哲学园_苏联和美国在粒子物理领域的交流、合作与竞争

由 乔笑斐 路昊明 发表于2022-10-01 00:00:35

由于意识形态等原因,美苏两国在冷战期间的科学交流几乎中断,奥本海默等人更是成为了麦卡锡主义的牺牲品。然而,在与军事技术和产业应用相对远离的粒子物理领域,两国的关系却体现出了一种张弛有度的良性互动——以和平交流为主,合作与竞争共存。本文旨在回顾和梳理美苏两国在粒子物理领域的互动过程,并简要分析其成因、结果与影响。


一、竞争与对抗


1949年12月,苏联首台大型同步回旋加速器建造完成,运行能量达到480MeV,一举成为全球能量最高的加速器,并在后来升级至680MeV。而美国则在1948年4月批准了布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,简称BNL)的大型质子同步加速器建造方案,即于1953年投入运行的Cosmotron加速器,创造了3.3GeV的能量新高。不久,美国伯克利实验室(Lawrence Berkeley National
Laboratory,简称LBNL或LBL)的Bevatron加速器也于1954年建成,并成功地将加速器能量上限提升至6.2GeV。1957年3月,全球首台10GeV质子同步加速器在苏联建成。虽然苏联的粒子物理学起步相对较晚,但在50年代时已经跃居国际前列。

美苏在粒子物理领域的竞争是冷战对抗的蔓延。时任苏联科学院院长亚历山大·涅斯梅亚诺夫(Alexander Nesmeyanov)在被问及为何苏联如此努力地推动加速器的建造时,他回答说:“我们应该归功于美国人”。在1956年5月的全苏高能粒子物理会议上,苏联报告了50GeV强聚焦质子环形加速器的建造计划,苏联之所以会提出如此“大胆”的加速器建造计划,原因之一在于其具有“集中力量办大事”的制度优势,苏联加速器的建造周期通常短于美国的同能级设施,但更深层的原因在于加速器“竞赛”已经逐渐成为冷战对抗的一部分,苏联有信心在粒子物理领域超越美国。

接下来的几十年间,全球能量最高的加速器多次在苏联和美国之间更迭,这场竞赛一直持续到了冷战后期。1950年至1975年的25年时间里,美国的交变梯度同步加速器(AGS)和苏联的U-70是保持全球最高能量记录最久的两台大型加速器,分别达到了70个月和53个月之久(图1)。冷战后期的1975年至1990年间,则是由美国的万亿电子伏加速器和西欧的超级质子同步加速器保持。苏联和美国对粒子物理领域的积极参与促成了粒子物理学的快速发展,拓宽了人类在微观领域的知识边界。

图1 1950 年至1975 年美苏拥有全球能量最高加速器的时长占比(单位:月)
二、交流与合作


1946 年, 美籍希腊裔物理学家尼古拉斯·克里斯托菲洛斯(Nichholas
Christofilos)独立地提出了同步加速器的构想,当他得知这项工作已经由维克斯列尔和麦克米伦完成后,便转向了同步加速器的改进工作。当时同步加速器主要的问题在于轨道磁场的横向聚焦能力弱,其真空室和磁体截面的尺寸较大,因此大型同步加速器的成本很高,改进的方法是通过在粒子运动的环形轨道上交替放置聚焦磁体和散焦磁体,使粒子在轴向和径向都受到聚焦作用,就能够以较小的磁体达到更高的能量。此方案在1952 年由任职于布鲁克海文国家实验室的美国物理学家欧内斯特·库兰特(Ernest
Courant)、斯坦利·利文斯顿(Stanley Livingston)、哈特兰·斯奈德(Hartland Snyder)和约翰·布莱维特(John Blewett)再次独立提出,被称作“强聚焦原理”或“交变梯度聚焦原理”。

库兰特等人的论文于1952 年发表后,很快受到了苏联物理学家科佐达耶夫和泰普金的关注。1961 年,苏联的首台交变梯度加速器U-7 投入运行,强聚焦原理的正确性得到了验证。随后,预期能量70GeV的U- 70 加速器进入设计阶段,这台苏联最大的加速器正是通过应用美国科学家提出的理论而实现的。

由此可见,美苏之间基于科学文献的交流并没有在冷战时期中断,期刊和出版物依然是重要的交流媒介。

总体而言,双方的合作是互利互惠的。美苏能够在冷战时期保持合作的主要原因有:

第一,美苏关系相对缓和。美苏在粒子物理领域的人员互访和项目合作分别始于50 年代中期和70 年代初期,这显然是受政治环境影响的结果。冷战时期的美苏关系在50 年代中期首次实现缓和,赫鲁晓夫访美是冷战以来美苏两国首脑的首次单独会晤,相对宽松的政治环境使粒子物理领域的人员互访成为可能。70 年代初期尼克松访苏,双方签署《苏美关于限制反弹道导弹系统条约》等文件,将美苏缓和推向了一个新的高潮,更进一步的实验项目合作和苏联科学家长期留美得以实现。而在冷战对抗最为激烈的60 年代,美苏在粒子物理领域的关系则以竞争为主,“国家威望”成为了多个大型加速器项目被支持的重要理由。

第二,美苏在粒子物理领域实力相当。尽管美国的回旋加速器在30 年代颇为领先,但随
着美苏分别独立提出自动稳相原理并转入同步加速器建造,双方实力在50 年代已经接近同一水平。至70 年代初期,苏联在一些技术上甚至更胜一筹。除了与美国合作以外,苏联也与欧洲核子研究组织保持着紧密的合作关系,实力相近是平等合作的前提之一。

