新的大科學(xué)

方陵生

新的大科學(xué)

方陵生

“大科學(xué)”，是指規(guī)模巨大、人數(shù)眾多、投資龐大、有相當(dāng)社會影響的綜合性科學(xué)研究，其概念最早由美國科學(xué)學(xué)家普賴斯于 20世紀(jì)60年代提出。時至今日，一些重要科研機構(gòu)的大規(guī)模研究運行特點和研究文化都在發(fā)生變化，大科學(xué)進入了新的時代。

新的大科學(xué)有什么特點

我們以“新的大科學(xué)”這一術(shù)語來描述當(dāng)前以材料科學(xué)為主導(dǎo)的大規(guī)模研究時代。與舊的大科學(xué)時代相比，新的大科學(xué)更能促進小規(guī)模的研究和實驗，促進國際和多學(xué)科的協(xié)作，尤其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

美國國家同步輻射光源（NSLS）代表了新的大科學(xué)的崛起。該項目在1982年開始運作，當(dāng)時材料科學(xué)設(shè)施（同步光源和中子散射設(shè)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。

從NSLS的研究特點，我們可以看出新舊兩個科學(xué)時代的區(qū)別——

1）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。

2）涉及到跨學(xué)科網(wǎng)絡(luò)的范圍和復(fù)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4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、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和斯坦福直線加速器中心，3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，3個大學(xué)合作伙伴是杜克大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校和密歇根大學(xué)。

NISUS是一個支持不同實驗的科學(xué)網(wǎng)絡(luò)，而不是一個中樞，其發(fā)展是一種相關(guān)或關(guān)聯(lián)的關(guān)系，而不是簡單的擴展。此外，新的大科學(xué)的材料科學(xué)項目通常涉及技術(shù)項目的實際應(yīng)用和推廣，其結(jié)果是，項目的跨學(xué)科網(wǎng)絡(luò)不僅包括有合作關(guān)系的科學(xué)家網(wǎng)絡(luò)，還包括了與這些科學(xué)家接洽進行技術(shù)準(zhǔn)備和引導(dǎo)進入市場的人才網(wǎng)絡(luò)。

3）“章魚”狀的研究網(wǎng)絡(luò)特征：NSLS的一個研究領(lǐng)域，甚至某個具體的研究項目，都有可能用到多種實驗儀器設(shè)備。NSLS的研究項目也可能涉及到布魯克海文國家實驗室和其他實驗室的一些技術(shù)和儀器。

4）技術(shù)的多種穩(wěn)定性，即可以適應(yīng)新的和不可預(yù)見的用途。如斷層掃描技術(shù)，這種分段成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)得到了大量實際應(yīng)用。事實上，斷層掃描技術(shù)已經(jīng)不是一種單一的技術(shù)，它已經(jīng)演變拓展為多種分支技術(shù)。

5）NSLS這樣的綜合科研設(shè)施傾向于產(chǎn)生分設(shè)施，這些分設(shè)施本身就能支持以上描述的新的大科學(xué)的生態(tài)屬性。

研究文化的差異

新舊大科學(xué)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(yīng)”，這是NSLS已故加速器物理學(xué)家塞繆爾·克里斯凱提出的一個概念。當(dāng)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(guān)的研究數(shù)據(jù)。此外，他們還可以通過關(guān)機來更新探測器。

而同步輻射設(shè)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(yīng)”。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(xué)家那樣耐心等待更好新設(shè)施的出現(xiàn)。

其他區(qū)別還包括——

新舊大科學(xué)對監(jiān)管的擔(dān)憂：高度集中化的研究文化，對于道德和安全問題制定有嚴(yán)格有效的規(guī)定和措施，即使只是在一些大的研究機構(gòu)中得到有效實施。然而，當(dāng)研究模式演變?yōu)樾碌拇罂茖W(xué)的典型分散網(wǎng)絡(luò)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。

知識的形成：高能物理學(xué)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(xué)家通常使用大型儀器和較小的設(shè)備，將知識片段拼湊為整體，就像馬賽克一樣。此外，當(dāng)新屬性材料出現(xiàn)時，他們會改變原先的計劃。

