引言：創造與毀滅

2012年7月4日，兩個國際科學團隊共同宣布，借助于地球上最復雜的研究機器——大型強子對撞機（LHC）——他們發現了被稱為“希格斯玻色子”的基本粒子。近半個世紀以來，或者說自從它的存在于1964年被提出以來，希格斯玻色子一直是物理學家重點尋找的目標。當時人們是將它作為賦予宇宙中物質質量的一種場的載體提出的，現在人們終于在對撞機上找到了它。

作為LHC的建設者和所有者，位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（CERN）總部為此舉行了計劃中的新聞發布會。這一消息吸引了來自世界各地的觀眾和物理學界高層的目光。彼得·希格斯（Peter Higgs）彼時已是83歲高齡的老人，這位曾預言存在這種以他的名字命名的粒子的英國物理學家，像其他貴賓一樣，應邀出現在CERN演講大廳的屏幕前。屏幕上播放著顯示實驗數據的幻燈片，這些數據出自LHC實驗中高能質子束之間幾乎難以想象的猛烈碰撞。LHC實驗希望通過這種對心碰撞能讓希格斯玻色子在瞬間爆發的能量聚集中顯露原形。數據讓在座的嘉賓明白，在一個令人信服的概率范圍內，實驗者發現了希格斯玻色子。當演講結束時，全場起立，為研究團隊鼓掌，并向將他們帶向勝利的不可思議的裝置表達崇敬之情。

LHC的一切都是大的。它的建造，從概念到第一束質子的產生，就花去了25年時間和100億美元。這臺機器位于風光絢麗的法國和瑞士邊境的90米深的地下。裝置的混凝土隧道的周長達27千米。隧道內裝有9600個磁體部件，每個部件都被冷卻到接近絕對零度的低溫下，以便能引導質子以接近99.99%的光速做對心碰撞。

對撞機以及2012年夏天宣布的這一發現，成為對大科學的最好詮釋。大科學研究是一種由我們這個時代的重大科學項目驅動的工業規模的研究模式——原子彈、登月競賽、派遣機器人作太陽系外的深空研究、微觀尺度上的亞原子粒子的性質研究，等等，無不如此。當今時代，大科學主導著學術界、工業界和政府的研究方向。它解決大問題，因此需要巨大的資源，包括由成百上千的職業科學家和技術專家來操控的設備。其項目資金往往是一所大學，甚至一個國家難以承擔的。CERN的對撞機不僅得到了來自21個成員國的財政和技術支持，還得到了其他60多個國家和國際機構的支持。從這些數據可看出當今大科學的規模。正如物理學家羅伯特·威爾遜（Robert R.Wilson）所闡述的那樣，這種規模的研究不是哪個獨立機構能夠單獨實現的：“獨自從事核科學研究就如同獨自登月一樣，幾乎是不可能的。”

然而，大科學創立本身曾是一種孤獨的努力。這種探索自然奧秘的新方法可以追溯到90年前的加州伯克利。當時一位極富魅力和機智的年輕科學家不僅物理秉賦出眾，而且在推動一項新發明方面獨具天才。他甚至宣稱：“我就要出名了！”

他的名字叫歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯。他的發明在核物理學界掀起了一場革命，然而這還僅僅是其影響的開始。這項發明改變了科學運行的基本模式，許多方面直到今天依然十分重要。它重塑了我們對大自然的基本構造的理解。它為贏得第二次世界大戰提供了幫助。這就是勞倫斯所稱的回旋加速器。

大型強子對撞機是勞倫斯的發明的直接產物，雖然今天很少有人能認清這個家族的相似性。勞倫斯親手建造的第一臺回旋加速器成本不到100美元，而大型強子對撞機則包括了幾種先進的回旋加速器和同步回旋輻射加速器，以及用來驅動亞原子粒子到極高速度的其他先進加速器。所有這些后代均源自最初的設計原理。勞倫斯在伯克利的輻射實驗室在鼎盛時期雇用了60位科學家和十幾名技術人員。與其學術前輩比起來，這種團隊規模似乎更像一支軍隊。例如劍橋大學傳奇的卡文迪什實驗室的歐內斯特·盧瑟福爵士，當年帶著兩個助手，采用手工工具（其中一些便于他在工作臺上操作），就在20世紀的前十年里做出了驚天動地的發現。但在公布發現希格斯玻色子的兩個研究團隊看來，即便是勞倫斯當年的團隊也顯得微不足道。今天的團隊每個都有三千名成員。

