喬笑斐 路昊明

(山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究所，太原 030006)

1937年，歐內(nèi)斯特·勞倫斯(Ernest Lawrence)使用自制的回旋加速器加速氘核轟擊鉬靶，成功合成了第43號(hào)元素锝，這是第一個(gè)用人工方法制得的元素。勞倫斯因此獲得了1939年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而這個(gè)具有重要意義的加速器，成本只有不到10美元。

20世紀(jì)50年代以后，粒子物理學(xué)取得了許多輝煌成就，例如發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的新粒子、誕生了標(biāo)準(zhǔn)模型等重要理論，極大加深了人類對(duì)物質(zhì)的基本理解。然而，隨著研究的逐漸深入，加速器的能量、規(guī)模和成本迅速提高，高昂的造價(jià)等原因引發(fā)了美國(guó)的粒子加速器爭(zhēng)論。本文將對(duì)20世紀(jì)60年代的歷次爭(zhēng)論進(jìn)行梳理，并從政治、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)角度進(jìn)行分析。

1 黃金時(shí)代與冷戰(zhàn)陰影：1945—1957

二戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入持續(xù)高速發(fā)展的“黃金時(shí)代”，其用全球7%的人口生產(chǎn)出了全球42%的工業(yè)制成品、43%的電力、57%的鋼鐵、62%的原油和80%的汽車[1]。在原子彈的光環(huán)效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)的繁榮和冷戰(zhàn)的刺激下，美國(guó)政府對(duì)粒子物理學(xué)提供了無(wú)條件的支持。

基于核物理學(xué)取得的重大成功，對(duì)亞原子領(lǐng)域的繼續(xù)探索成為了科學(xué)共同體內(nèi)部的強(qiáng)烈共識(shí)。粒子物理學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)的前沿領(lǐng)域和核物理學(xué)的天然繼承者，獲得了勞倫斯、羅伯特·奧本海默(Robert Oppenheimer)、恩利克·費(fèi)米(Enrico Fermi)、羅伯特·巴徹(Robert Bacher)等眾多核物理學(xué)家的青睞。

在科學(xué)共同體之外，政府和公眾也給予了科學(xué)高度的信任。1945年7月，曼哈頓工程的發(fā)起者萬(wàn)尼瓦爾·布什(Vannevar Bush)提交了名為《科學(xué)：無(wú)盡的前沿》(Science:TheEndlessFrontier)的報(bào)告，他呼吁政府為基礎(chǔ)科學(xué)提供更多的資金支持，因?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)在理解自然規(guī)律和推動(dòng)工業(yè)、軍事、醫(yī)療技術(shù)創(chuàng)新等方面有著不可替代的作用[2]，時(shí)任白宮幕僚長(zhǎng)約翰·斯蒂爾曼(John Steelman)等政客也提出了類似的觀點(diǎn)[3]。1950年至1951年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)和科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)(SAC)相繼成立，后者隸屬于美國(guó)總統(tǒng)行政辦公室(EOP)的國(guó)防動(dòng)員辦公室(ODM)。在NSF和SAC的協(xié)同運(yùn)作下，科學(xué)共同體獲得了前所未有的資金自主分配權(quán)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，基礎(chǔ)科學(xué)獲得的聯(lián)邦撥款在1951年為7580萬(wàn)美元[4]，1954年提升至1.16億[5]。

冷戰(zhàn)的刺激進(jìn)一步擴(kuò)大了美國(guó)的科學(xué)投入。1957年10月4日，蘇聯(lián)Sputnik號(hào)衛(wèi)星于拜科努爾航天中心發(fā)射升空，這是人類歷史上第一顆進(jìn)入行星軌道的人造衛(wèi)星。因?yàn)镾putnik的巨大成功，尼基塔·赫魯曉夫(Nikita Khrushchev)當(dāng)即命令謝爾蓋·科羅廖夫(Sergei Korolev)加緊研發(fā)Sputnik 2號(hào)，以慶祝即將到來(lái)的十月革命40周年[6]。11月3日，Sputnik 2號(hào)成功發(fā)射，并且搭載了一只活體太空狗。由于蘇聯(lián)發(fā)射衛(wèi)星使用的火箭同樣可以用來(lái)發(fā)射核導(dǎo)彈，而當(dāng)時(shí)的美國(guó)在火箭建造上還存在瓶頸[7]，美國(guó)公眾自原子彈以來(lái)的技術(shù)自豪感逐漸消失殆盡，取而代之的是無(wú)盡的恐慌，愛(ài)德華·泰勒(Edward Teller)和林登·約翰遜(Lyndon Johnson)更是直言Sputnik對(duì)美國(guó)的打擊“要比珍珠港事件更嚴(yán)重”[8]。11月21日，德懷特·艾森豪威爾(Dwight Eisenhower)宣布將SAC升格為白宮直屬機(jī)構(gòu)——總統(tǒng)科學(xué)咨詢委員會(huì)(PSAC)，旨在向美國(guó)總統(tǒng)提供關(guān)于科學(xué)政策的合理建議[9]，由麻省理工學(xué)院校長(zhǎng)詹姆斯·基里安(James Killian)擔(dān)任首任主席。然而，美國(guó)在12月6日的首次衛(wèi)星發(fā)射卻以失敗告終，隨即就有一位蘇聯(lián)駐聯(lián)合國(guó)代表公開詢問(wèn)美國(guó)：是否有興趣獲得專門用于“不發(fā)達(dá)國(guó)家”的援助[10]。最終，在PSAC的推動(dòng)下，美國(guó)的第一顆人造衛(wèi)星Explorer1號(hào)于1958年2月成功發(fā)射，美國(guó)航空航天局(NASA)也于同年成立。

