美国国家实验室的建立和发展——对美国能源部国家实验室的历史考察

 美国能源部国家实验室在美国国家创新体系建设中占居重要位置,是国家实验室的一个典型代表,其发展经验对中国国家实验室建设具有重要的参考价值。本文以美国学术界的相关研究和政策文献为基础,对美国国家实验室的起源和发展做一探讨,分为三个时期:曼哈顿计划时期(1943—1946)、原子能委员会时期(1947—1974)和能源部时期(1977年至今),并对每一个时期的发展特点做了概述。

研究表明,美国能源部国家实验室是满足和适应国家不同时期的战略需求而发展的。文章指出,使命导向、以应用导向的核心能力形成和扩展、重视人才和突破旧模式的局限是美国国家实验室建设和发展的主要成功因素。

美国以能源部国家实验室为代表的国家实验室体系,在美国国家创新体系中占居重要位置。按美国能源部的说法,“美国能源部实验室系统是美国科研事业的中坚力量,也是世界上同类研究中最全面的研究网络。”[1] 美国能源部国家实验室(以下简称美国国家实验室)可以追溯到二战时期的曼哈顿计划,在1947年新成立的原子能委员会(AEC)的支持下得到发展。在75年的发展历程中,美国国家实验室以满足国家战略需求为使命,随着美国不同时期国家需求和任务的变化而调整和发展,形成一个有内在动力的体系,在能源创新、科学前沿、国家安全、环境管理和大型科学设施等方面都做出了突出的贡献,如高性能计算、解码DNA、核能利用、医疗诊断、探索太空、把网络带到美国、发现了22个新元素,[2]1950年以来产生了61位诺贝尔奖获奖者等。[3]美国国家实验室不仅是美国科学技术体系的一个重要组成部分,也是现代大科学发展的一个重要表现形式,其中的经验对我国国家实验室建设具有重要的参考价值。

国内学术界对美国国家实验室开展的研究主要集中在实验室的研究定位、[4]管理机制、[5]绩效合同管理、[6]经费配置、[7]技术转移、[8]基础研究、[9]建设关键要素[10]以及具体实验室[11]的研究。但对于美国国家实验室的建立与发展历程的研究还不足,因而对美国国家实验室一些重要问题的研究和讨论缺乏历史基础,难以获得深入和全面的理解。因此,对美国国家实验室产生和发展历史的探讨是一项十分必要的研究工作,对于深入研究国家实验室建设这个议题可以提供基础性的认识和启发。

美国学术界对美国国家实验室的研究主要有P.J.韦斯特维克(P.J.Westwick)关于AEC时期(1947-1974)国家实验室建立和发展的研究,[12]对具体实验室的研究有关于劳伦斯实验室、[13]橡树岭实验室、[14]布鲁克海文实验室[15]等的研究,以及一些相关论文。对能源部时期(1977年至今)国家实验室发展的综合性研究还没有。美国著名的科技政策学者迈克尔·克劳(Michael Cow)和贝瑞·波兹曼(Barry Bozeman)在研究联邦实验室的专著中指出,美国联邦实验室的规模、范围和任务多种多样,难以获得整体的认识。[16]对联邦实验室的一大类——国家实验室的研究也存在这样的困难。

本文以美国学术界的相关研究和政策文献为基础,对美国国家实验室的起源和发展做一探讨,主要围绕两个问题:美国国家实验室是如何建立和发展起来的?美国国家实验室在国家科技和创新发展中起到了什么样的作用?

一、美国国家实验室的起源

1 核物理的发展

20世纪30年代末,出现了后来所称的大科学:大型仪器、高投入、团队分工和组织管理,代表性的发展是核物理,回旋加速器已在美国和欧洲国家广为建造和使用,[17]其中最有名的是美国科学家欧内斯特·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence)于1932年设计和制造了第一台高能粒子回旋加速器。

1938年,德国科学家奥托·哈恩(Otto hahn)和弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)在实验中发现了核裂变现象,随后奥地利科学家莉泽·迈特纳(Lise Meitner)与奥托·弗里施(Otto Frisch)对核裂变给出了理论解释。1939年6月,弗里茨和鲁道夫·佩尔斯(R.E.Peierls)在英国伯明翰大学对铀-235临界质量的研究证明了核武器的可行性。

核裂变发现之后,美国大学科学家开始探索核裂变的涵义。在战时万尼瓦尔·布什(Vannevar Bush)领导的国家科学研究委员会(NDRC) [1940年6月成立,一年后扩展为科学研究与发展局(OSRD)] 的资助下,美国大学开始开展这方面的工作,分布在哥伦比亚、芝加哥、普林斯顿等地。1942年,这些力量集中到芝加哥大学金属实验室。在恩利克·费米(Enrico Fermi)的领导下,金属实验室于当年12月在世界上首次实现了链式反应。

