在美国加州大学伯克利分校的一座小山上，坐落着一个物理实验室，雇员超过3000人，与13个诺贝尔奖关，有超过7.5亿美元的科研预算。这就是劳伦斯伯克利（Lawrence Berkeley）实验室，是根据其创始人——美国著名物理学家欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）的名字而命名的。以任何标准来衡量，这都是一个巨大的美国物理学实验室。可以说，20世纪后期的科学方法的整个架构都需要大机器、大预算和大量的员工，因此称为“大科学”（Big Science）。科学计量学奠基人普赖斯（Derek John de Solla Price）1962年6月发表了以《小科学、大科学》为题的演讲。他认为 二战前的科学都属于小科学，从二战起，才进入大科学时代 。就其特点来看，表现为：（ 1）投资强度大，需要巨额投资建造、运行和维护大型研究设施 ，如国际空间站计划、欧洲核子研究中心的大型强子对撞机计划（LHC）、卡西尼（Cassini）卫星探测计划、双子望远镜（Gemini）计划等；（2） 多学科交叉，需要跨学科合作的大规模、大尺度的前沿性科学研究项目 ，如人类基因图谱研究、全球变化研究等。 劳伦斯伯克利国家实验室制造出桌面大 小的粒子加速器 自1930年代以来，科学事业的规模就呈指数增长。机器已经变得越来越大，也越来越花钱。第一台粒子加速器的成本还不到100美元，可以放在使用者的手掌中，而后来的大型强子对撞机，成本已经高达100亿美元，周长有17英里。科学家发明了核武器，把人类送上了月球，并测试亚原子水平的属性，这一切都是通过大科学来实现的。可以说， 由政府和企业支付的行业研究花费，推动了我们这个时代最伟大的科学工程。 也许，许多故事都在津津乐道科学是如何变“大”的。这是一个难以置信的故事， 一个发明改变了全世界！劳伦斯的粒子回旋加速器将彻底带来核物理上的革命，它将改变我们对自然界基本构造的理解。 由于这个发明帮助赢得了第二次世界大战的胜利，其影响力逐渐渗入到学术界和国际政治中。之后，科学家们希望能够使用和改进这个发明，再加上劳伦斯的乐观和管理技能，导致了大科学多学科研究的风格，吸纳工程师和产业的参与，让大科学和军事工业联合体的交织发展。目前让我们来回顾这些，对物理学研究和教育工作者也是非常重要的。 大科学的诞生可以追溯到近90年前，在加利福尼亚的伯克利，有一个有才华横溢的年轻科学家，这个人就是劳伦斯。 他不仅具有物理学方面的天赋，还更具天分来推销他的新发明。 当劳伦斯1928年在加州大学伯克利分校开始他的职业生涯时，实验物理学还是一个小规模的研究。劳伦斯注意到几年前卢瑟福报道了第一例原子裂变，并完成了一个可以放在膝盖上的手工制作装置，虽然卢瑟福的技术是非常高明，由自然的放射性衰变产生撞击的“子弹”，然而这样的简单实验产生的问题往往多于答案，要解决这些问题需要更大的原子裂变，而这需要更高能的撞击。劳伦斯到伯克利后仅仅用一年的时间就想到一个更好的方法，当他看到有一个设备可以用很小的电力加速带电粒子。他认为，粒子可以在原子中发射，把它们分开，但要达到足够的加速度，需要一个好几码长的机器，按照当时的理解这是不可思议的。 劳伦斯的突破性洞见，就是他能将粒子送到螺旋中并加速到巨大的速度，粒子在环绕电磁场的真空容器中会自然跟随螺旋路径运动 。他称这个发明为粒子回旋加速器（cyclotron），并声称他要出名了，就和当年的阿基米德那样跑到校园声称自己将要出名那般自信和狂妄。于是， 大科学诞生于1929年的某一天，因为劳伦斯发明了粒子回旋加速器。 事实上，劳伦斯和加速器技术对原子弹工程是非常重要的。他向军方提供技术咨询，伯克利的一台回旋加速器发现了可裂变的钚。但是劳伦斯并不是最重要的战时科学家，加速器也不是曼哈顿项目的明星。如果有可行的技术，劳伦斯的计划的确是可行的，但由于当时他拥有的资源有限，该计划并不是那么容易进行。最初的原型是非常粗糙的，由一个研究生来负责，样子就像是“被卡车碾压过的威士忌酒瓶”（Hiltzik）。第二个毕业生做的就要方便多了，是一个手掌大小类似铜管乐的装置，也就是凭借着这个装置，劳伦斯开始筹款要买一个更大的电磁铁。劳伦斯在1958年去世，享年57岁。自此， 他不算太长的一生的大部分时间几乎都花在追求更大的机器上 。 无疑，劳伦斯是第二十世纪最杰出的物理学家之一，1939年获得诺贝尔物理学奖，在这个领域获奖的还有原子核物理学之父欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）以及居里夫人（Marie Curie）。在1946年初，也就是原子弹摧毁了日本广岛和长崎后的半年，美国政府授予劳伦斯功绩勋章（Medal for Merit，为国建立特殊功绩的非军事人员）。授奖人说“ 我们在他身上赌了1亿美元，结果他赢了 ”，这也是科学史上前所未有的赌博。劳伦斯欣然接受了这枚勋章，并用它来要求更多的资金。他主持的团队有许多朝气蓬勃的年轻科学家和研究生，包括物理学家、化学家、医生和工程师，所有的努力和思考都是跨学科的融合，用数百万美元保证公司的运行。 战后，在塑造军事与工业合作的新研究体系方面，劳伦斯的功劳无人能及，加速器的作用也无可匹敌。战争结束前，劳伦斯就与军方开始接触，他的辐射实验室获得了联邦资金的资助，建立了规模空前的加速器，可以去发现那些令人激动的粒子。之后，一个新的联邦政府资助的国家实验室体系开始出现了，拥有了世界上最大的加速器。 在冷战时期，这些设备和知识成就成为技术力量、军事实力和自由社会文化利益的象征 。劳伦斯的辐射实验室在一个广泛的领域资助了基础科学和应用科学的研究。此外，他还创办了利弗莫尔（Livermore）实验室，继续让科学家与军方合作，增加了国家实验室系统在防御研究方面的实力。 更大的回旋加速器可以探讨更详细的原子内部结构。事实证明，他们也能生产核医学需要的人工同位素，经过一定的改变后也可以分离出武器级的铀。这个填满整个建筑的装置，应该是与许多实际应用有关的有效研究工具，可以从慈善机构和军方同时获得更多的资助，劳伦斯注意到了这一点。