丁翔宇/編譯

羅伯特·威爾遜：費米實驗室的一代宗師、塑造者和建造者

丁翔宇/編譯

●羅伯特·威爾遜（Robert Wilson），這位世界最頂尖之一的粒子碰撞器的發(fā)明人從各個方面給實驗室留下了深刻的烙印，從建筑的設計到加速器的能量。

威爾遜領導了費米實驗室主樓威爾遜大樓的設計，他還設計建造了大樓左側的AcquaAlleFuni。池塘倒映著岸邊的景色，詮釋了粒子物理中對稱的重要觀點。為了發(fā)現(xiàn)和研究宇宙中的微小粒子，物理學家需要一些地球上最龐大的儀器設備。這些儀器設備的名稱繁多——加速器、粒子回旋加速器、粒子碰撞器、原子粉碎器——它們的設計和制造通常需要龐大的工程師團隊。歐洲原子能研究組織建造的大型強子對撞機是目前地球上最大的機器，其長達17英里的軌道跨越了法國和瑞士的邊界線。這臺大型強子對撞機自從2009年完全投入運行，據(jù)說其產生的數(shù)據(jù)已經(jīng)證明了找尋已久的基本粒子——希格斯玻色子——是存在的。

在大型強子對撞機問世之前，世界最大的粒子加速器位于芝加哥正西約40英里，在奧羅拉和內伯維爾以北的地方，占地6800畝，呈不規(guī)則的多邊形，坐落在伊利諾伊州一片橫跨杜佩奇縣和凱恩縣的農田上。美國國家粒子加速器實驗室成立于1967年，1974年為了紀念恩里克·費米而改名，在其名稱之后加上詞綴，于是費米國家粒子加速器實驗室被簡稱為費米實驗室。最近參觀費米實驗室時，我非常幸運地結識了對費米實驗室歷史和文化有深刻見解的司機和向導。

費米實驗室所在的地方曾屬于維斯頓社區(qū)，四周到處是具有美國中西部特征的農田、農舍、土地、倉庫，是很多家庭和牲畜的安居之所。1966年，維斯頓村民委員會投票決定，允許原子能委員會獲得村莊及周圍地區(qū)的土地，成立一所國家粒子加速器實驗室。監(jiān)管粒子加速器設計以及周邊建筑設計的重任就落在了實驗室的第一任主任羅伯特·瑞斯本·威爾遜的身上，他被稱為是物理學家中的物理學家，他以集物理學家、雕刻家和牛仔于一身自詡。

羅伯特·瑞斯本·威爾遜于1914年出生于懷俄明州西南的弗蘭蒂爾。弗蘭蒂爾的名字（“fron-tier”的意思為邊境）就表明此地周圍的環(huán)境，直到今日，弗蘭蒂爾也只是一個大約只有100口人的小地方。和其他出生于計算機時代之前的男孩一樣，小羅伯特喜歡擺弄諸如水泵、真空管之類的儀器。不過直到在加州大學伯克利分校接受了本科和研究生教育之后，羅伯特真正轉變?yōu)橐幻锢韺W家。在他的研究生階段，他師從伯克利輻射實驗室主任歐內斯特·勞倫斯（Ernest O.Lawrence），后者因發(fā)明粒子加速器而榮膺諾貝爾獎。二戰(zhàn)期間，威爾遜是曼哈頓計劃中的一員。之后，他成為了康奈爾大學核子實驗室的主任，他請假在伊利諾伊州的大草原上創(chuàng)建費米實驗室之時甚至還保留著這一職務。

威爾遜被稱為是多才多藝的人。1961年，他進入羅馬的Belle Arti大學，認真系統(tǒng)地學習了雕塑。他的作品于康奈爾大學所在的紐約州伊薩卡展覽，并被邀請為紐約的假日劇院創(chuàng)作雕塑。因此，作為費米實驗室的主任，威爾遜將雕塑視為實驗室景觀和文化中不可或缺的一部分是意料之中的。