2 曼哈顿计划的实验室

1942年6月,原子弹的研制工作移交给美国陆军工程兵,在纽约曼哈顿设立办公室,监督整个工程任务建设。为了保密起见,将其命名为曼哈顿工程区(Manhattan Engineer District)。由于保密和生产的原因,最后选择的铀工厂分别设在田纳西的橡树岭(生产铀235)和华盛顿州的汉福德(生产钚239),最重要的原子弹实验室设在新墨西哥州的不毛之地洛斯阿拉莫斯,由尤利乌斯·奥本海默(Julius Robert Oppenheimer)领导。此外,芝加哥大学的金属实验室、加州大学伯克利分校的辐射实验室也发挥了重要作用。

曼哈顿计划采取了NDRC创建的合同制,即政府通过与大学、工业实验室签订合同的办法来实施研究项目,而不是由政府直接控制。当年的布什等科学精英选择合同制的原因之一是科学家担心完全受到军方控制,拒绝被纳入军事指挥结构,而合同制能够构建学术界与工业界的伙伴关系,把科学家对自由的需求与政府经费不被误用结合起来。[12]曼哈顿计划的几个实验室采取大学和私营公司管理的方式,汉福德和橡树岭由私营公司——美国电话电报公司(AT&T)、杜邦公司和孟山都公司——管理,洛斯阿拉莫斯实验室由加利福尼亚大学管理。芝加哥大学金属实验室分出一部分,成立阿贡实验室,由芝加哥大学管理。这就是美国国家实验室国有民营(GOCO)管理模式的起源。

3 曼哈顿之后实验室的状况——区域实验室

曼哈顿计划的实验室是战时建立的,战后何去何从仍然是未知数。到1943年,曼哈顿计划的领导们确定战后政府仍然会支持核研究,就开始讨论战后实验室的发展。1944年,区域实验室(regional laboratories)的设想出现。

所谓区域实验室就是政府投资、由非营利机构管理的实验室,它的目的是为周围的大学提供使用昂贵仪器设备的机会,而这些昂贵的仪器设备靠单个的大学是无法建造的;同时为开展政府部置的大规模的项目研究,与学术机构、政府和工业界交流信息。曼哈顿计划的战后政策咨询委员会建议,战后应该创建5-6个这样的实验室。

二战后,美国进入恢复和重建时期,实验室面临战时的合同终止,政府和科学界都认为应该继续支持实验室的发展。在战后科学政策立法争论的空隙期,曼哈顿计划的领导人莱斯利·格罗夫(Lessley Grove)将军认为应该保持住曼哈顿计划的投资,确保将来的国家安全,消除科学家的疑虑。曼哈顿总部(MED)决定战后继续支持实验室的发展,在保持支持伯克利、橡树岭和洛斯阿拉莫斯实验室现有地位的同时,MED按照区域实验室的思想开始建设实验室。在中西部大学代表的推荐下,阿贡实验室作为一个区域实验室建设的试点,由芝加哥大学统一接管,把之前金属实验室的项目、仪器和人才,都划归阿贡实验室。金属实验室前主任法林顿·丹尼尔(Farrington Daniels)为阿贡实验室提供了一份建设计划,在实验室前面加上了“国家的/全国的”(national),“阿贡核子实验室”成为“靠近芝加哥的国家核子实验室”,实验室有两个目的,为政府开展核研究,发展和帮助全国范围的大学开展核研究、特别是中西部的大学。

阿贡实验室的提议带来东北部大学的竞争。东北部大学联盟提议在纽约和波士顿建立两个区域实验室,MED只同意建立一个实验室,建议两个方案合并。1946年3月,筹备委员会提出方案,在靠近纽约的布鲁克海文建立一个包括主要反应堆的核实验室,做那些已有实验室的补充。像阿贡实验室一样,布鲁克海文国家实验室的创立者也把“国家的雄心”与“地方服务”混在一起,他们提议的最后版本由“东北区域实验室”变成“国家核科学实验室”。

1946年3月,MED科学咨询委员会接受了“国家的”这个名称,把它应用于区域的概念。委员会建议,国家实验室应该提供对于大学或私营企业来说太昂贵的仪器,从事非保密的研究。委员会同意建立像阿贡和布鲁克海文这样的实验室,建议劳伦斯的伯克利辐射实验室可以称为特殊类型的国家实验室。格罗夫的副手把国家实验室的概念推广到其他已经存在的曼哈顿计划实验室。这样,国家实验室在理念上形成了双重身份:实验室有固定的员工从事国家安全目标的研究,为来访的科学家提供昂贵的设施开展基础研究。但实际上,就名称而言,在最初的30年,只有二战后新建的阿贡和布鲁克海文以及1948年重建的橡树岭这三个实验室享有“国家实验室”的称号。[12]

二、原子能委员会时期(1947-1974)

美国国家实验室体系形成于AEC时期。作为美国历史上一个十分有特色的独立机构,AEC塑造了美国国家实验室的发展。根据美国学者韦斯特维克的研究,这一时期可以分为三个阶段:国防任务占主导阶段(1947-1953),原子能和平利用和太空竞赛阶段(1954-1962),以及使命扩展阶段(1962-1974) 。[12]

