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美國科學200年：從漫長的平庸到物理學家的戰爭

點擊：3091  作者：陳希    來源：知識分子  發布時間:2016-11-21 11:50:51

 

      【導言】：時至今日，美國科學界所取得的成就已成為這一龐大知識帝國耀眼光環中的一輻。從2001年至2016年，在獲得自然科學類諾貝爾獎（包括物理學獎、化學獎、生理學或醫學獎）的共計101位科學家中，擁有美國國籍的科學家62席，而這一驚人的比例在一百年前是難以想象的——在1901年至1939年間128名自然科學類諾貝爾獎得主中，只有15位是美國人。在被稱作“美國世紀”的20世紀到來以前，美國的科學處于一種怎樣的狀態？具有怎樣的特征？

      本文中的第一篇文章介紹了19世紀美國科學發展的概況，我們可以從中大致了解美國的科學傳統，這篇文章由哈佛大學已故教授、美國科學史奠基人之一伯納德·科恩（I. Bernard Cohen）撰寫；第二篇文章則講述了二戰中美國物理學家群體的故事，希望從一個側面展現美國科學在20世紀發展的某些趨勢以及面臨的問題。

     1  十九世紀的美國科學

整理自：“Science in America: The Nineteenth Century”, in Arthur M. Schlesinger, Jr. and Morton White eds., Paths of American Thought, Houghton Mifflin Company, 1963, pp.167-189.

作者：I. Bernard Cohen（1914-2003）

倘若一位科學史家試圖考察美國在19世紀人類科學進步歷史上的作用，那么恐怕他會感到無比失望。在自然科學理論成就斐然的殖民地時期過后，美國科學迎來的是一段漫長的平庸期。

且讓我們對19世紀前中期的美國科學做一概覽：

物理學方面，盡管誕生了像約瑟夫·亨利（Joseph Henry）這樣杰出的電磁學家，但是顯然他無法與同時代歐洲幾位大名鼎鼎的人物相提并論——法拉第（Faraday）、基爾霍夫（Kirchhoff）或是麥克斯維爾（Clerk Maxwell），他也并沒有成為倫敦皇家學會的外籍會員或是法蘭西科學院的外籍院士。而放眼19世紀物理學領域的那些最主要和最為耀眼的成就，我們似乎也可以下結論說，沒有一項是誕生于新大陸的。

?約瑟夫·亨利（Joseph Henry）。來源：photolib.noaa.gov

    這種尷尬的平庸并不限于物理學一個領域，在數學領域，雖然美國人本杰明·佩爾斯（Benjamin Peirce）發明了“線性結合代數”（linear associative algebra），不過19世紀北美大陸真正稱得上是天才的純數學家或許只有擔任約翰斯·霍普金斯大學教授的英國人西爾維斯特（J. J. Sylvester）了；

?本杰明·佩爾斯（Benjamin Peirce）。來源：Genteel。Enterprises, Science

     相對而言，在天文學領域，美國的成就要多得多，不過比起歐洲同行來依舊顯得微不足道。

雖然在化學和地理學方面，美國科學家受到了歐洲人的肯定甚至贊賞，在生物科學方面也出現了約翰·托雷（John Torrey）和阿薩·格雷（Asa Gray）這樣的享有一定名望的科學家，或許還可以提到馬修·毛利（Matthew Fontaine Maury）這位被尊稱為海洋學創始者的人物，但是總體而言，19世紀美國所做的最一流的科學貢獻可謂是少之又少，能夠載入史冊也大多是編纂者出于禮貌而為之。

與之形成鮮明對比的是殖民地時期北美的科學成就。

世界上第一個受控條件下的植物雜交實驗是在美洲殖民地進行的，并且留下了種子直感、果實直感等觀察記錄；牛頓在其名著《自然哲學的數學原理》中也曾提到兩位北美殖民地居民對彗星做了讓人驚嘆的可信的觀測記錄；此外，殖民地時期的北美還孕育了現代的電學理論。在當時的學院課程中，科學也占據了重要的地位；從財力角度看，18世紀末的殖民地學院用于購置科學設備的資金甚至較之19世紀初還要多一些。

