2011年是物理学家发现原子核一百周年。1911年，欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)在曼彻斯特实验室进行的实验中，让由镭的放射性衰变产生的一束带电粒子冲击到薄薄的金箔片上。人们通常认为，这时原子的质量会像一个布丁一样均匀摊开。在这种情况下，来自于镭的重荷电粒子应该在很小偏转的情况下穿过金箔。但让卢瑟福吃惊的是，有些粒子竟几乎垂直地从金箔上反弹回来，这表明这些粒子被金属原子内的一些又小又重的物质所排斥。卢瑟福觉得这种现象可以被看作是电子绕着原子核旋转，就像行星绕着太阳转一样。

 

　　这是伟大的科学，但不是人们所说的大科学。卢瑟福的实验小组由一位博士后和一名大学生组成。他们的工作经费由伦敦皇家学会资助的仅仅70英镑来支撑。实验中使用的最昂贵的物品是镭的样品，但卢瑟福不必支付这笔昂贵的费用，因为镭是从奥地利科学院租借的。

 

　　核物理不久就变得很引人注目。在卢瑟福的实验中，镭的带电粒子没有足够的能量穿过金属核的电斥力并进入原子核内部。为了打开原子核并了解其本质，1930年，物理学家们发明了回旋加速器和其他一些能够加快带电粒子获得更高能量的机器。后来，布鲁克海文国家实验室前主任莫里斯·戈德哈伯(Maurice Goldhaber)曾回忆说：

 

　　首次分解原子核的是卢瑟福，有一张他拿着这个仪器放在腿上的图片。然而，我总是记得之后的一张图片，那是在伯克利建造的一个著名回旋加速器，在那张图片上，所有人都坐在回旋加速器周围。

 

　　第二次世界大战以后，新的加速器建成，但如今的目的已经不同了。在宇宙射线观测中，物理学家发现了一些不同种类的基本粒子，他们与普通原子中存在的粒子不同。为了研究这一新种类的物质，需要人为地创造大量的这种粒子。为此，物理学家们必须加速像质子(氢原子核)这样的普通粒子束以获得更高的能量，当质子撞击固定位置的原子时，他们的能量蜕变为大量的新粒子。这不是一件为能量最高的加速器设置记录的事，甚至也不是一件像收集兰花一样，收集越来越多粒子物种的事。建设这些加速器的目的是要通过产生新种类的物质来了解控制所有形式物质的自然规律。尽管许多物理学家更喜欢卢瑟福式的小规模实验，但发现的逻辑迫使物理学变成大规模的实验。

 

　　1959年，我作为一名博士后加入了伯克利辐射实验室。那时，伯克利拥有世界上最强大的加速器贝韦特朗，在校园后面的山丘上，占满了整个大型建筑。建成的贝韦特朗专门用于把质子加速到足够高的能量以产生反质子，不出意料，反质子产生了。而令人意外的是还产生了上百种新物质，其中有一些极不稳定。这些新型粒子如此之多，他们几乎不可能都是基本粒子，因此，我们开始怀疑是否真的知道基本粒子的含义。这一切都非常复杂和令人振奋。

 

　　在贝韦特朗工作十年后，我们对正在发现的事物有了清晰的感觉，发现需要新一代高能量加速器。这些新型加速器太大，不适合放在伯克利大学山坡上的实验室里。许多加速器也会由于太大而不适合由任何单一的大学作为执行机构来运作。但如果这对伯克利大学来说是一种危机，对物理学来说则不是。新型加速器建在了芝加哥郊外的费米实验室、日内瓦附近的欧洲核子研究中心以及美国和欧洲的其他实验室。这些加速器太大了，不适合建在建筑物内部，而现在这些建筑物竟然成了特色景观。费米实验室的新型加速器周长有4公里，周围有成群的野牛和重建的伊利诺伊大草原上的牧场。

 

