美国科学200年：从漫长的平庸到物理学家的战争

点击：  作者：陈希    来源：知识分子  发布时间:2016-11-21 11:50:51

 

      【导言】：时至今日，美国科学界所取得的成就已成为这一庞大知识帝国耀眼光环中的一辐。从2001年至2016年，在获得自然科学类诺贝尔奖（包括物理学奖、化学奖、生理学或医学奖）的共计101位科学家中，拥有美国国籍的科学家62席，而这一惊人的比例在一百年前是难以想象的——在1901年至1939年间128名自然科学类诺贝尔奖得主中，只有15位是美国人。在被称作“美国世纪”的20世纪到来以前，美国的科学处于一种怎样的状态？具有怎样的特征？

      本文中的第一篇文章介绍了19世纪美国科学发展的概况，我们可以从中大致了解美国的科学传统，这篇文章由哈佛大学已故教授、美国科学史奠基人之一伯纳德·科恩（I. Bernard Cohen）撰写；第二篇文章则讲述了二战中美国物理学家群体的故事，希望从一个侧面展现美国科学在20世纪发展的某些趋势以及面临的问题。

     1  十九世纪的美国科学

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）

倘若一位科学史家试图考察美国在19世纪人类科学进步历史上的作用，那么恐怕他会感到无比失望。在自然科学理论成就斐然的殖民地时期过后，美国科学迎来的是一段漫长的平庸期。

且让我们对19世纪前中期的美国科学做一概览：

物理学方面，尽管诞生了像约瑟夫·亨利（Joseph Henry）这样杰出的电磁学家，但是显然他无法与同时代欧洲几位大名鼎鼎的人物相提并论——法拉第（Faraday）、基尔霍夫（Kirchhoff）或是麦克斯维尔（Clerk Maxwell），他也并没有成为伦敦皇家学会的外籍会员或是法兰西科学院的外籍院士。而放眼19世纪物理学领域的那些最主要和最为耀眼的成就，我们似乎也可以下结论说，没有一项是诞生于新大陆的。

►约瑟夫·亨利（Joseph Henry）。来源：photolib.noaa.gov

    这种尴尬的平庸并不限于物理学一个领域，在数学领域，虽然美国人本杰明·佩尔斯（Benjamin Peirce）发明了“线性结合代数”（linear associative algebra），不过19世纪北美大陆真正称得上是天才的纯数学家或许只有担任约翰斯·霍普金斯大学教授的英国人西尔维斯特（J. J. Sylvester）了；

►本杰明·佩尔斯（Benjamin Peirce）。来源：Genteel。Enterprises, Science

     相对而言，在天文学领域，美国的成就要多得多，不过比起欧洲同行来依旧显得微不足道。

虽然在化学和地理学方面，美国科学家受到了欧洲人的肯定甚至赞赏，在生物科学方面也出现了约翰·托雷（John Torrey）和阿萨·格雷（Asa Gray）这样的享有一定名望的科学家，或许还可以提到马修·毛利（Matthew Fontaine Maury）这位被尊称为海洋学创始者的人物，但是总体而言，19世纪美国所做的最一流的科学贡献可谓是少之又少，能够载入史册也大多是编纂者出于礼貌而为之。

与之形成鲜明对比的是殖民地时期北美的科学成就。

世界上第一个受控条件下的植物杂交实验是在美洲殖民地进行的，并且留下了种子直感、果实直感等观察记录；牛顿在其名著《自然哲学的数学原理》中也曾提到两位北美殖民地居民对彗星做了让人惊叹的可信的观测记录；此外，殖民地时期的北美还孕育了现代的电学理论。在当时的学院课程中，科学也占据了重要的地位；从财力角度看，18世纪末的殖民地学院用于购置科学设备的资金甚至较之19世纪初还要多一些。

殖民地时期还建立起了两个十分重要的科学社团或学会：一个是美国哲学学会（American Philosophical Society），另一个是美国艺术与科学研究院（American Academy of Arts and Sciences）。从荣誉头衔角度来看，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）在1773年当选法兰西科学院外籍院士，成为了当时仅有的八名外籍院士之一，而同样的荣誉再次降临到美国人身上却是一个世纪之后的事了——1872年的路易斯·阿加西（Louis Agassiz）。