然而， 驱动更大、更好装置的产生是有自身逻辑的。每一次使用回旋加速器的发现就为物理学家的探索开辟了新前景，而每解决一个新的谜题就需要更强大的机器。这种野心不断增加的循环，一直控制着劳伦斯，成为大科学的主要推动力 ，也是其未来的主要威胁。通过这些手段，大科学蓬勃发展起来。加州大学伯克利分校的劳伦斯实验室成立了（现在被称为劳伦斯伯克利国家实验室），持续产生诺贝尔奖的研究，大型强子对撞机也是遵循劳伦斯的计划，建立了曾经更强大的加速器。 劳伦斯也为“新大科学”时代铺平了道路。 随着冷战的结束和数十亿美元的超导超级对撞机的取消，新的、更官僚化的联邦赞助需要更严格的理由，大科学的秘密议程失宠了。国会对高能物理学和空间探索也变得越来越吝啬，表明大科学的内在逻辑不能抵御外部的经济因素的。每一个发现都变得更昂贵、更深奥。如果不考虑其科学价值，大科学的前提是不可持续也难于支持的。此时，以加速器为中心的多学科实验室系统，在劳伦斯的帮助下顺利转移到目前的系统中，大型加速器服务于广大的小团队用户。工业合作伙伴帮助提取一些成本，但此时军事支持是最小的，因为国防实验室现在已拥有自己的资源。 关于这个故事，普利策新闻奖得主，洛杉矶时报的撰稿人Michael Hiltzik最近撰写了一本新书，叫 Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military–Industrial Complex （大科学：欧内斯特·劳伦斯及其启动军事工业联合体的发明）。 这并非一本歌功颂德的圣传体书籍，恰恰相反，Hiltzik在这本书中，对劳伦斯的描述更多是负面的。而这可能正反映了一个社会对大科学看法的转变，特别是其与军方根深蒂固的联系。 史蒂文斯理工学院的Alex Wellerstein在 Science 周刊上发表了对该书的书评。下面的文字主要摘选自该书评的内容。 Hiltzik认为，劳伦斯不一个发明家，一个工匠，在他的世界中心是他发明的圆形粒子回旋加速器。围绕着这个最初卑微的创造， 劳伦斯建立了动用一个帝国的劳动力和资金来研究物理的新方法 。Hiltzik还说，劳伦斯的方法就是依赖于对“研究生廉价劳动力的无情剥削” 。他们的第一个回旋加速器，完全是由一位名叫Niels Edlefsen的研究生完成的，而第一个功能模型是由他的另一名研究生M. Stanley Livingston开发的，这名学生调试了早期的机器并修复了许多问题。劳伦斯只是热衷于去捞更多的钱来构建一个更大的机器。 另外， 劳伦斯是否属于科学巨人是值得怀疑的 。在第一个十年，他们未能产生任何实质性的结果。第一个重大科学公告——证实氘核分解理论就是一个尴尬的失败。劳伦斯并没有悟出这种可能推翻物理定律的新现象，而是向世界公布其辐射实验室没有清洁的样品。因此当时很多人调侃，劳伦斯更感兴趣的是机器而不是科学成果，是对“机器的崇拜”。一名法国人曾经嘲笑这个实验室是“一个追求工具的躁狂者或对科学组合游戏入迷的大婴儿”。辐射实验室的许多重大发现应该是偶然碰到的，只要你一直在监视这些机器并有足够长的时间，总能有所发现。正电子的存在和中子就是在这段时间被发现的，其实这就是感生放射性和核裂变的现象。然而，资金继续涌入，部分原因就是 劳伦斯有一种“杂耍”的能力，可以为非科学头脑的观众设计无限的热情和信心来支持项目申请 。劳伦斯自己也承认他能做更大的回旋加速器，只是因为他能弄到这笔钱，而不是因为他对做大科学有什么想法。 但是，Hiltzik认为，劳伦斯的工作是很有战略性的。回旋加速器从一个疯狂的风险演变成一个常见的工具，劳伦斯在1939年能获得诺贝尔奖，部分原因在于他走在正确的研究方向并因此而取得了重要成果。所有后来的诺贝尔奖得主，比如埃德·麦克米兰（Ed McMillan）、路易斯·阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez）和格伦·西博格（Glenn Seaborg）都利用辐射实验室的资源做了一些最好的工作，并找到了如何在劳伦斯混乱的领地做自己的工作。此外，很明显的是，回旋加速器可以产生大量的放射性同位素，这可以用于其他类型的科学研究。而劳伦斯非常高兴能提供这些给他们的合作者，知道增加实验室应用性，他就能获得更多的资助。 劳伦斯是建造原子弹最高调的支持者，很大程度上是因为他声称几乎可以一个人搞定。在这方面，与许多事情一样，他信誓旦旦。结果导向型的莱斯利·格罗夫斯（General Leslie Groves）将军是曼哈顿计划负责人，他是不接受延迟、借口和成本超支的，这也成为劳伦斯的习惯，提供了一种支持的力量。劳伦斯最终能够产生足够的高浓缩铀（广岛炸弹）；然而，最终他的方法还是被取消了，取而代之的是战后早期竞争对手的技术。 战后初期劳伦斯给人的印象是特别肤浅而草率的 。他抱怨参加了原子能控制讨论的科学家“本可以致力于科学研究时却在一些政治问题上浪费太多的时间和精力”。面对他前同事奥本海默（原子弹之父）的不悦表情，劳伦斯油腔滑调地强调，“我是一名物理学家，我没有将知识浪费在物理学让我明白的原罪中”。如果你相信他这些情绪是根植于真实的信念，那么你可能会倾向于认为劳伦斯是疑罪从无的。但是，人们很容易冷嘲热讽地理解这些评论，因为劳伦斯从这种科学军事化的稳定位置受益无穷。 劳伦斯的一些政治观点最终迷惑了自己。例如，他坚定地支持反共的效忠宣誓和内部调查，使得1950年代早期他实验室的许多顶级理论物理学家离去。他大力鼓吹1949年的热核“超级”炸弹，后来也给他的带来了名声和信誉，他还倡导许多问题重重的冷战项目，包括所谓的“干净炸弹”。对许多与他同时代的人来说，他被认为是为了取悦于那些政治靠山而不惜降低自己科学家的声誉。劳伦斯的强硬派倾向是符合当时参与卷入战略防御工作的物理学家观点的，只是他的政治倾向最终走得更远。他在“奥本海默事件”中扮演了关键性角色，一个由原子能委员会举办的听证会，最终导致了撤回奥本海默的安全调查。开庭前当审查委员会的首席律师询问时，劳伦斯对他以前的朋友做了诋毁性的评论，慷慨陈词奥本海默“再也不应该做任何与政策制定有关的事情”。