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为何做“没有价值”的科学:费米国家加速器实验室50周年

撰文 | 吴进远(美国费米国家加速器实验室)
责编 | 陈晓雪
 
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2017年是美国费米国家加速器实验室成立50周年。50年来,实验室取得了辉煌的成就,这一切与它的第一任实验室主任罗伯特·威尔逊 (Robert R. Wilson) 以及其他同事的卓越贡献是分不开的。时至今日,回顾科学先贤们的实践和理念,对于我们的工作,仍然有着宝贵的借鉴意义。
 
罗伯特·威尔逊最著名的一个论断,是他在1969年4月答复国会议员质询时说的一句话。当时议员们关心这个新的实验室以及获得的新知识对国家的安全有哪些帮助,罗伯特·威尔逊回答说,这是一个长期的,关乎国家荣耀,爱国主义的事。这些新知识并不能直接地保卫国家,但却能“使之值得被保卫”[1]。
 
 
这样一句看似不经意的话却道出了国家实验室以及大型科学装置的定位:它们不仅仅是科研工作所需的仪器设备,更是国家价值的体现。
 
费米实验室与科学技术研究
 
在威尔逊和几代科学家的领导下,费米国家加速器实验室取得了许多令人瞩目的成就。别的不说,单说组成我们这个世界的12种基本粒子:6种夸克与6种轻子。费米实验室发现了其中的b与t两种夸克,以及轻子陶中微子。这些发现极大地丰富了人们对于世界的认识。仅以我的经历而言,我在初入高能物理学时,人们确实对于t夸克讲不出什么。这是由于人们当时还没有探测到它,对它的质量、寿命、衰变模式等知之甚少。这些知识,都是在1995年费米实验室发现了第六个,也就是最后一个夸克,t夸克之后,才得以最终确认。在数十年这么短的时间尺度上,能够见到科学知识如此的迅速积累,这在科学史上并不多见。
 
粒子物理的发现,并不是靠每天推导量子力学公式得到的,而是通过精密的实验得到的。实验用到的装备,不论是产生新粒子用的加速器,还是探测新粒子衰变产物的探测器,都需要投入大量人力物力来研发。通过这种研发工作,我们可以得到很多“副产品”,那就是在超导,射频,探测器材料与结构,电子学,计算机等领域的新技术与新知识。这些新技术与新知识又逐步地在工业,医学检测与治疗技术等方面获得应用,造福社会。
 
费米实验室与人文、艺术和环境
 
毫无疑问,科学与技术的研发成果是一个实验室存在的终极价值。但威尔逊并不满足于此,他为实验室注入了许多人文、艺术与环境元素。整个实验室建设得像一个公园,园区甚至开辟了一片牧场,饲养了一群美洲野牛 (American bison ,Bison bison ),这个种群不断繁衍并与其它种群交换,一直饲养到现在。
 
 
实验室里有许多雕塑,是威尔逊自己设计制作的。有一个当年的老同事回忆[2],曾经有一位暑期实习生,晚上到车间加班,看到一个人在那里电焊,就和他打招呼:“你在做什么?”威尔逊回答:“我在给外面的水池做一个雕塑。”学生并没有想到,这个人就是实验室主任。他还说:“哎妈呀,他们可真能给你找活,让你在这里浪费时间”。
 
 
据记载,威尔逊有一个时期利用业余时间制作了多个金属雕塑,这些雕塑至今仍然矗立在费米国家加速器实验室的园区中,成为实验室的景观。
 
费米实验室与公众科普教育
 
费米实验室多年来形成了重视对公众进行科普教育的传统。2017年9月23日,作为50周年庆典系列活动之一,费米实验室举办了盛大的开放日活动。实验室开放了多处科研设施让公众参观,并租用了几十辆校车,接运1万名访客(本次活动注册的访客有2万人,当天因天气异常炎热,实到1万人。笔者也是千余名志愿者之一)。
 
除了这种超大型的开放日,费米实验室还经常举办各种各样的科普活动。事实上,全年365天,公众每天都可以来实验室的开放区域自由参观。每周三,或提前预约的团体,还可以参加由专业讲解人员引导的深度参观。此外,实验室还会经常举办各种科学普及教育讲座。
 
这种公众科普教育对于社会的贡献是渐进的。人们也许并没有完全理解科学研究的内容本身,但科学精神与科学思维方式会潜移默化地影响到人们。在精神层面,人们通过了解大型科学装置所获得的自豪感、自信感和认同感,亦深刻地影响着人们的精神面貌。我自己接触过许多公众访客,能够相当直接地感受到人们在精神上体现出来的快乐、健康。我观察到的一个有趣现象是,人们谈论科研工作和科学装置时,都喜欢使用“we”,“our”这样的代词,使用“they”的情况并不多,使用“you”的情况几乎没有。
 
