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2022-10-24 14:17:56 heminbo888 0

利豪平台|利豪娱乐|利豪注册|利豪登录报道,这本书的作者是普利策奖得主迈克尔•希尔齐克,他在书中讲述了科学家欧内斯特•劳伦斯的故事。劳伦斯发明了“回旋加速器”,并以这套设备为核心,构建了一种全新的“大科学”研究模式。

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本次解读将分为三部分,分别是“大科学”的定义,劳伦斯如何促成“大科学”的诞生,以及“大科学”的主要贡献。

(1)什么是“大科学”?

“大科学”指那些金钱、人力投入巨大的大型科研项目。这类项目聚焦于宏大的科学目标,动用的设备昂贵且复杂,而且需要来自各个领域的专家学者协同配合工作。

以大型强子对撞机(LHC)为例,这套设备造价高达100亿美元,由全球80多个国家的学者和工程师参与构建。2012年,人类依靠LHC证明了“希格斯玻色子”的存在。此外,原子弹、登月计划、“中国天眼”射电望远镜等都是“大科学”的典型案例。

与“大科学”相比,“小科学”的研究更依靠科学家的灵感和创意。“小科学”领域的代表人物是物理学家卢瑟福,他使用一些简单的设备就论证出“原子核”的存在。20世纪之前的科研都是遵循“小科学”模式。

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(2)劳伦斯如何开启“大科学”?

劳伦斯和他发明的回旋加速器,促成了科学研究从“小科学”向“大科学”的转变。

劳伦斯是一位天才物理学家,1925年取得博士学位,1928年成为加州大学伯克利分校物理系副教授,并在两年后转为正教授。

20世纪早期,物理学界的研究热点之一,就是将粒子加速到高能状态以开展实验探索。但传统的加速装置十分不稳定,经常出事故。直到1929年,劳伦斯成功设计了“回旋加速器”,克服了这一难题。

劳伦斯的设计是让粒子在多段电场中分步加速。他将加速通道做成圆弧状的轨道,并引入外加磁场来控制粒子运动轨迹。最终实现的效果就是,粒子可以反复多次地通过这种圆形装置进行加速,从而得到很高的速度和能量。依照这一设计,1931年,劳伦斯和他的学生打造了一个直径10厘米的回旋加速器,并成功将一种经过电离的氢分子进行了加速。

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随后,粒子加速器的设计与研究开始飞速发展,劳伦斯的设备也越做越大。核心部件尺寸从最初的10厘米,到94厘米,再到后来的152厘米;所能得到的粒子加速能量也越来越高。1940年,劳伦斯计划打造一台467厘米直径的粒子加速器,以实现1亿电子伏特的惊人目标。通过对回旋加速器的不断完善,劳伦斯的研究团队在物理、化学、医学等领域取得了一系列突破。

以相关的科研实践为基础,劳伦斯在资金、人员和学科建设等方面都摸索出新的策略方法。首先,大型科学装置的运行往往需要大量经费,而劳伦斯擅长向各个领域赞助者展示回旋加速器的潜在贡献。1940年,劳伦斯就成功说服洛克菲勒基金会捐赠了115万美元。在人才管理方面,劳伦斯则能组织协调跨学科团队,通过引入各个领域的专家,来扩展回旋加速器的应用场景。劳伦斯也一直致力于推动整个学科的进步。对于前来寻求帮助的大学、研究所或者公司,劳伦斯都慷慨地提供帮助。每年都有很多学者不计酬劳地来到伯克利,只为跟劳伦斯团队进行合作。

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凭借着天才的头脑、高超的领导能力以及对学科发展的巨大推动,劳伦斯取得了一个科学家所能达到的最高荣誉。他所摸索出的这套“大科学”研究模式,依靠大型装置和跨学科人才团队,确实极大促进了科学的进步。

(3)“大科学”的贡献

第二次世界大战期间,劳伦斯和“大科学”研究模式为原子弹制造做出了重要贡献。

1939年,二战全面爆发。同一时期,物理学界取得了核裂变等重要突破。科学家们认为相关原理可用于制造威力巨大的武器。美国总统罗斯福紧急下令,要赶在纳粹德国之前制造出基于核裂变的“超级炸弹”。这种“超级炸弹”就是后来的“原子弹”。

要制造原子弹,前提是得到足够的铀235原料。为此,美国政府同时推进多种铀元素提炼方案,其中包括劳伦斯提出的“电磁分离法”。这种方法是利用电磁场将多种铀的同位素进行分离,在原理上与粒子加速器有相通之处。而随后在回旋加速器上开展的初步试验也证明了这种思路是可行的。


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