粒子物理學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)也在同步進(jìn)行。1953年至1954年，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的Cosmotron加速器、伯克利實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)(1)為了紀(jì)念勞倫斯，伯克利實(shí)驗(yàn)室于1959年更名為勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBL)，1995年更名為勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)。下文皆以LBL代稱。的Bevatron加速器相繼投入運(yùn)行，能量分別可達(dá)3.3 GeV 和6.2 GeV。1956年，蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合原子核研究所(JINR)成立。1957年，JINR主任弗拉基米爾·維克斯列爾(Vladimir Veksler)設(shè)計(jì)的質(zhì)子同步加速器投入運(yùn)行，能量高達(dá)10 GeV[11]。在冷戰(zhàn)的強(qiáng)烈刺激下，美國(guó)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的撥款從1956年的1.57億[12]暴漲至1957年的2.1億[13]，幾乎達(dá)到了1951年的三倍?！皣?guó)家威望”成為了各類科學(xué)項(xiàng)目被支持的重要理由，美國(guó)的新一代加速器——斯坦福直線電子加速器(SLA)(2)SLA又稱SLAC Linac。于1958年初進(jìn)入PSAC的全面評(píng)估階段。

經(jīng)歷了三十年代的大蕭條和二戰(zhàn)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)繁榮，美國(guó)政府在戰(zhàn)后給予了科學(xué)研究充足的信任與支持，科學(xué)家的社會(huì)地位大幅提高。而Sputnik的突然發(fā)射和PSAC的緊急成立，標(biāo)志著美國(guó)的科學(xué)政策進(jìn)入新的時(shí)期，科研經(jīng)費(fèi)的“黃金時(shí)代”開始了。

總體看來(lái)，自二戰(zhàn)結(jié)束后的十幾年間，粒子物理學(xué)獲得了快速發(fā)展，相繼發(fā)現(xiàn)了π介子、K介子、Λ粒子(3)此時(shí)期的新粒子大多是在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的，使用加速器探尋新粒子自1960年代成為主流。、反質(zhì)子、電子中微子，提出了楊-米爾斯理論。此時(shí)期的加速器項(xiàng)目基本沒(méi)有引發(fā)爭(zhēng)議，其原因之一在于當(dāng)時(shí)的加速器成本相對(duì)較低。然而，隨著不久后加速器規(guī)模和成本的迅速提高，爭(zhēng)論也就不可避免地產(chǎn)生了。

2 斯坦福直線電子加速器之爭(zhēng)：1958—1961

SLA的構(gòu)想最早源于愛(ài)德華·金茲頓(Edward Ginzton)和沃爾夫?qū)づ酥Z夫斯基(Wolfgang Panofsky)在1954年提出的大型直線電子加速器計(jì)劃。1956年4月，潘諾夫斯基主持召開了SLA的首次會(huì)議，正式提出新加速器的預(yù)期能量和長(zhǎng)度分別為45—50 GeV和3.2千米，建造成本則高達(dá)7800萬(wàn)美元，因此該項(xiàng)目也被命名為“M項(xiàng)目”，有“Monster”之意[14]。自1958年初，PSAC先后委任物理學(xué)家詹姆斯·菲斯克(James Fisk)和IBM公司副總裁兼首席科學(xué)家伊曼紐爾·皮奧瑞(Emanuel Piore)率領(lǐng)的兩個(gè)小組對(duì)SLA進(jìn)行評(píng)估，最終的結(jié)果是全面支持其建設(shè)。1958年4月，艾森豪威爾在白宮會(huì)見(jiàn)了皮奧瑞小組和科學(xué)家代表，基里安、埃德溫·麥克米倫(Edwin McMillan)和皮奧瑞通過(guò)演講的方式說(shuō)服了艾森豪威爾，主要理由是新加速器能夠促進(jìn)美國(guó)的科學(xué)事業(yè)和國(guó)家威望[15]。

最早提出反對(duì)意見(jiàn)的是著名核物理學(xué)家伊西多·拉比(Isidor Rabi)和漢斯·貝特(Hans Bethe)。1959年的全球粒子加速器能量上限是歐洲核子研究組織(CERN)的首個(gè)質(zhì)子同步加速器(PS)創(chuàng)造的24 GeV(后來(lái)升級(jí)至28 GeV)[16]，BNL即將建造完成的交變梯度同步加速器(AGS)還將達(dá)到33 GeV的能量新高，但實(shí)際上7 GeV就已經(jīng)可以滿足當(dāng)時(shí)全部的研究需要，因此拉比和貝特認(rèn)為45 GeV的能量是沒(méi)有道理的[15]。貝特建議將能量限制在20 GeV以內(nèi)，美國(guó)在建的零梯度同步加速器(ZGS)和劍橋電子加速器(CEA)就很好地符合了這一點(diǎn)。而潘諾夫斯基和金茲頓則以未來(lái)的研究將用到更高能量、即使降低能量也不會(huì)減少成本為由進(jìn)行反駁。但在隨后的一次討論會(huì)中，貝特收回了之前的意見(jiàn)并轉(zhuǎn)向大力支持，而拉比則成為了最堅(jiān)定的反對(duì)者之一。

