一台回旋加速器，如何改变整个科学研究的进程

孟想成真

读过《三体》的朋友，都会为书中一个科幻点子津津乐道：三体世界是如何用两个“智子”干扰粒子加速器，将地球科技锁死的。

智子以拥有智能的粒子形式存在，混入科学家们做实验的粒子加速器当中，对粒子撞击结果产生干扰，就会让科学家们得出错误的数据，整个理论物理学界陷入混乱和停滞，人类科技也将不再向前发展。

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这个情节让不少朋友心生好奇，粒子加速器是什么？它对科学发展为什么能如此重要？

简单地说，粒子加速器是一种用人工方法产生快速带电粒子束的装置。它利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子束。用加速后的粒子撞击目标粒子，粒子被击碎后就会有很多次级粒子“散落”出来，这些次级粒子经过重新组合能够生成新粒子。


因此，粒子加速器是人们改变原子核和基本粒子，认识物质深层结构的重要工具。








回旋加速器：大科学的开始






最初，科学家对于粒子加速器的想法是直线加速器。


德国1928年12月19日出版的一期《电气技术档案》中刊登了挪威物理学家罗尔夫·维德勒的一篇报告。报告里，维德勒提出，让离子通过一系列加载有电位差的间隙来不断给离子施加一个作用力，使它们沿直线加速，就可以解决如何在不用高电压的情形下产生高能粒子的问题。但要满足当时卢瑟福为揭开核结构深层奥秘所提出的10百万伏特要求，则需要一根相当长的直管，长到实验室根本容纳不下。不过，虽然可实现性不高，这一想法却让后来回旋加速器的发明者欧内斯特·劳伦斯眼前一亮。

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20世纪30年代初，回旋加速器闪亮登场。回旋加速器作为粒子加速器的一种，通过让磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速。用发明者欧内斯特·劳伦斯的话来说，回旋加速器就是“质子的旋转木马游戏”。这一发明利用环形轨道能够让粒子做循环运动的性质，在有限的空间内，就能为粒子赋予加速所需的巨大能量。


这一发明的问世，无疑是人类揭开核结构深层次的谜团过程中一个开创性的时刻。


它不仅对于核物理学具有革命性的意义，加深了我们对大自然基本构成要素的理解。更引发了一场科学研究模式的转变——在推动回旋加速器发明的过程中，欧内斯特以其天才的创想吸引了一大批年轻的研究生、工程师进行跨学科合作。以其灵光的脑瓜千方百计向研究公司筹措数以百万美元的资金，以其获取的无限资源支撑完成复杂大科学装置的研发，并孕育出原子弹和太空计划等重大科学工程......


正是欧内斯特·劳伦斯他的团队，播种了产业界参与科学研究的种子，推动了“小科学”到“大科学”的演变。


为此，美国专栏作家和记者迈克尔·希尔齐克写下《大科学：欧内斯特·劳伦斯和他开创的军工产业》一书，记录下了这段辉煌壮丽的科学史诗。

大科学
[美]迈克尔·希尔齐克|著 王文浩|译
湖南科学技术出版社
2022年5月






作者迈克尔·希尔齐克是谁？





他是一位美国专栏作家和记者，曾荣获1999年普利策奖。他因杰出商业和金融新闻获得了两项杰拉尔德勒布奖。他的著作包括：《巨人：胡佛大坝建设的动荡、激动人心的传奇》和《新政：现代史》。除了普利策奖之外，希尔齐克先生还荣获过其他奖项，包括：2004年度“杰拉尔德·勒布杰出商业评论奖”和“美国律师协会杰出法律报告”银奖。他毕业于高露洁大学和哥伦比亚大学新闻研究生院。目前与家人住在美国南加州。

你能读到什么？







1. 回旋加速器的发展以及它在原子弹、氢弹的研制过程中的作用的精彩故事。


我们可以看到劳伦斯和他的同事们在发明加速器和发现各种科学事实中所表现出的热情，因工作中的重大失误而带来的沮丧。


伯克利教工俱乐部的很多人终身都记得他们第一次听到欧内斯特.劳伦斯描述回旋加速器时的情形。数学家沙恩将劳伦斯潦草的计算检查了两遍，问他：“你打算拿它来做什么呢？”劳伦斯回答：“我要用它来裂解原子！”


一位教师的妻子在伯克利的林荫道上遇到了他，他朝她大喊：“我要出名了！”劳伦斯冲进他在勒孔特二楼的实验室，一把将摆弄仪器的研究生布雷迪拖到黑板前，三两笔就在黑板上写出了公式。


2. 科学是如何变成为“大科学”的非凡演变过程，给我们还原一个既是胜利也是悲剧的竞技场。

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大科学指的是由重大科学项目驱动的工业规模的研究模式，如外太空探测、原子弹、登月工程，它不仅需要大量跨学科人才，还需要大量的资金和管理。大科学的成功给科学家带来了巨大的荣誉，但随着项目越来越大，占据压榨了公共资源，反对的呼声开始起来，比如围绕美国SSC，中国北京正负电子对撞机的争论，今天我们审视大科学的由来，对于当今中国如何开展大科学研究模式很有借鉴和启发。

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来源：https://www.toutiao.com/article/71179********597537
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