具有諷刺意味的轉(zhuǎn)折點

大科學(xué)的起源可回溯到 1960年代和1970年代，科學(xué)界對新材料越來越大的興趣導(dǎo)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(yīng)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(shè)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(shè)備。與此同時，國家實驗室對材料科學(xué)研究的支持力度也在增加。

到了1980年，能源部對基礎(chǔ)能源科學(xué)的投資已增長到近 2億美元。雖然一件不同尋常的禮物：這是美國能源部長塞繆爾·博德曼2006年到訪布魯克海文國家實驗室時收到的禮物——一個裝有納米顆粒的玻璃瓶，它象征著實驗室的重點已轉(zhuǎn)向以新材料為基礎(chǔ)的研究，代表著以材料科學(xué)為主導(dǎo)的大科學(xué)時代的開啟。

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(xué)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(xué)的資助理由通常基于冷戰(zhàn)需要，一些大型項目至少要象征性地有助于國防力量。基礎(chǔ)研究更多被視為一種內(nèi)在價值，就像藝術(shù)一樣：提高公眾的幸福。而新的大科學(xué)興起的時代，日益強調(diào)對成熟科學(xué)資助機構(gòu)的責(zé)任，關(guān)注政府與產(chǎn)業(yè)的伙伴關(guān)系和實際應(yīng)用前景。這種優(yōu)先順序適應(yīng)于冷戰(zhàn)后的道德經(jīng)濟，即重視企業(yè)家精神和實用性。

然而，通往新的大科學(xué)之路并不是在舊的高能物理研究和新崛起的材料科學(xué)之間的競爭中形成的。具有諷刺意味的是，材料科學(xué)是通過繼承舊的大科學(xué)傳統(tǒng)，以建造超導(dǎo)超級對撞機而進入21世紀(jì)的。由于擔(dān)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于1984—1985年起草了一份與實驗室分享利益的協(xié)議。

在這個協(xié)議中，呼吁建立3個材料科學(xué)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(yīng)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(dǎo)超級對撞機項目取消，一直待在陰影中的一些材料科學(xué)項目終于占據(jù)了舞臺中心。

面臨的挑戰(zhàn)

資源經(jīng)濟學(xué)是新的大科學(xué)面臨的一個極大挑戰(zhàn)：資金來源眾多、資助模式復(fù)雜。在舊的大科學(xué)模式中，美國國家科學(xué)基金會（NSF）通過大學(xué)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(xué)資助模式中，加速器的資金幾乎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(xué)設(shè)施的用戶呈多樣化和瞬態(tài)化，其中的復(fù)雜關(guān)系很難理清，這些用戶包括通過大學(xué)、研究機構(gòu)、產(chǎn)業(yè)獲得資金的不同領(lǐng)域的科學(xué)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(xué)研究人員。

新的大科學(xué)的興起，對于舊的大科學(xué)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(yīng)用，將產(chǎn)生一些在舊的大科學(xué)模式不曾遇到過的問題。如在舊的科學(xué)模式中，審批程序的設(shè)計流程主要針對學(xué)術(shù)用戶，提議通過的過程可能需要一年時間；但新模式中的工業(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(shè)施正在尋求加速獲得使用權(quán)的途徑。

在新的大科學(xué)中，大規(guī)模材料科學(xué)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。但高能物理和核物理研究領(lǐng)域不會消失，也不會融合到一個新的領(lǐng)域中，或消失在大科學(xué)時代美國國家實驗室支持的項目中。

在舊的大科學(xué)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(xué)則呈分散式，機器設(shè)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(yīng)對、促進和評估研究。

新的大科學(xué)時代的歷史學(xué)家和其他學(xué)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)，作出建設(shè)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(xué)走向蓬勃發(fā)展的新時代。?

【作者單位：文匯報】

（摘自《文匯報》2016-08-28第7版）

責(zé)任編輯：吳曉麗