《努力成为世界主要科学中心和创新高地》的文章就指出:

科学技术从来没有没有像今天这样深刻影响着国家前途命运和人民生活福祉,中国要要强盛、要复兴,就一定要大力发展科学技术……

我们该采取怎样的模式推动科技进步?回答类似问题,我们总会从那个曾经逆势翻盘的成功案例——二战前后的美国身上寻求答案,今天的故事也不例外。

只不过,和主流历史宏大的叙事不同,我们的主角不是威名显赫的奥本海默或洛斯阿拉莫斯国家实验室,也不是上面提到过的大名鼎鼎的“布什范式”,而是一位对于大部分中国读者来说十分陌生的“实干家”:


欧内斯特·奥兰多·劳伦斯
Ernest Orlando Lawrence

欧内斯特·劳伦斯有多厉害?这么说吧:

是他,发明了回旋加速器,现今的大型强子对撞机是其直接产物,并因此获得1939年诺贝尔物理学奖。

是他,主导分离出原子弹最为关键的原料——铀-235和钚,从而将“曼哈顿计划”挽救了回来,决定了世界历史的走向。

二战后,还是他,推动发展了氢弹计划……

第103号元素lawrencium(劳伦斯,中文译作铹),两座美国顶级国家实验室:劳伦斯伯克利国家实验室劳伦斯利弗莫尔国家实验室,都以他命名。

他被认为是美国本土培养的最牛的物理学家美国“军工复合体”神话的缔造者

但除却这些,我们今天重新认识欧内斯特·劳伦斯或许还有一重更加现实且迫切的原因——是他,开创了我们现今所处的跨学科、天量资金投入的“大科学”时代,从而重塑了国家间科技竞争的游戏规则。

今天,要为你推荐的就是一本将此中细节和原委一一揭秘的新书——《大科学:欧内斯特·劳伦斯和他开创的军工产业》,作者迈克尔·希尔齐克也很厉害,是普利策奖得主。


中国该不该耗费大几千亿建粒子加速器、开展宇宙探索等项目?科学研究范式的改革对科学家和基础科学突破有何作用?……

面对种种当下激烈争论的问题,这本历史传记给出了答案。



大科学前夜:从财政危机到知识危机
那些几近绝望的欧洲科学大神们


对于今天故事开幕之前的时代背景,华为公司创始人任正非先生曾有过一段精彩的点评,他说:


我们今天的科研状况很像二战前的美国,二战前50年间,尽管美国产业已经领先全球,但在科研上不重视基础研究,大量依赖欧洲的灯塔照耀。


第五次索尔维会议


不过,彼时的欧洲学界虽然大神云集,但隐忧也渐渐浮现。


从伽利略、牛顿到爱因斯坦,科学家数百年间凭借着自己的头脑和笔头,顶多配合一些简单仪器就能在书斋里捣腾出重大发现的“小科学”古典传统已经严重落伍了


就拿爱因斯坦来说,虽然仅仅靠着自己的笔头和极少数朋友的帮助,广义相对论得以在1915年正式发表,但是这个理论是否管用,却需要验证。


为此,从1914年到1922年,德国天文学家欧文·芬莱-弗伦德里希、英国天文学家阿瑟·爱丁顿、美国天文学家威廉·华莱士·坎贝尔等人先后5次组织科学考察队,携带珍贵仪器,奔赴俄罗斯、非洲、巴西、澳大利亚等地进行观测。


1919年,人们观测到了爱因斯坦在广义相对论中预测的太阳附近的光线弯曲现象。


而补全爱因斯坦广义相对论预言最后一块缺失拼图的“引力波”,更是迟至2016年才被美国科学家探测证实,其所依赖实验装置——激光干涉引力波天文台(LIGO)累计投资超过11亿美元,且资金至今仍在不断追加中。


如此巨大的投入已经远超爱因斯坦个人所能承受的极限。


而真正将整个科学界的推入一场知识危机的,是1908年诺贝尔化学奖获得者、法拉第之后最伟大的实验物理学家、原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福