因為實驗室的粒子加速器屬于國家擁有的儀器，它的選址離美國東西部沿海各科學研究中心的距離一般遠近；它也符合一項政治原則，即聯(lián)邦的財富在地理上需要盡量分散。建造費米實驗室需要很大的空間：建造大型原子粉碎器以及控制室需要大量場地，還有建造管理人員的辦公場所，以及訪問中心的博士、博士后和世界各地的科學家的居住之處。

等維斯頓地區(qū)和周圍的農場的居民都被重新安置后，實驗室本應清理舊的建筑，為新建筑鋪平道路，但是精明、節(jié)儉、時刻關注預算的威爾遜并沒有摧毀可以使用的建筑。他改換了農舍的用途，并在必要時將其遷移。費米村位于實驗室東門內，村中都是實驗室建筑前就有的低矮建筑，它們被改建成宿舍或是另作它用，其中的一間倉庫成為威爾遜設計某些建筑的工作間。如今，村里的建筑被粉刷成湖藍色、紅色和橘黃色，這是在強調它們并非自然的一部分，而是添加上去的。自然的印跡遍布了整個實驗室，大片的玉米地，一畦畦的黃豆，悉心保護的草原，池塘中棲息的天鵝，還有水牛群，都在告訴人們這片土地曾經(jīng)的模樣。

羅伯特·威爾遜，攝于1979年

威爾遜曾經(jīng)將他不滿意的建筑方案撕成碎片并踩在腳下。

在研究粒子的路途上

在我抵達奧黑爾國際機場之后不久，一位司機在行李認領處迎接了我并帶我前往費米實驗室。我們沿著芝加哥鄉(xiāng)間蜿蜒的州際高速公路和收費公路前行，在離目的地還有數(shù)英里之處，我們駛離了高速公路，并抵近沃倫韋爾。我們沿著一條狹窄而僻靜的小路繼續(xù)行駛，小路兩旁是樹木和人行道，還有低矮的房屋，這條小路將我們從小鎮(zhèn)引向實驗室的所在地。通過村莊之后，我們經(jīng)過了一座人跡罕至的農莊和一片天然的草原。雖已是十月末，這里依然是一片生機勃勃的景象，遷徙的大雁途經(jīng)此地，在短暫的休憩之后成群結隊繼續(xù)南飛。

直到發(fā)現(xiàn)新舊各異，別具一格的建筑群已經(jīng)在正前方若隱若現(xiàn)時，我的思緒才被猛地拉回到關于科技的問題。這些實驗樓中間還夾雜著典型的中西部樣式的倉庫，作為儲藏室使用。

當我們離開小路，映入眼簾的是實驗室的中心建筑：這座高大宏偉的建筑直入云霄。在車盤旋駛上高樓的途中，我看到了這座玻璃和混凝土建筑的各個側面。開始時，從一邊看過去，它只是個普通的矩形辦公樓；之后從一個角落看，它的墻壁就像水電站的大壩一般斜入天空；從正面看，玻璃幕墻后透明的空間將一對巨大且前傾的拱壁隔開；而當我瞇著眼看時，大樓就像是一架蓄勢待發(fā)的宇宙飛船，承載著探索地球和宇宙的重任。對于羅伯特·威爾遜，大樓豎直方向的不成比例是為了仿造法國博韋的教堂。

盡管其建筑設計屬于建筑師的任務，這座現(xiàn)在被命名為羅伯特·拉斯本·威爾遜大樓的主樓的設計者實際上是威爾遜本人。為了強調他對大樓的外觀、感受和功能的重視，據(jù)說他曾將不合他意的建筑方案撕成碎片并踩在腳下。威爾遜希望大樓能容納盡量多的實驗人員，讓人員間的交流溝通更加方便。他親自乘直升飛機，確定能夠充分利用實驗室地基的大樓高度，結論是大樓高度可超過200英尺。為了節(jié)約成本，威爾遜規(guī)定裸露的混凝土結構表面無須覆墻，隨機長寬的高質感板材構成了模架，將混凝土注入模架內，建筑結構形成不規(guī)則的傾斜的表面。這樣做不僅沒有使整個建筑看上去像半成品一樣粗劣，恰恰相反，在落成將近半個世紀后的今天，大樓看上去依然華麗光鮮。

