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物理学家30年前遭遇的问题,至今没有改善

2018年11月08日 10:49 来源于 财新网
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如今的很多领域里,资本的话语权似乎都要大于科学本身
从财务危机和师资短缺,再到遭遇推迟甚或取消的大型项目,物理学家在30年前所遭遇的种种切身问题,至今依然没有改善。图/视觉中国

前言

  从财务危机和师资短缺,再到遭遇推迟甚或取消的大型项目,物理学家在30年前所遭遇的种种切身问题,至今依然没有改善。

  撰文 | 迈克尔·班克斯(Michael Banks)

  翻译 | 薄锦

  作品来源:《知识分子》(http://www.zhishifenzi.com/

  在我担任《物理世界》(Physics World)新闻编辑的这十几年里,我的工作有很大一部分都是报道该领域内的最新动态——有时是采访韦伯太空望远镜的部署再遭延宕之事,有时是探讨英国脱欧会对物理学家们造成何种影响。但是为了纪念《物理世界》创刊30周年,这一次我却决定回顾一下1988年当时的报道,看看过去这30年里,它们分别都有着怎样的后续进展。

  当我翻阅着最早出版的几期《物理世界》,还有这本刊物的前身《物理公告板》的最后几期时,我突然发现,20世纪80年代后半所报道过的新闻中,有很多直到今天仍在影响着物理学家们。有的国家为了国际科研项目的开支殚思竭虑,有的国家对于核电的影响忧心忡忡。

  在我进一步深挖这些选题之前,《物理世界》的新栏目在1988年明显存在着一些遗漏,值得在此一书。首先,当时几乎完全没有提及过中国,而今,它却是物理学界的主要贡献国之一。当时也不怎么注重让物理学变得更加多样化,更有包容力——当然,这也是因为当时确实罕见这方面的倡议。

1988年十大事件改变世界

  √ 美国宇航局(NASA)气候学家詹姆斯·汉森(James Hansen)在面对美国国会质询时使用“全球变暖”一词,激发全球关注。

  √ 政府间科研机构“政府间气候变化专门委员会”在联合国的主持下创立。

  √ 剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)出版著作《时间简史》。

  √ 加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔(Bruce Campbell)、戈登·沃克(Gordon Walker)和斯蒂芬森·杨(Stephenson Yang)发表径向速度观测结果,认为有一颗系外行星在环绕紫微左垣七运行。这颗行星的存在最终于2002年得到证实。

  √ 莱昂·莱德曼(Leon Lederman)、梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)因发现μ中微子而将1988年的诺贝尔物理学奖收入囊中。

  √ 图像编辑软件Adobe Photoshop问世。

  √ 美国企业家罗伯特·莫里斯(Robert Morris)编写出莫里斯蠕虫,这被认为是世界上第一种通过互联网传播的高知名度电脑蠕虫。

  √ 美、英、法三国共同开发出第一条跨大西洋光缆,传输速度达280Mb。

  √ 英特尔推出i960处理器,时钟速度达到10MHz,总共包含250,000只晶体管。

  √ 飞利浦和索尼率先发表一次写入多次读取光盘(CR-R)的设计规格。

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英特尔动力
电脑处理器的运行速度在1988年达到10MHz

  不过,我们先来看看英国在政治层面上对欧洲一体化抱持的矛盾心理。1988年,设于日内瓦附近的CERN粒子物理实验室内,一位来自英国的工作人员在英国的成员国资格遭遇资金短缺的威胁时指出:“英国离开会让人感到不快,但是至少我们会对立场有一个定论。”而如今,英国正要退出欧盟,你简直都没法分辨,上面这句话究竟是援引自现代还是1988年的新闻。

  当时的问题在于,英国希望下调支付给CERN以保持自己成员国身份的资费金额。这笔费用历来会根据各成员国的GDP水平,每三年上调一次,而英国声称,这种计费方式损害了它的利益。于是在1988年6月,CERN理事会批准了一种新的计费方式,每年计算一次,并且适用当时的货币汇率。