►美国哲学学会（American Philosophical Society）成立于1743年，是美国最早成立的学术团体之一

►油画Benjamin Franklin Drawing Electricity from the Sky。绘者：Benjamin West

     殖民地时期建立的具有创造力的科学传统为何没能延续到19世纪？对此，多数人的看法是：这一传统受到了应用型科学兴起的阻碍。美国人渐渐习惯于只是汲取欧洲人的科学成就而不添加任何自己的东西，托克维尔在《论美国的民主》中这样质疑道，“民主社会究竟能不能像贵族社会那样毫不费力地产生对于深刻知识既难能可贵又丰厚无比的热情？”作者科恩虽然对这种“应用型科学阻碍说”表示怀疑——他认为，至少在19世纪前半叶，美国人对理论科学的兴趣并不输于对应用科学的兴趣；但他也承认，这一时期的总体趋势的确是，强调科学作为技术的仆从和服务于人类福利的一面逐渐占据了上风。这一趋势体现在许多方面，例如1840年代在哈佛大学成立了专门的科学学院，耶鲁大学也新成立了“应用化学系”，即有名的谢菲尔德科学学院的前身，哈佛还在实用艺术门下新开设了诸如“科学应用”这样的课程，而学生们也被灌输了淡化应用科学和纯科学之间区分的观念。

当牛顿式的自然哲学逐渐式微之时，作为传统科学代表的博物学在美国仍处于发展的黄金年代，不过，很快到了19世纪50、60年代，它也渐渐沦为了明日黄花。哈佛大学教授阿萨·格雷（Asa Gray）是内战前美国本土最具声望的博物学家，查尔斯·达尔文曾与他专门通信交流有关进化论的最初想法。格雷早年的主要成就是编纂了《北美植物志》（Flora of North America），但到了学术生涯晚期，他却凭借一己之力建立了一个生物学实验室，无疑他清楚意识到了博物学正在发生的巨大转变：由以形态描述、归类为基础和特征的“观察型”博物学转向了以实验方法为基础和特征的“生理学型”博物学。

►美国博物学家阿萨·格雷（1810-1888）

19世纪上半叶美国科学的衰颓态势还与联邦政府对于支持科学研究活动的消极态度有关，这既有联邦政府权力与州权之争的现实原因，也可以说和美国社会从杰斐逊时代就延续下来的对于建立贵族制机构的恐惧和反感不无关联。在反国家主义的传统下，美国直到内战爆发以前都没有建立起一个类似英国、法国那样的国家科学院，它的第一个正式的政府管辖的国家科学建制史密森协会（Smithsonian Institution）也是依靠一位英国人的私人捐献才得以建立并运转的。

内战在很大程度上推动了美国应用科学的发展，此后的近半个世纪中，美国科学出现了两个重要变化。首先是农业研究的兴起，在伊萨克·牛顿（Isaac Newton, 1800-1867）的领导下成立了美国农业部（United States Department of Agriculture），此外负责开展科学活动的政府部门还包括史密森协会、海岸调查队（Coast Survey）和海军天文台（Naval Observatory）等等。除了政府开始建立专门的科学部门与官僚机构外，这一时期还见证了应用科学的进一步发展和工业科学研究的兴起，同时也迎来了科学学院和理工院校建设的热潮。1840年代的美国工程师极为紧缺，专门的科学学校也只有西点（West Point）和前面提到的劳伦斯科学学院和谢菲尔德科学学院少数几所，这种状况在1860年代以后大为改观，麻省理工学院（MIT）于1861年成立，1868年仿照俄国模式规划设计的沃赛斯特理工学院（WPI）也宣告建成，此外包括位于帕萨迪纳的加州理工学院（CIT）的前身斯洛浦理工学院（Throop Polytechnic Institute）在内的许多理工院校都在这一时期建立。另一方面，在哈佛毕业生萨缪尔·达纳（Samuel Luther Dana）和查尔斯·达德利（Charles B. Dudley）等人领导下，美国在19世纪下半叶也率先建立起了自己的工业实验室。

与应用科学的日趋繁荣相比，理论科学在19世纪下半叶的美国所受到的忽视是显而易见的。1883年，美国物理学家亨利·罗兰（Henry A. Rowland）无奈地慨叹，纯科学家与数学家的生活境遇难以和雕塑家、画家、小说家、诗人和音乐家相提并论，前者缺乏同等的激励条件促进他们的工作。他还在一场演讲中认为，“美国科学还只是尚未实现的未来之事”，大学里的科学家被繁重的教学任务耗去了太多精力，也缺少必需的试验助手与器械。