殖民地時期還建立起了兩個十分重要的科學社團或學會：一個是美國哲學學會（American Philosophical Society），另一個是美國藝術與科學研究院（American Academy of Arts and Sciences）。從榮譽頭銜角度來看，本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）在1773年當選法蘭西科學院外籍院士，成為了當時僅有的八名外籍院士之一，而同樣的榮譽再次降臨到美國人身上卻是一個世紀之后的事了——1872年的路易斯·阿加西（Louis Agassiz）。

?美國哲學學會（American Philosophical Society）成立于1743年，是美國最早成立的學術團體之一

?油畫Benjamin Franklin Drawing Electricity from the Sky。繪者：Benjamin West

     殖民地時期建立的具有創造力的科學傳統為何沒能延續到19世紀？對此，多數人的看法是：這一傳統受到了應用型科學興起的阻礙。美國人漸漸習慣于只是汲取歐洲人的科學成就而不添加任何自己的東西，托克維爾在《論美國的民主》中這樣質疑道，“民主社會究竟能不能像貴族社會那樣毫不費力地產生對于深刻知識既難能可貴又豐厚無比的熱情？”作者科恩雖然對這種“應用型科學阻礙說”表示懷疑——他認為，至少在19世紀前半葉，美國人對理論科學的興趣并不輸于對應用科學的興趣；但他也承認，這一時期的總體趨勢的確是，強調科學作為技術的仆從和服務于人類福利的一面逐漸占據了上風。這一趨勢體現在許多方面，例如1840年代在哈佛大學成立了專門的科學學院，耶魯大學也新成立了“應用化學系”，即有名的謝菲爾德科學學院的前身，哈佛還在實用藝術門下新開設了諸如“科學應用”這樣的課程，而學生們也被灌輸了淡化應用科學和純科學之間區分的觀念。

當牛頓式的自然哲學逐漸式微之時，作為傳統科學代表的博物學在美國仍處于發展的黃金年代，不過，很快到了19世紀50、60年代，它也漸漸淪為了明日黃花。哈佛大學教授阿薩·格雷（Asa Gray）是內戰前美國本土最具聲望的博物學家，查爾斯·達爾文曾與他專門通信交流有關進化論的最初想法。格雷早年的主要成就是編纂了《北美植物志》（Flora of North America），但到了學術生涯晚期，他卻憑借一己之力建立了一個生物學實驗室，無疑他清楚意識到了博物學正在發生的巨大轉變：由以形態描述、歸類為基礎和特征的“觀察型”博物學轉向了以實驗方法為基礎和特征的“生理學型”博物學。

?美國博物學家阿薩·格雷（1810-1888）

19世紀上半葉美國科學的衰頹態勢還與聯邦政府對于支持科學研究活動的消極態度有關，這既有聯邦政府權力與州權之爭的現實原因，也可以說和美國社會從杰斐遜時代就延續下來的對于建立貴族制機構的恐懼和反感不無關聯。在反國家主義的傳統下，美國直到內戰爆發以前都沒有建立起一個類似英國、法國那樣的國家科學院，它的第一個正式的政府管轄的國家科學建制史密森協會（Smithsonian Institution）也是依靠一位英國人的私人捐獻才得以建立并運轉的。

