“新大科学”的兴起 | Physics World专栏-深度-知识分子

“新大科学”的兴起 | Physics World专栏

2019/05/24

导读

罗伯特·克里斯的橡树岭一行见证了中子散射设施对促进大科学不断发展变化的典范性作用。

撰文 | Robert P Crease

翻译 | 张琪悦

校译 | 杨岭楠

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罗伯特·克里斯 (Robert P Crease) 的橡树岭一行见证了中子散射设施对促进大科学不断发展变化的典范性作用。

从诺克斯维尔机场开往橡树岭国家实验室时，出租车司机提醒我，国家实验室正在进行核相关工作，会干扰到GPS的运转。这座橡树岭国家实验室坐落在田纳西州中部的坎伯兰和大烟山之间一片郁郁葱葱的绿色地带，二战期间，美国正是在这里为曼哈顿原子弹项目制造了裂变材料。司机告诉我，他只能在大门处让我下车，但我让他继续往里开，保持GPS开启。他照做了，GPS 运转并没有受到影响。

“曼哈顿计划” 凭借联邦政府资助的大型科学设施，帮助物理学实现了一个阶段性的转变，从小规模的工作跃升为后来的“大科学”层级。事实上，“大科学” 这个术语是由橡树岭国家实验室时任主任艾尔文·温伯格（Alvin Weinberg）在1961年（134161）为《科学》杂志撰写的一篇文章中推广开来的。他用“大科学”这个词来描绘粒子加速器和反应堆如何促进科学设施、仪器和预算规模的飙升，同时，越来越专业的研究人员也参与进来的更大规模的合作。

许多物理学家开始接受 “大科学” 这个叫法，以提升高能物理学的声望和资金支持。但温伯格认为，物理学界并不是整体都这样，橡树岭国家实验室和美国及其他地方的国家实验室，具有更加不同的性质，它们主要专注于材料科学和凝聚态物理领域。因此，他为许多同行科学家对大科学的热情不免感到惋惜。

然而科学的另一个阶段性变化证明了温伯格的直觉是正确的。在这个被历史学家称为 “新大科学”的最新阶段，橡树岭国家实验室和其他实验室的大型设施开始加大对 “研究生态” 的支持，它由相对小型的仪器、实验和合作组成。研究并没有变得更大，而是变得更复杂了。

小型团队以更加交互和网络化的方式进行互动。这种互动上的变化最早是在20世纪70年代和80年代光源研究上体现出来的，一个光束端口常常会为许多不同的研究项目服务，而一个项目则经常在几个不同的端口进行。“新大科学”合作研究的灵活性目前在中子设施上的体现也很明显，比如前文提到的橡树岭国家实验室。

橡树岭科研人员托德·图普斯（Tod Toops）(左)、查尔斯·芬尼 (Charles Finney) 和梅勒妮·德布斯克 (Melanie Debusk) 使用中子来改进收集汽车尾气的过滤器

散裂与合作

我曾到访田纳西州参观正在运作中的新大科学——散裂中子源（SNS），这是自曼哈顿计划以来在橡树岭建造的最大设施。1999年，这一耗资14亿美元的项目破土动工，2006年开始运转。在我参观 SNS 时，仪器科学家布莱恩·查库马科斯（Bryan Chakoumakos）向我解释了它的线性加速器如何运行高达1个 GeV（十亿电子伏特）的质子脉冲，然后用质子去轰击目标汞，汞会分裂或者说 “散裂” 成许多小碎片。

散裂过程中产生了中子的喷射，这些中子沿着环绕目标的仪器管道扩散，场景就像从半个馅饼切成数块后形成的间隙里扩散一样。散裂中子源有18根电子束管，每边各9根，有时每个电子束管上有不止一个仪器。这些仪器由不同种类的衍射仪和光谱仪组成，它们被放置在距离目标十几米或更远的地方，一是分辨率随着距离的增加而增加，另则是为了将其隔离于保护用户免受辐射危害的区域。

查库马科斯告诉我，散裂源为中子研究提供了更广的研究范围和更高的灵活性，这样一来它不仅对凝聚态物理有价值，对化学、生物学和工程学也有裨益。工业上的应用也在增长，像汽车公司将电池甚至整个发动机部件插入散裂中子源的中子束，而航空和工程公司则用它们来研究新型合金。

散裂中子源的工业用户范围不但涵盖那些拥有对该机器及其工作原理富有经验的研究人员的大公司，而且也包括那些需要散裂中子源员工提供 “接待服务” 的小公司，帮助他们安装、使用该仪器并解读使用结果。这种新式的工业参与，即在大型设施上实行的以应用为目的的小规模研究，是新大科学的一个标志。

另一个标志是散裂中子源等设施所运行的研究与其他光源研究之间日益增强的互动。促成这种跨学科合作的诱因之一是中子对材料磁性结构的研究能力。另一个原因是中子可以很容易地对氢和其他轻元素进行定位，比如在蛋白质中进行定位，这用X射线是很难甚至于不可能实现的。

橡树岭国家实验室副主任保罗·兰甘（Paul Langan）说，大部分粉末衍射仪的使用者会同时收集X射线和中子源的数据。长波长冷中子的使用会使中子研究进一步扩展到化学和生物学等领域。

思考

在新大科学中，实践研究的规模未必越来越大，它也逐渐变得更加灵活和交互。更多的机构间的互动借助设施建立起来，就散裂中子源而言，另有五个实验室正在建设它不同的主体部分。诸如此类的合作在美国国家实验室之间在一直增加着，而且现有的合作规模已远超散裂中子源建立之初的景况。此外，小型研究组，不乏许多工业参与者，都在蓬勃发展着，而这些也并不需要更高的专业化程度。

新大科学的另一个关键性体现是中子研究人员与光源研究中使用X射线仪器的研究人员之间越来越多的合作，比如位于阿贡的先进光子源和布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源。这些互动让我们看到了运用用户设施的材料科学家研究方式上的巨大转变，而它反过来也给科学家、科学教育者、管理者以及那些将知识和所生成信息进行加工合成的人们带来了新的挑战。