　　到20世纪70年代中期，在这些实验室工作的实验者和使用这些收集到的数据的理论家们，他们的工作把我们引领到一个全面的和现在被很好地验证了的有关粒子和力的理论上，也就是所谓的标准模型。在这一理论中，有几种基本粒子。有补偿原子核内的质子和中子的强相互作用的夸克，以及在20世纪50年代和60年代发现的大多数新粒子。有较弱相互作用的粒子称为轻子，它的原型是电子。

 

　　也有在夸克和轻子之间移动产生不同力的“力子”粒子。这些包括：(1)光子，承载电磁力的粒子；(2)承载弱核力的密切相关的颗粒称作W和Z玻色子，允许一种夸克或轻子改变为不同的种类，例如，当碳-14衰变为氮-14时(正是这种逐渐衰减使得碳年代测定成为可能)，使得带负电荷的“下夸克”变成带正电的“上夸克”；(3)产生在质子和中子内部共同具有夸克的强核力的无质量的胶子。

 

　　就像标准模型已取得的成功一样，这显然不是故事的结束。比如说，在这个理论中夸克和轻子的质量目前是从实验获得的，而不是从一些基本原理中推导出来的。我们十几年来一直在寻找这些物质的清单，总觉得我们应该了解它们，但对它们却没有任何感知。好像我们试图用一种被遗忘的语言在阅读类似线性文字A一样的铭文。而且，天文学家告诉我们，宇宙中六分之五的物质，如引力和暗物质等一些重要的东西没有涵盖在标准模型中。

 

　　所以我们现在正在等待欧洲核子研究中心的新型加速器的实验结果，期待能够超越标准模型进入下一步的实验。这就是大型强子对撞机，简称LHC。该对撞机的地面周长达17英里，跨越瑞士和法国之间的边界。在该对撞机中，把两束质子以相反的方向进行加速，每束质子最终将获得7万亿电子伏特的能量，这是质子质量中所具有的能量的7 500倍。质子束撞击在绕着对撞机周边设置的几个站点，在这些站点里，像清点二战巡洋舰一样，探测器梳理出了在这些碰撞中产生的不同种类的粒子。

 

　　早就预计到会在大型强子对撞机实验中发现一些新物质。统一弱电磁力的标准模型中的部分内容是根据这些力之间的完全对称性提出的，这部分内容在1967至1968年间提出。携带弱核力的W和Z粒子以及携带电磁力的光子在理论方程中都显示为无质量粒子。此时，当光子真的无质量时，W和Z粒子事实上却相当重。因此，需要假设电磁力和弱相互作用之间的对称性被打破，也就是说，尽管具有理论方程的精确属性，但在观察到的粒子和力中并没有显现。

 

　　有人于1967~1968年提出的关于弱电对称性理论被打破了，尽管这一原理还处于原始和最简单的阶段。这一原理包括存在于宇宙中的四个新领域。这些领域中某个领域的一束能量将在自然界中显现为大量不稳定的被称作希格斯玻色子的带电荷粒子。除质量外，希格斯玻色子的所有属性都通过1967~1968年间的弱电理论预想到了，但到目前为止，并没有观察到粒子。这就是为什么大型强子对撞机正在寻找希格斯，如果找到，将能确认弱电理论的最简单的版本。

 

　　2011年12月，两组报道暗示在大型强子对撞机中已经产生了希格斯玻色子，它的质量是质子质量的133倍，带有这个质量的希格斯玻色子的迹象随后转移到了来自费米实验室的历史数据的一次分析。我们都将会知道到2012年年底是否真的能看到希格斯玻色子。

 

　　希格斯玻色子的发现将是对现存理论的一次可喜的验证，但它并没有指出一条通往更全面未来理论的路径。就如质子加速器的例子一样，在大型强子对撞机中发现的最令人兴奋的事物就是那些相当难以预料的东西。不管它是什么，都很难看出它带给我们的通往最终理论的所有路径，包括引力。因此，在未来十年中，物理学家们可能会要求政府支持他们所需要的任何新的和更强大的加速器。

 