由于劳伦斯声称自己有疾在身，更有可能是害怕报复，他请求在听证会的最后一分钟出来作证。 劳伦斯努力建立利弗莫尔实验室时，是参照辐射实验室的模式来进行的，即一名全能的领导带领一批廉价的工人，最终这种模式失败了。当他的项目建议被一些不易受他乐观主义态度感染的物理学家来审查时，他获得资金资助变得越来越难了。在1950年代短暂进军私营企业也以惨淡失败而告终。 劳伦斯所擅长的事情是获得超预算的一次性技术成就，而这与用技术制造利润可观的消费性电子产品的途径是格格不入的 。但是，没有谁会指责他是缺乏进取心，野心或精力的。他忘我的工作似乎也让他在1958年付出了沉重的代价，劳伦斯死于与压力有关的溃疡性结肠炎并发症。 当然，Hiltzik也认为，如果仅仅从劳伦斯在物理学上的遗产，而不考虑他所工作的后冷战环境，最终是很难评判他的。当时各国政府都在花纳税人的巨额资金来打造各种不朽功业，而随着军事效益的期待越来越模糊，这种竞争似乎已经结束了。Hiltzik甚至无法确定这本书应该属于什么类型：时而羞愧地进行奉承，时而有进行诅咒式的声讨，他承认自己无法真正进入劳伦斯的内心。是什么驱使了劳伦斯的行为，对科学的献身还是自负？他是一个科学英雄还是一个警世寓言？ 从这则正反评价的故事中，我们可以看到，劳伦斯的巨大贡献是持续地推动大科学研究发展起来。现在，我们的大科学探索应该吸取劳伦斯的一些好想法（如跨学科的团队合作），摒弃他个人的一些缺点（如工具主义的狂热者）和性格上的缺陷（如可以为钱做任何事）。看到大科学是从哪里来的，我们更容易理解那些过时的假设。同样，可以激励我们寻找新的方法，就像劳伦斯引导当时的物理学革命一样。 参考文献： (1) Alex Wellerstein. Cult of the machine. Science , 2015-09-04, 349(6252): 1062-1063. (2) Michael Hiltzik. 2015. Big Science: Ernest Lawrence and the Invention That Launched the Military-Industrial Complex . Simon Schuster Press. 549 pp. (3) http://michaelhiltzik.com/big-science/ (4) http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/9/10.1063/PT.3.2916 (5) The man who invented 'Big Science,' Ernest Lawrence
说起“大科学”这个词，首先让人联想到的是火箭、天文望远镜和粒子加速器的研究，这些研究需要大量的资金支撑。而生态学研究，让人联想到的是带着样方尺的植物生态学家、拿着望远镜的鸟类生态学家、以及手持捕虫网的昆虫学家等等，很少会有人将他们的研究与大科学联系起来。其实，反过来想，这又是特别令人奇怪的！生态学家研究的地区，例如大多数陆地，是一个真正被人类占领的区域，却一直没有归为大科学的范畴。不过，在David Schimel的带领下，一大邦美国生态学家们正打算纠正这种状态。他们计划将撼动陆地生态学领域，并将之引入到大科学的规模和范围，这就是他们正在建立的的美国国家生态观测网络（NEON, National Ecological Observatory Network），这也正是本文将作为详细案例进行探讨的一个话题。 “大数据”（Big Data）所覆盖的范围越来越大。例如，《纽约时报》2012年8月2日就大数据这种新出现的文化基因（cultural meme）进行了探讨。通常，人们首先以技术爱好者的角度来看待大数据。《纽约时报》的文章将大数据描述为“应用人工智能工具，如机器学习，巨大的数据的新搜集，这超越了标准的数据库。新的数据来源包括网页浏览数据的痕迹、社会网络通信、传感器数据和监测数据。” 大数据受到自然世界的塑造，并影响我们如何理解自然世界和与自然世界交流。生物学在如此多的水平上提供一个巨大的数据：来自遗传研究几乎无限的数据正充斥着我们最大的数字仓库中的字节；大量保存在自然历史博物馆的标本；在全球范围内日常生活所拍摄的摄影档案；大量的来自“公民科学”（citizen science）数据库中的数据，如国家物候学网络（National Phenology Network），有关这个内容，在2012年出版的一期的Frontiers in Ecology and the Environment中的“公民科学”栏目中有一个非常重要的综述文章“From Caprio’s lilacs to the USA National Phenology Network”介绍了这个网络；大尺度的生物地球化学作用研究的汇集，比如滨海“死亡地带”的研究，实质上是总汇了工业氮转换、人类农业实践、初级生产力和生物呼吸之间的相互作用。有关这些区域的交互式地图已经由WRI出版（ http://www.wri.org/project/eutrophication/map ）。 大数据正在影响我们如何理解世界，因为它正在瓦解我们在过去50年被告知的对科学理解的基石：在一个“强大的推理”框架中用受控实验来测试可证伪的假设。认为科学必须可证伪的想法来自卡尔•波普尔（Karl Popper），他从约翰•普拉特（John Platt）的传道中得到了启示，在其1964年所发表的高引用“强推论”（Strong Inference）雄文中主张用标准化方法进行生物科学研究。Observation and Ecology的作者Rafe说：“如果你第一次阅读他的文章时候就很喜欢，其实我也是这样的，但我还是劝您以批判的态度再读一遍”。并说这有点像在高中时候对艾茵•兰德（Ayn Rand）很痴迷，成年后试图用她的思想与现实结合起来。显而易见，这些哲学思想产生了一些惯例性的规则：“相关性并不意味着因果关系”、“模式不能揭示机制”，以及科学的结论如果没有推翻预先确定的假设，其作用就仅相当于“审前调查”。