新的大科学

方陵生

新的大科学

方陵生

“大科学”，是指规模巨大、人数众多、投资庞大、有相当社会影响的综合性科学研究，其概念最早由美国科学学家普赖斯于 20世纪60年代提出。时至今日，一些重要科研机构的大规模研究运行特点和研究文化都在发生变化，大科学进入了新的时代。

新的大科学有什么特点

我们以“新的大科学”这一术语来描述当前以材料科学为主导的大规模研究时代。与旧的大科学时代相比，新的大科学更能促进小规模的研究和实验，促进国际和多学科的协作，尤其在生物医学领域。

美国国家同步辐射光源（NSLS）代表了新的大科学的崛起。该项目在1982年开始运作，当时材料科学设施（同步光源和中子散射设施）开始取代高能加速器，成为美国最大国家实验室的重点项目。

从NSLS的研究特点，我们可以看出新旧两个科学时代的区别——

1）NSLS的许多研究项目从一开始就是产业的整合，其目的之一是为一系列产业用户和其他感兴趣的用户提供机会。

2）涉及到跨学科网络的范围和复杂性，一个例子是NSLS资源开发实验室的近红外可扩展波荡器系统（NISUS）。参与NISUS开发的还有能源部的其他4个实验室：托马斯·杰斐逊国家加速器实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室和斯坦福直线加速器中心，3个工业合作伙伴是波音公司、诺斯罗普·格鲁曼公司和 STI光电公司，3个大学合作伙伴是杜克大学、加州大学洛杉矶分校和密歇根大学。

NISUS是一个支持不同实验的科学网络，而不是一个中枢，其发展是一种相关或关联的关系，而不是简单的扩展。此外，新的大科学的材料科学项目通常涉及技术项目的实际应用和推广，其结果是，项目的跨学科网络不仅包括有合作关系的科学家网络，还包括了与这些科学家接洽进行技术准备和引导进入市场的人才网络。

3）“章鱼”状的研究网络特征：NSLS的一个研究领域，甚至某个具体的研究项目，都有可能用到多种实验仪器设备。NSLS的研究项目也可能涉及到布鲁克海文国家实验室和其他实验室的一些技术和仪器。

4）技术的多种稳定性，即可以适应新的和不可预见的用途。如断层扫描技术，这种分段成像技术在生物医学领域内得到了大量实际应用。事实上，断层扫描技术已经不是一种单一的技术，它已经演变拓展为多种分支技术。

5）NSLS这样的综合科研设施倾向于产生分设施，这些分设施本身就能支持以上描述的新的大科学的生态属性。

研究文化的差异

新旧大科学之间的差异还涉及到研究文化。其中一个区别是“克里斯凯效应”，这是NSLS已故加速器物理学家塞缪尔·克里斯凯提出的一个概念。当高能物理机器发生故障或停机改进时，实验者都会耐心等待。为什么呢？原因之一是实验者知道没有人能抢在他们前面取得成果。另一个原因是他们别无选择，因为他们通常只有在机器能够工作的时候才能产生相关的研究数据。此外，他们还可以通过关机来更新探测器。

而同步辐射设施的研究文化则不同。如果机器坏了，研究可能会被别人抢先，探测器通常很少全面升级，而是替代以大幅度的功能改善。随着美国和世界加速器数量的减少，同步光源的数量随之上升，如今已有60多个。研究人员知道还有其他几十个拥有类似功能的可用同步光源。如果用户不满意还可以去别的地方，甚至将他们的仪器带走。研究生态从内向外分散，产生了一种以用户要求为上的氛围。NSLS的实验人员约翰·加拉伊达将这种趋势称之为“集中模式越来越少、按用户要求定制的研究文化氛围越来越浓的后克里斯凯效应”。X射线用户只对目前能获得的资源更感兴趣，而不是像高能物理学家那样耐心等待更好新设施的出现。

其他区别还包括——

新旧大科学对监管的担忧：高度集中化的研究文化，对于道德和安全问题制定有严格有效的规定和措施，即使只是在一些大的研究机构中得到有效实施。然而，当研究模式演变为新的大科学的典型分散网络时，一些规章制度变得更加难以实施和执行，极端的分散势必会威胁和破坏整体的有效伦理和安全监管。

知识的形成：高能物理学家总是使用加速器在整体知识上添加知识片段，而材料科学家通常使用大型仪器和较小的设备，将知识片段拼凑为整体，就像马赛克一样。此外，当新属性材料出现时，他们会改变原先的计划。