►亨利·罗兰（Henry A. Rowland）。来源：Wiki

      美国天文学家西蒙·纽康博（Simon Newcomb）也在1874年发表于《北美评论》（North American Review）上的一篇文章中表达了同样的担忧：“这个国家所有的活力与能量都投向了物质发展，由此造成的氛围并不利于最高水平智识的诞生。”纽康博还举例说，在美国，当人们谈及一位教授，会问“他知道什么”，而在欧洲人们会问“他发现了什么新东西”，欧洲的教授能够凭借做出原创性贡献获得收入——吸引大批学生从而增加学费收入，而美国大部分学校、特别是非东部地区院校的教授并不会因为原创的研究而获得像德国教授那样的声誉或酬劳。美国的科学社团也不会受到政府的资金支持，维持自身运转都十分困难，更不用说组织起有效的科学研究活动了。

►西蒙·纽康博（Simon Newcomb）。来源：Harris & Ewing

到一战以前，美国科学在全世界范围之中虽占有了一席之地，但其水平（特别是理论科学领域）还无法与自身的整体实力相匹配。19世纪美国科学图景的黯淡并不意味着它没有培养出个别的杰出人才，但一个国家科学进步传统的形成，不光要靠个别科学家的成就，还需要形成一个能够持续交流，激励思想创新的稳固而强大的学术共同体。

2  “物理学家的战争”

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

►爱因斯坦写给罗斯福的信件“爱因斯坦—西拉德信”。来源：Wiki

►左：爱因斯坦（Albert Einstein）、右：西拉德（Leo Szilard）。来源：the Federation of American Scientists

“总统先生：最近我在与费米（E. Fermi）和西拉德（L. Szilard）的手稿通信中知晓了他们最近工作的一些进展，我认为铀元素可能会成为不久的未来一种新的且十分重要的能源。目前事态发展的某些方面似乎正在提醒我们应当警觉起来，并且如果有必要的话，行政部门应当采取迅速行动。”

上面这段话摘自1939年8月2日爱因斯坦写给美国总统富兰克林·罗斯福的一封信件。八个月之前，柏林的科研人员向全世界宣布了他们在核裂变领域的重大发现。这使爱因斯坦与西拉德等人担心德国人有可能在此基础上研发出极具破坏力的新式武器，从而一举改变参战双方的力量对比。就在爱因斯坦的信寄往白宫后不到一个月，德国的坦克开进波兰，第二次世界大战在欧洲就此爆发。罗斯福显然收到并阅读了这封来信，在他的指示下，当年十月，在国家标准局下设立了一个专门研究军事利用核裂变可能性的咨询委员会。此后，随着美国卷入战争程度加深，美国物理学家也逐渐成为了影响、甚至某种程度上决定这场战争结局的一个特殊群体。如果说，一战是化学家的战争的话，那么二战可以称得上是物理学家的战争。

这群特殊的二战士兵堪称那个时代美国物理学界中的全明星阵容——电学家、麻省理工学院校长卡尔·康普顿（Karl T. Compton），地理学家、约翰斯·霍普金斯大学校长以赛亚·鲍曼（Isaiah Bowman），国家科学研究院院长、AT&T公司副总裁兼贝尔实验室总裁弗兰克·金威特（Frank B. Jewett），以及诺贝尔奖得主罗伯特·米立肯（Robert A. Millikan）和阿瑟·康普顿（Arthur Compton，卡尔·康普顿的弟弟），领导这群科学家的则是两位那个时代最具领导与组织能力的科学精英——万尼法·布什（Vannevar Bush）和詹姆斯·科南特（James B. Conant），前者当时担任卡耐基学院（Carnegie Institute）校长、国家航空咨询委员会（NACA）主席，后者则是著名的有机化学家，时任哈佛大学校长。

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

这群科学界精英中的大多数人都希望能够延续一战中科学界与政府之间良好的合作关系，大战的再次爆发给了他们实现愿望的绝佳时机。早在美国尚处于中立地位时，科南特就在1940年5月的一次会议上呼吁国家应尽快动员科学界，为战争做准备，他认为美国已经陷入了孤立主义的危险泥潭，领导人迟迟无法意识到科学技术对于作战的意义。万尼法·布什也参加了这次会议，第二天他便向罗斯福陈情，希望获得总统的支持。在布什等人的努力下，罗斯福最终于1940年6月批准设立了国防研究委员会（NDRC），一年后又合并为规模更大的科学研究与发展办公室（OSRD），由布什亲自担任主管。科学研究与发展办公室成为了战时负责协调全美应用于军事目的科学研究项目的重要机构，它将特定的军事研究计划以联邦政府合同的形式承包给具有相关领域优势的各所大学或工业实验室，例如钱学森当时所在的加州理工学院就接受了固体燃料火箭的研发任务。

