物理學家30年前遭遇的問題，至今沒有改善 | Physics World專欄

科技 11-14

前言

從財務危機和師資短缺，再到遭遇推遲甚或取消的大型項目，物理學家在30年前所遭遇的種種切身問題，至今依然沒有改善。

撰文 |

邁克爾·班克斯（Michael Banks）

翻譯 | 薄錦

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推遲多年後，欣克利角C核電站的建造工程終於在英格蘭西南部破土動工。

在我擔任《物理世界》

（Physics World）

新聞編輯的這十幾年裡，我的工作有很大一部分都是報道該領域內的最新動態——有時是採訪韋伯太空望遠鏡的部署再遭延宕之事，有時是探討英國脫歐會對物理學家們造成何種影響。但是為了紀念《物理世界》創刊30周年，這一次我卻決定回顧一下1988年當時的報道，看看過去這30年里，它們分別都有著怎樣的後續進展。

當我翻閱著最早出版的幾期《物理世界》，還有這本刊物的前身《物理公告板》的最後幾期時，我突然發現，20世紀80年代後半所報道過的新聞中，有很多直到今天仍在影響著物理學家們。有的國家為了國際科研項目的開支殫思竭慮，有的國家對於核電的影響憂心忡忡。

在我進一步深挖這些選題之前，《物理世界》的新欄目在1988年明顯存在著一些遺漏，值得在此一書。首先，當時幾乎完全沒有提及過中國，而今，它卻是物理學界的主要貢獻國之一。當時也不怎麼注重讓物理學變得更加多樣化，更有包容力——當然，這也是因為當時確實罕見這方面的倡議。

1988年十大事件改變世界

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美國宇航局

（NASA）

氣候學家詹姆斯·漢森

（James Hansen）

在面對美國國會質詢時使用「全球變暖」一詞，激發全球關注。

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政府間科研機構「政府間氣候變化專門委員會」在聯合國的主持下創立。

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劍橋大學的物理學家斯蒂芬·霍金

（Stephen Hawking）

出版著作《時間簡史》。

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加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾

（Bruce Campbell）

、戈登·沃克

（Gordon Walker）

和斯蒂芬森·楊

（Stephenson Yang）

發表徑向速度觀測結果，認為有一顆系外行星在環繞紫微左垣七運行。這顆行星的存在最終於2002年得到證實。

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萊昂·萊德曼

（Leon Lederman）

、梅爾文·施瓦茨

（Melvin Schwartz）

和傑克·斯坦伯格

（Jack Steinberger）

因發現μ中微子而將1988年的諾貝爾物理學獎收入囊中。

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圖像編輯軟體Adobe Photoshop問世。

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美國企業家羅伯特·莫里斯

（Robert Morris）

編寫出莫里斯蠕蟲，這被認為是世界上第一種通過互聯網傳播的高知名度電腦蠕蟲。

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美、英、法三國共同開發出第一條跨大西洋光纜，傳輸速度達280Mb。

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英特爾推出i960處理器，時鐘速度達到10MHz，總共包含250,000隻晶體管。

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飛利浦和索尼率先發表一次寫入多次讀取光碟

（CR-R）

的設計規格。

英特爾動力

電腦處理器的運行速度在1988年達到10MHz

不過，我們先來看看英國在政治層面上對歐洲一體化抱持的矛盾心理。1988年，設於日內瓦附近的CERN粒子物理實驗室內，一位來自英國的工作人員在英國的成員國資格遭遇資金短缺的威脅時指出：「英國離開會讓人感到不快，但是至少我們會對立場有一個定論。」而如今，英國正要退出歐盟，你簡直都沒法分辨，上面這句話究竟是援引自現代還是1988年的新聞。

當時的問題在於，英國希望下調支付給CERN以保持自己成員國身份的資費金額。這筆費用歷來會根據各成員國的GDP水平，每三年上調一次，而英國聲稱，這種計費方式損害了它的利益。於是在1988年6月，CERN理事會批准了一種新的計費方式，每年計算一次，並且適用當時的貨幣匯率。

有的國家對於這項新規頗不情願，特別是義大利，而各位英國物理學家的擔心卻是，如果沒法儘快達成某種協議，那麼英國也許就會直接抽身而退，成為該機構的「准成員」。「我們如果試圖改換成准成員的身份，肯定會成為笑柄，」一位未具名的粒子物理學家對《物理世界》說，「我們只能要麼交錢，要麼徹底退出。」

