方陵生/編譯

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新的大科學

方陵生/編譯

“大科學”（Big Science、Megascience、Large Science）是國際科技界近年來提出的新概念。大科學研究的國際合作模式主要包括：科學家個人之間的合作、科研機構或大學之間的對等合作、政府間的合作。近幾十年來，一些重要科研機構的大規(guī)模研究的運行特點和研究文化都在發(fā)生變化，大科學已非昔日之大科學，而是進入了新時代的新的大科學。

本文作者羅伯特·克里斯（Robert P.Crease），紐約石溪大學哲學教授；凱瑟琳·威斯特法（Catherine Westfall），密歇根州立大學的科學歷史、哲學和社會學的副教授。

圖1 一件不同尋常的禮物：布魯克海文國家實驗室在美國能源部長塞繆爾·博德曼于2006年來訪時贈予的禮物，代替了一直以來的加速器磁鐵復制藝術品禮物。這是一個裝有納米顆粒的玻璃瓶，象征著實驗室的重點已經(jīng)從高能物理和核子物理轉向以新材料為基礎的研究

2006年6月2日，布魯克海文國家實驗室（BNL），一位來訪的重要人物走時帶走了一個不同尋常的送別禮物：密封在一個玻璃瓶里的納米粒子。

幾十年來，來實驗室參觀的貴客都會收到各種不同的禮物，但幾乎都是有雕刻圖案的加速器磁鐵復制品，實驗室最有名的重離子對撞機和它的前身的象征。新禮物（見圖1）的接受者是美國能源部長塞繆爾·博德曼（Samuel Bodman）。

這個新的禮物表明，BNL的管理者已意識到，實驗室的重點已從高能物理和核子物理轉向基礎能源科學，能源部將新的重點定義為：“在電子、原子、分子水平上，理解、預測乃至最終控制物質(zhì)和能量的基礎研究，為新能源技術提供基礎，為能源部在能源、環(huán)境和國家安全方面的任務提供支持?！敝攸c轉移在一定程度上是因為BNL曾一度擱置如今又重新啟動的達10億美元的建設項目：國家同步輻射光源二期工程（NSLS-II）。

此外，這件禮物也標志著大規(guī)模科學研究的開始，不僅僅是在布魯克海文實驗室，而是在美國整個國家實驗室系統(tǒng)，雖然這種趨勢目前還不那么明顯。大規(guī)模材料科學加速器，而不是高能物理加速器，成為冷戰(zhàn)后大多數(shù)基礎研究實驗室的主要項目。與此同時，這些實驗室研究系統(tǒng)的特點和文化都有了許多重要的改變。我們將自上世紀80年代以來的逐漸形成的這一階段性轉變的結果，稱為新的大科學或生態(tài)大科學。

博德曼的納米粒子禮物之所以值得關注是因為，納米技術研究是新的大科學的象征。正如W·帕特里克·麥克雷（W.Patrick McCray）于2005年在《歷史和技術》上的一篇文章所指出的那樣，納米技術不是科學突破獲得實際應用的線性故事，它的意義遠超于此，從一開始，納米技術研究和推廣就與烏托邦式的愿景、產(chǎn)業(yè)利益、跨學科合作和國家目標交融在一起。

在這篇關于大科學的文章中，我們將特別提及NSLS-II項目前身的研究生態(tài)。最初的NSLS（最早的設施設計是一種同步輻射源）類似于生態(tài)學家的樣方，隔離出一個代表性區(qū)域，分析其生態(tài)系統(tǒng)（見圖2）。我們需要考慮新的大科學的時代性、特點、資助和挑戰(zhàn)，我們也需要討論認識和研究新的大科學的特定研究生態(tài)的重要性，這需要新的歷史工具和方法。

圖2 新的大科學的研究生態(tài)從根本上不同于舊的大科學。新的大科學設施，如圖中布魯克海文國家實驗室的國家同步光源項目的實驗現(xiàn)場，這是一個多樣化的、跨學科研究團隊的合作項目，在同一個研究設施中安置有多種不同用途的儀器設備，還有與其他設施用戶之間的聯(lián)系