內戰在很大程度上推動了美國應用科學的發展，此后的近半個世紀中，美國科學出現了兩個重要變化。首先是農業研究的興起，在伊薩克·牛頓（Isaac Newton, 1800-1867）的領導下成立了美國農業部（United States Department of Agriculture），此外負責開展科學活動的政府部門還包括史密森協會、海岸調查隊（Coast Survey）和海軍天文臺（Naval Observatory）等等。除了政府開始建立專門的科學部門與官僚機構外，這一時期還見證了應用科學的進一步發展和工業科學研究的興起，同時也迎來了科學學院和理工院校建設的熱潮。1840年代的美國工程師極為緊缺，專門的科學學校也只有西點（West Point）和前面提到的勞倫斯科學學院和謝菲爾德科學學院少數幾所，這種狀況在1860年代以后大為改觀，麻省理工學院（MIT）于1861年成立，1868年仿照俄國模式規劃設計的沃賽斯特理工學院（WPI）也宣告建成，此外包括位于帕薩迪納的加州理工學院（CIT）的前身斯洛浦理工學院（Throop Polytechnic Institute）在內的許多理工院校都在這一時期建立。另一方面，在哈佛畢業生薩繆爾·達納（Samuel Luther Dana）和查爾斯·達德利（Charles B. Dudley）等人領導下，美國在19世紀下半葉也率先建立起了自己的工業實驗室。

與應用科學的日趨繁榮相比，理論科學在19世紀下半葉的美國所受到的忽視是顯而易見的。1883年，美國物理學家亨利·羅蘭（Henry A. Rowland）無奈地慨嘆，純科學家與數學家的生活境遇難以和雕塑家、畫家、小說家、詩人和音樂家相提并論，前者缺乏同等的激勵條件促進他們的工作。他還在一場演講中認為，“美國科學還只是尚未實現的未來之事”，大學里的科學家被繁重的教學任務耗去了太多精力，也缺少必需的試驗助手與器械。

?亨利·羅蘭（Henry A. Rowland）。來源：Wiki

      美國天文學家西蒙·紐康博（Simon Newcomb）也在1874年發表于《北美評論》（North American Review）上的一篇文章中表達了同樣的擔憂：“這個國家所有的活力與能量都投向了物質發展，由此造成的氛圍并不利于最高水平智識的誕生。”紐康博還舉例說，在美國，當人們談及一位教授，會問“他知道什么”，而在歐洲人們會問“他發現了什么新東西”，歐洲的教授能夠憑借做出原創性貢獻獲得收入——吸引大批學生從而增加學費收入，而美國大部分學校、特別是非東部地區院校的教授并不會因為原創的研究而獲得像德國教授那樣的聲譽或酬勞。美國的科學社團也不會受到政府的資金支持，維持自身運轉都十分困難，更不用說組織起有效的科學研究活動了。

?西蒙·紐康博（Simon Newcomb）。來源：Harris & Ewing

到一戰以前，美國科學在全世界范圍之中雖占有了一席之地，但其水平（特別是理論科學領域）還無法與自身的整體實力相匹配。19世紀美國科學圖景的黯淡并不意味著它沒有培養出個別的杰出人才，但一個國家科學進步傳統的形成，不光要靠個別科學家的成就，還需要形成一個能夠持續交流，激勵思想創新的穩固而強大的學術共同體。

2  “物理學家的戰爭”

整理自：“The Physicists’ War”, David C. Cassidy, A Short History of Physics in the American Century, Harvard University Press, 2011, pp.72-89.

作者：David C. Cassidy

?愛因斯坦寫給羅斯福的信件“愛因斯坦—西拉德信”。來源：Wiki

?左：愛因斯坦（Albert Einstein）、右：西拉德（Leo Szilard）。來源：the Federation of American Scientists

“總統先生：最近我在與費米（E. Fermi）和西拉德（L. Szilard）的手稿通信中知曉了他們最近工作的一些進展，我認為鈾元素可能會成為不久的未來一種新的且十分重要的能源。目前事態發展的某些方面似乎正在提醒我們應當警覺起來，并且如果有必要的話，行政部門應當采取迅速行動。”

上面這段話摘自1939年8月2日愛因斯坦寫給美國總統富蘭克林·羅斯福的一封信件。八個月之前，柏林的科研人員向全世界宣布了他們在核裂變領域的重大發現。這使愛因斯坦與西拉德等人擔心德國人有可能在此基礎上研發出極具破壞力的新式武器，從而一舉改變參戰雙方的力量對比。就在愛因斯坦的信寄往白宮后不到一個月，德國的坦克開進波蘭，第二次世界大戰在歐洲就此爆發。羅斯福顯然收到并閱讀了這封來信，在他的指示下，當年十月，在國家標準局下設立了一個專門研究軍事利用核裂變可能性的咨詢委員會。此后，隨著美國卷入戰爭程度加深，美國物理學家也逐漸成為了影響、甚至某種程度上決定這場戰爭結局的一個特殊群體。如果說，一戰是化學家的戰爭的話，那么二戰可以稱得上是物理學家的戰爭。

