科普｜《大科学》：普利策奖得主著作，一位科学家如何改变人类科研进程？

一位科学家如何改变人类科研进程？

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精华笔记  

本书作者是普利策奖得主迈克尔•希尔齐克，他在书中讲述了科学家欧内斯特•劳伦斯的故事。劳伦斯发明了“回旋加速器”，并以这套设备为核心，构建了一种全新的“大科学”研究模式。

本次解读将分为三部分，分别是“大科学”的定义，劳伦斯如何促成“大科学”的诞生，以及“大科学”的主要贡献。

（1）什么是“大科学”？

“大科学”指那些金钱、人力投入巨大的大型科研项目。这类项目聚焦于宏大的科学目标，动用的设备昂贵且复杂，而且需要来自各个领域的专家学者协同配合工作。

以大型强子对撞机（LHC）为例，这套设备造价高达100亿美元，由全球80多个国家的学者和工程师参与构建。2012年，人类依靠LHC证明了“希格斯玻色子”的存在。此外，原子弹、登月计划、“中国天眼”射电望远镜等都是“大科学”的典型案例。

与“大科学”相比，“小科学”的研究更依靠科学家的灵感和创意。“小科学”领域的代表人物是物理学家卢瑟福，他使用一些简单的设备就论证出“原子核”的存在。20世纪之前的科研都是遵循“小科学”模式。

（2）劳伦斯如何开启“大科学”？

劳伦斯和他发明的回旋加速器，促成了科学研究从“小科学”向“大科学”的转变。

劳伦斯是一位天才物理学家，1925年取得博士学位，1928年成为加州大学伯克利分校物理系副教授，并在两年后转为正教授。

20世纪早期，物理学界的研究热点之一，就是将粒子加速到高能状态以开展实验探索。但传统的加速装置十分不稳定，经常出事故。直到1929年，劳伦斯成功设计了“回旋加速器”，克服了这一难题。

劳伦斯的设计是让粒子在多段电场中分步加速。他将加速通道做成圆弧状的轨道，并引入外加磁场来控制粒子运动轨迹。最终实现的效果就是，粒子可以反复多次地通过这种圆形装置进行加速，从而得到很高的速度和能量。依照这一设计，1931年，劳伦斯和他的学生打造了一个直径10厘米的回旋加速器，并成功将一种经过电离的氢分子进行了加速。

随后，粒子加速器的设计与研究开始飞速发展，劳伦斯的设备也越做越大。核心部件尺寸从最初的10厘米，到94厘米，再到后来的152厘米；所能得到的粒子加速能量也越来越高。1940年，劳伦斯计划打造一台467厘米直径的粒子加速器，以实现1亿电子伏特的惊人目标。通过对回旋加速器的不断完善，劳伦斯的研究团队在物理、化学、医学等领域取得了一系列突破。

以相关的科研实践为基础，劳伦斯在资金、人员和学科建设等方面都摸索出新的策略方法。首先，大型科学装置的运行往往需要大量经费，而劳伦斯擅长向各个领域赞助者展示回旋加速器的潜在贡献。1940年，劳伦斯就成功说服洛克菲勒基金会捐赠了115万美元。在人才管理方面，劳伦斯则能组织协调跨学科团队，通过引入各个领域的专家，来扩展回旋加速器的应用场景。劳伦斯也一直致力于推动整个学科的进步。对于前来寻求帮助的大学、研究所或者公司，劳伦斯都慷慨地提供帮助。每年都有很多学者不计酬劳地来到伯克利，只为跟劳伦斯团队进行合作。

凭借着天才的头脑、高超的领导能力以及对学科发展的巨大推动，劳伦斯取得了一个科学家所能达到的最高荣誉。他所摸索出的这套“大科学”研究模式，依靠大型装置和跨学科人才团队，确实极大促进了科学的进步。

（3）“大科学”的贡献

第二次世界大战期间，劳伦斯和“大科学”研究模式为原子弹制造做出了重要贡献。

1939年，二战全面爆发。同一时期，物理学界取得了核裂变等重要突破。科学家们认为相关原理可用于制造威力巨大的武器。美国总统罗斯福紧急下令，要赶在纳粹德国之前制造出基于核裂变的“超级炸弹”。这种“超级炸弹”就是后来的“原子弹”。

要制造原子弹，前提是得到足够的铀235原料。为此，美国政府同时推进多种铀元素提炼方案，其中包括劳伦斯提出的“电磁分离法”。这种方法是利用电磁场将多种铀的同位素进行分离，在原理上与粒子加速器有相通之处。而随后在回旋加速器上开展的初步试验也证明了这种思路是可行的。

随即，劳伦斯组织起了“大科学”模式，分别从人员、资金和设备三方面进行统筹协调，进行铀235的提炼。在人力方面，劳伦斯下令将他团队最好的研究员和工程师，从467厘米回旋加速器的建设上调离出来，让他们开发铀235的电磁分离装置。此外，美国各地的人才也赶来进行协助劳伦斯团队。在经费方面，实验室从其他项目中紧急划转资金来对现有机器进行改造，并且很快从军方争取到了足够的拨款。有了人和钱，劳伦斯团队很快开发出来一种名为“卡留管”分离器，可以提取铀235。这套装置的很多设计方法，都是在搭建回旋加速器中所积累下来的技术。

为了提高铀235的产量，劳伦斯还牺牲掉了正在搭建的467厘米回旋加速器，把定制的4500吨磁铁和场地贡献出来，并安排整个团队进入“三班倒”的战时模式，最终，劳伦斯的方案成果大幅优于其他竞争者。政府和军方很快对劳伦斯委以重任，让他设计大规模提炼铀元素的工厂。这座代号为“Y-12”的工厂最终为美国投放于日本广岛的原子弹生产了足够的铀235。

从设计并搭建回旋加速器，再到参与原子弹制造，劳伦斯和他探索出的“大科学”研究模式，对学术界和人类社会都做出了重要贡献。当然，“小科学”的研究方法也并没有消失。无论是“大科学”还是“小科学”，都在为人类探索未知世界发挥着力量。

书名：《大科学》

作者： 迈克尔•希尔齐克

撰稿人：圆的方块（理工科博士，科普作家）

编辑：阿柑

主播：石头

制作：匀绮工作室

监制&运营：郑之艺

总编辑：左宓