英國在CERN的去留懸而未決，也對工作人員的士氣造成了打擊，另一位線報人士表示，在CERN工作的英國員工們已經「煩透了高懸在頭上卻不知何時落下的達摩克利斯之劍」。到最後，英國並沒有退出CERN，但是英國在各類歐洲機構的去留卻從此化為了一個問號，時至今日依然令許多物理學家心有餘悸。

眼下，英國脫歐的一系列談判仍在進行當中，英國今後是否仍會是「歐洲地平線計劃」等歐盟研究活動的一員，存在著極大的不確定性。雖然英國很可能會繼續留在CERN等很多非歐盟機構內——這類機構面對歐盟以外的成員國也秉持著開放原則——但在英國與歐洲的密切合作中做出了傑出成績的英國物理學家們，依然十分缺乏安全感。

例如2007年到2013年間開展的「框架7計劃」，來自英國的研究員們總共從歐洲研究委員會那裡獲得了70億歐元的研究經費，佔到整個計劃經費總額的22.4%，比其他任何一個國家都要多。結果誰能想到，英國只要再過五個月就會正式退出歐盟，屆時英國的歐洲合作恐怕又會再一次陷入困局，雖然實在沒有道理可言。

1989年起投入使用的大型正負電子對撞機對W玻色子和Z玻色子進行了精確測量。

粒子與政治

儘管當時的CERN正在努力克服英國的退出危機，但在20世紀80年代期間，該機構的大型正負電子對撞機

（LEP）

建造工作不斷取得穩定進展，見諸報端的更多是正面的報道。這部周長達27千米的環狀機器，能將正負電子加速到100個GeV左右，堪稱工程學與科技領域的驚人壯舉。LEP於1989年8月開機投入使用，事實證明，這是一項十分了不起的成就。它連續運行了十年以上的時間，造就了粒子物理學領域的許多重大突破，尤其是對多種標準模型粒子的精確測量，包括Z玻色子和W玻色子的質量。

然而，這邊LEP的進展如火如荼，在大洋彼岸的美國，烏雲卻在粒子物理學的上空不斷積聚。1988年下半年，老布希

（George H Bush）

力壓民主黨對手邁克爾·杜卡基斯

（Michael Dukakis）

，當選為第41屆美國總統。就在大選結束兩天後，美國能源部宣布，將在德克薩斯州的沃克西哈奇建造耗資44億美元的超導超級對撞機

（SSC）

。建成後的SSC將會是一部十分驚人的環形對撞機，周長達到87.1千米，可將質子加速到20個TeV——差不多相當於CERN那部LEP退役後的繼任者的三倍還多。

此前與德州一同競爭SSC建造地址的還有伊利諾伊州的費米實驗室，該機構的建造成本會更低，因為這裡本就建有質子—反質子對撞機Tevatron，可為加速器輸送高達900個GeV的能量。在80年代，SSC會否導致粒子物理學家棄費米實驗室而轉投德州，引發了諸多爭論。就連時任費米實驗室主任的諾貝爾獲獎者利昂·萊德曼

（Leon Lederman）

都說，實驗室可能會「喪失如日中天時的那種感覺」。最後，事實證明這些擔憂根本不是重點所在：儘管已經耗費了近20億美元完成了一部分SSC地下管道的的挖掘工作和一部分相關建築的修建工作，整個SSC項目卻在1993年慘遭取消——當時的預估結果顯示，整個項目的耗資總額已經上浮了兩倍，達到120億美元之多。

決定砍掉SSC項目，令美國粒子物理學界蒙受了巨大損失，但就在最近，費米實驗室又不得不再一次直面自己的未來。在Tevatron於2011年停機退役後，粒子物理學的「能量前沿」再次回到了歐洲的地界。雖然也有多位美國的粒子物理學家在CERN工作，但美國物理學界已被迫轉而追求所謂的「強度前沿」，包括對費米實驗室的加速器設施進行改建，用於生成高強度的中子束。