欧内斯特·卢瑟福


卢瑟福发现了原子的第一次人工分裂,从而在“波粒二象性”之后,为物理学家已然严重混乱的大脑带来的了第二个巨大难题:核结构


卢瑟福将原子描述成一个微型太阳系并且认为它们在整体上呈现中性


这个模型的诱人的简单性使得它成为广为接受的真理。但问题很快就变得明显,这个模型产生的问题比它解决的问题还要多,而且越重的原子问题越大



随着探索的进行事情变得越发明显:要解开核结构的神秘性所需的探针的高能量已超出大自然提供的范围


然而,天然的镭发射的α粒子的能量接近7.6百万电子伏,而卢瑟福现在科学家所需要的


是这样一种设备,它能提供10百万伏特量级的电压,可以安全地置于一个相当大的房间内,由几个千瓦功率的电源驱动……


但产生所要求的电压仅仅是问题的一部分,难题是如何操纵它对原子核实施攻击

科学家在试图获得所需能量的过程中常常遭遇到设备被炸成碎片的沮丧局面


在物理学撞上原子核的这面大墙之际,欧内斯特·劳伦斯如命中注定一般开始了他的职业生涯。


大科学的开启:欧内斯特·劳伦斯

带着回旋加速器来了!


早在研究生时期,劳伦斯在实验上早熟的天性和他做事十分投入的性格引起了学界和业界猎头们的注意

1928年3月12日,劳伦斯终于接受了伯克利的邀约,职业高光时刻也随即开启。


1929年春,欧内斯特·劳伦斯是从一本不起眼的德国技术类杂志看到了一篇挪威物理学家罗尔夫·维德勒用德文写下的文章,压根不懂德语的劳伦斯仅凭图标和照片,立刻就领会了论文的重大意义

维德勒的“一般方法”是让离子通过一系列加载有电位差的间隙来不断地给离子施加一个作用力,使它们沿直线加速。


这种由多个小脉冲对粒子的逐步加速马上使他意识到,这似乎解决了如何在不用高电压的情形下产生卢瑟福所要求的的高能粒子的问题

放下文章,他很快画出了一幅将质子加速到1百万伏的直线加速器草图,而要实现这一能量还需要一个长到实验室根本无法容得下的直管。“那将离子路径改成圆形轨道,让它们不断重复通过单个电间隙会怎样?”劳伦斯想。



紧接着,下一个天才的合作者也闪亮登场:米尔顿·斯坦利·利文斯顿签约拜入劳伦斯门下。

按照导师的理论设计,他用一个黄铜打造了一个直径10厘米的扁筒状真空室,真空室内部的一半由形如字母D的半圆形中空电极占据。

斯坦利·利文斯顿制作的10厘米回旋加速器。

利文斯顿用较大的磁铁得到的测量结果表明,他已经让离子在真空室内转了41圈,即取得了82次谐振,能量被提高到80000伏。

这说明,劳伦斯的幻想即将变成现实,为了购买更强大的、能使质子超越百万伏阈值的电磁铁,从这时开始,劳伦斯开始为钱疯狂奔走

到新的加速器于1931年准备开始运行的时候,大学标称的预算平衡已经膨胀至12000美元,这在当时全球的大学实验室来说都已经算是一个创纪录的天文数字

欧内斯特·劳伦斯的能力不仅仅表现为从他精心设局的赞助人那里弄来现金,他还忽悠伯克利的校长,给了他校园里一栋两层的木结构小楼。

劳伦斯将这座楼命名为“辐射实验室”,由此开始了新的科研范式

1931年,伯克利大学校长罗伯特·斯普劳尔给了劳伦斯一座将要拆除的木板搭条建的校园建筑,

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,根据1939年的计算辐射实验室已经发现了全球回旋加速器所发现的全部同位素的一多半,其中就有我们现在熟知的,用于考古断代的“碳-14”。


美国基础科学研究也开始了弯道超车之路,大科学已明显展示出它的价值

辐射实验室的工作人员和同事坐在152厘米加速器的磁铁轭的底边上。

1939年11月9日,欧内斯特·劳伦斯因此获得了诺贝尔物理学奖


大科学的黄金时代:
欧内斯特·劳伦斯、二战与核武竞赛

获得诺贝尔奖还只算一个小高潮,真正将“大科学”和欧内斯特·劳伦斯的职业生涯双双推进黄金时代的,是二战


1940年,伯克利研究184英寸回旋加速器会议,左一为欧内斯特。


我们现今知道的主流叙事是,1939年8月,莱奥·西拉德与阿尔伯特·爱因斯坦共同起草的那封著名的给罗斯福总统的信,开启了美国原子弹的研制计划。


不过,另外一部被分隐藏在历史之下的真相却是,从1939年到1941年,这项计划几乎飘在空中,谁都不知道原子弹究竟该怎么造。


期间的1940年,美国战时“科研沙皇”范内瓦·布什甚至一度想将这项计划彻底报废


此时,两项有分量的技术依据出来了。


第一个来自于劳伦斯:伯克利辐射实验室的格伦·西伯格发现并提纯了少量新的放射性元素——94号元素“钚”。劳伦斯宣称在钚的链式反应中,“能量是以爆炸性的速度释放出来的,这可以描述为‘超级炸弹’”