勞倫斯作為大科學工程的締造者的地位得到了他的同齡人的廣泛承認，但如今這種地位則在很大程度上被忽視了。這有幾個原因值得再探討。一是驅使他做此研究的本性和雄心，以及他極具個性的管理風格，使大科學染上了持久的個體特征，但還遠不止這些。他的事跡是一段令人嘆服的科學探索傳奇。在此過程中，他不僅在物理學領域做出了前所未有的發現，而且也被置身于科學、政治和國際事務的風口浪尖。

從20世紀30年代末以來，國家層面的科學政策幾乎不存在問題，而在歐內斯特·勞倫斯看來，這種政策卻不是他要追求的。作為當時世界上最強大的粒子加速器的發明者和最大的國家級實驗室的領導者，他的影響力隨著第二次世界大戰的到來而迅速擴張。為了支持盟軍建造原子彈，他押上了個人承諾，從而將這一項目在幾乎肯定要被取締的歷史關頭挽救了回來。戰爭結束后，正是他的威望和影響力，推動了發展氫彈計劃的實施。我們今天生活的這個世界，正不安地處在熱核武器這柄達摩克利斯劍的威脅之下。不管是從好壞哪方面看，這些肯定都是歐內斯特·勞倫斯留給現代文明的遺產。

1929年的一天，勞倫斯通過頭腦風暴法意識到，他想出了一種極為有效的加速亞原子粒子的新方法。他的目標是用它們作探針去發現原子核的結構，就像人們拿著螺絲刀去搗鼓一臺無線電電子設備。原子核是一種由質子和中子組成的帶電內核，它占有原子的大部分質量。他的回旋加速器從概念上說很簡單，它能解決如何使亞原子粒子——特別是質子（即氫原子的核）——獲得能量的難題，使它們可以穿透原子核的電場。全世界的科學家和工程師都在設法攻克這個難題。勞倫斯解決了它。

當時的物理學正經歷一個艱難的轉型期。小科學時代的天才，像盧瑟福、伊蓮娜和弗里德里克·約里奧-居里夫婦（瑪麗·居里的女兒和女婿），都曾將自然賦予他們的簡陋工具運用到極限。憑借著手工器具，盧瑟福發現了原子核，并且憑直覺預言了中子的存在。后來，他的副手詹姆斯·查德威克，在另一項小規模的實驗中發現了這種粒子。約里奧-居里夫婦在他們自己的實驗室里繼續瑪麗·居里的事業——探索放射性的奧秘，學習如何通過放射性照射使一種元素轉變成另一種元素。這兩個實驗室依托的都是天然放射性物質（如鐳和釙）所產生的看不見的亞原子粒子作為探針。

他們的成就是輝煌的，但他們無法逃避這樣一個現實：要對核結構作進一步研究，就需要有比放射性物質隨意發出的射線脈沖速度更快、能量更高、準直性更好的子彈。換句話說，物理學家需要的是人造射線彈。聚焦高能粒子束并讓它們打到靶上，不僅需要實驗室的臺面設備，而且需要大到幾乎無法安裝在室內的大機器。盧瑟福和約里奧-居里夫婦知道，他們是手工操作科學時代最后的杰出領導人，他們很快就不得不讓位給新的一代。

老傳統下的這些物理學家懷著敬畏的心情注視著帶給他們的科學領域的新變化。正如毛瑞斯·戈爾德哈伯（Maurice Goldhaber）——其輝煌的職業生涯跨越小科學的鼎盛期和大科學的成長期——在回憶這段過渡期時說的那樣：“第一個瓦解原子核的是歐內斯特·盧瑟福，有一張照片反映的就是他抱著放在他膝頭上的裝置。這時我總想起另一張照片：建在伯克利的一臺著名的回旋加速器，所有人都圍坐在它周圍。坦率地講，這種對比會給你一個一切都變了的印象。”

戈爾德哈伯并沒有夸張。他提到的回旋加速器是一臺建于1938年、有自己的專設大樓的龐然大物。這臺機器的巨型電磁鐵就重達220噸，高達3.4米。戈爾德哈伯提到的照片記錄確實是勞倫斯實驗室的全體工作人員——27個成年人——站在或坐在馬蹄形磁鐵的周圍（圖1）。