大数据使得以前这些坚实的信念看起来有点古怪。虽然这些信念有时候仍然有价值，但其中自反的特性被科学家和非科学家以相同的方式采用，这都需要重新评估。如果我们无法把一些机制性原因弄得100%清楚（其实没有那个方法能做到这点儿），大数据方法允许生命科学家在更大的混沌周期中发现更为健壮的模式，或者时会让我们尽可能接近真实状况。同时，在对待大数据中应该注意的是，大数据永远不会完全取代小数据。那些花时间观察自然的小数据，以及对小数据片言只语的理解，是构成大数据整体的基石。 在生态学领域，现在提起NEON，不能说是家喻户晓、人人皆知，但也可以说是在这个大数据时代增添了一道异常鲜艳的光芒。开始，这个项目仅立足于在科罗拉多的博尔德寻求资金支持，项目进展异常艰难。但是在长达十年的讨论和计划后，美国国家科学基金会设法说服国会专项拨款4.34亿美元进行建设，这是一个中等太空探测器的价格，操作预算大约为每年8千万美元。2011年美国的大陆尺度生态网络计划终于启动了，它将全面监测整个美国的环境变化，从根本上改变传统的小规模、地域性研究方式，形成陆地领域的群体合作。研究人员宣称，生态领域的大数据时代已经来临，生态观测将迎来“数据洪流”。 最终，覆盖美国的60个地区将同步建立起来。一旦在2016年这个台站网络完成后，一切顺利的话，将有15000个传感器用于收集超过500个类型的数据，包括温度、降水、气压、风速和风向、湿度、日照、如臭氧等的空气污染物浓度、土壤和溪流中各种营养的总量，以及地区的植被和微生物状态。在每个地方这些仪器将以同样的方式安装，并采用相同的测量，用标准化方式坚持长期的数据收集，希望能达到统计学功效的需求，将生态学研究从一些技巧性实验观测变成一个工业规模的企业运作。有了这样的基础，就可以观察生态系统是如何应对气候变化和土地利用变化以及新物种入侵的。最终，利用这些观测数据可开发一些预测生态系统未来的模型，这可帮助决策者评估各种行动方案所产生的后果。 图1 美国NEON项目将美国划分为20个不同的生态系统区域 NEON的研究人员将美国划分为20个不同的区域（图1），每一个区域代表一个特定的生态系统类型。每个区域都配备有三套传感器。一套固定安装在核心位点进行至少30年的连续监测，核心位点的环境条件不受干扰而且可能维持下去。其他两套可进行移动，在一个地方进行三到五年的观测后移动到其他地方，这些“浮动”的位点用于同区域内的比较。每一个位点，不管是核心位点还是浮动位点，都有一座布满传感器的观测塔，这座塔比现有的植被冠层高10米。在围绕这座塔方圆几十平方公里的区域内，研究者将更多的传感器布设在土壤和溪流中，测量温度、二氧化碳和营养水平，以及根生长速率和微生物活动。这些传感器将记录不同的生态系统如何有效地利用养分和水分，植被如何响应气候变化，以及二氧化碳在生物和大气之间是如何移动的。这将有助于寻求对碳循环的理解，以及温室气体引起的气候变化的后果。为了配合这些地面测量，研究人员还将在每个核心站点进行一年一次空中的调查，观察诸如叶化学特征和森林冠层的健康问题，也可用于与卫星观测数据进行比较。此外，NEON的研究人员可以部署一个特殊装备的飞机，其上配备了激光雷达（雷达的光学本的），一个光谱仪（测定化学成分）和一个高分辨率的相机，用于评估自然灾害如洪水、野火和害虫爆发的影响。 如何真正从小问题中辨别出大科学，这才是值得研究的。天文学家和物理学家们已经在这个问题上进行了数十年的探索，生物学家在人类基因组的余波中也发现这个问题。这并不是所涉及的投资巨大，而是需要处理的数据总量。过去多年来，该项目一直受到各方质疑。有人担忧NEON可能会带来大量毫无价值的数据，那些数据不一定是科学家们所需要的。组织、处理、分析这些数据并从中得出实际的意义将是一个重大挑战。哈佛大学大气化学家斯蒂文•沃夫西说：“要解决这些问题，科学家必须要学习如何利用这些数据。如果他们成功了，将给解决宏观生态问题带来实际作用。”哈勃太空望远镜在最初升空的20多年，也是产生了大量的数据。预计当NEON完全运作起来后，每年产生会200TB的数据，这是哈勃太空望远镜数据量的四倍。NEON的发展，的确代表了向“大”奋斗的生态学家的转变。毫无疑问，这将带来划时代的革命，就像天文学、物理学和遗传学变成大科学时的改变。以后，生态学家利用望远镜和捕虫网的日子是屈指可数的。但没有人怀疑，这种变化是为了更好地进行生态学研究，而且这些变化在生态学研究中正在实实在在地发生着。 如果说NEON只是美国在生态学领域开展的一个大数据项目，那么，其实在生态学领域的国际合作中，曾经产生，或目前正在产生，以及今后即将产生的大数据项目还有许多。下面仅举三个例子来说明。 由多个国家参与的国际长期生态研究项目（International Long Term Ecological Research，ILTER），支持科学家和学生进行长周期的、覆盖面广的过程研究，它涉及海洋站点、南极、市区和全球农业生态系统。ILTER科学家正致力于创造一个真实的网络，他们开始探索把许多站点连接起来的总体问题，一个根本目标是实现生态学预测。 海洋主动观测（the Ocean Observatory Initiative ，OOI）项目包括一个相互连接的海底站点区域网络。一旦建立起来，观测站将为地球和海洋科学家提供独一无二的机会，从几秒到数十年的时间尺度上研究多样的、交互过程。他们将引导区域过程和空间特征的比较研究。最终，海洋观测站将映射到整个地球并建立起基本尺度结构。 图2 ARGO计划全球浮标布设图 ARGO计划是由美国等国家大气、海洋科学家于1998年推出的一个全球海洋观测试验项目，旨在快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害（如飓风、龙卷风、台风、冰暴、洪水和干旱等）给人类造成的威胁。 ARGO计划构想用3年至4年时间（2000年-2003年）在全球大洋中每隔300公里布放一个卫星跟踪浮标，总计为3000个，组成一个庞大的ARGO全球海洋观测网（图2）。