這群特殊的二戰士兵堪稱那個時代美國物理學界中的全明星陣容——電學家、麻省理工學院校長卡爾·康普頓（Karl T. Compton），地理學家、約翰斯·霍普金斯大學校長以賽亞·鮑曼（Isaiah Bowman），國家科學研究院院長、AT&T公司副總裁兼貝爾實驗室總裁弗蘭克·金威特（Frank B. Jewett），以及諾貝爾獎得主羅伯特·米立肯（Robert A. Millikan）和阿瑟·康普頓（Arthur Compton，卡爾·康普頓的弟弟），領導這群科學家的則是兩位那個時代最具領導與組織能力的科學精英——萬尼法·布什（Vannevar Bush）和詹姆斯·科南特（James B. Conant），前者當時擔任卡耐基學院（Carnegie Institute）校長、國家航空咨詢委員會（NACA）主席，后者則是著名的有機化學家，時任哈佛大學校長。

?1940年3月29日在UC Berkeley的一次關于“the 184-inch cyclotron project”會議，左起依次為：Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush,James B. Conant, Karl T. Compton, and Alfred L. Loomis

這群科學界精英中的大多數人都希望能夠延續一戰中科學界與政府之間良好的合作關系，大戰的再次爆發給了他們實現愿望的絕佳時機。早在美國尚處于中立地位時，科南特就在1940年5月的一次會議上呼吁國家應盡快動員科學界，為戰爭做準備，他認為美國已經陷入了孤立主義的危險泥潭，領導人遲遲無法意識到科學技術對于作戰的意義。萬尼法·布什也參加了這次會議，第二天他便向羅斯福陳情，希望獲得總統的支持。在布什等人的努力下，羅斯福最終于1940年6月批準設立了國防研究委員會（NDRC），一年后又合并為規模更大的科學研究與發展辦公室（OSRD），由布什親自擔任主管。科學研究與發展辦公室成為了戰時負責協調全美應用于軍事目的科學研究項目的重要機構，它將特定的軍事研究計劃以聯邦政府合同的形式承包給具有相關領域優勢的各所大學或工業實驗室，例如錢學森當時所在的加州理工學院就接受了固體燃料火箭的研發任務。

盡管很早就得到了關于納粹德國正在研制核武器的情報，但無論是美國科學界還是決策層都在一段時期里普遍相信，這些研究轉化為真正可操作的戰爭武器依舊面臨很多的條件限制，因而一時難以實現；但隨著1941年10月一份英國情報的到來和兩個月之后爆發的珍珠港事件，美國人研制核彈的進程迅速加快了。

這份代號為“默德報告”（Maud Report）的英國情報得出結論認為，“制造鈾彈已經具有了可行性并將對戰爭造成決定性的影響”，布什將這份報告火速遞交給了最高決策層，羅斯福總統很快同意正式開啟核武器研制的計劃。

?“默德報告”（Maud Report）首頁。來源：osti.gov

布什和科南特領導下的鈾咨詢委員會（又稱“S-1”，下屬于國防研究委員會）將整個研制計劃分配給了三個不同方向的團隊負責：一是由阿瑟·康普頓和芝加哥冶金實驗室（Chicago Metallurgical Laboratory，簡稱“Met Lab”）負責的基礎核物理學研究；二是由歐內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）負責的同位素電磁分離研究項目；三是由哥倫比亞大學教授哈羅德·尤里（Harold Urey）負責的利用氣體擴散方法提取制造原子彈所需鈾同位素的項目。原子彈的論證與設計工作則交給了猶太物理學家羅伯特·奧本海默（J. Robert Oppenheimer）教授進行，分屬于康普頓領導的基礎研究方向。