生成的這些粒子會被發送到大約1,300千米以外，桑福德地下研究所開展的極深地下中微子實驗

（DUNE）

所使用的一組探測器處。物理學家希望利用DUNE實驗研究中微子的電荷宇稱不守恆，這將可能有助於揭曉宇宙中的物質要多於反物質的原因。

與此同時，大型強子對撞機

（LHC）

卻已經成功運轉了近十年，並在2012年取得了希格斯玻色子的發現這一偉大成就，相關的升級工作也已在計劃中。待到2020年代初升級完成，高亮度LHC

（HL-LHC）

將讓物理學家能有更多機會找出粒子物理標準模型以外的其他粒子。

眼下就來斷言在HL-LHC之後又會迎來哪些進展還為時尚早；但是整個局面看上去，將會發生一次全球性的權力變遷。這一次，指揮棒將不會繼續在歐美各國之間交替傳遞，而是會有亞洲參與其中，屆時該地區將會通過一座「希格斯工廠」

（一種專門用來研究希格斯玻色子的機器）

來發揮領導作用。這座「工廠」將會建造在日本或中國——最大的可能是兩地各建一座，彼此較量。日本可能會在今年年底前決定啟動國際直線對撞機項目，中國或許會在未來幾年裡批准環形正負電子對撞機

（CEPC）

的建造。兩國學界均對各自的項目表達了高度支持，只是希望它們都不會重演SSC在30年前的命運。一如所有的大型科研項目，財力和政治終究是決定著成功與否的命門。

命運多舛

SSC（上圖）的建造工程因整體耗資上浮兩倍至120億美元之多，在1993年慘遭取消。不過，同為地下工程的芬蘭奧爾基洛托核廢料處置庫（下圖）預計將於21世紀20年代初竣工。

在受挫中式微

《物理世界》於1988年創刊，距離前蘇聯切爾諾貝利核事故的發生剛剛過去兩年，那座名為普里皮亞季的小鎮如今已遭到徹底廢棄。然而核能發電在當時正處於整體的鼎盛期，至少在英國確實如此。英國核電站的數量在1988年達到峰值，共計16座，裝機總容量達11,000MWe，發電能力可滿足該國約20%的用電需求。

如今，英國僅餘7座核電站，雖然核電站的發電量依然佔到全英電力供應的五分之一左右，裝機總容量大約為9,000MWe，但其中有近半數的發電機都將於2025年退役。對岸的德國則正在徹底放棄核能發電。目前，英國唯一獲准新建的核電站就是英格蘭西南部的欣克利角C核電站。它的額定發電量為3,200MWe，大約能滿足英國7%的用電需求，但是要到2025年左右才能投入使用，與英國上一座核電站塞茲威爾B的開機相隔近30年。

各大新聞均對欣克利角C核電站以及芬蘭奧爾基洛托和法國弗拉芒維爾率先建造的兩座處置庫抱持著消極看法，後面兩者同樣面對著代價高昂的施工延誤問題，這在部分程度上是2011年的福島第一核電站事故導致的一系列安全性新規的頒布所致。欣克利角C核電站的規劃時間將近十年，其間也曾遭遇過資金提供和電價制定方面的困境。

核電固然在能源構成中擁有自己的一席之地，但是要如何處理因此產生的長期強放射性廢料，卻依然未有定論。整個局面迄今都沒有發生過什麼變化，儘管早在1988年，英國上議院就發表過一份報告，表示支持對廢料進行地下深度掩埋。在他們如此表態之前，英國獨立運作的放射性廢料管理諮詢委員會

（RWMAC）

曾在一份報告中譴責英國政府在核廢料處置政策上的「舉棋不定」。「

（核廢料）

應在何處得到何種處置的問題，不能再無限期地拖延下去。」RWMAC在1988年如此警告道。上議院訴稱RWMAC的專業知識「沒有得到尊重」，還表示一再推遲相應舉措的做法「不負責任」。

但是，其後的歷任英國政府都未能聽取這條在30年前就給出的建議，英國始終無法決定要在何處永久性地存放國內各核反應堆產生的放射性廢料。也有許多其他的國家在努力應對這個問題。美國在《物理世界》創刊的前一年裡，選中內華達州拉斯維加斯以北150千米處的一處地方建造尤卡山核廢料處置庫，用於存放美國各大核電站生成的核廢料。然而，儘管已有數條試驗隧道完工，整個工程迄今仍未獲得美國政府的正式放行。