一种称为自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标将担当此重任。它的设计寿命为4年至5年，最大测量深度为2000米，会每隔10天至14天自动发送一组剖面实时观测数据，每年可提供多达10万个剖面的海水温度和盐度资料。ARGO全球海洋观测网建设受到了世界各沿海国家、大气科学家的青睐，被誉为“海洋观测手段的一场革命”，实现了长期、自动、实时和连续获取大范围、深层海洋资料的能力，可从根本上弥补目前天气预报中对海洋内部信息缺少了解的局面，从而会在很大程度上提高天气预报的精确度。据全球Argo实时海洋观测网透露，2012年11月4日由印度布放的编号为“2901287”的Argo浮标，收集到具有里程碑意义的第100万条观测剖面数据，标志着包括中国在内的由世界多个沿海国家共同参与的大型海洋国际合作观测计划步入了一个新的发展阶段。10年来，由美国、澳大利亚等30多个沿海国家布放的约8500个Argo浮标所组成的全球Argo实时海洋观测网，首次实现了真正意义上的对全球海洋上层温度、盐度和海流的实时观测。我国于2001年加入国际Argo计划，截至2012年11月6日，我国共计投放146个Argo浮标，获取剖面8928条，目前正在工作的浮标有85个。 参考资料 Earth Monitoring: Observing the ocean from within （ http://www.nature.com/news/2007/071205/full/450780a.html ） ARGO资料（ http://www.argo-cndc.org/argo-china/legend/ARGO%20DATA.htm ） NEON light: A 30-year plan to study America’s ecology is about to begin（ http://www.economist.com/node/21560838 ） The Natural Side of Big Data（ http://observationandecology.com/2012/08/21/the-natural-side-of-big-data/ ） 未来自然科学与工程学基金方面的国际合作（ http://news.sciencenet.cn/html/shownews.aspx?cn=1id=186108 ） NSF将建3个地球临界带观测站（ http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2007121081347164196294.html ） 美国启动大陆尺度国家生态观测站网络计划（ http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/9/252854.shtm ） 全球Argo网获得第100万条数据（ http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/11/271710.shtm ）
（这是2005年写的一篇文章，未发表在正式纸媒上，只发表于互联网上。今重贴于科学网。） 摘要：本文在简单介绍美国超导超级对撞机（SSC）的建设历程、成就、下马过程和原因的基础上，分析了SSC的经验教训对一个国家开展大科学工程研究提出的几个问题：如何确保大科学工程研究的持续建设与运行的费用，如何预测大科学工程研究的预算费用的涨幅，大科学工程研究中谁最具有发言权，大科学工程研究如何面对来自任务导向的研究和应用研究的竞争，多方参与的大科学工程研究的政治风险如何避免；最后列举了SSC对我国开展大科学工程研究的几点启示：大科学工程研究需要全过程和全方位的交流，运行和管理要更加严格和规范，要预测经济发展趋势和财政政策的变化，要考虑国际政治风险，在领域选择上要更加谨慎。 大科学工程研究是指需要投巨资建立一个大型的科研装置，众多科学家利用这个装置开展相对集中的研究，如粒子加速器、空间站。由于大科学工程研究需要巨额的建设投资和运行投资即研发投资，一旦上马就面临着资金的巨大压力，具有极大的风险性。本文以美国的大科学工程研究项目超导超级对撞机（Superconducting Super Collider,简称SSC）的建设和下马为例，来说明开展大科学工程研究面临的问题。虽然SSC项目已经过去10多年了，但它对大科学工程研究的开展仍然具有巨大的启示作用。 1 SSC 的建设和成就 1）建设过程。 从建设历史来看，SSC经历了科学家倡议发起、政府小额资助进行前期研究、项目可行性分析、政府通过法案正式立项启动、政府大规模拨款建设、项目下马听证、政府通过法案正式停止建设、善后处理等一系列非常正规的过程，科学家、工程师、各级政府官员、国会议员等多方面的人士参与其中。 理论物理学家已经从标准模型理论上阐述了自然界存在四种力：引力、弱力、电子力和强力（核力），弱力和强力的载体是原子核层次到夸克层次的微粒子。实验物理学家需要通过加速器实验来验证和扩展这些理论。带电粒子加速器是高能物理研究的重要实验工具。加速器的发展经历着从同步加速器到环形加速器再到对撞机的三次革命，其质心能量从MeV级到GeV级再朝向TeV发展。美国政府从二战结束就开始支持高能物理的研究，并在美国建立了多家加速器实验室。在1978年到1979年召开的一系列未来国际加速器发展的会议上，科学家开始讨论质能达到20TeV的质子对撞机，1982年美国科学家最初提出了超导超级对撞机的设想，1983年秋天美国能源部批准了正式的研究，同年12月开始研究20TeV的对撞机的技术与经济可行性；经过大约150位加速器物理学家和工程师的努力，1984年4月，形成了基于不同类型的超导磁体的三种不同的技术可行性方案，并给出了三种方案的经费预算。1984年秋天，形成了以劳伦斯伯克利实验室为主体的中心设计组，由Maury Tigner 教授领导，由大学研究联合会管理。 与此同时，五种不同的磁体的选型设计也交给了加速器领域的其他五家国家实验室（如布鲁克文国家实验室、费米国家加速器实验室等）。