质子与手枪:追忆罗伯特·威尔逊

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


1969年的一天,国会原子能联合委员会在华盛顿特区召开会议,听取多位科学家关于拟议在伊利诺伊州巴达维亚建造的数百万美元粒子加速器的证词。在帮助结束第二次世界大战的曼哈顿计划之后,物理学在过去的二十年里一直享有政府的大力支持。但国会中的许多人根本看不出花那么多钱在一台似乎对美国国家利益没有同样好处的大型机器上有什么意义。

在物理学家罗伯特·拉特本·威尔逊——曼哈顿计划的资深人士——的证词中,时任参议员约翰·帕斯托雷直言不讳地问道:“这项加速器的希望是否与国家的安全有任何关联?”

威尔逊以其坦诚著称,也同样直言不讳地回答道:“不,先生,我不这么认为。”


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“完全没有吗?”帕斯托雷问道。

“完全没有。”

帕斯托雷进一步追问:“在这方面没有任何价值吗?”

然后威尔逊一语惊人。“它只与我们彼此间的尊重、人的尊严、我们对文化的热爱有关。它与:我们是否是优秀的画家、优秀的雕塑家、伟大的诗人有关?我的意思是所有我们真正崇敬并为之感到自豪的事物。它与直接保卫我们的国家无关,除非是为了让它值得保卫。”

毋庸置疑,拟议的加速器获得了资金,费米国家加速器实验室应运而生。威尔逊领导了该设施的设计和建造,并证明他完全胜任这项任务:费米实验室,也就是今天的费米实验室,按时并在预算内完成。它的科学家们继续在粒子物理学领域取得了一些最根本的发现,并在此过程中获得了不少诺贝尔奖。

最近我一直在思考威尔逊对帕斯托雷的精彩回应,因为经济困境和相应的预算削减威胁到了一些非常重要的科学项目。(*咳嗽* 詹姆斯·韦伯太空望远镜 *咳嗽*)我们似乎已经失去了这样一种意识:科学,仅仅为了科学本身,就能为社会增添独特而有价值的东西,超越了它所带来的技术进步。如今的重点总是放在“好吧,它有什么?”

这是一个合理的问题,我完全赞成务实。这些技术进步确实非同寻常,并彻底改变了我们生活的方方面面。但让我们不要在这个过程中贬低为了求知而进行的纯粹的好奇心驱动的追求。威尔逊意识到,科学是使一个国家值得保卫的一部分,而他一生的工作也反映了这一点。

持枪物理学家

威尔逊于1914年出生于怀俄明州边境地区,在狂野西部的成长经历无疑赋予了他对户外运动的终生热爱,更不用说他标志性的那种略带傲慢的气质。“他总是讲述关于他在怀俄明州当牛仔的那些夸张的、狂野的故事,”物理学家和威尔逊的长期朋友戴尔·科尔森在2000年《纽约时报》为威尔逊撰写的讣告中说道。“其中大部分最终被证明是真的。”

但他小时候也喜欢摆弄泵和真空管,很快他就被自然界的基本组成部分所吸引——至少是当时已知的那些。“我们只有电子和质子,你可以把它们以各种方式组合成原子,构成整个宇宙,”他后来回忆道。“这是一个非常简单的理论,即使是笨蛋也能理解。我当时就决定我要投身物理学。”

到1932年,他在欧内斯特·O·劳伦斯在加州大学伯克利分校的旗舰回旋加速器实验室(“放射实验室”)找到了一席之地,尽管他曾两次因臭名昭著的原因被解雇:一次是因为在向潜在捐赠者展示之前丢失了一个橡胶密封圈,一次是因为在焊接时意外熔化了一把钳子。他两次都被邀请回去工作,但第二次,他选择离开放射实验室,转而去了普林斯顿。

就在那时,奥本海默选择他加入在洛斯阿拉莫斯国家实验室的曼哈顿计划的精英科学家团队,该实验室于1943年在高度保密的情况下开放。威尔逊发现自己领导了回旋加速器小组——实验部门最年轻的小组负责人。起初他不愿意接受这份工作;他想搞科学研究,而不是陷入行政管理。