1959年5月，艾森豪威爾發(fā)表了題為《科學(xué)：自由的女仆》(Science:HandmaidenofFreedom)的演講，他將SLA的建造稱為“聯(lián)邦政府的責(zé)任”，并表示：“基礎(chǔ)科學(xué)是應(yīng)用和開發(fā)的基礎(chǔ)，代表了探索和發(fā)現(xiàn)的前沿……自二戰(zhàn)以來(lái)，美國(guó)科學(xué)家獲得了一半以上的諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)，保持在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)對(duì)于提升美國(guó)的防衛(wèi)能力、經(jīng)濟(jì)和文化實(shí)力是至關(guān)重要的?！?4)艾森豪威爾于1959年5月14日在紐約的演講，見(jiàn)https://www.presidency.ucsb.edu/documents/address-science-handmaiden-freedom-new-york-city。此次演講既明確表達(dá)了總統(tǒng)對(duì)加速器項(xiàng)目和基礎(chǔ)科學(xué)的支持，也使得SLA正式進(jìn)入公眾視野。三天后，白宮發(fā)布了《基本粒子物理學(xué)的解釋性聲明》和《聯(lián)邦關(guān)于支持粒子加速器的擬定方案》兩份文件，由PSAC和美國(guó)原子能委員會(huì)(AEC)的總顧問(wèn)委員會(huì)(GAC)組成的專家組聯(lián)合起草。第一份文件中寫道：“粒子物理學(xué)所關(guān)注的現(xiàn)象與我們眼前熟悉的世界相去甚遠(yuǎn)，它不是為了有用的應(yīng)用，而是為了追求發(fā)現(xiàn)。粒子物理學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的核心，也是人類幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)為了理解宇宙而努力的成果?！盵17]第二份文件則具體強(qiáng)調(diào)了對(duì)斯坦福大學(xué)的SLA、中西部大學(xué)研究協(xié)會(huì)(MURA)的固定場(chǎng)交變梯度加速器(FFAG)的大力支持。

雖然基礎(chǔ)科學(xué)獲得的聯(lián)邦撥款在快速增加，1958年和1959年分別達(dá)到了3.31億[18]和5.43億的新高[19]，但SLA的成本也上升到了1.05億美元，相當(dāng)于美國(guó)已建成的全部加速器的造價(jià)之總和，此外還有每年1500萬(wàn)美元的運(yùn)行成本。盡管已經(jīng)獲得了總統(tǒng)的批準(zhǔn)，但如此昂貴的項(xiàng)目還需要國(guó)會(huì)的全面授權(quán)。1959年7月，在AEC的建議下，美國(guó)國(guó)會(huì)原子能聯(lián)合委員會(huì)(JCAE)召開了國(guó)會(huì)聽證會(huì)。

聽證會(huì)上，斯坦福大學(xué)校長(zhǎng)助理羅伯特·莫爾頓(Robert Moulton)，物理學(xué)家利蘭·霍沃斯(Leland Haworth)、亨利·史邁斯(Henry Smyth)、諾曼·拉姆齊(Norman Ramsey)、拉格納·羅爾夫森(Ragnar Rollefson)，工程師威廉·布羅貝克(William Brobeck)等十余人先后做了發(fā)言，他們大多對(duì)SLA表示支持，除了國(guó)家威望、科學(xué)價(jià)值等常見(jiàn)觀點(diǎn)外，此次聽證會(huì)還有一些代表性論斷，主要包括[20]：

(1)目前全球已有和在建的10 GeV級(jí)加速器都是質(zhì)子加速器，而SLA則是加速電子和正電子，其電流強(qiáng)度將至少是其他加速器的50倍。電子是比質(zhì)子更基本的粒子，電子加速器還有利于探索深層次的核內(nèi)結(jié)構(gòu)。

(2)雖然在能量小于10 GeV的情況下，環(huán)形加速器可以節(jié)省大量資金，但在能量很高的情況下，過(guò)大的圓環(huán)尺寸將使環(huán)形加速器失去經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。直線電子加速器還有許多優(yōu)于環(huán)形加速器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比如有利于避免其他類型的加速器在建造過(guò)程中潛在的困難、有利于研究反物質(zhì)和奇異粒子、有利于發(fā)現(xiàn)新粒子等等。

(3)該項(xiàng)目在粒子物理學(xué)研究中具有全球范圍內(nèi)的科學(xué)意義，它將為高水平的國(guó)際交流與合作提供獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

從這些觀點(diǎn)中可以看出，直線形、加速電子等設(shè)計(jì)優(yōu)越性是SLA獲得支持的重要原因，這種設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)是具有創(chuàng)造性的，而不是簡(jiǎn)單地在主流加速器的基礎(chǔ)上進(jìn)行能量提升。

反對(duì)的聲音也持續(xù)不斷。除了拉比以外，CEA項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人斯坦利·利文斯頓(Stanley Livingston)、后來(lái)的1963年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主尤金·維格納(Eugene Wigner)、民主黨議員克林頓·安德森(Clinton Anderson)都對(duì)SLA提出了反對(duì)意見(jiàn)，主要包括([21]，pp273—275)：

(1)加利福尼亞州坐落于巨大的地震帶——圣安地列斯斷層之上，加速器容易受到地震的影響，具體的組織管理、建筑設(shè)計(jì)和施工方法還需要進(jìn)一步的研究。

(2)SLA將從軍事研究中吸引過(guò)多的青年科學(xué)家轉(zhuǎn)到粒子物理學(xué)，而軍事和國(guó)防安全應(yīng)當(dāng)被列為最高優(yōu)先級(jí)。