在威爾遜大樓中間高大的中間大廳兩端的墻是玻璃構筑的，再加上屋頂由鋼和玻璃構成，這使得大樓的光線非常充足。大廳的底端和連接東西的通道交匯處，提供了建造咖啡廳、圖書室和畫廊的空間，公共空間以及舉辦展覽的空間。這些交匯處由后拉的混凝土橫梁支撐，橫梁放于軸承面上，可沿著軸承面滑動，根據(jù)太陽入射的角度不同以及陣風對大樓兩端的壓力調整位置。

威爾遜在實驗室建設過程中的積極參與也反映了他的觀念：物理學家能比專業(yè)人士設計出更好、更簡潔、更便宜的東西。同時，他還是愿意為了節(jié)約成本和取得更大成功而冒險的人。在加速器主圈的問題上，他決定不將其架設在昂貴的樁上，而是直接放置在堅固的地表上。他的豪賭獲得了回報。同時，威爾遜堅信管道大小不僅足以容納磁鐵以及其它必要的設備，同時還為后面的升級留下了空間（盡管從未正式規(guī)劃過升級）。

費米實驗室的主圈中是粒子加速器的光束線，在2011年使用壽命到期而退役之前，這架粒子加速器是世界上最高能量的粒子加速器。它帶來了1995年頂夸克的發(fā)現(xiàn)，從而為關于物質組成的斯坦福模型提供了依據(jù)。

威爾遜將隧道上方的地面筑成坡臺，飛機可以識別實驗室。

堅持的力量

除了威爾遜大樓，威爾遜還直接參與了其他建筑的設計，其中著名的一座是梅森實驗室，這座實驗室實施了很多的實驗，包括粒子散射和尋找夸克。為了方便更換和重新配置儀器，實驗室內部空間的橫向和縱向都不允許放柱子，還需要容納一臺橋式吊車。威爾遜想出了一個主意，他將普通的鐵涵截面排列成拱狀屋頂，這被證明是令人震撼的建筑方案，尤其是涵半截面室內一面在上方，另一面和實驗室其他建筑一樣被粉刷成藍色加橘色的主題色。

在威爾遜大樓前面，與其軸線對齊的，是一個長長的用于倒映大樓的池塘，池塘旁矗立著一座32英尺高令人嘆為觀止的“雙曲線方尖紀念碑”。它來自于威爾遜的鉛筆素描，實驗室的模型車間根據(jù)他的素描用合成樹脂初步設計了模型。制造同設計尺寸相同的金屬雕像需要將四分之一英寸厚的不銹鋼板焊接在一起，但當威爾遜得知請專業(yè)的焊工需要20000美金時，他決心自己去做這件事。因為實驗室的焊接工加入了工會，他們隨時可能以罷工相威脅。為了避免這一點，威爾遜自己也加入了工會，并在實驗室的機器車間向焊接高手學習焊接。學成之后，他在午休、下班以及周末都會忙于雕塑的制作。1978年1月開工，五月初就竣工了。從特定的角度和距離遠眺雕塑時，會發(fā)現(xiàn)它正好將主樓兩半之間的空隙填平了。

被破壞的對稱性（上面照片）是粒子物理中物質支配反物質過程的藝術化比喻；莫比烏斯帶（下面照片）是告訴人們宇宙可能是有限但沒有邊界的，這和這座雕塑的設計者羅伯特·威爾遜一樣。

雙曲線型紀念碑被正式命名為AcquaAlleFuni，翻譯成意大利語是“水對繩子”的意思，實驗室大部分工作人員也這么稱呼它。它引用了16世紀用繩子將梵蒂岡紀念碑移至圣彼得大教堂的典故。工程師多梅尼克·豐塔納（Domenico Fontana）的方案從眾多方案中脫穎而出，他的方案是用很多繩子連接紀念碑和絞盤，用很多人和馬同時拉動絞盤。當將紀念碑移至底座之時，為了工作人員能聽清命令，多梅尼克要求圍觀的人群必須保持絕對安靜，違反該規(guī)定的人會被處死。到了中午，紀念碑被提至與地面成45度，但就在這時，繩子開始被拉長，幾乎就要從絞盤上滑下了。就在千鈞一發(fā)之際，人群中的一位老水手大喊道“acquaallefuni,”他的意思是將繩子弄濕使其收縮，這樣繩子可以繼續(xù)工作而不滑落。雖然他違反了保持絕對安靜的命令，但并未受到懲罰，因為正是他的違反命令挽救了危機。通過引用這個例子并將這座雕塑放在如此顯眼的位置，威爾遜是想向實驗室的工作人員傳達這樣一個信息：團結合作是必須的，但有時候打破規(guī)定的發(fā)言是有益的。