歐內斯特·勞倫斯的性格與他帶來的新時代之間有著十分完美的匹配。他的科學風格屬于那種在沉靜的學術研究世界里很少見的類型。他善于同百萬富翁、慈善基金會和政府機構打交道。他那種和藹可親的中西部人的個性如同其科學天分一樣重要，都是他成功的關鍵。科學天分加上他對工程的直覺，使他對物理學有一種本能的把握。他宅心仁厚，很少發脾氣，從不出言不遜。（“哦，sugar！”是他最嚴厲的咒罵了。）他籌集大筆資金往往依靠的是積極宣傳，記者們也總是樂于幫忙傳遞信息。記者筆下的人物不僅具有吸引人的個性特征，而且富有科學探索精神，而歐內斯特正好兼備這兩方面要求。在他30多歲時，他已經是美國本土出生的最著名的科學家，這一點可由他的照片榮登1937年11月的《時代》雜志封面來佐證。“他創造但也破壞。”不久之后，1939年，他便獲得了活著的科學家的最高榮譽：諾貝爾獎。

勞倫斯顛覆了人們心目中的科學家的刻板印象，好像他們總是在一所遠離塵囂的實驗室（典型的哥特式建筑）里，以狂熱、神秘的激情埋頭于孤獨的工作，他們的創作設計常常讓其制造商幾乎抓狂。在流行文化中，科學家的典型特征是超凡脫俗，《時代》雜志曾將阿爾伯特·愛因斯坦描繪成一個成天將自己關在大鐵門后的閣樓里獨自從事著稀奇古怪的天才構思的人：“憔悴、緊張、煩躁……數學家愛因斯坦甚至不會記賬。”

相反，勞倫斯不僅非常睿智，而且體力充沛。他終于成功地建成了這樣一座實驗室，它不是那種幽暗的哥特式城堡，而是一座矗立于山坡之上的現代化科學殿堂。它既遠離喧鬧的加州大學伯克利校園，又可俯瞰舊金山海灣迷人的景色。他一點都不孤獨，他主持著一個由朝氣蓬勃的年輕科學家和研究生——物理學家、化學家、醫生和工程師——組成的團隊，所有人都在跨學科的協作中艱苦跋涉和認真思考；他管理著數以百萬美元的經費，以確保這種協作能夠順利實施。他以其雄心、氣魄、智慧和財富體現了新世界強勁有力的作風。布魯斯·布利文（Bruce Bliven），一位經常行走于憤世嫉俗的政客和厭世專家之間的進步記者，很快為著名的勞倫斯教授——科學奇跡的奠基人所傾倒，發現他“很容易說上話，完全是那種你能想象的美國人”。

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“大科學”一詞是由物理學家阿爾文·溫伯格（Alvin Weinberg）在1961年——歐內斯特·勞倫斯去世三年后提出的。溫伯格從他作為橡樹嶺國家實驗室（該實驗室是按照勞倫斯的規格要求建立的，用于生產制造原子彈所需的濃縮鈾）主任的角度，調研了前幾十年的科學研究模式，并對這一時期作了這樣的定義：其科學成就的標志——高聳的火箭、高能加速器、核反應堆——都是用鐵、鋼和電線電纜搭建的，就像早期文明用蟠紋石教堂和大金字塔向天上的神和世俗的國王表示他們的虔誠一樣。

只有官僚作風的管理模式才會保留下這些科學運作的古跡。在勞倫斯的輻射實驗室里，核心裝置——回旋加速器——在技術上是如此復雜，操作上又是如此容易失靈，以至于需要專職工程技術人員時刻保持警惕。“保持一切按部就班的邏輯——無論是指科學機械還是指精心設計的像機器般運轉的組織架構——已成為這一活動的重要組成部分。”溫伯格回憶道。在照管機器的那些人眼里，這種因科學問題的令人生畏的復雜性所強制的宏大承諾已變成一種信仰。“如果不付出巨大努力，不采用龐大的工具，我們根本不知道如何獲取有關物質最微小的結構和宇宙最大尺度上的信息。”勞倫斯實驗室的前物理學家沃爾夫岡·帕諾夫斯基（Wolfgang K.H.Panofsky）如是說。

追求更大更好的推動力有其自身的邏輯。回旋加速器的每一項發現都為物理學家所做的探索開辟了新的前景；要揭開每一個新的謎底，就要求機器做得更大，能量更高。每一項新發現都給該機構帶來新的威望，為它招募到更多的科學家，獲取更多的榮譽，以及為籌集更多的資金創造出更多的動力和機會。