尽管很早就得到了关于纳粹德国正在研制核武器的情报，但无论是美国科学界还是决策层都在一段时期里普遍相信，这些研究转化为真正可操作的战争武器依旧面临很多的条件限制，因而一时难以实现；但随着1941年10月一份英国情报的到来和两个月之后爆发的珍珠港事件，美国人研制核弹的进程迅速加快了。

这份代号为“默德报告”（Maud Report）的英国情报得出结论认为，“制造铀弹已经具有了可行性并将对战争造成决定性的影响”，布什将这份报告火速递交给了最高决策层，罗斯福总统很快同意正式开启核武器研制的计划。

►“默德报告”（Maud Report）首页。来源：osti.gov

布什和科南特领导下的铀咨询委员会（又称“S-1”，下属于国防研究委员会）将整个研制计划分配给了三个不同方向的团队负责：一是由阿瑟·康普顿和芝加哥冶金实验室（Chicago Metallurgical Laboratory，简称“Met Lab”）负责的基础核物理学研究；二是由欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）负责的同位素电磁分离研究项目；三是由哥伦比亚大学教授哈罗德·尤里（Harold Urey）负责的利用气体扩散方法提取制造原子弹所需铀同位素的项目。原子弹的论证与设计工作则交给了犹太物理学家罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）教授进行，分属于康普顿领导的基础研究方向。

1941年10月，好友欧内斯特·劳伦斯邀请奥本海默前往纽约参加一次秘密会议，会上奥本海默展现出的在炸弹设计方面的理论素养给会议主持者阿瑟·康普顿留下了深刻印象，次年5月，他被任命负责整个项目中的核裂变理论研究部分。在接下来几个月中，奥本海默和他的团队研究不仅论证了核反应堆与铀弹制造的可行性，而且还发现了制造更具威力的“超级弹”（即氢弹）的可能。

►左起：奥本海默（J. Robert Oppenheimer）, 费米（Enrico Fermi）, 劳伦斯（Ernest Lawrence）。来源：the Lawrence Berkeley National Laboratory

►左：格罗夫斯（LeslieR. Groves），右：奥本海默（J. Robert Oppenheimer）

     在整个“S-1”的行动中，布什有意采取了军事化的垂直管理方法，特别强调团队的服从，他认为参与项目的科研人员在触及研究政策和工作职责时应该自觉将自身放在从属地位。有一次，在阿瑟·康普顿向布什提出一个政策问题后，布什用一种颇为权威的口吻答复道：“摆在委员会面前的是一个技术问题，而非有关项目的政府政策应该如何或不应该如何的问题。”显然，作为政府行政人员的布什已将这场计划行动中的科学家当作单纯的技术人员，他们所服务的军事目标在他看来也是无关政治的客观对象，他们只需要考虑如何去完成政府的合同，而不必负有文化与社会道义上的责任。

由于总部办公室最初设在了纽约的曼哈顿工程区（Manhattan Engineer District），核武器研制计划后来被越来越多的人称作“曼哈顿计划”，由陆军准将莱斯利·格罗夫斯（Leslie R. Groves）担任主指挥官。格罗夫斯随后又挑选了奥本海默担任该计划的科学主管。这一决定在当时颇为出人意料，因为奥本海默既缺乏实验能力和管理经验，政治上也曾持有过招人怀疑的左派立场，这样一位科学家竟然能够获得军人出身的格罗夫斯的信赖显然有其他理由。根据为格罗夫斯作传的历史学家罗伯特·诺里斯（Robert S. Norris）的说法，格罗夫斯应该恰恰是考虑到了奥本海默政治背景上的脆弱点，选择这样一位人物作为合作者便于他本人确立权威，保证不会有人挑战其领导地位。

在奥本海默的建议下，格罗夫斯挑选了远在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）的一所男校作为实施曼哈顿计划的主实验室地点，用于原子弹的设计和组装工作。在此后两年多的时间里，计划科研人员遇到的一个最大困难就是如何解决触发爆炸环节的技术问题。尽管铀弹不存在设计和建造上的困难，但是提取铀的过程要远为复杂和漫长；相较而言，钚弹更适合作为武器大批生产，不过却需要克服球面设计上的技术障碍，因为钚的内爆压缩过程只有在精确球面震动波环境下才能触发。几经试验，钚弹球面设计的困难终于排除，1945年7月16日，美国在新墨西哥沙漠进行了代号为“三一”（Trinity）的试验，成功试爆了一枚钚弹。第二天，一枚同样的钚弹被运往了太平洋深处的空军基地，最终成为了美国在长崎投下的那颗原子弹。

