欧内斯特·劳伦斯建造回旋加速器

欧内斯特·劳伦斯建造回旋加速器，将一个雄心勃勃的技术障碍解决方案转变为一台重塑实验物理学的机器。劳伦斯试图让质子沿螺旋轨道反复加速，从而抵达原子核，而不必依靠当时无法实现的初始电压。这台装置的成就不仅体现在物理层面——它的发展需要资金、建筑和一种新的实验室文化，预示着大科学的兴起。

问题与设计

劳伦斯最初面对的是一个艰巨障碍。原子核极其微小，难以抵达；其库仑势垒似乎要求氢离子由可能高达一百万伏特的电势驱动。1929年，产生这种电压看来是不可能的。劳伦斯提出了另一条途径——利用交变电场使质子来回加速，让它们沿螺旋轨道运动时不断提高速度。真空管和电磁铁有助于维持这一过程，而一块足够大的磁铁和一个圆形腔室，最终或许能使粒子达到超过百万伏特的能量。

这一构想体现了劳伦斯务实的想象力。他把原子核描述为“像大教堂里的一只苍蝇”，却将它难以触及视为工程问题，而不是放弃尝试的理由。他的设计不是一步产生全部能量，而是通过反复加速逐步累积能量。

从粗糙的加速器到实验室

到1931年初，劳伦斯造出了第一台粗糙的加速器，腔室直径仅4.5英寸，能产生能量为八万伏特的质子。一年之内，一台十一英寸的机器便能产生百万伏特的质子。随着成果出现，构想的规模也不断扩大——劳伦斯设想制造重达数百吨、造价数万美元的机器，并将自己的发明命名为“回旋加速器”。

建造更大的机器不仅需要技术上的巧思，也需要机构支持。劳伦斯说服加州大学校长罗伯特·戈登·斯普劳尔，将伯克利校园物理楼旁的一栋旧木楼交给他使用。劳伦斯将其命名为加州大学辐射实验室。回旋加速器使这座实验室成为理论物理学家向往之地，他们希望借此探究原子最深处的奥秘；1939年，劳伦斯获得诺贝尔物理学奖。

劳伦斯、奥本海默与不同的科学风格

1929年秋，J.罗伯特·奥本海默来到伯克利时，他和劳伦斯很快成了密友。他们几乎每天交谈，常常共度夜晚，有时也会在周末一起骑马。奥本海默钦佩劳伦斯的精力和不懈工作的能力，同时也看出了两人之间的差异——劳伦斯的兴趣“主要是行动性的、工具性的”，而他自己的兴趣“恰恰相反”。因此，他们的友谊并置了两种科学工作方式——建造和检验的驱动力，以及力求理解事物的理论研究。

回旋加速器也体现了更广泛的机构转变。劳伦斯不断追求更大型机器，正是大科学的典型例证——研究日益依赖巨额资金、专门设施和团队合作。本书将这种文化与奥本海默偏爱的、小规模且以理论为导向的科学相对照，并指出，一些年轻物理学家觉得大型机器研究中的团队合作形式并不令人满意。回旋加速器的强大能力与其机构层面的需求相伴而生。

战时科学沿用的模式

J.罗伯特·奥本海默后来的工作，展现了战时武器研制行动开展之际，物理学的组织方式已经发生了多大变化。在洛斯阿拉莫斯，奥本海默必须整合分散的工作，并在紧迫的时间表下将实验室建设成一个运转有效的共同体。与劳伦斯的加州大学辐射实验室相比，这一差异颇具启示——两个项目都依赖设施与协调，但洛斯阿拉莫斯凸显了军事保密和武器研制带来的实际压力。

在洛斯阿拉莫斯，奥本海默坚持认为，科学家需要有机会跨越信息隔离界限，讨论复杂的工作。1943年4月，他在原男生图书馆召集了一场议题开放的研讨会；第一场会议期间，他让一位同事请演讲者用“装置”代替“炸弹”。这一事件展现了回旋加速器早期建造时尚未出现的张力——科学交流有助于推进工作，而军事安全则试图对其加以限制。回旋加速器本身并未决定后来的武器政策，但其历史标志着实验科学扩展的早期阶段；这种科学日益成为规模庞大、耗资巨大且影响深远的事业。