使大科學作為科學探索的典范而得到最終驗證的是第二次世界大戰的兩大技術成果：雷達和原子彈。如果沒有跨學科的合作和幾乎無限的資源支撐（這已成為新范式的標志），要開發出這兩樣東西幾乎是不可能的——而且肯定不可能及時發明出來而影響戰爭結果。建立第一座觀察核的鏈式反應的原子反應堆被公認為恩里科·費米（Enrico Fermi）的功勞。這種鏈式反應對于開發钚彈，就是后來扔在長崎的炸彈，至關重要。費米不僅構思了這一概念，而且監督了它的建造。但要實現費米的這一設想，則需要建立一支由“物理學家、數學家、化學家、儀器專家、冶金學家、生物學家，以及可以把這些科學家的研究成果轉化為實物的各類工程師”組成的團隊。溫伯格觀察到，“鏈式反應堆可要比核物理學家的一項實驗大得多”。

勞倫斯在科學工作中的研究風格的這些變化不僅讓人敬畏還給人帶來不安，直到今天它們依然如此。

甚至在勞倫斯職業生涯的早年，當大科學仍處于形成階段時，科學家、大學校長和其他專家便已開始擔心它對知識追求和傳播的影響。1941年，卡爾·康普頓（Karl Compton）——麻省理工學院院長，也是一位精通回旋加速器的物理學家——就曾對侵入學術界的那種對金錢和名望的爭奪的“反常的競爭要素”感到憂慮。他不安地對朋友訴說道：“要維持一項積極的計劃和運轉良好的員工隊伍，需要的是更積極的宣傳而不是科學界的津津樂道。”一些科學家看到的是過度競爭，完全不協調的工廠式研究模式，那些仍采用舊世界管理方式和研究程序的大學對于像伯克利這樣的大科學機構唯恐避之不及。而另一些人，譬如帕諾夫斯基，則認為大科學對于解決物理學的大問題是十分必要的。他們在伯克利的新系統內訓練自己，然后將大科學的福音傳播開來。（帕諾夫斯基將它帶到了斯坦福大學。）

有關大科學如何永久地改變科學家的工作方式這一點，早在戰爭年代就已有著述。當時科學和技術共同體主要是集中精力贏得勝利。然而，隨著和平的到來，科學家們開始重新琢磨大科學帶來的變化。有些人擔心，“個人靈感”這一在過去取得突破的法寶是否還會有用武之地。匈牙利物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）就曾這樣問道：“一個跨學科的團隊能夠發現相對論或薛定諤方程嗎？”像許多其他人一樣，他擔心的是日益增長的管理上的需求將使最有才華的科學家離開實驗室。在小科學時代純粹致力于自身課題研究，并口耳相傳地教授學生的研究人員，現在不得不應付許多其他職責：他必須管理好籌集到的大筆資金，寫課題申請報告，為各種委員會提供咨詢服務，在華盛頓的國會和各執行機構的走廊上徜徉以打探消息。研究機構的領導人不僅得是科學家，而且還得是老板、拉拉隊隊長和推銷員。

資金很充足，但到款都是有條件的。隨著資助規模的增長，這些條件變得越發苛刻。在戰爭期間，美國政府的資助自然主要是針對軍事研究和發展。但即使在1945年德國和日本投降后，政府仍然是美國科研機構最大的單一資助者，其軍事用途仍繼續主導著學術界科學家的研究方向，尤其是在物理學領域。第二次世界大戰后接著是朝鮮戰爭，然后是被稱為冷戰的漫長、緊張的生存時期。而且軍事服務現在已演變出一個強大的合作伙伴：軍工產業。在戰后時期，大科學和“軍事-工業復合體”的逐漸融合曾讓艾森豪威爾總統深感不安。工業對學術實驗室的日漸深入的介入給科學家帶來了壓力，他們必須注意到他們的工作的商業可行性。物理學家不是在從事基礎研究，而是開始“把時間花費在追求經濟上可獲得專利的方面，而不是探索科學的基礎原理方面”，科學史學家彼得·格里森（Peter Galison）這樣觀察道。作為大科學的先驅，歐內斯特·勞倫斯比大多數同齡人更早面臨這些壓力，但專利爭奪戰——不僅僅是什么能申請專利，還有在大科學團隊中誰該拿大頭——很快就在學術界成為普遍現象。政府和工業界也很快就加入到這一狂歡中：為了保密，為了一體化，抑或為了大投資帶來更大的收益。