　　这将是一件很困难的事情。我的悲观部分来自于我在20世纪80年代和90年代的经历，那时我曾尝试过为建造另一个大型加速器筹集资金。

 

　　在20世纪80年代初，美国开始实施超级超导对撞机计划，也称SSC计划，该对撞机能够把质子的能量加速到20TeV，这是在欧洲核子研究中心大型强子对撞机中所能获得的最大能量的三倍。经过10年的努力，完成了设计，地址选在了得克萨斯州，购买了土地，开始建造能够引导质子的隧道和磁铁。

 

　　随后，在1992年，众议院取消了对SSC的资助。众参两院协商委员会恢复了资助，但第二年同样的事情又发生了，并且这次众议院不再采纳协商委员会的意见。在花费了近20亿美元的开支和成千上万的人力后，SSC夭折了。

 

　　SSC失败的一个原因是过度超支的不实名声。甚至有人在新闻中胡说八道，说经费用于购买了行政大楼走廊里的盆栽植物。预算成本确实增加了，但主要的原因是国会年年都从来没有提供过足够的资金来维持计划的开支率。这使得建造日期延长，并且因此也使得完成工程的成本增加。即便如此，SSC满足了所有的技术要求，并将能用与花费在大型强子对撞机上同样的费用来完成，且还能提前十年完工。

 

　　1992年，SSC的支出费用已成新一班子国会议员选举的靶子。他们急于表现自己能够削减成本的能力，把这看作和削减德州的猪肉价格一样，未感知到这里面存在的危机。冷战结束后，SSC的发明者们没打算创造出任何具有直接实际意义的东西。物理学家们能够从高能物理中发现技术的外溢，包括从同步辐射到万维网。为促进发明，从这个意义上来说，大科学是相当于战争的技术，它不会杀死任何人，但技术的溢出不能事先预测。

 

　　真正激励基本粒子物理学家的是对世界本质的一种感知，也就是说，他们相信世界是由我们能够发现的、简单而又具普遍性的原理来控制的。但并不是每个人都觉得这一点很重要。在有关SSC的辩论期间，我在拉里·金(Larry King)的广播节目上与一个国会议员持相反的意见。他说他不反对在科学上开支，但我们必须确定优先事项。我解释说，SSC将会帮助我们了解自然规律，并且我对SSC是否值得确定为高度优先事项进行了发问。我记得他回答的每一个字，那就是“不”。

 

　　真正刺激立法者的是其成员的直接经济利益。大实验会给他们管辖的领域带来工作和金钱，因此他们积极支持来自于那个州的立法者，而对来自于其他州的国会成员持冷漠或敌意的态度。在得克萨斯州选址结束前，有个参议员告诉我说，那时有上百的参议员赞成SSC，但一旦选址确定，赞成的人数下降到二成。他说的不错。有几个国会成员在看到他们州没有被选址的可能性后，他们在有关SSC问题上改变了他们的立场。

 

　　困扰SSC的另一个问题是科学家之间的资金竞争。在各个领域工作的科学家们普遍承认在SSC能够做出良好的科学，但有些科学家觉得这笔钱花在其他科学领域会更好，比如他们自己所从事的领域。更糟糕的是，SSC遭到了美国物理学会当选主席的反对，该主席是一个固态物理学家，他认为花在SSC上的资金用在固态物理学上会更好。看到由于取消SSC而节约下来的任何资金却都没有用到其他科学领域，我无法高兴起来。

 

　　但当物理学家们要求政府对超越大型强子对撞机的未来加速器进行资助时，所有的这些问题又重现了。这种状况会更糟糕，因为未来加速器将可能不得不成为一次国际合作。我们看到，最近为受控热核发电(国际高热原子能反应堆)的发展而建设实验室的工程，差点由于法国和日本之间的实验室选址竞争而夭折。

 

　　不建造新一代加速器，在基础物理学中也有事情可做。就像猜想的质子的一次极其缓慢的放射性衰变一样，我们将继续寻找罕见的过程。研究中微子的特性需要做很多的事情。我们从天文学家那里得到了一些有用的信息。但我不相信我们能够在没有推动高能量的新领域的情况下取得重大进展。因此，在未来十年中，我们可以看到对自然规律的探索会节奏变慢甚至到停止，在我们有生之年不会再恢复。