试验成功使得参与曼哈顿计划的科学家们感到无比的兴奋，不过随着1944年6月诺曼底登陆后盟军在欧洲战场取得节节胜利，德国并未成功制造出核弹的事实也变得越来越清楚，一些科学家开始相信，盟军无需核武器也能获得胜利，他们决定向高层建议停止曼哈顿计划并反对向最后一个还没有投降的法西斯国家日本投放原子弹。曼哈顿计划中属于英国团队的波兰流亡工程师约瑟夫·罗特布拉特（Joseph Rotblat）在得知德国并无核武器之后，立即请辞离开计划，他说“我之所以待在洛斯阿莫斯的所有目的都已经不复存在了，因此我恳请允许我离开并回到英国”。

►“三一”试爆（1945年7月16日）。来源：美国联邦政府

芝加哥冶金实验室的科研人员在1945年5月德国投降后也随即提出反对向日本投放原子弹。其中一位流亡科学家，同时也是当初向爱因斯坦透露德国科学家核试验最新进展的科学家之一，列奥·西拉德，在“三一”试爆后的第二天便向新任总统哈里·杜鲁门致信，希望后者“考虑到道义上的责任”能够“给日本人一个投降的机会”而不是在不被警告的情况下对其进行核弹的毁灭性打击；他还充满预见地在信中指出，一次突然的核弹袭击将会给未来的核战争提供危险的先例。

另一位芝加哥实验室的物理学家，1925年诺贝尔奖获得者詹姆斯·弗兰克（James Franck）也在同年6月11日向战争部长提交了一份报告，他反对对日本展开核武突袭，同时还吁请提前向日本作公开的警告，说明原子弹的威力，此外和西拉德一样，弗兰克也在报告中告诫道，如果美国使用了核武器很有可能在战后引发核军备竞赛。西拉德和弗兰克的呼声不仅仅具有表面的意义，他们的行动还代表了对布什式作风的反抗，可以视作是部分科学家希望重新掌握对自己工作控制权的一次宣言，这些科学家意识到并越来越认同这种看法：核武器所具有的毁灭人类的能力远远超过以往的任何武器，而科学家是少数几个拥有制造这种武器知识且深知其危险程度的人，因此科学家有责任让决策者意识到控制核武器发展在政治上和道义上的必要性。

►詹姆斯·弗兰克（James Franck）。来源：nobelprize.org

战争部长将弗兰克的建议交由一个由奥本海默领导的科学咨询小组进行讨论，但并未获得多数通过。小组讨论认为，对日本本土采取和欧洲战场相同的登陆作战将会使战争的伤亡人数再增加百万，因此唯一的方案就是向日本投放原子弹以尽快结束战争。最终奥本海默起草的小组讨论报告重申布什将科学家视作仅限于实现技术上目标的合同工，报告说“的确，在过去几年中，我们是那些能够有机会针对这些问题详加考虑的少数公民之一，但是我们并没有特别的能力去解决因原子弹的到来而产生的政治、社会及军事问题”。不过，小组吸收西拉德和弗兰克关于提前警告日本的建议，1945年7月26日，美国、英国、中国在波茨坦共同向日本发布最后通牒，要求日军无条件投降，“除此一途，否则日本将迅速完全毁灭”。在日方断然拒绝后，8月6日，保罗·提比茨（Paul Tibbets）上校驾驶着“伊诺拉·盖伊”（Enola Gay）在广岛上空投下了代号“小男孩”的铀弹；8月9日，查尔斯·斯维尼（Charles Sweeney）少校驾驶“博克斯卡”（Bockscar）在长崎投下了代号“胖子”的钚弹。9月2日，日本宣布无条件投降。

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

物理学家最终打赢了这场人类历史上规模最大的战争。从1942年至1945年二战结束，曼哈顿计划一共动员了超过20万人，投入的资金高达22亿美元，这一数字仅次于1960年代的阿波罗登月计划。可以想象，无数的美国人在这里留下了他们的青春与汗水，其中不少在当时还只是二十多岁、刚刚获得博士学位的青年科学家。有人形容，对于那些“洛斯阿莫斯退伍老兵”来说，这段光辉岁月就如同之后一代的美国人回忆起伍德斯托克音乐节一样令人感到兴奋却又内心复杂。

本文原载微信公号《东方历史评论》（ID：ohistory），《知识分子》获授权刊载。