正是勞倫斯幫忙播下了產業界參與研究的種子。他讓他的投資人看到回旋加速器是如何服務于他們所青睞的目標的，從而培育了產業界的雄心。對于生物研究機構，他利用加速器生產了大量的人工放射性同位素，用以了解光合作用的復雜性和殺死癌細胞的效果。他讓企業家看到了原子核作為發電機的美好前景，一旦實現核能發電，電能將變得難以想象的便宜，而且幾乎是用之不竭的。至于那些仍然致力于基礎研究的慈善基金會，他向它們提出了一系列旨在揭開自然世界奧秘的項目，從而提高了這些基金會的聲望。洛克菲勒基金會的總裁雷蒙德·福斯迪克（Raymond B.Fosdick）最簡潔地一語道出了大科學在這方面的本質作用：“新的回旋加速器已不只是一臺研究設備。”他在1940年這樣說道，它是“一個強有力的象征，它代表著人類對知識的渴望，是人類精神最高尚的表達方式，是人類對真理無畏探索的象征”。那一年，這個非營利基金會的董事會投票決定資助勞倫斯100多萬美元，用以建設世界上最強大的回旋加速器。

沒有人對勞倫斯照顧到他的資金支持者的利益訴求說三道四。如果他無法用創紀錄的成就來支撐他的承諾，那么他在籌集資金上的艱苦努力就會前功盡棄。伯克利的輻射實驗室開創了新的核醫學科學來與疾病作斗爭。它的回旋加速器經常加班加點用以生產世界各地的研究人員所需的放射性同位素。勞倫斯的期盼——原子能總有一天能用于取暖，用于幾百萬個家庭和工廠的照明，用作船用動力讓海輪遠航全球——極富遠見，而且完全發自內心。當然，這一切現在都已實現。

大科學的成功給科學家帶來了巨大的榮譽，他們因幫助贏得戰爭而倍受人們尊敬和欽佩，他們被看作人類渴望探索大自然奧秘的活的寶庫。但這種高看熱捧不可能持久，因為科學知識是不完善的，公眾總有一天會感到幻滅。隨著大科學項目變得越來越大，科學家們開始變得舉步維艱，因為用于解決緊迫的社會問題所需的公共資源有很大一部分被大科學占用了。

到20世紀末，社會對大科學的信任開始消退。回想起來，它的許多成就似乎模棱兩可：是的，原子彈贏得了戰爭，但代價是核的陰云永遠在人類的頭頂徘徊。原子能的和平利用帶來了電力，但其價格遠遠高于其倡導者當初的預想，而且它還給我們帶來了三哩島、切爾諾貝利和福島的災難，帶來了人類是否真能可靠地馴服核技術的問題。人類漫步月球，但在那壯觀的瞬間過后，公眾對太空探索的興趣迅速消退。所有這些花費——圖什么？

在1961年提出“大科學”一詞的同一篇文章里，阿爾文·溫伯格概述了當時人們關于大科學對研究、對大學和社會的影響的疑慮。他十分公允地說道，如果建立大科學所需的大規模支出吸干了稀缺的資源，并將科學家從探索與人類生存條件更密切相關的領域引開的話，那么，“我認為，大多數美國人寧愿選擇一個優先考慮如何治愈癌癥的項目，”他寫道，“而不是把第一個宇航員送上火星。”

在美國，這種疑慮在20世紀80年代到90年代初引起關于是否應該上馬超導超級對撞機項目的激烈爭論。這臺加速器原定設在得克薩斯州的沃克西哈奇附近，其能量將是歐洲核子研究中心的大型強子對撞機的3倍。該項目最終因地區和預算政策而擱淺，但它的致命傷是公眾已經懷疑其目的性。1993年，超導超級對撞機的項目被國會否決了。

大型強子對撞機是如此巨大、復雜和昂貴，以至于一些科學家認為它可能標志著國際級大科學的終結。它做出的發現所提出的關于自然世界的問題，只能通過更大、能量更高的對撞機來回答，正如勞倫斯的每一臺回旋加速器造就了未來對更大的加速器的需求一樣。像大型強子對撞機一樣，下一代機器，如果要建造的話，將需要多國聯合來進行。讓多個國家就一項在外人看來十分抽象的探索組織在一起進行合作是很不容易的。

歐內斯特·勞倫斯從未表現出這樣的疑慮。他的目標是如何解決“研究自然的問題”，正如羅伯特·奧本海默所說的那樣，他的職業生涯達到了這一目的。我們現在來評估大科學的影響并不貶損他的成就。但大科學確實迫使我們去審視它是怎么來的。故事要從小科學世界里的大人物說起。