1985年，磁体选型确定。 1986年，约250位科学家与工程师参与的中心设计组完成了核心设计报告。1987年1月，经总统同意，SCC工程正式实施，选址工作开始。1988年，从43个地址申请中，由国家科学院组织专家筛选出7个地址，交给能源部裁决。1988年10月，国会预算管理办公室对SSC进行了研究，发表了建造SSC的潜在风险与利益的评估报告，对比其他几项加速器项目后，该报告给出了SSC风险最低的结论。1988年11月，得克萨斯州埃里斯县被确定为最合适的地址。1989年1月，SSC实验室建立，由Roy Schwitter 教授指导和大学研究联合会管理。在实验室负责人的指导下，一系列国际咨询单位也产生了，包括科技政策委员会、项目咨询委员会和设备咨询委员会。实验室早期的任务之一是针对地址的方案设计，于1990年7月完成。环境影响报告也相继完成。1991年第一批主体工程在15号工地（磁体研发与测试实验室）动工兴建。围绕主要设备的设计和施工同步推进。整个工程分为四段，第一段环形加速器低能助推器为600米，第二段中能助推器为10.8公里，前两段都使用电阻磁铁产生磁场；第三段高能助推器为10.8公里，最后一段是87.1公里的对撞环，后两段使用超导磁铁产生磁常1993年1月，隧道开始施工。到1993年秋天，挖掘了大约23公里的隧道。与实验室同步进行的是实验项目的申报与审核工作。国际上的科学家共提出了21个各种主题的研究项目。初始的实验项目包括两个大的、用于综合目的的探测器和几个小的、用于特定目的的实验。1992年4月和1993年4月，两个大型实验的任务得到了批准，这些涉及到了来自世界各地的200个研究机构和2000个科学家。一系列的教育项目也延伸到了研究型大学、一般学院和高中的教师和学生。 2）SCC取得的成绩。 美国高能物理学家们认为经过几年的努力，SCC已经取得了一系列成绩。 在科学政策方面，SSC得到了里根、布什和克林顿三届总统的支持。1992年，戈尔副总统会见7位诺贝尔奖得主时表示，一定全力支持SSC。能源部也已申称把SSC作为科研项目的首眩已经签署的45000份合同惠及了48个州，其中大部分合同是与德克萨斯州之外的其他州签署的。能源部估计，SSC至少创造了7000份工作，其中与国防相关的企业得到了比四分之一更多的好处，有利于军民结合。 23000多个学生和教师通过SSC的教育计划得到了数学和科学技巧的培训，其中一半以上是女性。SSC是大项目和小项目的混合体。100多所大学的研究机构参与了试验，其中很多是只有几个科学家的小组。SSC是一项投资未来的项目。如果推迟10到20年，美国科学家只能放弃前沿科学，一代学生将被失去，届时再也没有合适的物理学家人选了，50年建立起来的高能物理研究基础将崩溃。继续开展SSC，有利于维持美国在物理研究的领导地位。 SSC的技术溢出效应十分明显。例如，加速器和检测器技术广泛用于医疗、诊断，用于癌症治疗，超导磁体的研究有利于超导电缆的开发，等等。 1992年，所占经费只是全年联邦政府RD投入经费的0.6%。整个项目预算为83亿美元，其中已经投资大约20亿。项目进展完成了20%。对撞机隧道的70%的合同已经签订完成，所有合同都低于预算，所有的关键性工程已经完成或者列入了议程，特别是关键性的磁体测试已经完成。而且，美国已经和一些国家（例如中国、印度）签订了合作协议，能够得到一些合作资金。 2 SSC 停建的过程、原因和善后处理 对大科学工程研究的评价明显不同于基础研究项目的同行评议，那些被科学家和工程师强调的好处和成就并没有得到美国国会的多数议员的认同，SSC也因为国会的强烈干预而提前下马。 1）停建过程。 导致SSC关闭的直接原因是1993年年初审计总署（GAO）做出的对项目不利的报告。经过对整个承包合同的分析，该报告认为，整个项目费用超支，进展滞后。 例如，付给建筑师、工程师的服务费和基础建设费在预算12.5亿美元的基础上会超出6300万美元，完成项目的总费用增加和工期则难以估计。能源部实行的控制建筑费用的建筑成本策略会导致建筑商取消、减少、延迟某些结构工程，从而削减SSC的实验能力，危害实验研究。能源部只能从外国获得4亿美元的资助，使17亿美元的超支仍有14亿美元的缺口。该报告的结论是，要完成该项目，国会将面临着增加联邦资助的巨大压力。 实际上，从一开始，SSC就遭遇到了不少非议，因为这样的大科学工程研究项目挤占了其他项目的经费。1988国会预算办公室（CBO）在报告《建造SSC的潜在风险与利益》中指出， 5年之内，SSC可能会占掉全部联邦资助基础研究的6%～7%、占物理科学的13%。除非国会提供其他相关领域经费实质性的增长，SSC就会挤掉其他基础科学研究。一些著名科学家也加入到了反对的行列。例如固体物理学家、1977年诺贝尔学奖获得者安德森（Philip Anderson）公开指责能源部官员向国会撒了谎，而SSC的科学家则对失实之处保持了沉默；刚从自然科学基金委主任退下来的科学家布洛赫（Erich Bloch）在1991的一次国会听证会上表示，SSC的经费增长120%，其他领域的研究却是在乞讨，这一点也不公平。 按照美国法律，国会掌握着政府的拨款，国会议员通过提出议案来建议增加或者削减政府的某部分财政拨款的预算。关于政府拨款的议案是一种联合决议案，即该议案需要经过国会两院通过并由总统签署后才具有法律效力。 在SSC的停建过程中，参议员邦佩斯（Dale Bumpers）起了决定性作用。多年来，邦佩斯一直提倡政府财政平衡预算，竭力反对政府浪费。邦佩斯的主要反对者是参议员约翰逊（J.Bennet Johntson），他主要强调SSC的科学意义和对美国的重要性。1992年6月众议院以232票对181票的结果通过了邦佩斯的终止SSC以减少赤字预算的提案，但是参议院否决了这个提案。1993年的6月，众议院再次投票赞成SSC下马，参议院则继续挽救这个项目，7月3日参议院以57对42票决定继续支持该项目。但是这一次，众议院坚持己见，SSC下马与否被推迟到10月做出最后的裁决。