已經開始採取行動對核廢料進行深埋處理的其中一個國家則是芬蘭。經過三十年的長時間篩選，該國政府終於在2015年批准動工，建造一座用於永久性存放廢核燃料的地下設施。這座處置庫將坐落在芬蘭西海岸對面的奧爾基洛托島上，定於2025年以前投入使用，總耗資30億歐元

（合32億美元）

，是全球範圍內修建的第一座核廢料處置庫，建成後將可容納多達6,500公噸的鈾，將其置放於銅製的濾毒罐中，掩埋在距離地面400米深，在花崗岩中開鑿出的數條隧道中。官方的預估結果是，整座處置庫將在2120年徹底封存，而它應可將這些核廢料隔離達數萬年乃至數十萬年之久。

規模至上

一所大學的物理系應該設置成多大規模為佳？30年前，這個棘手的問題曾縈繞在許多英國物理學家的心頭，他們翹首期盼著如今已故的劍橋大學理論物理學家山姆·愛德華茲

（Sam Edwards）

在當時牽頭開展的一項調查的結果。受大學撥款委員會的委託，由八人組成的愛德華茲專家小組

（而且俱為男性）

需要考察英國各大學的研究與教學現狀。

最終於1988年下半年發布的《愛德華茲報告》中建議，一間「有前途」的物理系，或者說一間能夠「讓優秀學生得到充分發揮和滿足」並且維持著高質量研究的物理系，應當至少擁有20名全職類教工和200名全日制類本科生及研究生。對於達不到這一標準的物理系，愛德華茲的建議是，要麼進行擴充，要麼與其他科系合併，或者乾脆直接關閉，將教工調去其他的科系或周邊的大學裡。至於校內科系規模超過400人的大學，委員會表示，則應該考慮暫停招人。

這份報告引發了轟動，很快便遭到了英國物理學界的攻擊，尤其是科系規模的標準竟然是用如此武斷的方式來判定。愛德華茲所造成的影響延續多年，也有雷丁大學、紐卡斯爾大學等一些大學名聲在外的物理系相繼因此關閉——好在後者已於2015年重新開設。

教育和就業也是歐洲物理學會

（EPS）

在1988年發表的一份重要報告中的兩個中心主題。該學會當時正在慶賀成立20周年，尋求就業的物理學家則完全有理由感到樂觀。EPS發現，鑒於用人需求急劇上升，歐洲的物理學家「基本上」不存在失業問題。

然而同樣在這份報告里，也特彆強調了物理學真正面臨的亘古困局，那就是迄今依然存在的師資短缺問題。EPS估計，僅有大約15%的歐洲物理學家在中小學校里教書，還有15%在大學裡教書和做研究，30%供職於企業機構，10%供職於政府機構，剩餘的30%則加入了「小規模產業和電腦公司」。EPS警告稱，隨著更多的物理學家進入企業，教學工作將會陷入困境，《物理世界》的出版社英國物理學會

（IOP）

同樣發表於1988年的一份報告中也特別提到了這一點。IOP的這份報告發現，英國每年大約有2,700名物理系畢業生，其中有三分之一會進入企業，尤其是航空航天、電信和核技術行業，而只有5%的英國物理系本科生會從事教學工作。時至今日，上述數據基本沒有變化：只有4%的英國物理系本科生會擔任教職，而進入企業的約有40%，繼續研讀更高學位的超過50%。

與時俱進

也許這裡的大家沒有人記得，1988年正是英國準備大刀闊斧地削減25%的核項目經費，並且堅決抵制歐洲空間局將年費上調5%的那一年。

若說我在這些年的任職經歷中獲得了任何感悟，那就是如今的物理學依然需要加強與社會的聯繫，就和當年的情形一樣。圍繞經費展開的競爭永遠不會停歇，而如今的物理學家比以往任何時候都更加需要走出自己的象牙塔，推廣實證決策的應用，募集充足的經費，激勵下一代的參與。

不過就像一位不具名的物理學家在1988年對《物理世界》說的那樣：「如今的很多領域裡，資本的話語權似乎都要大於科學本身。」時隔30年，我們這些物理學家所擔憂的具體事務或許各有不同，然而遺憾的是，最根本的癥結依然如故。