(3)SLA過(guò)高的成本將會(huì)侵占CEA等其他加速器項(xiàng)目的撥款。

科學(xué)共同體內(nèi)部的資源分配問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)，而這種情況也主導(dǎo)了后來(lái)的加速器爭(zhēng)論。更糟糕的是，時(shí)任AEC主席約翰·麥考恩(John McCone)也對(duì)SLA頗有不滿。接任基里安的新任PSAC主席喬治·基斯提雅科斯基(George Kistiakowsky)在日記中寫道：“麥考恩預(yù)測(cè)我們不會(huì)從國(guó)會(huì)拿到錢，他認(rèn)為科學(xué)家只會(huì)在政府里制造麻煩……總統(tǒng)應(yīng)該任命像約翰·麥克洛伊(John McCloy)這樣的人取代麥考恩?！?[21]，pp21—23)事實(shí)上，麥考恩出身于商人世家，曾在哈里·杜魯門(Harry Truman)時(shí)期擔(dān)任美國(guó)空軍副部長(zhǎng)，后在約翰·肯尼迪(John Kennedy)時(shí)期擔(dān)任中央情報(bào)局局長(zhǎng)[22]，而接替麥考恩的下一任AEC主席則是著名化學(xué)家格倫·西博格(Glenn Seaborg)，他曾與麥克米倫共享了1951年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在1959年組成的第86屆美國(guó)國(guó)會(huì)中，民主黨議員在參議院和眾議院的席位占比分別達(dá)到66%和65%，他們將SLA稱為“艾森豪威爾的加速器”[14]。在1960年5月舉行的眾議院投票上，共和黨強(qiáng)調(diào)“拒絕批準(zhǔn)該項(xiàng)目可能會(huì)使蘇聯(lián)在粒子物理和核研究方面處于領(lǐng)先地位，并向世界表明美國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)走向衰落?！泵裰鼽h則以“出乎意料的成本增加”為由，認(rèn)為該項(xiàng)目“需要進(jìn)一步的工程評(píng)估”，SLA再次以194票反對(duì)(60.1%)、129票支持(39.9%)被否決。國(guó)會(huì)授權(quán)在這種情況下被反復(fù)拖延，直到1961年9月才最終獲批，而此時(shí)已經(jīng)是新一屆的國(guó)會(huì)和政府。1962年7月，SLA正式動(dòng)工，斯坦福直線加速器中心(SLAC)成立，最終于1966年建成并投入運(yùn)行，實(shí)際獲得撥款1.14億美元。

圍繞SLA的爭(zhēng)論是50年代末至60年代初期的一場(chǎng)重要的科學(xué)爭(zhēng)論，如果沒(méi)有國(guó)會(huì)的重重阻攔，SLA原本可以提前幾年投入使用。艾森豪威爾于1960年12月主持了離任前的最后一次PSAC會(huì)議，當(dāng)他得知國(guó)會(huì)再次推遲了授權(quán)時(shí)，他對(duì)民主黨對(duì)科學(xué)政策的干預(yù)表示了不滿[23]。雖然此次爭(zhēng)論有科學(xué)界的廣泛參與，但政治因素起到了更大的影響。

3 百GeV級(jí)加速器之爭(zhēng)與費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的成立：1961—1967

隨著1961年1月肯尼迪入主白宮和第87屆國(guó)會(huì)的成立，冷戰(zhàn)逐漸走向白熱化。以肯尼迪和約翰遜為代表的民主黨是冷戰(zhàn)中的激進(jìn)派，他們力主在科學(xué)、技術(shù)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域全面超越蘇聯(lián)，“打敗蘇聯(lián)”成為了重要的政治口號(hào)。阿波羅計(jì)劃于1961年5月正式啟動(dòng)標(biāo)志著美國(guó)的大科學(xué)時(shí)代進(jìn)入全盛時(shí)期，SLA最終的成功獲批也促使美國(guó)科學(xué)界提出了越來(lái)越多的大型加速器計(jì)劃，ZGS、CEA、普林斯頓-斯坦福電子對(duì)撞機(jī)、88英寸回旋加速器在幾年內(nèi)相繼建成，新的爭(zhēng)論也在這樣的背景下出現(xiàn)了。

1961年3月，PSAC公布了未來(lái)十年的加速器計(jì)劃，其中提到“蘇聯(lián)進(jìn)一步表明了其在這一領(lǐng)域繼續(xù)前進(jìn)的決心……美國(guó)只有擴(kuò)大加速器規(guī)模才能保持優(yōu)勢(shì)”，建議在下個(gè)十年中將粒子物理領(lǐng)域的投入提升至原先的四倍，其中的3.5億美元將用于建造新一代的百GeV級(jí)大型加速器[24]。僅一個(gè)月后，BNL、LBL和西部加速器聯(lián)盟(WAG)(5)成立于1960年，由加州理工學(xué)院發(fā)起，成員包括加州大學(xué)洛杉磯分校、加州大學(xué)圣地亞哥分校、南加州大學(xué)等。就分別提出了100—300 GeV的加速器建造方案，而AEC和多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為美國(guó)只能負(fù)擔(dān)得起一臺(tái)百GeV級(jí)加速器。WAG的提案最具創(chuàng)新性且成本最低，LBL和BNL則分別擁有一支經(jīng)驗(yàn)豐富的加速器制造團(tuán)隊(duì)，但BNL的劣勢(shì)在于其建造的AGS剛剛投入運(yùn)行，而此時(shí)還有MURA的FFAG、康奈爾大學(xué)的電子同步加速器等項(xiàng)目處于待批準(zhǔn)狀態(tài)。