10月19日，停建SSC的一个修正提案以280对141由众议院通过，10月21日众议院和参议院达成一致意见，10月26日众议院以332对81通过了最后的修正提案。该提案经过参议院程序性的步骤后，由克林顿总统签署实施。 至此，尽管已经投资了20多亿美元，SSC真正寿终正寝了。 2）停建原因。 SSC停建的原因可以归纳以下几点。 费用攀升：项目建设费用开始预算为40亿美元，但1989年就有人指责其投资已经超额了30%，预计今后会持续增加。1990年能源部的一个独立成本评估小组得出的结论是全部SSC预算费用会高达93亿美元。 预算赤字：国会裁减政府费用的压力空前巨大，使得一些大项目如高级固体火箭发动机和SSC成为消除预算赤字的牺牲品。 外国参与：虽然有外国科学家参加项目，在财政上却缺乏来自外国政府的明显支持。尤其是在项目前期，美国政府没有出于垄断科学前沿并与欧洲核研究中心竞争的需要，没有和有前景的国家合作。更为重要的是，国会虽然批评美国没有得到外来资金，实际上美国只想要其他国家的投资，却不想和别的国家分享可能的技术利益和工作机会。 管理缺陷：能源部和SSC办公室缺乏一套完整的跟踪项目费用的审计系统。尽管项目采取了合同管理的模式，但是被认为是最糟糕的合同管理。大学研究联合会是SSC的总承包商。这个由科学家组成的机构精于科研管理却不善建筑工程管理，而且自视清高，对政府监督有抵触，不配合来自能源部和国家审计局的调查。 缺乏共识：国会议员中很少有几个人能够描述SSC和它的作用，科学家没有就它的好处向公众讲清楚。事实上，SSC的科学前景也很难预料，更难向公众描述。因此，对很多公众来说，尽管他们认为是SSC是好的项目，但是纳税人却负担不起。 经济利益：该项目的预期的经济效益并不明显，SSC的科学家们夸大了所谓的技术溢出效应。SSC是投资仅逊于航天空间站的大科学工程，但其可能产生的经济预期却远逊色于航天空间站。因此，尽管航天空间站项目的超支也很严重，还是得以继续进行。 政治策略：德克萨斯州是布什总统的老家，因此总统竭力支持SSC的建设。在选址之前，很多议员和州政府都对SSC表示了极大的兴趣，认为该项目对美国科技发展和各州的发展至关重要。选址确定为德州之后，这种膨胀起来的热情一下子就烟消云散了。克林顿上台后，项目的反对者对克林顿的经济政策进行了批评，克林顿立场不再坚定。 新议员反对：113个新议员中，81个投了反对票。他们是裁减政府支出的支持者，对SSC项目更是知之甚少，对SSC一开始就抱有偏见。 3）善后处理。 当SSC的停建不可逆转的时候，国会对SSC的善后处理进行了讨论。在10月21日的国会会议上，确定了善后处理的方法。 首先，国会同意继续拨付6400万美元用于完成工程的停建期间的善后工作。这笔费用用于支付那些与总承包商和特定承包商正式签约人员的90天的工资和用于合同毁约的赔付等。提案生效90天后，冻结所有开支，未使用完的资金全部返回国库。 其次，要求能源部牵头，和大学研究联合会一起，在1994年7月1日前向总统提交一份详细的报告，内容主要涉及3个方面：如何最大限度减少联邦政府、州政府和个人的损失；如何有效利用SSC的设备；下一步美国应该如何参与高能物理研究。 最后，SSC项目交由州政府的国有土地管理局处理。该局对部分设备和土地进行了拍卖。例如，线性加速器设备卖了40万美元、中心实验室设备卖了1千万美元。 SSC 下马之后，美国加大了对现有的高能物理实验室如费米国家实验室的投资，也加强了与欧洲核研究中心的合作，以确保美国科学在高能物理研究中的领先地位。 3 对大科学工程研究提出的问题 一些科学家认为国会停止SSC的多数理由有很多是站不住脚的。例如，经费超支是政府资助的拖延造成的；如果经费能够快速投入并达到一半以上，估计国会议员谁也不敢承担如此大投入的项目下马的经济损失，如同空间站那样骑虎难下；政府不能因为经济恶化、财政赤字就随意取消一个科学计划，政治家不能拿科技项目作为财政调控的象征符号。 SSC停建后再也没有恢复。这给大科学工程研究的未来发展和准备资助大科学工程研究的国家提供了一系列值得思考的问题。 1）如何确保一个大科学工程研究的持续建设与运行的费用？ 大科学工程项目需要较长时期的经费投入，工程建设的早期经费很容易得到政府的支持。随着工程的进行，一方面会导致建设费用和运行成本逐渐增加，政府支持压力加大；第二，经济总有波动现象，建设过程不可避免地要遭遇国家经济不景气时期；第三，政府更迭也会使政府的财政支出发生转向，政府就会削减甚至取消再投入，导致工程下马。对于大科学项目的建设应不应该通过立法来确保稳定的、长时间的政府支持，值得探讨。 2）如何预测大科学工程研究的预算费用的涨幅？ 大科学工程项目具有科学研究的不确定性特点，其结果是必然导致研究与发展费用的增加。不管是NASA、国防部还是能源部，预算超支和工程延期是大科学工程项目的普遍风险。例如，国会预算办公室在1988年的评估报告中，已经对加速器经费攀升有了警告。在80年代能源部的加速器项目中，能源节约器（energy saver）和亿电子伏特加速器一期（tevatron I）工程的总费用涨幅分别达到64%和122%，其中研究与发展费用更具有不确定性，其涨幅也最大，分别为106%和243%。这样的涨幅能够预测吗？如果能并且科学家们诚实地抬高了预算，政府会因为搞预算投资吗？如果不能，科学家们和政府又将如何应对这么大的涨幅风险呢？ 3）大科学工程研究中最最具有发言权？ 大科学工程也被认为是战略研究，在涉及到资助和优先领域的决策过程中，谁最具有发言权，是科学家还是政治家？无论研究的本性还是研究方向的确定，任何一个大科学工程研究都是基于科学家对科研方向的把握，由科学家决定的。但是，资助过程和决定是一个政治过程。科学家要与其他不同领域的基础项目竞争，要与同一领域的其他小科学研究项目竞争，也要与政府领导、国会议员等政治家们建立良好的沟通渠道。因此，大科学工程项目的进行不是由简单地由同行评议决定的，而是复杂的政治决策的产物。 4）大科学工程研究如何面对任务导向的研究和应用研究的竞争？ 虽然大科学工程研究的主要实验设备是建立在已知的技术基础之上，但它后续的研究和发展却属于基础研究，具有小科学研究的特点：不确定性、前瞻性。