1941年10月，好友歐內斯特·勞倫斯邀請奧本海默前往紐約參加一次秘密會議，會上奧本海默展現出的在炸彈設計方面的理論素養給會議主持者阿瑟·康普頓留下了深刻印象，次年5月，他被任命負責整個項目中的核裂變理論研究部分。在接下來幾個月中，奧本海默和他的團隊研究不僅論證了核反應堆與鈾彈制造的可行性，而且還發現了制造更具威力的“超級彈”（即氫彈）的可能。

?左起：奧本海默（J. Robert Oppenheimer）, 費米（Enrico Fermi）, 勞倫斯（Ernest Lawrence）。來源：the Lawrence Berkeley National Laboratory

?左：格羅夫斯（LeslieR. Groves），右：奧本海默（J. Robert Oppenheimer）

     在整個“S-1”的行動中，布什有意采取了軍事化的垂直管理方法，特別強調團隊的服從，他認為參與項目的科研人員在觸及研究政策和工作職責時應該自覺將自身放在從屬地位。有一次，在阿瑟·康普頓向布什提出一個政策問題后，布什用一種頗為權威的口吻答復道：“擺在委員會面前的是一個技術問題，而非有關項目的政府政策應該如何或不應該如何的問題。”顯然，作為政府行政人員的布什已將這場計劃行動中的科學家當作單純的技術人員，他們所服務的軍事目標在他看來也是無關政治的客觀對象，他們只需要考慮如何去完成政府的合同，而不必負有文化與社會道義上的責任。

由于總部辦公室最初設在了紐約的曼哈頓工程區（Manhattan Engineer District），核武器研制計劃后來被越來越多的人稱作“曼哈頓計劃”，由陸軍準將萊斯利·格羅夫斯（Leslie R. Groves）擔任主指揮官。格羅夫斯隨后又挑選了奧本海默擔任該計劃的科學主管。這一決定在當時頗為出人意料，因為奧本海默既缺乏實驗能力和管理經驗，政治上也曾持有過招人懷疑的左派立場，這樣一位科學家竟然能夠獲得軍人出身的格羅夫斯的信賴顯然有其他理由。根據為格羅夫斯作傳的歷史學家羅伯特·諾里斯（Robert S. Norris）的說法，格羅夫斯應該恰恰是考慮到了奧本海默政治背景上的脆弱點，選擇這樣一位人物作為合作者便于他本人確立權威，保證不會有人挑戰其領導地位。

在奧本海默的建議下，格羅夫斯挑選了遠在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）的一所男校作為實施曼哈頓計劃的主實驗室地點，用于原子彈的設計和組裝工作。在此后兩年多的時間里，計劃科研人員遇到的一個最大困難就是如何解決觸發爆炸環節的技術問題。盡管鈾彈不存在設計和建造上的困難，但是提取鈾的過程要遠為復雜和漫長；相較而言，钚彈更適合作為武器大批生產，不過卻需要克服球面設計上的技術障礙，因為钚的內爆壓縮過程只有在精確球面震動波環境下才能觸發。幾經試驗，钚彈球面設計的困難終于排除，1945年7月16日，美國在新墨西哥沙漠進行了代號為“三一”（Trinity）的試驗，成功試爆了一枚钚彈。第二天，一枚同樣的钚彈被運往了太平洋深處的空軍基地，最終成為了美國在長崎投下的那顆原子彈。

試驗成功使得參與曼哈頓計劃的科學家們感到無比的興奮，不過隨著1944年6月諾曼底登陸后盟軍在歐洲戰場取得節節勝利，德國并未成功制造出核彈的事實也變得越來越清楚，一些科學家開始相信，盟軍無需核武器也能獲得勝利，他們決定向高層建議停止曼哈頓計劃并反對向最后一個還沒有投降的法西斯國家日本投放原子彈。曼哈頓計劃中屬于英國團隊的波蘭流亡工程師約瑟夫·羅特布拉特（Joseph Rotblat）在得知德國并無核武器之后，立即請辭離開計劃，他說“我之所以待在洛斯阿莫斯的所有目的都已經不復存在了，因此我懇請允許我離開并回到英國”。