奥本海默请恩里科·费米出面说服威尔逊担任新部门的负责人。当威尔逊指出费米本人永远不会接受这样的职位,而他只是在效仿导师的榜样时,费米反驳道:“这是你需要争取的,而你还不是费米。”

最终,费米说服他接受了这份工作,承诺每周五都会与威尔逊会面,讨论正在进行的物理研究。威尔逊在自己的叙述中承认,“当然,我出卖了自己——但每个人都有自己的价码,而我的价码是每周与费米共度几个时刻。”

威尔逊有时会对洛斯阿拉莫斯周围的严密保安感到不满,偶尔会戏弄负责保护铀-235球体的保安。科学家们正在进行精密的实验,以测量中子在这些球体以及常规铀的对照球体中倍增的速率。威尔逊提议给他配发一支手枪,以便他自己可以保护这些球体。“毕竟,我来自怀俄明州,那里的每个热血男儿在学会走路之前就学会了射击。”

奥本海默同意了,但威尔逊必须首先获得认证,以确保他真的会用手枪。因此,他被带到一个靶场,得到了一把柯尔特.38口径手枪,并接受了关于如何正确操作和射击武器的详细讲解。他的教官先向靶子开了六枪,然后把枪递给威尔逊让他试试。正如威尔逊回忆的那样,“我在怀俄明州学会了‘滚动’手枪,以便快速准确地射出许多发子弹。我就是这么做的。我的大部分子弹都比他的更接近靶心。”

尽管如此嬉闹,但没有人忘记他们在洛斯阿拉莫斯所做的工作对于国防至关重要,并且由于涉及放射性物质而高度危险。威尔逊回忆起自己的一次与死神擦肩而过的经历,当时他正在协助临界组件小组的一位物理学家进行另一项实验,以确定当堆叠一系列浓缩铀氢化物立方体时何时达到临界状态。他感到惊讶,甚至有些沮丧地发现,该小组没有依赖当时回旋加速器设施常用的复杂安全装置。相反,这位物理学家带着一套简陋的装置来了,包括一张木桌子,一个用于监测临界状态的单一中子计数器,以及一大堆浓缩铀氢化物立方体。

威尔逊全神贯注地看着物理学家开始堆叠铀立方体,然后惊恐地注意到中子计数器没有,嗯,计数。经过检查,他发现电压电源烧坏了。当计数器重新打开时,它立即亮了起来,这让威尔逊感到恐惧。“再堆几个立方体,堆栈就会超过临界状态,很可能变得致命,”他回忆道。威尔逊怒火中烧,斥责了这位物理学家、他的部门主管,甚至向奥本海默本人怒吼,但他第二天就不得不前往三位一体试验场,因此他放下了这件事。威尔逊认为,如果他留下来并追究此事,“我本可以挽救两个人的生命。直到今天,这件事仍然让我感到内疚。”

那两个人是哈里·K·达格利安和路易斯·斯洛廷,他们都在用钚核心进行临界实验时发生事故后死于放射病——被称为“挠龙痒”。达格利安的死被戏剧化地搬上了1989年的电影《胖子和小男孩》,片中使用了基于他的虚构人物迈克尔·梅里曼(由约翰·库萨克饰演)。在达格利安的案例中,钚球体周围的碳化钨砖——旨在充当辐射屏蔽层——被不当处理。结果他受到的辐射剂量非常高,以至于在事故发生后仅仅28天内就去世了。这是这部电影的戏剧性高潮之一,另一个高潮是描绘历史性的三位一体试验本身的场景。

正如威尔逊在《人物》杂志上回忆起三位一体试验50周年纪念日时所说(1995年):

我在离地面零点以北10000码的掩体里,风正朝我们吹来。炸弹爆炸几分钟后,我开始感到不安,因为蘑菇云的一部分剥落下来,正朝我们直扑而来。与此同时,医生正在读数,辐射远高于他的预期。我们大约有10辆卡车,所以我命令人们上车立即离开。外面驻扎着一些士兵,他们告诉我他们必须待在那里,直到军事官员来接替他们,但我用每个人都能理解的词汇说服他们上了一辆卡车。当我们离开时,那团放射性碎片云就在我们头顶上,真是令人毛骨悚然。不过我们很幸运。大约25英里后,它落在一群牛身上,把它们的毛发变成了白色。