舊的大科學與新的大科學

我們以“新的大科學”這一術語來描述當前的科學時代：以材料科學為主導的大規(guī)模研究的時代。新的大科學時代的特點是對贊助機構更大的責任，更傾向于實用性和產(chǎn)業(yè)的參與。這些特質(zhì)反過來導致高度多樣化和數(shù)量龐大的用戶群體，這有助于尋求資助。與舊的大科學時代相比，新的大科學更能促進小規(guī)模的研究和實驗，促進國際和多學科的協(xié)作，尤其在生物醫(yī)學領域。

（美國）國家同步輻射光源（NSLS）代表了新的大科學的崛起，其在1982年開始運作，當時材料科學設施（同步光源和中子散射設施）開始取代高能加速器成為美國最大國家實驗室的重點項目。與探索核與亞核尺度的核物理或高能物理加速器研究不同的是，材料科學研究的是原子、分子等更大尺度的物質(zhì)現(xiàn)象。但在這個新的科學時代里，美國國家實驗室的高能物理研究資助項目仍會繼續(xù)進行，雖然大部分研究活動是在國外開展的。為展現(xiàn)新的大科學風貌，我們需要深入了解NSLS，以及它是如何主導BNL的實驗室文化的。

包括BNL和其他實驗室在內(nèi)的舊的大科學設施中的儀器設備主要是反應器和加速器，這些大型科研設備是一般大學所無法擁有的。到了1960年代，最大實驗室里的高能物理加速器為科學界廣泛的基礎研究用戶服務。舊的大科學的設施可用于多種目的，因此，BNL和其他一些實驗室都有一系列的項目，包括核物理學研究、制造材料科學儀器等。這些規(guī)模和影響都不大的項目提高了實驗室的研究聲譽，但并不足以保證其持續(xù)發(fā)展。工業(yè)用戶和實際應用都要依托于基礎研究，這也是大科學實驗室的主要功能之一。

舊的大科學的發(fā)展動力是高能物理項目規(guī)模的遞增，包括儀器、合作的規(guī)模以及實驗的持續(xù)時間。而由于新的大科學時代的典型特征是材料科學項目占主導地位的，所以，NSLS項目的儀器和合作的規(guī)模并沒有越來越大，相反，其研究生態(tài)系統(tǒng)越來越復雜：越來越多的研究領域（特別是在生物醫(yī)學領域內(nèi)）、更廣泛的儀器設備、不同研究項目之間的更多聯(lián)系、研究團隊的更快轉換等。

NSLS研究文化的幾個特點

考察新研究生態(tài)的特點和了解其習慣和問題非常重要，這樣我們可以用系統(tǒng)和謹慎的方式迎接各種挑戰(zhàn)。為此我們提供NSLS研究文化的幾個特點，以闡明新的大科學的材料科學項目與代表舊的大科學的高能物理項目之間的不同。

第一個特點是：NSLS的許多研究項目從一開始就是產(chǎn)業(yè)的整合，其目的之一是為一系列產(chǎn)業(yè)用戶和其他感興趣的用戶提供機會，而不再是將這類用戶視為一種寄生關系。1994年光譜技術公司的掃描紅外顯微鏡就是一個示例，這是一臺與諾斯羅普·格魯曼公司、華盛頓卡內(nèi)基研究所地球物理實驗室合作安裝的儀器。光譜技術公司與寶麗萊合作研究高分子涂層的化學構成，諾斯羅普·格魯曼公司使用該儀器檢查多種工業(yè)用設備的超導體的缺陷，地球物理實驗室使用該顯微鏡研究地質(zhì)標本的化學成分，美國聯(lián)邦調(diào)查局用它在各種材料中尋找爆炸物痕跡，在人體樣本中發(fā)現(xiàn)藥物殘留，加州大學的科學家利用它（與其他研究人員合作）研究分析行星間的塵埃顆粒。

與舊的大科學設施中通常固定于某個位置的儀器設備相比較，這臺紅外顯微鏡顯然會經(jīng)常隨著不同的使命而轉移地方。在舊的大科學模式下，一些儀器的轉移，如用于μ介子異常磁偶極矩實驗的g-2環(huán)設備于2013年時從BNL轉移到費米實驗室時，就是一個非常轟動的新聞事件。