第三,粒子物理学的纯科学属性。与其他科学领域相比,粒子物理学在客观上较为远离军事技术和工业生产,是基础研究的典型代表。虽然粒子物理学脱胎于核物理学,但亚原子领域的研究往往无法对人类的日常生活产生直接影响,许多粒子永远不可能有实际用处,其主要目的是为了探究物质世界的奥秘、获取关于自然的知识。也正因如此,即使是在冷战时期,美苏依然能够在粒子物理领域留有一定的合作空间。

第四,国际合作是大科学时代的整体特征。基于大型加速器的粒子物理实验室构成了开放的国际交流平台,其能够汇聚来自不同国家和机构的研究者。美苏在粒子物理领域的合作是两国大科学合作的开端,这种合作关系也一直延续至今。


三、分析与反思


与欧美大型加速器相比,苏联加速器尽管在能量方面多次位居全球首位,但就成果的数量和质量而言却相形见绌。这其中的原因是复杂的,同时也是具有启发意义的。

首先,苏联加速器与实验设备具有明显的自身局限性。虽然苏联的多台加速器都刷新了全球加速器能量记录,但却似乎只有名义上的优势,其实用性甚至不如欧美一些能量较低的加速器。苏联在独占全球能量最高加速器的数年间,其成果却相当有限,许多重大发现最终都是由近似或更高能量的欧美加速器完成的。粒子探测器、大型计算机等实验设备的落后是造成这一结果的首要原因。苏联高能物理研究所等苏联实验室并没有像欧洲核子研究组织一样吸引来自全球各国的科学家和工程师进行长期研究,其对人才的汇聚能力相当有限。

其次,与欧美相比,苏联在粒子物理领域仍然缺乏良好的合作体系。其具体表现在以下三个方面:

第一,国际合作仍然受限。虽然苏联在冷战时期能够与美国保持在粒子物理领域的合作,但这种合作大多是具有官方色彩的正式合作,而科学家之间的非正式合作仍然障碍重重。苏联科学家无法像西欧和美国科学家之间那样通过书信、电话、传真等方式保持密切联系,也无法立即获得未公开出版的研究资料,出国拜访更是难上加难。在这种情况下,苏联研究人员有时无法立即获悉美国的一些前沿成果,相关的实验也具有滞后性。

第二, 未建立产业合作体系。一方面,工业企业能够获得相应利润,同时满足加速器实验室的精密仪器、电子设备等需求。另一方面,加速器实验室可以协助企业实现低温超导、工业控制等技术转移,形成了一种以市场为导向的产业合作体系。而在苏联,由于加速器相关设备的特殊性,多数产品难以批量销售且利润相对较低,企业与实验室之间的关系较为疏远。

第三,内部合作效率较低。即使在社会主义阵营内部,科学研究领域的信息、资源与设备的共享依然存在严重问题,合作效率整体而言是较为低下的。一方面,苏联的加盟共和国和其他社会主义国家之间存在着复杂的政治关系,许多合作只能较为私密地在部分实验室之间展开,难以实现信息的全面共享。另一方面,苏联的区域经济发展不平衡问题也导致了莫斯科以外地区的多数实验室硬件设施较差,原本几个小时就能完成的数据处理总是要延长至几天甚至几周。内部合作不畅也导致了一定程度上的人才浪费。

最后,不恰当的科学决策与科学管理严重影响了苏联粒子物理学的发展。苏联研究者往往需要为国家做出承诺,例如保证在下一次十月革命纪念活动开始前发现一个新的基本粒子或完成其他重要成果,这显然是与科学精神背道而驰的。相比之下,美国的众多加速器实验室之间的竞争有力地推动了美国粒子物理学的发展,这种良性竞争机制始终未在苏联形成。
结语
回顾苏联在冷战时期的加速器建造史,许多问题是值得研究的,例如:为什么粒子物理学能够成为冷战时期美苏交流的窗口?为什么苏联的大型粒子加速器没有得到有效地利用?本文对以上问题进行了初步探讨,并尝试性地总结了一些经验教训。

首先,苏联加速器在仪器设备的制造方面具有严重的滞后性和依赖性,科学目标的不明确和对高能量的片面追求也使得加速器实用性普遍较差。因此,在建造大型科学设施之前,应当对基础设备进行必要的预先研究。

其次,苏联加速器在设计细节方面缺乏创新性和开拓性,既不利于长期的前沿研究,对国际人才的吸引力也大打折扣。因此,大型加速器的建造必须立足长远,应当具备持续研究的能力和更新换代的可能性。

最后,国际合作是前沿科学研究的重要方式,和平与发展仍是当今时代的主题。始于50年代中期的美苏科学交流在1960 年的U-2 击坠事件后出现裂痕,肯尼迪强硬的对苏政策使得1961 年至1962 年的科学交流陷入全面中断,尽管粒子物理领域的交流在1963 年得以短暂恢复,但很快又在约翰逊的越战扩大化政策下成为泡影,这种情况直到美苏关系再次缓和才得到改善,复杂多变的国际形势使得冷战时期的合作充满曲折。


END

本文选自《自然辩证法通讯》2022年第44卷第10期

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作者:乔笑斐 路昊明

公众号:哲学园

发布时间:2022-10-01 00:00:35

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