  有的国家对于这项新规颇不情愿,特别是意大利,而各位英国物理学家的担心却是,如果没法尽快达成某种协议,那么英国也许就会直接抽身而退,成为该机构的“准成员”。“我们如果试图改换成准成员的身份,肯定会成为笑柄,”一位未具名的粒子物理学家对《物理世界》说,“我们只能要么交钱,要么彻底退出。”

  英国在CERN的去留悬而未决,也对工作人员的士气造成了打击,另一位线报人士表示,在CERN工作的英国员工们已经“烦透了高悬在头上却不知何时落下的达摩克利斯之剑”。到最后,英国并没有退出CERN,但是英国在各类欧洲机构的去留却从此化为了一个问号,时至今日依然令许多物理学家心有余悸。

  眼下,英国脱欧的一系列谈判仍在进行当中,英国今后是否仍会是“欧洲地平线计划”等欧盟研究活动的一员,存在着极大的不确定性。虽然英国很可能会继续留在CERN等很多非欧盟机构内——这类机构面对欧盟以外的成员国也秉持着开放原则——但在英国与欧洲的密切合作中做出了杰出成绩的英国物理学家们,依然十分缺乏安全感。

  例如2007年到2013年间开展的“框架7计划”,来自英国的研究员们总共从欧洲研究委员会那里获得了70亿欧元的研究经费,占到整个计划经费总额的22.4%,比其他任何一个国家都要多。结果谁能想到,英国只要再过五个月就会正式退出欧盟,届时英国的欧洲合作恐怕又会再一次陷入困局,虽然实在没有道理可言。

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1989年起投入使用的大型正负电子对撞机对W玻色子和Z玻色子进行了精确测量。

粒子与政治

  尽管当时的CERN正在努力克服英国的退出危机,但在20世纪80年代期间,该机构的大型正负电子对撞机(LEP)建造工作不断取得稳定进展,见诸报端的更多是正面的报道。这部周长达27千米的环状机器,能将正负电子加速到100个GeV左右,堪称工程学与科技领域的惊人壮举。LEP于1989年8月开机投入使用,事实证明,这是一项十分了不起的成就。它连续运行了十年以上的时间,造就了粒子物理学领域的许多重大突破,尤其是对多种标准模型粒子的精确测量,包括Z玻色子和W玻色子的质量。

  然而,这边LEP的进展如火如荼,在大洋彼岸的美国,乌云却在粒子物理学的上空不断积聚。1988年下半年,小布什(George H Bush)力压民主党对手迈克尔·杜卡基斯(Michael Dukakis),当选为第41届美国总统。就在大选结束两天后,美国能源部宣布,将在德克萨斯州的沃克西哈奇建造耗资44亿美元的超导超级对撞机(SSC)。建成后的SSC将会是一部十分惊人的环形对撞机,周长达到87.1千米,可将质子加速到20个TeV——差不多相当于CERN那部LEP退役后的继任者的三倍还多。

  此前与德州一同竞争SSC建造地址的还有伊利诺伊州的费米实验室,该机构的建造成本会更低,因为这里本就建有质子—反质子对撞机Tevatron,可为加速器输送高达900个GeV的能量。在80年代,SSC会否导致粒子物理学家弃费米实验室而转投德州,引发了诸多争论。就连时任费米实验室主任的诺贝尔获奖者利昂·莱德曼(Leon Lederman)都说,实验室可能会“丧失如日中天时的那种感觉”。最后,事实证明这些担忧根本不是重点所在:尽管已经耗费了近20亿美元完成了一部分SSC地下管道的的挖掘工作和一部分相关建筑的修建工作,整个SSC项目却在1993年惨遭取消——当时的预估结果显示,整个项目的耗资总额已经上浮了两倍,达到120亿美元之多。

  决定砍掉SSC项目,令美国粒子物理学界蒙受了巨大损失,但就在最近,费米实验室又不得不再一次直面自己的未来。在Tevatron于2011年停机退役后,粒子物理学的“能量前沿”再次回到了欧洲的地界。虽然也有多位美国的粒子物理学家在CERN工作,但美国物理学界已被迫转而追求所谓的“强度前沿”,包括对费米实验室的加速器设施进行改建,用于生成高强度的中子束。