雙曲線的方尖紀念碑只是羅伯特·威爾遜為了美化費米實驗室而修建的建筑群中的一座，主樓后方是拉姆齊禮堂，它對威爾遜大樓高而窄的中庭進行曲線的延伸，這和哥特式教堂中用唱詩班延伸教堂正殿的效果相仿。禮堂天花板和扶手用的木材都是來自從盜木賊處追繳的木材，這也表明了威爾遜討厭浪費，將木材用在正當場合并賦予它們美好象征的觀點。禮堂的屋頂上有一方圓形的池塘，池塘中間有一座莫比烏斯帶形狀的管狀不銹鋼雕塑。

另一座威爾遜設計的建筑既有美學功能，也有實際作用。我們沿著建筑的北軸前行，看見一排電線桿，上面架設著連接實驗室主變電站和實驗室北面聯(lián)邦愛迪生公司的日用輸電線。威爾遜設計的電線桿由三根涂刷成白色的鋼管組成：兩根長鋼管指向上方，偏離垂直方向稍稍分開，另一根與其他兩根的頂部相交，承載著高壓電纜。據(jù)實驗室的助理們說，每個發(fā)電塔都很像希臘字母π，至于這是否是威爾遜當初的想法，就不得而知了。

在威爾遜大樓高處的大廳中可以飽覽這些建筑的外觀以及它們的藝術特征，它們像帶有密集的磁鐵和導管的隧道以及加速粒子束并引入軌道的管道一樣顯而易見。實驗室竣工之時，其主圈是世界上能量最高的同步質子加速器。威爾遜將隧道上方的地面筑成斜坡，這不僅是為了防護輻射，也是為了形成在高樓或飛機上可以辨識的標志，告訴人們這片多邊形的草原上是費米實驗室。但也不是所有人都贊同這座實驗室的價值，在一次國會的聽證會上，在被問及費米實驗室的工作對國防有什么貢獻時，威爾遜如是回答：它只與人們之間相互的尊重、人類的尊嚴以及我們對文化的熱愛有關；它只與我們是不是優(yōu)秀的畫家、雕塑家、詩人有關，它和我們尊敬和熱愛這個國家的一切相關，而與國防沒有任何直接的關系。如果一定要說有關系，那就是我會努力使這座實驗室值得保護。

實驗室永恒的主題：對稱性

我從東門進入實驗室，傍晚我通過主門來到了實驗室的西側，此處與巴達維亞小鎮(zhèn)接壤。沿著松木大道離開的時候，接待我的人和我路過了威爾遜設計的另一座雕塑，它有三只腳，呈拱形且很不對稱的，名為被破壞的對稱。它由三片彎曲帶孔的拱狀物組成，它們是由從沉沒的航空母艦普林斯頓號上打撈的鐵盤做成的。三片拱兩兩背對，并在大約50英尺高度處焊在一起。這座雕塑因為看上去完全不對稱而聞名，為了進一步加強不對稱性，拱狀物相對的面還涂成藍色和橘色。不了解它的訪客往往會產生如下的問題：這座建筑物從哪個視角是對稱的呢？其實這個問題并不難，工程師利用正射投影就可以給出答案。事實上，這座雕塑從兩個角度是對稱的：雕塑的正上方和頂點的正下方。