为了说服政府资助，大科学工程的组织者们过分强调了良好的技术利益和由此带来的工作机会，淡化了作为基础研究的不确定性。当这些技术副产品没有立竿见影的时候，政府官员和国会议员就失去了信心，把资助投向了社会急需的项目。对大科学工程研究的绩效评价究竟应该按照工程项目、基础研究还是应用研究的要求来进行呢？当它面临着其他的较小的任务导向和应用研究频频出成绩的压力时，该如何评价它对国家战略和目标的实现程度呢? 5）多方参与的大科学工程的政治风险如何避免？ 如果是一国运行的大科学工程，它必将涉及多个地方政府。美国的州政府具有较大的自主权力，如果联邦政府资助的项目对本州的贡献不大，他们就没有积极性。如果州和地方受益很大，州政府应不应该积极地为此配套一定数量的资金呢?SSC的审计表明，德州政府在配套资金上明显滞后和不足。如果是多国参与的大学工程，它必将涉及多国政府。例如，在1961年，欧洲核研究中心的预算增加方案得到了经济状况较好的法国政府的支持，遭遇到了经济不景气的英国政府的强烈反对；结果是法国政府动用了外交手段，以退出欧洲核研究中心为要挟才使英国政府勉强同意了预算增加方案。当大科学工程研究面临着国家之间的冲突时，大科学工程研究和政治之间的关系就更加复杂了。 4 对我国大科学工程研究的启示 作为一个大国，我国开展大科学工程研究是国家发展战略的需要，也是政府资助科技领域有所为有所不为的必然选择。思考和探究SSC建设的经验和教训，能给我国开展大科学工程带来一些有益的启示。 第一，大科学工程研究需要全过程和全方位的交流。 大科学工程研究是一个系统工程，是较长时间内多方参与的结果，既涉及到科学共同体，也涉及到政府，还涉及到国家的立法机构，甚至也涉及到广大公众。各方关注的焦点各不相同，有的主要关心工程能否在科学前沿出成果，有的主要关心工程对政府政绩的影响，有的关心该工程的合法性和合理性，有的关心工程对社会、对环境的影响。因此，不论是在立项之前还是在实施过程中，多方的相互沟通、相互了解是必不可少的。尤其是科学家和工程师必须要向人大代表、社会公众普及相关科技知识，宣传最新进展，而不只是在科学共同体之间交流或者只对政府主管部门进行汇报。 第二，大科学工程研究的管理要更加严格和规范。 大科学工程具有一般科学研究项目具有的不确定性，具有与一般工程不同的特殊性，但这些特殊性不能作为放松管理的理由。大科学工程的主要负责人管理一般仍由权威的科学家担任，他往往缺乏在财务、设备和工程建设特别是后期研发经费等的管理经验，如果研发主管、财务管理、行政管理等不能相互配合，就有可能延误工程进行，造成预算严重超支。从预研究开始，就需要建立一套完善的管理、运行、绩效评价的体系和制度，确保大科学工程的可持续发展。 第三，大科学工程研究要评估经济发展趋势和经济政策的变化。 大科学工程的建设周期往往很长，需要持续稳定的资金投入。较长一段时间内的经济发展趋势和经济政策左右着政府对大科学工程的投资强度。SSC的下马就与克林顿政府实行的从赤字财政到平衡预算和宏观调控转移的财政政策密切相光。例如，政府可以设立大科学工程研究的专项资金，把每年的预算按一定幅度递增列入到长远规划中，以克服临时增加预算的困难。 第四，大科学工程研究也要考虑国际风险。 大科学工程往往需要多国科学家的合作参与，也需要多国政府的共同资助，其风险及涉及到科学竞争，也涉及到外交政策。因此，在进行项目可行性分析时，需要预测它国科学家是否有开展类似的大科学工程研究的动向（例如，与SSC类似的项目有欧洲核研究中心的大型强子对撞机），也要评估如果合作伙伴减少投资后政府还有没有增加投资的能力（大科学项目增加预算时需要参与国共同同意增加投资），还要考虑能否争取到更多国家的支持。在SSC费用节节攀升的时候，美国物理学家寄希望于日本和欧洲的同行说服他们的政府投资，总统科学顾问也加入到筹款之中，但是这些政府都无动于衷。政府可以把大科学工程研究列入到国家外交的议事日程，进行积极的筹资活动。 第五，大科学工程研究在领域选择上必须更加慎重。 虽然大科学工程研究的目的在于探索前沿科学领域的未知现象，其科学意义特别重要，但其对技术和经济产生的影响和对小科学项目的作用也是不能忽略的，毕竟大投资期待更大更多的回报，大投资会挤占更多的小投资。如果研究方向过于超前，其技术溢出效应就很小，经济效益更是难以预期；如果研究领域过于狭窄，就缺乏与其他学科的关联和共享，其他小科学项目就无法受益。一方面，美国国会预算办公室评价SSC的技术溢出效应（如对计算机技术和高技术设备）并不比其他的国家实验室突出；另一方面，有科学家批评高能物理把其他物理科学研究的经费榨干了。克林顿政府把联邦科技的重点从高能物理转向了信息技术和生物医学等新兴学科领域，信息高速公路建设和人类基因组计划等的实施让美国继续保持着高科技的领先地位。 参考文献： http://www.hep.net/ssc/new/history http://www.lbl.gov/science-articles/archive/ssc-and-future.html HicksRossum(ed.).Policy Development and Big Science. Royal Netherlands academy of arts and science ,1989 GAO/RCED-93-87, Feb. S.温伯格.终极理论之梦.湖南科学技术出版社，2003 Afred K. Mann. For Better or for Worse: The Marriage of Science and Government in the United States，2000 Daniel S. Greenberg. Science, Money, and Politics, The University of Chicago Press, 2001 谢家麟.加速器与科技创新.清华大学出版社，2000
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