?“三一”試爆（1945年7月16日）。來源：美國聯邦政府

芝加哥冶金實驗室的科研人員在1945年5月德國投降后也隨即提出反對向日本投放原子彈。其中一位流亡科學家，同時也是當初向愛因斯坦透露德國科學家核試驗最新進展的科學家之一，列奧·西拉德，在“三一”試爆后的第二天便向新任總統哈里·杜魯門致信，希望后者“考慮到道義上的責任”能夠“給日本人一個投降的機會”而不是在不被警告的情況下對其進行核彈的毀滅性打擊；他還充滿預見地在信中指出，一次突然的核彈襲擊將會給未來的核戰爭提供危險的先例。

另一位芝加哥實驗室的物理學家，1925年諾貝爾獎獲得者詹姆斯·弗蘭克（James Franck）也在同年6月11日向戰爭部長提交了一份報告，他反對對日本展開核武突襲，同時還吁請提前向日本作公開的警告，說明原子彈的威力，此外和西拉德一樣，弗蘭克也在報告中告誡道，如果美國使用了核武器很有可能在戰后引發核軍備競賽。西拉德和弗蘭克的呼聲不僅僅具有表面的意義，他們的行動還代表了對布什式作風的反抗，可以視作是部分科學家希望重新掌握對自己工作控制權的一次宣言，這些科學家意識到并越來越認同這種看法：核武器所具有的毀滅人類的能力遠遠超過以往的任何武器，而科學家是少數幾個擁有制造這種武器知識且深知其危險程度的人，因此科學家有責任讓決策者意識到控制核武器發展在政治上和道義上的必要性。

?詹姆斯·弗蘭克（James Franck）。來源：nobelprize.org

戰爭部長將弗蘭克的建議交由一個由奧本海默領導的科學咨詢小組進行討論，但并未獲得多數通過。小組討論認為，對日本本土采取和歐洲戰場相同的登陸作戰將會使戰爭的傷亡人數再增加百萬，因此唯一的方案就是向日本投放原子彈以盡快結束戰爭。最終奧本海默起草的小組討論報告重申布什將科學家視作僅限于實現技術上目標的合同工，報告說“的確，在過去幾年中，我們是那些能夠有機會針對這些問題詳加考慮的少數公民之一，但是我們并沒有特別的能力去解決因原子彈的到來而產生的政治、社會及軍事問題”。不過，小組吸收西拉德和弗蘭克關于提前警告日本的建議，1945年7月26日，美國、英國、中國在波茨坦共同向日本發布最后通牒，要求日軍無條件投降，“除此一途，否則日本將迅速完全毀滅”。在日方斷然拒絕后，8月6日，保羅·提比茨（Paul Tibbets）上校駕駛著“伊諾拉·蓋伊”（Enola Gay）在廣島上空投下了代號“小男孩”的鈾彈；8月9日，查爾斯·斯維尼（Charles Sweeney）少校駕駛“博克斯卡”（Bockscar）在長崎投下了代號“胖子”的钚彈。9月2日，日本宣布無條件投降。

?左：小男孩（Little Boy），右：胖子（Fatman）爆炸的情形。來源：Wiki

物理學家最終打贏了這場人類歷史上規模最大的戰爭。從1942年至1945年二戰結束，曼哈頓計劃一共動員了超過20萬人，投入的資金高達22億美元，這一數字僅次于1960年代的阿波羅登月計劃。可以想象，無數的美國人在這里留下了他們的青春與汗水，其中不少在當時還只是二十多歲、剛剛獲得博士學位的青年科學家。有人形容，對于那些“洛斯阿莫斯退伍老兵”來說，這段光輝歲月就如同之后一代的美國人回憶起伍德斯托克音樂節一樣令人感到興奮卻又內心復雜。

本文原載微信公號《東方歷史評論》（ID：ohistory），《知識分子》獲授權刊載。