第二份技术依据,来自于英国原子弹研究机构莫德委员会,1941年7月15日他们得出了一个完全不同于布什的结论:第一批炸弹可在1943年年底生产出来,“可能导致战争的决定性结果”


英国立马派出了澳大利亚物理学家马克·奥利芬特直接找欧内斯特·劳伦斯面谈,劳伦斯意识到了问题的紧迫性


1941年9月22日,原子时代的一次关键性会面。澳大利亚物理学家马克·奥利芬特(左)与劳伦斯。


随后,1941925日,芝加哥欧内斯特·劳伦斯要求与罗斯福政府科学顾问、哈佛大学校长詹姆斯·科南特,以及负责评估原子能军事用途的蓝带委员会负责人亚瑟·霍利·康普顿举行紧急会晤。


从此之后,美国的原子弹研制计划才算真正起步


1942年6月,范内瓦·布什批准买下距田纳西州诺克斯维尔40千米远的一块21000多公顷的土地,由莱斯利·格罗夫斯上校掌管,曼哈顿计划正式诞生


劳伦斯设计出一种大规模运用卡留管的工厂化生产模式 ,正是这种工艺配置生产出了摧毁广岛的炸弹燃料

橡树岭实验室用于大规模地将可裂变的铀-235与天然铀分离开来的技术手段“阿尔法赛道”。

战后,劳伦斯的实验室对扩张和资金的期望迅速膨胀


1946年及其以后,辐射实验室的预算攀升到每年超过200万美元

1946年3月,在伯克利大学校长罗伯特·斯普劳尔(右)的见证下,

格罗夫斯将军向劳伦斯颁发了功勋勋章。


劳伦斯由此驾驭着美国科学研究模式的转变,其深刻程度丝毫不亚于纯粹由科学发现所激发的转变:和平时期政府赞助的推进

劳伦斯还帮忙播下了产业界参与研究的种子。对于生物研究机构,他利用加速器生产了大量的人工放射性同位素,用以了解光合作用的复杂性和杀死癌细胞的效果。他还让能源企业到了原子核作为发电机的美好前景……


而作为大科学的核心,辐射实验室已重新命名为劳伦斯·伯克利国家实验室,已培养出了13位诺贝尔奖获得者、70位美国国家科学院院士……

欧内斯特·劳伦斯在伯克利辐射实验室。

1952年,欧内斯特·劳伦斯还与氢弹之父爱德华·特勒一起创办了利弗莫尔实验室,如今已经重新命名为劳伦斯·利弗莫尔国家实验室,在冷战末期的国际军备竞赛中发挥着举足轻重的作用。


大科学的成功给科学家带来了巨大的荣耀,但随着大科学项目变得越来越大,科学家们开始变得举步维艰:


原子弹赢得了战争,但代价是核的阴云永远笼罩在人类的头顶。人类漫步月球,但在壮观的瞬间过后,公众对太空探索的兴趣却迅速消退。


所有这些巨大的花费——图什么?



1990年代,作为劳伦斯加速器的后代,预算60亿美元的超导超级对撞机(SSC)被取消,全球高能物理的重心转移到欧洲大型强子对撞机(LHC)上,2013年,这台世界最强大加速器在雇佣了数千名物理学家后,终于发现了希格斯粒子。

但问题似乎又回到了卢瑟福时代的“怪圈”——这一发现只是为研究关于自然界基本粒子和基本相互作用力的更多的问题指明了方向,而这些问题可能需要建造束流更强、能量更高的机器来回答。

在一个没有战争驱动的和平年代里,“大科学”一词的提出者,阿尔文·温伯格指出,如果建立大科学所需的大规模支出吸干了稀缺的资源,并将科学家从探索与人类生存条件更密切相关的领域引开的话,那么:

我认为,大多数美国人宁愿选择一个优先考虑如何治愈癌症的项目,而不是把第一个宇航员送上火星。


直到今天,关于大科学的争论,仍在继续……

《大科学》
【美】迈克尔?希尔齐克



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作者:湘科君

公众号:未来科学论坛

发布时间:2022-06-23 18:39:25

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