  生成的这些粒子会被发送到大约1,300千米以外,桑福德地下研究所开展的极深地下中微子实验(DUNE)所使用的一组探测器处。物理学家希望利用DUNE实验研究中微子的电荷宇称不守恒,这将可能有助于揭晓宇宙中的物质要多于反物质的原因。

  与此同时,大型强子对撞机(LHC)却已经成功运转了近十年,并在2012年取得了希格斯玻色子的发现这一伟大成就,相关的升级工作也已在计划中。待到2020年代初升级完成,高亮度LHC(HL-LHC)将让物理学家能有更多机会找出粒子物理标准模型以外的其他粒子。

  眼下就来断言在HL-LHC之后又会迎来哪些进展还为时尚早;但是整个局面看上去,将会发生一次全球性的权力变迁。这一次,指挥棒将不会继续在欧美各国之间交替传递,而是会有亚洲参与其中,届时该地区将会通过一座“希格斯工厂”(一种专门用来研究希格斯玻色子的机器)来发挥领导作用。这座“工厂”将会建造在日本或中国——最大的可能是两地各建一座,彼此较量。日本可能会在今年年底前决定启动国际直线对撞机项目,中国或许会在未来几年里批准环形正负电子对撞机(CEPC)的建造。两国学界均对各自的项目表达了高度支持,只是希望它们都不会重演SSC在30年前的命运。一如所有的大型科研项目,财力和政治终究是决定着成功与否的命门。

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命运多舛
SSC(上图)的建造工程因整体耗资上浮两倍至120亿美元之多,在1993年惨遭取消。不过,同为地下工程的芬兰奥尔基洛托核废料处置库(下图)预计将于21世纪20年代初竣工。

在受挫中式微

  《物理世界》于1988年创刊,距离前苏联切尔诺贝利核事故的发生刚刚过去两年,那座名为普里皮亚季的小镇如今已遭到彻底废弃。然而核能发电在当时正处于整体的鼎盛期,至少在英国确实如此。英国核电站的数量在1988年达到峰值,共计16座,装机总容量达11,000MWe,发电能力可满足该国约20%的用电需求。

  如今,英国仅余7座核电站,虽然核电站的发电量依然占到全英电力供应的五分之一左右,装机总容量大约为9,000MWe,但其中有近半数的发电机都将于2025年退役。对岸的德国则正在彻底放弃核能发电。目前,英国唯一获准新建的核电站就是英格兰西南部的欣克利角C核电站。它的额定发电量为3,200MWe,大约能满足英国7%的用电需求,但是要到2025年左右才能投入使用,与英国上一座核电站塞兹威尔B的开机相隔近30年。

  各大新闻均对欣克利角C核电站以及芬兰奥尔基洛托和法国弗拉芒维尔率先建造的两座处置库抱持着消极看法,后面两者同样面对着代价高昂的施工延误问题,这在部分程度上是2011年的福岛第一核电站事故导致的一系列安全性新规的颁布所致。欣克利角C核电站的规划时间将近十年,其间也曾遭遇过资金提供和电价制定方面的困境。

  核电固然在能源构成中拥有自己的一席之地,但是要如何处理因此产生的长期强放射性废料,却依然未有定论。整个局面迄今都没有发生过什么变化,尽管早在1988年,英国上议院就发表过一份报告,表示支持对废料进行地下深度掩埋。在他们如此表态之前,英国独立运作的放射性废料管理咨询委员会(RWMAC)曾在一份报告中谴责英国政府在核废料处置政策上的“举棋不定”。“(核废料)应在何处得到何种处置的问题,不能再无限期地拖延下去。”RWMAC在1988年如此警告道。上议院诉称RWMAC的专业知识“没有得到尊重”,还表示一再推迟相应举措的做法“不负责任”。

  但是,其后的历任英国政府都未能听取这条在30年前就给出的建议,英国始终无法决定要在何处永久性地存放国内各核反应堆产生的放射性废料。也有许多其他的国家在努力应对这个问题。美国在《物理世界》创刊的前一年里,选中内华达州拉斯维加斯以北150千米处的一处地方建造尤卡山核废料处置库,用于存放美国各大核电站生成的核废料。然而,尽管已有数条试验隧道完工,整个工程迄今仍未获得美国政府的正式放行。