 

　　资金是所有科学领域中都存在的问题。在过去的十年中，国家科学基金会已看到了能使资金从33%降低到23%的那部分拨款建议内容。但大科学具有特殊的情况，不宜按比例进行减少。建造绕周长只进行了一半的加速器通道没有任何好处。

 

　　天文学和物理学有非常不同的历史，但天文学也存在相当多同样的问题。天文学在政府的大力支持下早已成为大科学，因为到目前为止，天文学从某种程度上来讲是有用的，而物理学并非如此。古代，大地测量、航海、计时和制作日历都用到了天文学，在占星术中，也把天文学想象成是对预测未来有用的。由政府成立的研究机构：希腊的亚历山大博物馆；九世纪巴格达的智慧屋；1420年由乌鲁·伯格(Ulugh Beg)在撒马尔罕建造的大型观测站；1576年第谷·布拉赫(Tycho Brahe)在丹麦国王赐予的岛上建造的天文台乌兰尼堡；英国的格林尼治天文台和后来的美国海军天文台。

 

　　19世纪，富人开始在天文学方面慷慨地支出。罗斯伯爵三世在他的家庭观测站使用了一个叫利维坦的巨大的望远镜发现了星系，也就是我们现在所知的有螺旋臂的银河系。在美国，建造的天文台和望远镜上面刻有捐赠者的姓名，如利克、叶凯士、胡克和近年来的凯克、霍比和埃伯利等。

 

　　但现在天文学面临超越个人才智的任务。我们必须把天文台发送到太空中去，既是为了避免由于地球表面的大气层造成的图像模糊，也是为了观测那些无法穿透大气层的具有一定波长的放射物。宇宙学已被像宇宙背景探测器、哈勃太空望远镜、威尔金森微波各向异性探测器等这样的与地面先进的观测站串联的卫星观测站彻底改变。我们现在知道起始于13.7亿年之前的宇宙大爆炸阶段。在此之前，我们也有很好的证据证明有一个被称为膨胀期的呈指数级快速扩展的阶段。

 

　　但是，宇宙学面临着发展止步不前的危险，在许多方面和基础粒子物理学几十年来遇到的阻碍相似。1998年，宇宙正在加速膨胀的发现在各种各样的理论中逐渐得到承认，但我们没有能够表明这一正确理论的观测值。早期宇宙遗留下来的微波放射物的观测结果已经证实了早期膨胀的大致观点，但对涉及到的膨胀的物理过程没有给出详细的信息。我们需要新的卫星观测站，但会被资助吗？

 

　　就像哈勃的继任者设想的那样，最近詹姆斯·韦伯太空望远镜的历史令人不安地联想到了SSC的历史。在去年奥巴马政府要求的资助标准上，这个工程将继续进行，但不允许再把望远镜发射到轨道上。7月，众议院拨款委员会一致投票决定取消韦伯望远镜。有成本增加的投诉，但与SSC的情况一样，成本增加的主要原因是年复一年的不充足的工程拨款。最近，已经恢复了对望远镜的资助，但未来怎样还无法明确预测。该工程已不再归美国宇航局科学任务理事会管理。韦伯工程的技术性能是卓越的，但和SSC遇到的情况一样，该项工程已花费数十亿美元，但并没有摆脱被取消的困境。

 

　　与此同时，在过去的几年里，美国宇航局天体物理学方面的资助资金已在减少。2010年，国家研究理事会对天文学未来十年存在的机会进行了一次调查，对有可能会被设置在太空中的新型观测站设置了优先级。被设置为最高优先级的是红外巡天望远镜，其次是探测器，这是一个中等大小的观测站的规划，其规模与威尔金森微波各向异性探测器相近；再次是LISA，一项重力波观测站；最后是一个国际X射线天文台。在预算案中没有为这些项目中的任何一个预算资金。