冷戰(zhàn)再次刺激了美國(guó)粒子物理學(xué)的進(jìn)程。1962年11月，蘇聯(lián)的U-70質(zhì)子同步加速器進(jìn)入建造階段，預(yù)期能量70 GeV，是AGS的兩倍以上[25]。同月，PSAC和GAC再次成立了調(diào)查小組，委任拉姆齊為組長(zhǎng)，成員主要包括菲利普·艾貝爾森(Philip Abelson)、歐文·張伯倫(Owen Chamberlain)、默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)、李政道、潘諾夫斯基、愛(ài)德華·珀塞耳(Edward Purcell)等十位科學(xué)家。拉姆齊小組在接下來(lái)的半年時(shí)間里召開了14次會(huì)議，并最終在1963年4月26日發(fā)布了報(bào)告，其中指出(6)詳見(jiàn)AEC的TID-18636號(hào)報(bào)告：Report of the Panel on High Energy Accelerator Physics of the General Advisory Committee to the Atomic Energy Commission and the President’s Science Advisory Committee。：

(1)以LBL的200 GeV加速器項(xiàng)目作為最優(yōu)先事項(xiàng)。

(2)作為第二優(yōu)先事項(xiàng)，建議BNL對(duì)600—1000 GeV項(xiàng)目進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)研究。

(3)對(duì)MURA的FFAG項(xiàng)目繼續(xù)推遲。

LBL在三個(gè)加速器項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中勝利了，而BNL的項(xiàng)目最終演變?yōu)楹髞?lái)的ISABELLE對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目(7)即BNL于1978年開始建造的800 GeV對(duì)撞機(jī)，目標(biāo)是尋找傳遞弱相互作用的中間矢量玻色子W±和Z0，但由于超導(dǎo)磁體的技術(shù)問(wèn)題而在1981年陷入停滯，最終在1983年CERN發(fā)現(xiàn)W±和Z0之后被終止。。盡管MURA以FFAG的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)作為辯護(hù)，但此份報(bào)告幾乎是宣布了FFAG的死刑(8)FFAG項(xiàng)目正式被取消于1964年。，這引起了中西部地區(qū)議員的強(qiáng)烈不滿，他們認(rèn)為聯(lián)邦將過(guò)多的科學(xué)資源集中在西部和東北地區(qū)，而中西部擁有12個(gè)州和超過(guò)20%的全國(guó)人口，卻基本沒(méi)有大型科學(xué)設(shè)施(9)當(dāng)時(shí)中西部唯一的加速器是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的ZGS，其最早被提出于蘇聯(lián)的10 GeV加速器在1957年建成后不久，但漫長(zhǎng)的工期使得這臺(tái)12.5 GeV的機(jī)器在1963年建成時(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遜色于新一代的加速器。，這體現(xiàn)了嚴(yán)重的資源分配不公。中西部議員在接下來(lái)的幾個(gè)月里持續(xù)不斷地向AEC和肯尼迪就此事提出意見(jiàn)，爭(zhēng)論還遠(yuǎn)未結(jié)束。

1963年11月，肯尼迪突然遇刺身亡。約翰遜繼任總統(tǒng)后，美國(guó)開始全面介入越南戰(zhàn)爭(zhēng)。1964年8月，美國(guó)對(duì)北越發(fā)起了第一次公開的武裝進(jìn)攻，越美軍數(shù)量在五年之內(nèi)從1.6萬(wàn)人增加至54.3萬(wàn)人。不久，LBL于1965年6月發(fā)布了200 GeV加速器的詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告，預(yù)計(jì)7年建成，建造成本為3.48億美元，而此時(shí)AEC已經(jīng)將新加速器的預(yù)算從3.5億下調(diào)至2.5億，粒子物理學(xué)的1965年總預(yù)算下調(diào)至2.8億。9月，羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)公開對(duì)LBL的設(shè)計(jì)提出了批評(píng)，他認(rèn)為此方案是“糟糕的”，不僅“過(guò)于保守”，而且“缺乏想象力”。隨后，威爾遜獨(dú)立開展了200 GeV加速器的設(shè)計(jì)工作，他主張使用H形磁體代替C形磁體，并在許多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上做出了調(diào)整，預(yù)計(jì)最終成本為1億美元，預(yù)期3年建成，這與LBL的設(shè)計(jì)形成了鮮明的對(duì)比[26]。高昂的軍事支出導(dǎo)致了科學(xué)預(yù)算的緊縮，加速器方案再次進(jìn)入討論階段。

截至1965年7月，AEC已經(jīng)收到了來(lái)自46個(gè)州的大約200個(gè)新加速器的選址提案，由于此項(xiàng)目會(huì)帶來(lái)相當(dāng)可觀的就業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，各地政客對(duì)該項(xiàng)目表現(xiàn)出了濃厚的興趣。1966年3月，AEC將候選地址縮小到了6個(gè)：威斯康星州的麥迪遜、加利福尼亞州的薩克拉門托、科羅拉多州的丹佛、紐約州的長(zhǎng)島、密歇根州的安娜堡、伊利諾伊州的韋斯頓[27]。1966年12月，最終地點(diǎn)被確定為韋斯頓——一個(gè)經(jīng)濟(jì)落后的中西部小鎮(zhèn)。主流觀點(diǎn)認(rèn)為這主要是出于政治考量，即為了緩和長(zhǎng)期以來(lái)的資源分配不平衡問(wèn)題，也有相關(guān)人士指出這是約翰遜和來(lái)自伊利諾伊州的參議院少數(shù)黨領(lǐng)袖埃弗里特·迪克森(Everett Dirksen)(10)雖然來(lái)自不同政黨，迪克森卻成為了約翰遜的越戰(zhàn)擴(kuò)大化政策的最主要支持者之一。之間的政治交易[28]。鑒于威爾遜此前已經(jīng)出色地完成了康奈爾大學(xué)的加速器項(xiàng)目，而且他提出的新方案更適合當(dāng)前的預(yù)算環(huán)境，威爾遜于1967年2月被任命為國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(NAL)的首任主任，全面主持新加速器項(xiàng)目的建設(shè)，LBL也接受了這一結(jié)果。1972年3月，新加速器在預(yù)算不足的情況下成功達(dá)到200 GeV的設(shè)計(jì)能量，其正式名稱為主環(huán)(Main Ring)，在1983年以后成為了Tevatron加速器的一部分并一直使用至1999年。為了紀(jì)念費(fèi)米，NAL于1974年更名為費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)。