  已经开始采取行动对核废料进行深埋处理的其中一个国家则是芬兰。经过三十年的长时间筛选,该国政府终于在2015年批准动工,建造一座用于永久性存放废核燃料的地下设施。这座处置库将坐落在芬兰西海岸对面的奥尔基洛托岛上,定于2025年以前投入使用,总耗资30亿欧元(合32亿美元),是全球范围内修建的第一座核废料处置库,建成后将可容纳多达6,500公吨的铀,将其置放于铜制的滤毒罐中,掩埋在距离地面400米深,在花岗岩中开凿出的数条隧道中。官方的预估结果是,整座处置库将在2120年彻底封存,而它应可将这些核废料隔离达数万年乃至数十万年之久。

规模至上

  一所大学的物理系应该设置成多大规模为佳?30年前,这个棘手的问题曾萦绕在许多英国物理学家的心头,他们翘首期盼着如今已故的剑桥大学理论物理学家山姆·爱德华兹(Sam Edwards)在当时牵头开展的一项调查的结果。受大学拨款委员会的委托,由八人组成的爱德华兹专家小组(而且俱为男性)需要考察英国各大学的研究与教学现状。

  最终于1988年下半年发布的《爱德华兹报告》中建议,一间“有前途”的物理系,或者说一间能够“让优秀学生得到充分发挥和满足”并且维持着高质量研究的物理系,应当至少拥有20名全职类教工和200名全日制类本科生及研究生。对于达不到这一标准的物理系,爱德华兹的建议是,要么进行扩充,要么与其他科系合并,或者干脆直接关闭,将教工调去其他的科系或周边的大学里。至于校内科系规模超过400人的大学,委员会表示,则应该考虑暂停招人。

  这份报告引发了轰动,很快便遭到了英国物理学界的攻击,尤其是科系规模的标准竟然是用如此武断的方式来判定。爱德华兹所造成的影响延续多年,也有雷丁大学、纽卡斯尔大学等一些大学名声在外的物理系相继因此关闭——好在后者已于2015年重新开设。

  教育和就业也是欧洲物理学会(EPS)在1988年发表的一份重要报告中的两个中心主题。该学会当时正在庆贺成立20周年,寻求就业的物理学家则完全有理由感到乐观。EPS发现,鉴于用人需求急剧上升,欧洲的物理学家“基本上”不存在失业问题。

  然而同样在这份报告里,也特别强调了物理学真正面临的亘古困局,那就是迄今依然存在的师资短缺问题。EPS估计,仅有大约15%的欧洲物理学家在中小学校里教书,还有15%在大学里教书和做研究,30%供职于企业机构,10%供职于政府机构,剩余的30%则加入了“小规模产业和电脑公司”。EPS警告称,随着更多的物理学家进入企业,教学工作将会陷入困境,《物理世界》的出版社英国物理学会(IOP)同样发表于1988年的一份报告中也特别提到了这一点。IOP的这份报告发现,英国每年大约有2,700名物理系毕业生,其中有三分之一会进入企业,尤其是航空航天、电信和核技术行业,而只有5%的英国物理系本科生会从事教学工作。时至今日,上述数据基本没有变化:只有4%的英国物理系本科生会担任教职,而进入企业的约有40%,继续研读更高学位的超过50%。

与时俱进

  也许这里的大家没有人记得,1988年正是英国准备大刀阔斧地削减25%的核项目经费,并且坚决抵制欧洲空间局将年费上调5%的那一年。

  若说我在这些年的任职经历中获得了任何感悟,那就是如今的物理学依然需要加强与社会的联系,就和当年的情形一样。围绕经费展开的竞争永远不会停歇,而如今的物理学家比以往任何时候都更加需要走出自己的象牙塔,推广实证决策的应用,募集充足的经费,激励下一代的参与。

  不过就像一位不具名的物理学家在1988年对《物理世界》说的那样:“如今的很多领域里,资本的话语权似乎都要大于科学本身。”时隔30年,我们这些物理学家所担忧的具体事务或许各有不同,然而遗憾的是,最根本的症结依然如故。

  迈克尔·班克斯是《物理世界》的新闻编辑。电子邮箱michael.banks@iop.org

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责任编辑:冯禹丁 | 版面编辑:吴秋晗
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