新舊兩個科學時代的第二個區(qū)別涉及到跨學科網(wǎng)絡的范圍和復雜性，一個例子是NSLS資源開發(fā)實驗室的近紅外可擴展波蕩器系統(tǒng)（NISUS）。參與NISUS開發(fā)的還有能源部的其他四個實驗室：托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室（LBL）、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和斯坦福直線加速器中心（SLAC），三個工業(yè)合作伙伴是波音公司、諾斯羅普·格魯曼公司和STI光電公司，三個大學合作伙伴是杜克大學、加州大學洛杉磯分校和密歇根大學。NISUS是一個支持不同實驗的科學網(wǎng)絡，而不是一個中樞，其發(fā)展是一種相關或關聯(lián)的關系，而不是簡單的擴展。此外，新的大科學的材料科學項目通常涉及技術項目的實際應用和推廣，其結果是，項目的跨學科網(wǎng)絡不僅包括有合作關系的科學家網(wǎng)絡，還包括了與這些科學家接洽進行技術準備和引導進入市場的人才網(wǎng)絡。

第三個區(qū)別就是我們所說的“如同章魚”的研究網(wǎng)絡特征：國家同步輻射光源（NSLS）的一個研究領域，或者甚至某個具體的研究項目都有可能用到多種實驗儀器設備。1992年，在NSLS的地球和土壤科學研討會上，研究人員在六個實驗站點進行的實驗就使用了六種同步加速器輻射技術：X射線探針成像、X光射線吸收光譜法、金剛石壓腔技術、大面積壓制技術、粉末衍射技術和顯微層析技術。NSLS的研究項目也可能涉及到布魯克海文國家實驗室（BNL）和其他實驗室的一些技術和儀器。

第四個區(qū)別就是我們所說的技術的多種穩(wěn)定性，即技術可以適應新的和不可預見的用途。一個例子是有著悠久歷史的穆斯堡爾能譜學，早在1960年代，穆斯堡爾能譜學已發(fā)展成為一種有多種實際應用的分析技術。到了1990年代，這些應用進一步擴展到同步加速器領域。另一個例子是斷層掃描技術，這種分段成像技術在生物醫(yī)學領域內(nèi)得到了大量實際應用。事實上，斷層掃描技術已經(jīng)不是一種單一的技術，它已經(jīng)演變拓展為多種分支技術。

科學家薩彥·古普塔（Sayan Gupta，左）和里基烏塔·梅洛（Rhijuta D'Mello）正在成為新的大科學象征的同步光源設施中制備用于分析的生物大分子樣本

第五個區(qū)別是：如NSLS這樣的綜合科研設施傾向于產(chǎn)生分設施，這些分設施本身就能支持以上描述的新的大科學的生態(tài)屬性。一個例子是超導X射線光刻源存儲環(huán)。這個計劃始于1986年，其目標是開發(fā)一個小型的同步加速器，以作為國防部在高分辨率計算機芯片生產(chǎn)上趕超日本和德國制造業(yè)計劃的一部分。這個項目涉及到技術轉讓和特定的國家利益目標。小型同步加速器的整個基礎設施建在NSLS，美國半導體制造商可以在這里學習X射線光刻技術。當時已開發(fā)出兩個原型，但該項目于1992年終止。

新舊大科學研究文化的差異

新舊大科學之間的差異還涉及到研究文化。其中一個區(qū)別是克里斯凱效應 （Krinsky effect），這是NSLS已故加速器物理學家塞繆爾·克里斯凱（Samuel Krinsky）提出的一個概念。當高能物理機器發(fā)生故障或停機改進時，實驗者都會耐心等待。為什么呢？原因之一是實驗者知道沒有人能搶在他們前面取得成果，另一個原因是他們別無選擇，因為他們通常只有在機器能夠工作的時候才能產(chǎn)生相關的研究數(shù)據(jù)。此外，他們還可以通過關機來更新探測器。