具有讽刺意味的转折点

大科学的起源可回溯到 1960年代和1970年代，科学界对新材料越来越大的兴趣导致美国国家实验室出现一批大型实验机器。在1960年代早期，用于中子散射研究的反应器建在布鲁克海文国家实验室和橡树岭国家实验室里，1960年代末，首个光源设备已经完成，但其大多数操作借用了主要用于高能物理的实验设备。与此同时，国家实验室对材料科学研究的支持力度也在增加。

到了1980年，能源部对基础能源科学的投资已增长到近 2亿美元。虽然一件不同寻常的礼物：这是美国能源部长塞缪尔·博德曼2006年到访布鲁克海文国家实验室时收到的礼物——一个装有纳米颗粒的玻璃瓶，它象征着实验室的重点已转向以新材料为基础的研究，代表着以材料科学为主导的大科学时代的开启。

这个数额还是低于高能物理研究的3亿美元，但却多于同样使用大型仪器的核物理研究的 1亿美元。

美国科学政策环境从 1980年代开始发生变化，并于1990年代达到极致。特别是在这段时期里，对于国家实验室及其大型项目的资助理由也开始有了变化。旧的大科学的资助理由通常基于冷战需要，一些大型项目至少要象征性地有助于国防力量。基础研究更多被视为一种内在价值，就像艺术一样：提高公众的幸福。而新的大科学兴起的时代，日益强调对成熟科学资助机构的责任，关注政府与产业的伙伴关系和实际应用前景。这种优先顺序适应于冷战后的道德经济，即重视企业家精神和实用性。

然而，通往新的大科学之路并不是在旧的高能物理研究和新崛起的材料科学之间的竞争中形成的。具有讽刺意味的是，材料科学是通过继承旧的大科学传统，以建造超导超级对撞机而进入21世纪的。由于担心项目之间的竞争引起冲突、破坏对撞机的前景，美国能源部能源研究办公室于1984—1985年起草了一份与实验室分享利益的协议。

在这个协议中，呼吁建立3个材料科学项目：劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源项目、阿贡国家实验室先进光子源项目和橡树岭国家实验室的反应器项目，后者已演变成散裂中子源。另外还支持了两个核物理项目：布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机和弗吉尼亚州纽波特纽斯的杰斐逊实验室。1993年超导超级对撞机项目取消，一直待在阴影中的一些材料科学项目终于占据了舞台中心。

面临的挑战

资源经济学是新的大科学面临的一个极大挑战：资金来源众多、资助模式复杂。在旧的大科学模式中，美国国家科学基金会（NSF）通过大学赞助一些高能物理研究，但几乎所有的高能物理加速器及其研究的资助都来自美国能源部及其前身原子能委员会的单一研究计划。在新的大科学资助模式中，加速器的资金几乎全部来自美国能源部，但研究经费则来自能源部和 NSF的各种计划以及来自产业和美国国立卫生研究院。此外，新的大科学设施的用户呈多样化和瞬态化，其中的复杂关系很难理清，这些用户包括通过大学、研究机构、产业获得资金的不同领域的科学家，以及从国立卫生研究院、医院和制药公司获得资金的医学研究人员。

新的大科学的兴起，对于旧的大科学的传统管理和推广方法是一个很大的压力，由此促进了新方法的发展。

同步光源的工业应用，将产生一些在旧的大科学模式不曾遇到过的问题。如在旧的科学模式中，审批程序的设计流程主要针对学术用户，提议通过的过程可能需要一年时间；但新模式中的工业用户通常需要更快速的审批时间。如IBM等拥有自己光束线的大公司，审批过程可以走上“快车道”。但是对于没有光束线的小型企业来说，旷日持久的审批时间是一个大问题，一些用户设施正在寻求加速获得使用权的途径。

在新的大科学中，大规模材料科学加速器已取代了高能物理加速器成为美国最大国家实验室的重点项目。这个新阶段给实验室的运行特点和研究生态都带来了很大的变化。但高能物理和核物理研究领域不会消失，也不会融合到一个新的领域中，或消失在大科学时代美国国家实验室支持的项目中。

在旧的大科学时代，一些主要研究项目的研究都集中于某个重点，而新的大科学则呈分散式，机器设备也更加多样化，使用者是一批无定型、不断变化的用户群体，研究计划也是开放的。因此，管理者和资助者必须开发新的方法，来应对、促进和评估研究。

新的大科学时代的历史学家和其他学者都可以通过制作新工具，提取、分析和显示新的研究生态系统的数据，作出建设性的贡献。这些数据有助于我们开拓思路，让新的大科学走向蓬勃发展的新时代。♦

【作者单位：文汇报】

（摘自《文汇报》2016-08-28第7版）

责任编辑：吴晓丽