「新大科學」的興起 Physics World專欄

美國橡樹嶺國家實驗室。圖源：https://commons.wikimedia.org

撰文 | Robert P Crease

翻譯 | 張琪悅

校譯 | 楊嶺楠

「他們在那兒做與核相關的工作，可能會干擾到GPS。」從諾克斯維爾機場開往橡樹嶺國家實驗室的路上，計程車司機這樣提醒我。

橡樹嶺國家實驗室坐落于田納西州中部的坎伯蘭和大煙山之間一片鬱鬱蔥蔥的綠色地帶。二戰期間，美國正是在這裡為曼哈頓原子彈項目製造可裂變材料。司機告訴我，他只能在大門口放下我，但我讓他繼續往裡開，並保持GPS開啟。他照做了，GPS 的運轉也沒有受到影響。

憑藉聯邦政府資助的大型科學設施，「曼哈頓計劃」幫助物理學實現了一個階段性的轉變，使之從小規模的研究躍升為後來的「大科學」。事實上，「大科學」 這一術語來自橡樹嶺國家實驗室時任主任艾爾文·溫伯格（Alvin Weinberg）在1961年為《科學》雜誌撰寫的一篇文章，並從此推廣開來。溫伯格用「大科學」來描繪粒子加速器和反應堆帶來科學設施、儀器數量和預算規模不可阻擋的攀升，越來越專業的研究人員參與進來，形成了更大規模的合作。

許多物理學家開始接受 「大科學」 這個叫法，以提升高能物理學的聲望和資金支持。但溫伯格認為，物理學界作為一個整體，並非都是這樣。他指出，橡樹嶺國家實驗室和美國及其他地方的國家實驗室，具有更加不同的性質，主要專註於材料科學和凝聚態物理領域。因此，對於許多同行科學家對大科學的熱情，他不免感到惋惜。

科學的另一個階段性變化證明了溫伯格的直覺是正確的。在這個被歷史學家稱為 「新大科學」的最新階段，橡樹嶺國家實驗室和其他實驗室的大型設施開始加大對 「研究生態」 的支持，它由相對小型的儀器、實驗和合作組成。研究並沒有變得規模更大，而是變得更複雜了。

小型團隊以更加交互和網路化的方式進行互動。這種互動上的變化最早是在20世紀70年代和80年代光源研究上體現出來的，一個光束埠常常會為許多不同的研究項目服務，而一個項目則經常在幾個不同的埠進行。「新大科學」合作研究的靈活性在中子設施上的體現也很明顯，比如前文提到的橡樹嶺國家實驗室。

橡樹嶺科研人員托德·圖普斯（Tod Toops）(左)、查爾斯·芬尼 (Charles Finney) 和梅勒妮·德布斯克 (Melanie Debusk) 使用中子來改進收集汽車尾氣的過濾器。Courtesy: ORNL/Genevieve Martin

散裂與合作

我曾拜訪過田納西州參觀正在運作中的新大科學——散裂中子源（SNS），這是「曼哈頓計劃」以來在橡樹嶺建造的最大設施。1999年，這一耗資14億美元的項目破土動工，2006年開始運轉。參觀時，儀器科學家布萊恩·查庫馬科斯（Bryan Chakoumakos）向我解釋了SNS的線性加速器如何運行高達1個 GeV（十億電子伏特）的質子脈衝，用質子去轟擊目標汞，隨後汞會分裂或者說 「散裂」 成許多小碎片。

散裂過程中產生了中子的噴射，這些中子沿著環繞目標的儀器管道擴散，場景就像從半個餡餅切成數塊後形成的間隙里擴散一樣。散裂中子源有18根電子束管，每邊各9根，有時每個電子束管上不止一個儀器。這些儀器由不同種類的衍射儀和光譜儀組成，被放置在距離目標十幾米或更遠的地方，這是因為解析度隨著距離的增加而增加，二是為了保護使用者免受輻射危害。

查庫馬科斯告訴我，散裂源為中子研究提供了更廣的研究範圍和更高的靈活性，不僅對凝聚態物理有價值，對化學、生物學和工程學也有裨益。工業界的參與也在持續增長。汽車企業將電池甚至整個發動機部件插入散裂中子源的中子束，而航空和工程公司則用它們來研究新型合金。

散裂中子源的工業用戶範圍不但涵蓋那些擁有對該機器及其工作原理富有經驗的研究人員的大公司，而且也包括那些需要散裂中子源員工提供 「接待服務」 的小公司，幫助他們安裝、使用該儀器並解讀使用結果。這種新式的工業參與，即在大型設施上實行的以應用為目的的小規模研究，是新大科學的一個標誌。

另一個標誌是散裂中子源等設施所運行的研究與其他光源研究之間日益增強的互動。促成這種跨學科合作的誘因之一是中子對材料磁性結構的研究能力。另一個原因是中子可以很容易地對氫和其他輕元素進行定位，比如在蛋白質中進行定位，這用X射線是很難甚至於不可能實現的。

「大部分粉末衍射儀的使用者會同時收集X射線和中子源的數據。」橡樹嶺國家實驗室副主任保羅·蘭甘（Paul Langan）說。長波冷中子的使用已經使中子研究擴展到化學和生物學等領域。

思 考

在新大科學中，研究的規模未必越來越大，它也變得更加靈活和交互。更多的機構間的互動藉助設施建立起來，就散裂中子源而言，另有五個實驗室正在建設它不同的主體部分。諸如此類的合作在美國國家實驗室之間在一直增加著，而且合作的規模已遠超散裂中子源建立之初的景況。此外，小型研究組，不乏工業參與者，都在蓬勃發展著，而這些也並不需要更高的專業化程度。

新大科學的另一個關鍵體現，是中子研究人員與光源研究中使用X射線儀器的研究人員之間越來越多的合作，比如位於阿貢的先進光子源和布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源。這些互動讓我們看到了運用用戶設施的材料科學家研究方式上的巨大轉變，反過來它也給科學家、科學教育者、管理者以及那些將知識和所生成信息進行加工合成的人們帶來了新的挑戰。

作者簡介：

羅伯特·克里斯（Robert P Crease），美國石溪大學哲學系主任。他的最新著作是《研討與世界：十個思想家帶給我們關於科學與權威的教導》。

原文鏈接：https://physicsworld.com/a/the-rise-and-rise-of-new-big-science/

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