200 GeV加速器的建造和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的成立是一波三折的，從最初幾個(gè)美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)室之間的建造方案爭(zhēng)論到后來(lái)全國(guó)性的選址爭(zhēng)論，經(jīng)濟(jì)因素影響了事情發(fā)展的走向，而政治因素成為了導(dǎo)致最終結(jié)果的決定性力量。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室就是這樣在政治的漩渦和諸多偶然因素的共同作用下成立的。盡管新加速器和新實(shí)驗(yàn)室為粒子物理學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了光明的前景，但在美國(guó)深陷越戰(zhàn)泥潭和經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩的大背景下，依然招致了社會(huì)公眾的廣泛批評(píng)?！都~約時(shí)報(bào)》(TheNewYorkTimes)對(duì)此評(píng)論道：“200 GeV加速器與解決當(dāng)前真正的國(guó)家問(wèn)題無(wú)關(guān)。美國(guó)在越南陷入了一場(chǎng)血腥的戰(zhàn)爭(zhēng)；美國(guó)城市街道上充滿了反對(duì)種族和經(jīng)濟(jì)不平等的暴動(dòng)游行；數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的美國(guó)人居無(wú)定所、缺少基本的醫(yī)療服務(wù)和教育機(jī)會(huì)。現(xiàn)在將數(shù)億元投入到不必要的科學(xué)奢侈品中，是對(duì)國(guó)家優(yōu)先事項(xiàng)的扭曲?！?11)出自刊登于1967年7月16日《紐約時(shí)報(bào)》第142版的評(píng)論文章，原標(biāo)題為：… vs. Scientific Luxury。不僅如此，粒子物理學(xué)持續(xù)增長(zhǎng)的經(jīng)費(fèi)還對(duì)其他學(xué)科的發(fā)展造成了威脅，一場(chǎng)美國(guó)物理學(xué)界內(nèi)部的爭(zhēng)論展開了。

4 學(xué)科優(yōu)先級(jí)與資金分配之爭(zhēng)：1964年起

與之前的爭(zhēng)論不同的是，始于1964年的這場(chǎng)爭(zhēng)論的重點(diǎn)是學(xué)科發(fā)展的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，即在資金有限的情況下，粒子物理學(xué)是否應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展。事實(shí)上，粒子物理學(xué)的龐大預(yù)算已經(jīng)多次侵占其他科學(xué)領(lǐng)域的科研資金。爭(zhēng)論的參與者以粒子物理學(xué)家和凝聚態(tài)物理學(xué)家為主，前者認(rèn)為粒子物理學(xué)作為最基礎(chǔ)的學(xué)科理應(yīng)優(yōu)先發(fā)展，后者則強(qiáng)調(diào)科學(xué)沒(méi)有真正意義上的基礎(chǔ)。這場(chǎng)爭(zhēng)論不在于討論某個(gè)具體的加速器項(xiàng)目，而側(cè)重于對(duì)粒子物理學(xué)本身的價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，因而具有深遠(yuǎn)的意義。

在1964年3月的AEC聽證會(huì)上，JCAE主席切斯特·霍利菲爾德(Chester Holifield)指出：粒子物理學(xué)的預(yù)算已經(jīng)從1960年的5300萬(wàn)美元提升至1964年的1.35億美元，其他科學(xué)領(lǐng)域的撥款將會(huì)被粒子物理學(xué)擠壓，維格納和艾貝爾森也抱怨粒子物理學(xué)正在奪走其他科學(xué)領(lǐng)域的資金。

率先系統(tǒng)地對(duì)粒子物理學(xué)發(fā)起攻擊的是橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)主任阿爾文·溫伯格(Alvin Weinberg)。他提出：不同科學(xué)領(lǐng)域獲得資助的優(yōu)先級(jí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)用性和與臨近學(xué)科的相關(guān)性來(lái)排序。按照這種標(biāo)準(zhǔn)，粒子物理學(xué)與其他的科學(xué)領(lǐng)域相距甚遠(yuǎn)，能夠帶來(lái)的實(shí)用性技術(shù)也近乎為零。相比之下，分子生物學(xué)與臨近學(xué)科關(guān)系密切，并且能夠創(chuàng)造很高的實(shí)用價(jià)值。而如果粒子物理學(xué)很便宜的話，這本不會(huì)成為問(wèn)題，但由于大型粒子加速器造價(jià)不菲，粒子物理學(xué)往往需要非常高額的資金。因此，雖然粒子物理學(xué)已經(jīng)在核物理學(xué)的光環(huán)下恣意發(fā)展了多年，但是從現(xiàn)在起，它不應(yīng)該再受到這種理所當(dāng)然的支持[29]。

阿爾文·溫伯格的觀點(diǎn)很快就遭到了質(zhì)疑。1965年1月，BNL出版了一本名為《物質(zhì)的本質(zhì)：粒子物理學(xué)的意義》(NatureofMatter:PurposesofHighEnergyPhysics)的小冊(cè)子，由袁家騮主編，收錄了眾多知名物理學(xué)家對(duì)于粒子物理學(xué)的觀點(diǎn)，旨在消除“不僅在公眾之間，而且也在整個(gè)科學(xué)共同體之間”對(duì)于粒子物理學(xué)的誤解，并且證明建造大型粒子加速器的合理性，部分觀點(diǎn)如下[30]：