这里我想特别指出,在访客当中,很多成年人对于科学保持了浓厚的兴趣和好奇。而在我接触过的华人群体中,大家都很重视孩子的科学教育,为了孩子来参观或听讲座可以开很远的车,任劳任怨,但家长自己却往往对科学缺乏兴趣。这是一个应该引起重视的差距。希望至少从《知识分子》的作者与读者们开始,大家能够保持自己对于科学的兴趣,《知识分子》也有更多面对成年人的科普作品。
 
与很多人的印象相反,公众对于这种完全靠纳税人的钱建设运行的科研设施实际上相当支持。在我接触过的访客中,从来没有听到过任何负面评论,从没有人抱怨:我们还有那么多穷人,你们耗费纳税人那么多钱,做的事情有什么用。科研单位与公众能够形成这样良好的互动,这与很多人的努力密不可分,这中间的经验值得认真研究与借鉴。
 
费米实验室与中小学生科学教育
 
实验室对于中小学生的科学教育也非常重视。特别值得介绍的,是附近的一所数理高中。这所学校是由实验室的第二任主任、诺贝尔奖获得者里昂·莱得曼 (Leon M. Lederman) 与伊利诺伊州政府有关机构创办的,名为Illinois Mathematics and Science Academy(IMSA)[3]。学校设置高中10至12年级,面向全州选拔学生,作者的女儿也是这个学校的毕业生。里昂•莱得曼曾有很长一个时期常驻学校,除了在各种活动上,学生们还经常有机会与他交谈,共进午餐,直接感受科学家的思维方式。
 
IMSA最重要的一个特点是它的研学课程,通常是11与12年级的学生参加。每周三,学校安排车辆,将学生送往芝加哥附近的多个国家实验室或大学,学生在一个学年中,到这些科研机构,每周在导师指导下工作一天,以此获得第一手的真实科学研究经验。能够指导安排准备知识明显不足的高中学生有效地参与科研工作,并取得虽小但确实有用的结果,对于导师来说也是个不小的挑战。费米实验室每年都会接待多位学生,也同时训练出了这样一批导师,作者也是其中之一。要想带好学生,导师要有爱心、耐心与细心,但仅仅做到这点还不够,还要有科学方法,把带学生当成一项科研题目来做,随时发现问题,解决问题。至今,作者累计带了十多位学生,最早的学生现在已经成为他们工作领域中的优秀人才。
 
费米实验室与国际合作
 
费米实验室的实验研究工作,通常都是与国际上的科研机构以及大学合作进行的。这种合作,可以将国际上本领域的智力与财力资源有效地整合起来,以完成单一机构难以实现的目标。而在冷战期间,实验室与苏联科学研究机构从1972年开始就有合作,这种合作显得格外引人注目。作为一个科研单位,同时起到缓和国家关系的作用,这种贡献是独特而无可替代的。
 
在实验室的餐厅,现在还有一个彩绘的饭桌,就是这种合作的见证。
 
这个饭桌是一位早期来实验室合作过的苏联科学家赠送的[4],上面绘制了七个俄罗斯风格的娃娃。我曾听到过实验室的一位讲解员介绍说,这七个娃娃象征最早来参加合作工作的七位苏联科学家的妻子。尽管这个说法暂时没有办法考证,但确实是一个很好的故事。
 
回顾科学界前辈们对大型科学研究装备的定位,对我们来说很有参考与借鉴的价值。中国的经济发展与工业基础建设都取得了巨大的成就,从而使得建设更多的大型科学装置成为可能。大型科学装置除了在科学探索方面的功能,同时也使国家变得更好更有价值。大型科学装置还具备技术研发平台,公众科学教育平台以及国际交往平台等多种功能。因而在决策过程中,更宽地认知大型科学装置的效益,有利于促使其发挥更大的社会作用。对于已经建成运行的大型科学装置,我们应该像重视其科学目标一样地重视它的其它功能,使之更好地为社会服务。
 
参考文献:
[1]https://history.fnal.gov/testimony.html
[2]Fermi News, Jan. 28, 2000 (Online: https://www.fnal.gov/pub/ferminews/Ferminews00-01-28.pdf)
[3]https://www.imsa.edu/extensionprograms/greatminds/Dr_Lederman
[4]https://history.fnal.gov/visitors.html#festival
 
 
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