接待我的人和我晚上又回到了實驗室，我們在用戶中心享用了雞尾酒，中心里面有一家叫利昂之家的餐廳。這家餐廳的菜單一成不變，實驗室的人員以及外來的參觀者對此也十分抓狂，晚餐和預想的幾乎一樣。利昂之家因利昂·雷德曼（Leon Lederman）而得名，利昂·雷德曼是費米實驗室的第二任主任，是威爾遜的繼任者。因為對政府為提升加速器能量的撥款數(shù)額大為不滿，威爾遜于1978年辭去了實驗室主任的職務。雷德曼因為發(fā)現(xiàn)了μ中微子分享了1988年的諾貝爾物理學獎——不過諷刺的是，相關工作并非是在費米實驗室完成的，而是布魯克海文國家實驗室。

最初費米實驗室主加速器的設計能量是200千兆電子伏特。但威爾遜有更遠大的目標，這也是他在設計主加速器隧道時堅持給將來的擴建留出空間的原因。作為實驗室主任，他特意地將巴達維亞作為實驗室的官方地址，是因為周圍只有巴達維亞的郵局可以將Box500送到實驗室。500代表了威爾遜希望加速器的能量達到500GeV的目標，盡管當時加速器尚未完工。在1971年正式宣布新目標時，他已經(jīng)在考慮通過改進將它的能量提升至1000GeV(1TeV)。1983年，這座達到1TeV的加速器于費米實驗室完工，并被命名為Tevatron。

這么高的能量是通過使用超導磁鐵實現(xiàn)的，這樣不僅使碰撞的能量翻倍，而且使系統(tǒng)阻抗減小，節(jié)約了能量，這在能源危機籠罩下的70年代中葉尤其有說服力。在當時，費米實驗室每年消耗的電力賬單達1000萬美金。節(jié)省一半用電的同時提升加速器的能量輸出，至少對威爾遜這樣的物理學家來說，這樣的事情是勢在必行的。然而，負責為實驗室撥款的官方機構對此卻并不感冒，也正是因為這件事，威爾遜遞交了辭呈。

在第二天早上返回奧黑爾的途中，司機一直在和我談費米實驗室，以及大多數(shù)人對實驗室工作的重要性并不了解。他認為實驗室需要向公眾宣傳，使公眾認識到費米實驗室的工作為人類帶來的福祉，比如質子放射治療可以使惡性腫瘤萎縮。他毫不掩飾對科學家的崇拜，而且似乎后悔沒有接受過能讓自己也能成為科學家的教育。提到他八歲的兒子之時，他的語氣溫暖而柔和，他的兒子一直希望長大之后做一名警察，直到有一天在網(wǎng)上了解了無人駕駛飛機。他的兒子纏著他要買一架。但是他告訴兒子，應該從較便宜的小型遙控直升機開始學習。在威爾遜設計的另一座建筑——雷德曼科學中心內，周六早上有費米實驗室主辦的兒童科學項目，他的兒子是一名出色的候選人。雷德曼科學中心仿效了弗蘭克·勞埃德·賴特（Frank Lloyd Wright）設計的低矮的，草原風格的建筑。

也許是為了證明費米實驗室在威爾遜心目中的重要地位，同時也作為他對實驗室的外觀和內在影響之大的肯定，威爾遜被安葬于實驗室小路旁的公墓。他的方角墓碑和開拓者們不規(guī)則的、腐朽的墓碑明顯不同。老的墓碑由小石塊堆支撐，在重力的作用下像威爾遜大樓那樣傾斜。威爾遜的夫人也葬在此處，就陪伴在她丈夫的身旁。即便百年之后，威爾遜依然伴隨著費米實驗室——這個他親手創(chuàng)辦，魂牽夢縈的地方。

[資料來源：American Scientist][責任編輯：?；襗

本文作者：亨利·波卓斯基（Henry Petroski）美國杜克大學土木工程、歷史學教授，特別擅長于事故分析，被《克科斯評論》（Kirkus Reviews）譽為“科技的桂冠詩人”,2006年榮獲美國歷史悠久且最富盛名的工程獎項之——華盛頓獎（WashingtonAward）。他曾在《美國科學家》雜志中，持續(xù)為大眾撰寫工程設計與文化研究的專欄，也為《紐約時代》雜志、《華盛頓郵報》、《華爾街日報》撰寫一些非工程類文章。