回旋加速器

回旋加速器是欧内斯特·劳伦斯为解决核物理中的一个实际难题提出的方案——如何使带电粒子获得足够能量，以接近原子核。它最初被设想为一台使用相对较低电压的紧凑型加速器，后来却成为一项迅速扩展的计划的基础，带动了机器、实验室和筹款活动的发展。它的意义既在于使哪些实验成为可能，也在于它所要求的新型科学事业规模。

设计与工作原理

劳伦斯为自己设定的难题十分艰巨。原子核极其微小，难以触及；包围它的库仑势垒似乎要求氢离子由约一百万伏的电势驱动。1929年，人们认为要产生如此高的电压几乎不可能。劳伦斯提出了另一种途径——不一次性提供全部能量，而是让机器通过交变电场反复加速质子，使它们来回运动，同时不断提高速度。

设想中的装置将真空管、电磁铁和圆形腔室结合起来。离子沿螺旋轨道行进时，电场会为它们增加能量。劳伦斯当时还不知道，要穿透原子核，加速器需要多大，但他相信，只要磁铁和腔室足够大，就能将粒子推至百万伏以上。因此，回旋加速器的关键巧思不仅在于它的功率，更在于通过反复加速逐步累积能量的方法。

从粗糙的加速器到实验室

到1931年初，劳伦斯已经造出第一台简陋的模型，其腔室直径只有4.5英寸，能将质子加速至8万伏。一年后，一台十一英寸的机器产生了百万伏质子，使装置规模更接近劳伦斯所追求的能量水平。这些接连问世的机器，使回旋加速器成为持续扩建的平台，而非一件已经定型的成品。

劳伦斯的雄心很快超出了桌面实验的尺度。他设想建造重达数百吨、耗资数万美元的加速器；配备八十吨磁铁的回旋加速器需要大量资金支持。他争取到加利福尼亚大学董事的资助，其中包括石油企业家埃德温·保利、银行家威廉·H·克罗克，以及颇有影响力的政治与法律界人士约翰·弗朗西斯·内兰。1932年，加利福尼亚大学校长罗伯特·G·斯普劳尔将勒孔特楼旁的一栋旧木楼交给劳伦斯开展研究。劳伦斯将新设施命名为伯克利辐射实验室。

机器与机构共同发展。回旋加速器为理论物理学家提供了探究原子内部的手段，而它对空间、设备和资金的需求，也助力加速器研究成为一项规模庞大的有组织事业。1939年，劳伦斯获得诺贝尔物理学奖；这一认可伴随着他的装置从最初的粗糙设备转变为实验物理学的里程碑。

大科学及其代价

劳伦斯不断建造更大、更强回旋加速器的行动，体现了大科学的兴起。更广泛的工业环境也在迅速变化——美国的工业实验室在1890年只有四家，四十年后却接近一千家。在许多这类机构中，技术开发优先于以科学本身为目的的研究。因此，回旋加速器的规模带来的影响超出了实验台——它使研究依赖于成本高昂的基础设施、团队和资助者。

这种模式并不适合每一位物理学家。J.罗伯特·奥本海默投身于理论性的小规模科学研究，而大型实验室的文化——其研究往往面向军事科学——会使他这样的理论学者感到疏离。曾先后师从奥本海默和劳伦斯的罗伯特·威尔逊认为，与这些机器相关的科学研究体现了团队合作最糟糕的一面，因此离开伯克利前往普林斯顿。他的离去表明，回旋加速器在机构层面的成功并未解决何为良好科学工作的争论；这台机器既开辟了新的实验可能性，也引发了人们对它所助长的研究形式的抵触。

劳伦斯能够接触资助者，本身也是回旋加速器历史的一部分。1932年，斯普劳尔推荐劳伦斯加入圣弗朗西斯科的波希米亚俱乐部，这是一个由商界人士和政界人士组成的精英社团。劳伦斯出身中西部农家，得以进入这样的世界；而这个圈子并不会接纳犹太人出身、被认为过于脱离世俗的奥本海默。后来，内兰又帮助劳伦斯加入更为排外的太平洋联盟俱乐部。这一对照凸显，昂贵科学仪器的建造不仅依赖技术远见，也取决于谁能在有钱有势的人群中游刃有余。

加速器研究与战时工作

之后关于洛斯阿拉莫斯的叙述，将加速器技术置于建设武器实验室的实际问题之中，但并未把那里寻找的产中子加速器称为劳伦斯的回旋加速器。当J.罗伯特·奥本海默帮助在新墨西哥州荒野中建立实验室时，约翰·曼利指出，选址几乎缺少实验物理学家所需的一切。曼利抱怨的内容包括缺少产中子设备，以及缺少芝加哥所拥有的熟练技术人员和城市资源。这一事件清楚表明，实验物理学依赖物质基础设施，而不仅仅是思想。

在洛斯阿拉莫斯，协调工作的需要也与军事保密分隔制度发生冲突。奥本海默支持每周举行一次讨论会，让科学家讨论一项复杂计划；此前，与计划有关的信息一直分散在不同的受限小组之间。这场争论涉及战时科学的组织方式，而非回旋加速器本身，但也呼应了加速器研究带来的机构层面影响——强大的科学研究需要设备、资源以及人们之间的交流。因此，回旋加速器长久以来的重要性不仅在于它使粒子沿螺旋轨道运动，也在于它的扩展让更庞大的科学体系显现出来。