《大科学》:普利策奖得主的著作一位科学家如何改变人类科研进程


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《大科学》:普利策奖得主的著作一位科学家如何改变人类科研进程


这本书的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 。

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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 。

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(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 。

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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 。

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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” 。

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