 

　　欧洲在大科学上也持续松懈，正如前面所列举的LHC和被命名为普朗克的新型微波卫星天文台。但欧洲的财政问题比美国更糟糕，欧盟委员会目前正在考虑从欧盟预算中取消大科学项目。

 

　　在美国，空间天文学有其特殊的问题。美国宇航局这一政府机构负责这项工作，他们总是更致力于把资源用在对科学的贡献微乎其微的载人航天飞行上。近年来所有对天文学有着许多贡献的太空观测站都没有载过人。国际空间站作为一个科学实验室被部分出售，但没有任何重要的科学来自于该站。去年，一个宇宙射线天文台被带到了这个空间站(在美国宇航局企图从航天飞机的安排表中删除之后)，这是第一次在空间站可能进行的具有重大意义的科学，但在运作过程中不需要宇航员们的参与，并且，作为一个无人卫星，开发成本会更加低廉。

 

　　国际空间站对SSC的取消要负部分的责任。这两项工程在1993年国会的关键性表决时同时出现。由于太空站将由休斯顿来管理，所以这两个工程都被看作是得克萨斯州的项目。在承诺积极支持SSC之后，1993年克林顿政府决定，在得克萨斯州只能支持一个大的科技项目，并选择了支持空间站。美国国会议员不了解这两个工程之间的不同。内务委员会会议召开之前的一次听证会上，我听到一位国会议员说，他可以看到空间站将如何帮助我们了解宇宙，但他却对SSC无法了解。我觉得很无语。正如我后来写的那样，空间站有很大的优势，它比SSC耗资多10倍，因此，为空间站的发展，美国宇航局可能会与许多国家签订合同。

 

　　大科学为了获得政府资金，不仅和载人航天、学院科学的各种计划竞争，也和其他许多需要政府支持的项目竞争。在教育上我们没有花费足够的资金使最好的大学毕业生把教师作为一个有吸引力的职业选择。与欧洲和东亚相比，可以发现我们的铁路客运专线和互联网服务看起来越来越差。我们没有足够的专利检查员来尽快处理新的专利申请。在我们的一些监狱里，犯人过多而监狱管理人员不足会带来残忍和不寻常的惩罚。由于我们法官数量的缺少而造成民事诉讼要花费多年才能听证。

 

　　此外，美国证券交易委员会没有足够的工作人员来打赢负责调解的经济组织间的官司；没有足够多的戒毒中心来治疗想要戒毒的吸毒成瘾者；我们的警察和消防员也比911之前要更少；在美国，许多人不能指望得到适当的医疗条件……事实上，在现任委员会中，政府在对待这些事情方面比对待科学还要糟糕。如果现行法律把经费压缩8%，或者说实际上是降低今年以后的非军事开支，那所有这些问题将会变得更加严重。

 

　　我们最好不要企图通过抨击其他必要方面的支出来捍卫科学，这样将是我们的损失，且是我们应得的损失。若干年前，在与一位得克萨斯州众议院拨款委员会成员吃饭时，我找到了证明我自己观点的证据。当她雄辩地谈到需要花钱来提高得克萨斯州的高等教育的必要性时，给我留下了深刻的印象。州大学的教授难道不想听到这些吗？我天真地问她要开发什么新的财政收入来源。她回答说：“噢，不，我不想提高税负。我们可以从保健费中抽取这部分经费。”我们不应该这么做。

 

　　在我看来，真正需要的不再是为这个或那个特定的公共利益进行更特殊的支出请求，而是要对所有关注这些事情的人，特别是他们进行的投资收益，统一按较高的或累进税率征税。我不是一位经济学家，但我和经济学家讨论，我的钱是一分分积攒的，而政府支出比削减税负更能刺激经济增长。说我们不能承担增加的政府开支只是一种谬论。但抗税狂热者看起来像是吸引了公众的注意力，但这些观点无异于政治毒品。这才是真正的不仅仅存在于科学中的危机。