加速器建筑师

二战结束后,威尔逊离开洛斯阿拉莫斯,在康奈尔大学核研究实验室设计加速器,最终设计出了该大学的旗舰电子-正电子存储环(CESR)。凭借他在加速器方面杰出的声誉,1967年,他休假成为国家加速器实验室(1974年更名为费米实验室)主任,负责监督当时最强大的加速器的建造。

威尔逊的康奈尔大学同事博伊斯·麦克丹尼尔在2000年回忆道:“鲍勃建造加速器是因为它们是进行他想做的物理研究的最佳工具。没有人比他更了解加速器的技术精妙之处,没有人比他更擅长实际设计,没有人比他更注重加速器的美学品质。他认为加速器建造者相当于法国和意大利伟大教堂的建造者。但物理潜力才是第一位的。”

这种对美学的欣赏也延伸到了他对费米实验室主加速器环的设计中,尽管再一次,物理潜力是第一位的,采用了最先进、前瞻性的技术。然而,从一开始就打算从空中可见,这要归功于在整个四英里长的环上建造了一个20英尺高的护堤。这个决定没有任何技术原因;威尔逊只是觉得它会更好看。

他还希望费米实验室成为一个赏心悦目的工作环境;他不希望它看起来像一个典型的死气沉沉的政府实验室。为此,他确保恢复了周围草原的一部分,为了增添情趣,还建了池塘和一群野牛。威尔逊设计了主楼,现在为了纪念他而被称为威尔逊厅,其灵感来自于法国博韦的中世纪大教堂——如果你愿意,可以称之为“科学大教堂”。“当他创建费米实验室时,它确实很有格调,”接替威尔逊担任主任的利昂·莱德曼回忆道。“从某种意义上说,他是个表演家。他敢于冒险。”

威尔逊的风格和个人创造力延伸到了抽象雕塑;他的作品点缀在费米实验室的 grounds 各处,例如“破碎的对称性”,这是一个橙色和黑色的三跨拱门,横跨 Pine Street 入口之一。从任何角度看,它都显得不对称,除非直接从下方观看。

他还雕刻了“莫比乌斯环”(不言自明)、“曳物线”(由来自 Tevatron 磁体的废旧低温恒温器管材制成)以及他最著名的作品,位于威尔逊厅前反射池脚下的32英尺高的“双曲面方尖碑”。威尔逊曾坦言:“如果我没有创造力,我就觉得自己是在浪费时间。”

当然,尽管他具有美学意识,但他首先也是一个实用主义者。威尔逊也被称为“质子治疗之父”,这要归功于他在1946年发表的论文《快速质子的放射学应用》。由于他在洛斯阿拉莫斯的经历——特别是达格利安和斯洛廷的去世,这对他的影响很大——他对研究辐射损伤对人体的影响产生了兴趣。大多数质子治疗机构在其癌症患者的治疗中都遵循威尔逊在那篇开创性论文中确立的原则和技术——和平利用战争技术,拯救生命而不是夺走生命。

威尔逊的名字不如阿尔伯特·爱因斯坦、理查德·费曼、恩里科·费米或 J·罗伯特·奥本海默那样为公众所熟知,但他是一位真正的“物理学家的物理学家”。在物理学家聚会上提起他的名字,你就会听到每个人最喜欢的威尔逊轶事——这就是他在与他共事的人中激发的爱和尊重。这是当之无愧的:他完美地体现了美学、好奇心和实用主义之间的平衡。

科学不仅仅是为了赢得战争、治疗癌症或设计革命性的新技术来促进经济市场——尽管它能够并且确实实现了所有这些目标。它也关乎发现的纯粹乐趣,关乎推动人类知识的边界,就像最伟大的艺术、音乐和文学作品一样,是人类精神不可或缺的组成部分。因此,它是值得捍卫的。

 

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