而同步輻射設施的研究文化則不同。如果機器壞了，研究可能會被別人搶先，探測器通常很少全面升級，而是替代以大幅度的功能改善。隨著美國和世界加速器數(shù)量的減少，同步光源的數(shù)量隨之上升，如今已有60多個。研究人員知道還有其他幾十個擁有類似功能的可用同步光源。如果用戶不滿意還可以去別的地方，甚至將他們的儀器帶走。研究生態(tài)從內(nèi)向外分散，產(chǎn)生了一種以用戶要求為上的氛圍。NSLS的實驗人員約翰·加拉伊達（John Galayda）將這種趨勢稱之為“集中模式越來越少，按用戶要求定制的研究文化氛圍越來越濃的后克里斯凱效應”。X射線用戶只對目前能獲得的資源更感興趣，而不是像高能物理學家那樣耐心等待更好新設施的出現(xiàn)。

另一個區(qū)別是：新舊大科學對監(jiān)管的擔憂。高度集中化的研究文化，對于道德和安全問題制定有嚴格有效的規(guī)定和措施，即使只是在一些大的研究機構中得到有效實施。然而，當研究模式演變?yōu)樾碌拇罂茖W的典型分散網(wǎng)絡時，一些規(guī)章制度變得更加難以實施和執(zhí)行，極端的分散勢必會威脅和破壞整體的有效倫理和安全監(jiān)管。

另一個區(qū)別是知識的形成：高能物理學家總是使用加速器在整體知識上添加知識片段，而材料科學家通常使用大型儀器和較小的設備將知識片段拼湊為整體，就像馬賽克一樣。此外，當新屬性材料出現(xiàn)時，他們會改變原先的計劃。

一個具有諷刺意味的轉折點

新的大科學的起源可回溯到1960年代和1970年代，科學界對新材料越來越大的興趣導致美國國家實驗室出現(xiàn)一批大型實驗機器。在1960年代早期，用于中子散射研究的反應器建在布魯克海文國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室里，1960年代末，首個光源設備已經(jīng)完成，但其大多數(shù)操作借用了主要用于高能物理的實驗設備。與此同時，國家實驗室對材料科學研究的支持力度也在增加。到了1980年，能源部對基礎能源科學（投資于材料科學研究的建設和運營）已增長到了近2億美元。雖然這個數(shù)額還是低于高能物理研究的3億美元，但卻多于同樣使用大型儀器的核物理研究的1億美元。

美國科學政策環(huán)境從1980年代開始發(fā)生變化，并于1990年代達到極致。特別是在這段時期里，對于國家實驗室及其大型項目的資助理由也開始有了變化。舊的大科學的資助理由通?；诶鋺?zhàn)需要，一些大型項目至少要象征性地有助于國防力量?；A研究更多被視為一種內(nèi)在價值，就像藝術一樣：提高公眾的幸福。而新的大科學的興起時代，日益強調(diào)對成熟科學資助機構的責任，關注政府與產(chǎn)業(yè)的伙伴關系和實際應用前景。這種優(yōu)先順序適應于冷戰(zhàn)后的道德經(jīng)濟，其重視企業(yè)家精神和實用性。

然而，通往新的大科學之路并不是在舊的高能物理研究和新崛起的材料科學之間的競爭中形成的。具有諷刺意味的是，材料科學是通過繼承舊的大科學傳統(tǒng)，以建造超導超級對撞機（Superconducting Super Collider，簡稱SSC）而進入21世紀的。由于擔心項目之間的競爭引起沖突，破壞對撞機的前景，美國能源部能源研究辦公室主任阿爾文·特里維爾皮斯（Alvin Trivelpiece）于1984-85年起草了一份與實驗室分享利益的協(xié)議。

特里維爾皮斯的計劃呼吁建立三個材料科學項目：勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源項目、阿貢國家實驗室先進光子源項目和橡樹嶺國家實驗室的反應器項目，后者已演變成散裂中子源。另外還支持了兩個核物理項目：布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機和弗吉尼亞州紐波特紐斯的杰斐遜實驗室。1993年超導超級對撞機項目取消，一直待在陰影中的一些材料科學項目終于占據(jù)了舞臺中心。

資助和其他挑戰(zhàn)