(1)斯蒂芬·溫伯格(Steven Weinberg)：自然界中存在一種具有簡(jiǎn)單性和絕對(duì)性的終極規(guī)律，所有的科學(xué)都從這個(gè)規(guī)律中產(chǎn)生。粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)是最有可能找到終極規(guī)律的領(lǐng)域，這是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)獨(dú)有的內(nèi)在價(jià)值，其他任何學(xué)科都不具備這一點(diǎn)。如果因?yàn)閮r(jià)格昂貴就不再建造新的加速器和望遠(yuǎn)鏡，就意味著放棄了科學(xué)的終極目標(biāo)。

(2)朱利安·施溫格(Julian Schwinger)：每個(gè)時(shí)代的物理學(xué)家對(duì)自然的理解程度，都制約著當(dāng)前的科學(xué)水平、技術(shù)方式和社會(huì)文化。粒子物理學(xué)家正在對(duì)更深層次的自然進(jìn)行探索，某些看似獨(dú)立的自然現(xiàn)象將有可能在更深的層次達(dá)到統(tǒng)一。

(3)維克托·韋斯科夫(Victor Weisskopf)：科學(xué)研究包括深入性研究和廣泛性研究?jī)蓚€(gè)維度。粒子物理學(xué)、核物理學(xué)屬于深入性研究，致力于發(fā)現(xiàn)基本定律。凝聚態(tài)物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、生物學(xué)屬于廣泛性研究，旨在根據(jù)已有的基本定律對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

1967年，韋斯科夫進(jìn)一步闡述了他的觀點(diǎn)：粒子物理學(xué)是主要的前沿科學(xué)之一，它試圖在我們所有已知的物質(zhì)之上，建立物理學(xué)的基本定律，即尋找四種基本相互作用遵循的定律，并最終實(shí)現(xiàn)四者的統(tǒng)一。除了解釋粒子間的相互作用以外，粒子物理學(xué)還試圖尋找粒子本身存在的原因。粒子物理學(xué)在今天扮演的角色，就是1900年至1925年原子物理學(xué)扮演的角色，也是1925年至1950年核物理學(xué)扮演的角色，代表了當(dāng)前時(shí)代對(duì)物質(zhì)研究的最前沿。而且，粒子物理學(xué)是物理學(xué)教育的重要組成部分，如果將粒子物理學(xué)置于次要學(xué)科，科學(xué)教育將會(huì)失去其本質(zhì)特征：對(duì)基本定律的追求，對(duì)理解新現(xiàn)象的渴望。

作為回應(yīng)，菲利普·安德森(Philip Anderson)于1972年發(fā)表了一篇頗具影響力的文章《多者異也》(More Is Different)，對(duì)粒子物理學(xué)家普遍持有的還原論觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑：“大型和復(fù)雜的基本粒子集合體的行為，并不能按照少數(shù)基本粒子性質(zhì)的簡(jiǎn)單外推來(lái)理解。事實(shí)上，在復(fù)雜性的每一個(gè)層次，都會(huì)有嶄新的性質(zhì)出現(xiàn)，為理解這些新行為所進(jìn)行的研究，本質(zhì)上同樣是基礎(chǔ)性的……在每一個(gè)層次上，我們都會(huì)遇到迷人的、非?；镜膯?wèn)題，即：將不那么復(fù)雜的部分組合為一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)，并理解由此而來(lái)的本質(zhì)上新型的行為。”[31]安德森的觀點(diǎn)可以總結(jié)為一種新的綱領(lǐng)——涌現(xiàn)論，即就自然規(guī)律而言，物理世界是個(gè)由大體上相互獨(dú)立的層次構(gòu)成的等級(jí)結(jié)構(gòu)[32]。安德森的觀點(diǎn)獲得了凝聚態(tài)物理學(xué)家的廣泛支持，他也切身參與了一些反對(duì)建造粒子加速器的抗議活動(dòng)，比如反對(duì)英國(guó)參與CERN的新加速器項(xiàng)目[33]。他多次強(qiáng)調(diào)科學(xué)是沒(méi)有等級(jí)之分的，粒子物理學(xué)并不比其他任何學(xué)科更基礎(chǔ)，這些“錯(cuò)誤的觀點(diǎn)”是建立在“過(guò)時(shí)的科學(xué)哲學(xué)”之上的。

謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)和利昂·萊德曼(Leon Lederman)的觀點(diǎn)與韋斯科夫一致：在國(guó)際象棋中，有兩個(gè)截然不同但又相互聯(lián)系的任務(wù)，首先是學(xué)習(xí)象棋的基本規(guī)則，其次是成為一名象棋大師。在科學(xué)中：第一個(gè)任務(wù)與粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)相對(duì)應(yīng)，是根本性任務(wù)；第二個(gè)任務(wù)與凝聚態(tài)物理學(xué)和其他學(xué)科相對(duì)應(yīng)，是將已知的基本規(guī)則拓展并應(yīng)用于可觀察的現(xiàn)象，是相關(guān)性任務(wù)[34]。

貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)的艾米·弗洛里(Aimé Fleury)具體描述了小科學(xué)項(xiàng)目被削減預(yù)算的事實(shí)：“盡管政府對(duì)科學(xué)研究的總體支持有所增加，但大部分資金都流向了粒子加速器等大型科學(xué)項(xiàng)目，以及一些以空間站為代表的科研價(jià)值不高的項(xiàng)目。每一個(gè)大型項(xiàng)目投資的背后，往往會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)小型科研項(xiàng)目被剝奪資金，而這些項(xiàng)目卻對(duì)于保持美國(guó)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要，比如半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和其他尖端技術(shù)?！盵35]尼古拉·布隆伯格根(Nicolaas Bloembergen)和安德森進(jìn)一步指出：在美國(guó)，超導(dǎo)領(lǐng)域的每一位研究者都在經(jīng)歷著反復(fù)且嚴(yán)重的資金削減……粒子物理學(xué)也并不是某些支持者聲稱的獲取新的基礎(chǔ)知識(shí)的唯一途徑[36]。與粒子物理學(xué)相比，凝聚態(tài)物理學(xué)、材料科學(xué)等其他領(lǐng)域的研究資金嚴(yán)重不足，盡管這些領(lǐng)域更有可能產(chǎn)生具有經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)價(jià)值的應(yīng)用產(chǎn)品。

從某種意義上來(lái)說(shuō)，這場(chǎng)爭(zhēng)論至今仍在繼續(xù)，這與學(xué)科自身的特性密切相關(guān)，雖然粒子物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)都以量子場(chǎng)論為基礎(chǔ)，但是發(fā)展出了兩種截然不同的科學(xué)哲學(xué)觀。在冷戰(zhàn)形勢(shì)最為嚴(yán)峻的六七十年代，以安德森為代表的凝聚態(tài)物理學(xué)家對(duì)粒子物理學(xué)提出的質(zhì)疑，并沒(méi)有動(dòng)搖后者在美國(guó)科學(xué)中的優(yōu)先性地位。但在80年代后期和冷戰(zhàn)結(jié)束以后，美國(guó)逐漸失去了在粒子物理學(xué)領(lǐng)域的全球統(tǒng)治性地位，其中的標(biāo)志性事件是超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)(SSC)于1993年的終止。盡管SSC被取消的原因是復(fù)雜的，但凝聚態(tài)物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)粒子物理學(xué)和還原論的批判無(wú)疑起到了重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

60年代以來(lái)，粒子物理學(xué)取得的成就是有目共睹的，其發(fā)現(xiàn)和成果占據(jù)了約三分之一的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在持續(xù)的爭(zhēng)論聲中，SLAC的斯坦福直線電子加速器、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的200 GeV加速器和Tevatron最終都成功投入運(yùn)行，前者在發(fā)現(xiàn)J/ψ介子、τ子和證明夸克的存在等方面做出了重要貢獻(xiàn)，后者則發(fā)現(xiàn)了著名的頂夸克。

事實(shí)證明，拉比和貝特當(dāng)初對(duì)于加速器能量過(guò)高的擔(dān)憂是多慮的，較低的能量雖然可以滿足當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)需要，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比如希格斯玻色子和頂夸克的靜能量就分別達(dá)到了125 GeV和172 GeV。粒子加速器的能量和規(guī)模在幾十年里持續(xù)提高，目前全球能量最高的加速器是CERN在2008年建成的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，其能量高達(dá)13 TeV，即1.3×104GeV?；蛟S正如丁肇中所說(shuō)：“30年以后，你的科學(xué)目標(biāo)還有沒(méi)有意義？如果這個(gè)科學(xué)只在現(xiàn)在有意義，那你就不要做了。”[37]

斯坦福加速器之爭(zhēng)、200 GeV加速器建造方案之爭(zhēng)和選址之爭(zhēng)、粒子物理學(xué)優(yōu)先性之爭(zhēng)的側(cè)重點(diǎn)各有不同，其中既有對(duì)科學(xué)價(jià)值本身的探討，也有關(guān)于資源分配問(wèn)題的爭(zhēng)論，還有出于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境的考量，但都集中體現(xiàn)了科學(xué)背后的政治博弈。一方面是爭(zhēng)論各方的觀點(diǎn)產(chǎn)生了重要影響，另一方面是政治成為了科學(xué)決策的決定性力量。政治對(duì)科學(xué)的影響是顯而易見(jiàn)的，這也是大科學(xué)時(shí)代的必然結(jié)果，因?yàn)榇笮涂茖W(xué)裝置往往需要舉國(guó)之力甚至國(guó)際合作才能完成，像邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)這樣花費(fèi)很低且意義深遠(yuǎn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)自20世紀(jì)中葉以來(lái)已經(jīng)越來(lái)越少。

時(shí)至今日，LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，但探索并未終結(jié)。我們目前對(duì)中微子、CP破缺、暗物質(zhì)、反物質(zhì)等領(lǐng)域知之甚少，未來(lái)一定需要更新的、更強(qiáng)大的加速器，這就意味著需要更大的規(guī)模和更高的成本。因此，當(dāng)新的加速器項(xiàng)目被提出時(shí)，隨之而來(lái)的爭(zhēng)論似乎是不可避免的。

中國(guó)近年來(lái)就有許多關(guān)于加速器的爭(zhēng)論，爭(zhēng)論的重點(diǎn)在于是否應(yīng)該在中國(guó)投資建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)和超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(SPPC)。CEPC是預(yù)期能量250 GeV的希格斯工廠，目標(biāo)是精確測(cè)量希格斯玻色子的性質(zhì)。SPPC的預(yù)期能量和成本則高達(dá)100 TeV和1000億人民幣，致力于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理現(xiàn)象。60年代美國(guó)的加速器爭(zhēng)論在今天仍然具有借鑒意義，我們可以對(duì)歷史進(jìn)行思考，從而獲得靈感和啟發(fā)。