從表面看，與新的大科學相關的特征可能是一個簡單的資源經(jīng)濟的改變，大型研究項目通過政府與產(chǎn)業(yè)伙伴關系獲得資助，但實際情況并非如此。如圖3所示聯(lián)邦政府、產(chǎn)業(yè)和來自其他方面的研究資助，表明聯(lián)邦政府在過去幾十年里一直在資助基礎研究。

從1950年代初的舊的大科學時代到新的大科學時代，軍事基礎研究的資助一直較小。最近幾年在不斷增加，但這可能是因為軍事設施同時還進行一些基礎研究的原因，例如與桑迪亞國家實驗室合作的Z機（譯注：據(jù)認為，美國新墨西哥州桑迪亞國家實驗室里被稱為“Z機”（Z Machine）的裝置，或許能找到解決世界能源短缺問題的答案。這個裝置用少量的電引燃，可產(chǎn)生290太瓦的電量，相當于全球發(fā)電總量的80倍。但目前這股電力僅能在持續(xù)七百億分之一秒的脈沖中釋放）。如圖4所示，過去幾十年里具有最顯著特征的，是始于世紀之交的聯(lián)邦生物醫(yī)學研究經(jīng)費的大幅增長。

圖4 各學科研究經(jīng)費增長示意圖。自1970年代以來，大多數(shù)學科的聯(lián)邦資助經(jīng)費都只有小幅上漲。但約在20年前，對生物醫(yī)學研究的資助開始大幅增加。生命科學研究資金分解為國立衛(wèi)生研究院（NIH）的生物醫(yī)學研究和其他部分

理解新的大科學的資源經(jīng)濟學是一個極大的挑戰(zhàn)：資金來源眾多、資助模式復雜。在舊的大科學模式中，（美國）國家科學基金會（NSF）通過大學贊助一些高能物理研究，但幾乎所有的高能物理加速器及其研究的資助都來自美國能源部及其前身原子能委員會的單一研究計劃。在新的大科學資助模式中，加速器的資金幾乎繼續(xù)全部來自美國能源部，但研究經(jīng)費則來自能源部和NSF的各種計劃以及來自產(chǎn)業(yè)和美國國立衛(wèi)生研究院。此外，新的大科學設施的用戶呈多樣化和瞬態(tài)化，其中的復雜關系很難理清，這些用戶包括通過大學、研究機構、產(chǎn)業(yè)獲得資金的不同領域的科學家，以及從國立衛(wèi)生研究院、醫(yī)院和制藥公司獲得資金的醫(yī)學研究人員。

圖3 研究經(jīng)費在GDP中占一定的比例。在半個多世紀的時間里，作為研究資助者之一的美國聯(lián)邦政府的投入超過了產(chǎn)業(yè)和其他來源

新的大科學的興起，對于舊的大科學的傳統(tǒng)管理和推廣方法是一個很大的壓力，由此促進了新方法的發(fā)展。

同步光源的工業(yè)應用，將產(chǎn)生在舊的大科學模式中不成問題的擔憂。如知識產(chǎn)權問題和責任保險就是比較明顯的例子，及時獲得使用是另一個問題。當前審批程序的設計流程主要針對學術用戶，提議通過的過程可能需要一年時間。而工業(yè)用戶通常需要更快速的審批時間。如IBM等擁有自己光束線的大公司，審批過程可以走上“快車道”。但是對于沒有光束線的小型企業(yè)來說，曠日持久的審批時間是一個大問題，一些用戶設施正在尋求加速獲得使用權的途徑。

另一個擔憂是大型材料科學設施的使用涉及到一些政治上的原因。國會代表通常對落戶自己地區(qū)的項目更感興趣。而新的大科學的研究網(wǎng)絡的特點，通常需要通過多個地區(qū)的設備與用戶相連。這一現(xiàn)實促使美國能源部開發(fā)了一個交互式的在線地圖，可以清楚顯示國會選區(qū)、用戶和能源部用戶設備的分布情況。圖5顯示的是根據(jù)該網(wǎng)站一幅分布圖生成的屏幕截圖。

新的大科學的研究生態(tài)

新的大科學研究生態(tài)的復雜性導致其模式和變化很難描述。在數(shù)據(jù)和方法都相當分散的情況下，如何提取、分析和揭示信息，為歷史學家和其他研究人員以及政府人員所用呢？跟蹤某個特定研究項目，甚至是更多的研究項目，對于鑒別和研究新興趨勢和總體變化的價值非常有限，因為有太多的重疊和分支?？茖W歷史學家和社會學家如何對整體研究生態(tài)進行調(diào)查，以發(fā)現(xiàn)和評估研究實踐的差異？

我們可以用不同方式來闡述相關問題。若干傳統(tǒng)方法可以用于我們的研究。我們可以跟蹤設備操作的歷史，例如，我們可以觀察設施儲存環(huán)關閉進行維護、維修和升級期間的活動：停機期間新安裝了哪些設備，做了哪些修改和更新，包括監(jiān)測系統(tǒng)、真空室和電源；停機期間產(chǎn)生的變化對機器的重要性能（如電流和亮度）產(chǎn)生了哪些影響。我們也可以通過負責人和主要管理人員跟蹤機器的管理情況，或者我們還可以跟蹤儀器的使用情況：如合作情況、光束線、研究領域、成果（專利、獎項和出版物）。除非能與整體網(wǎng)絡聯(lián)系起來，否則所列的這些研究仍然價值不大，由于這些網(wǎng)絡的錯綜復雜，理清這種聯(lián)系是比較困難的。

顯然，信息是客觀存在的，雖然有些可能會忽略掉，這些姑且稱之為隱性信息，我們甚至不知道它們是什么。但未來我們有可能創(chuàng)建出新的數(shù)字工具來提取隱含信息，這樣的進步將有助于改變我們理解歷史的方式。新型數(shù)字工具可以跟蹤和繪制復雜而變化的模式，從而將計算機分析和可視化技術用于分析歷史豐富和復雜的大型設施（如同步光源）。這類設施及其覆蓋的研究領域產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)如此龐大和復雜，很難通過傳統(tǒng)方式進行研究分析。

新的數(shù)字工具用戶可能包括：科學政策管理人員和能源部官員，他們感興趣的是如何優(yōu)化研究資助；科學歷史學家感興趣的是特定的發(fā)現(xiàn)和研究項目產(chǎn)生的影響；科學研究學者感興趣的是科學分支是如何出現(xiàn)又如何消失的；機構學者感興趣的是各種研究設施是如何連接、相互支持和發(fā)展的。

圖5 用戶分布圖。美國能源部開發(fā)的在線互動定制地圖提供了科學家使用DOE設施的地理數(shù)據(jù)。這幅屏幕快照中包括的是密蘇里州國會選區(qū)，2014財政年度這里有200多名科學家在美國能源部科學辦公室安置在其他州的用戶設施里進行科學研究。點擊標記可顯示用戶機構及相關設施

在新的大科學中，大規(guī)模材料科學加速器已取代了高能物理加速器成為美國最大國家實驗室的重點項目。這個新階段給實驗室的運行特點和研究生態(tài)都帶來了很大的變化。國家實驗室的領導特質(zhì)可能也會有所改變，例如，實驗室可能需要不同專業(yè)技能的領導人，而不是舊的大科學模式中具有強大個人魅力的老板，如歐內(nèi)斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）、羅伯特·奧本海默（J.Robert Oppenheimer）和羅伯特·W·威爾遜（Robert W.Wilson）。

高能物理和核物理研究領域不會消失，也不會融合到一個新的領域中，或消失在大科學時代美國國家實驗室支持的項目中。學科生態(tài)位不會消失，相反研究生態(tài)將更復雜和延伸。在舊的大科學時代，一些主要研究項目的研究都集中于某個重點，而新的大科學則呈分散式，機器設備也更加多樣化，使用者是一批無定型、不斷變化的用戶群體，研究計劃也是開放的。因此，管理者和資助者必須開發(fā)新的方法來應對、促進和評估研究。

新的大科學時代的歷史學家和其他學者都可以通過制作新工具提取、分析和顯示新的研究生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，做出建設性的貢獻。這些數(shù)據(jù)有助于我們開拓思路，讓新的大科學走向蓬勃發(fā)展的新時代。

［資料來源：Physics Today］［責任編輯：岳 峰］