1 原子能委员会的成立

二战后,美国政府和科学界都认识到战后的和平需要建立在对核能的控制上,但对于如何控制原子能分歧很大,争论的一个焦点是核能应该由军事机构控制还是民用机构控制。最后,民用机构控制原子能的方案取得胜利。

1946年8月1日,杜鲁门总统签署了《原子能法案》。法案在明确共同防卫和安全的最高目标下,提出“原子能的发展与利用要用于改善公共福利和加强私营企业的自由竞争、促进世界和平。”[18]法案创建了AEC,赋予它前所未有的监管整个核科学技术领域的权力。

AEC由5名委员管理,他们均是由总统任命、参议院批准的民间人士。与曼哈顿计划的军事等级管理不同,5名委员分布权力。作为一个独立的机构,AEC通过委员会主席直接向总统汇报。AEC设立总顾问委员会(GAC),由9名科学家和工程师组成,这些人许多是曼哈顿计划的功臣,对AEC早期的决策起到了重要的作用。法案在国会设立AEC联合委员会,由18名国会议员组成,参众两院各占一半,负责对AEC的监管(由于联合委员会的支持,AEC在国会的预算中享受一定的独立性[12])。AEC下设4个部门:军事应用、裂变材料生产、工程和研究。法案还设立军事联合委员会,与国防部门保持联系。总统任命的第一任主席是田纳西河谷管理局(TVA)前局长戴维·利林塔尔(David Lilienthal),他把民主化管理的风格带入AEC。

1947年1月,AEC成立,接管了曼哈顿计划的实验室,包括200多个管理人员和1万名雇员。AEC仍然采用曼哈顿计划按合同管理实验室的方式,提供目标设定和政策引导,具体的管理则由合同管理者负责。AEC打破了曼哈顿计划通过军队集中化管理的方式,采取分散化管理原则,把运行权力下放到各地的办公室。

2 国防任务占主导阶段(1947-1953)

(1)武器研制

按照AEC的使命,发展武器是国家实验室最重要的使命。随着冷战的开始(1947)、苏联原子弹爆炸成功(1949)、朝鲜战争(1950),武器的研制占有日益重要的位置。

由于二战的成功经验,AEC想把从曼哈顿计划继承的实验室集中化管理。在这些实验室中,洛斯阿拉莫斯实验室是唯一的武器实验室。制造核武器的桑迪亚实验室,于1949年被洛斯阿拉莫斯作为工程部分分拆出来,由AT&T运营。苏联原子弹爆炸成功之后,爱德华·泰勒(Edward Teller)等几位科学家倡议制造氢弹,建造第二个武器实验室。关于武器研制是集中一个实验室,还是分散管理,引起了很大争议。

其他实验室也响应军事目标的需求,阿贡保持一支专攻武器难题的理论研究小组,帮助分析核试验的数据,设计新的重水反应堆。布鲁克海文提出建设18英寸的回旋加速器以产生中子,AEC批准了这个建议,并进行了扩展,认为截面的数据对反应堆项目也是有用的。布鲁克海文还应阿贡和橡树岭的请求,派化学家参与分离重水的生产。

1950年1月,劳伦斯向AEC建议建造一台25 MeV高流强直线加速器模型MARK-I。由于这个装置对于辐射实验室来说太大,AEC批准在利弗莫尔海军航空基地建造MARK-I,用于生产核武器和辐射战争中使用的钋。1952年5月,MARK-I建成,产生第一束光。在AEC和加州大学的支持下,利弗莫尔实验室成为美国的第二个武器实验室,规模和人数都有极大的增长。

(2)核反应堆

与武器研制一样,对于核反应堆,AEC最初也是计划采取集中化的模式,建立一个新的实验室,直接由AEC操作,但GAC的分委员会提出了一个新的方案。

战后时期直接与核反应堆相关的两个实验室是橡树岭的克林顿实验室(1948年重组为橡树岭实验室)和阿贡实验室。GAC的方案力图把两个实验室整合到一起,集中化建设。这个方案引起很大的争议,一个原因是实际上还有其他实验室拥有核反应堆。克林顿和阿贡两个实验室也分别提出了自己的方案。

1948年10月AEC决定放弃集中的方案,采用实验室间合作的形式,由阿贡和橡树岭分工合作在新的地址——爱达荷建设新的高通量反应堆——材料检测反应堆。几年之后,阿贡和橡树岭相继得到新的反应堆建设任务。[12]

1951年12月20日,在爱达荷试验站,来自阿贡国家实验室的一组工程师成功地从一个实验性的快增殖反应堆中产生了象征性的电力。这一历史性成就表明,原子核可以作为一种能源为人类服务。[19]

(3)大型仪器设备

曼哈顿计划之后形成的共识是,国家实验室不只是为政府分配的计划性研究(programmatic research)服务,经常是保密性的工作,也要为访问者提供使用大型、昂贵的设备,缺乏这双重目标的实验室被认为是不完全的。

于是,主要从事计划性任务研究的实验室需要大型仪器设备,以补充它的第二功能,如橡树岭提出发展加速器项目。虽然1946年在曼哈顿计划之后,经过一番争议,格罗夫资助了伯克利实验室的加速器项目,但按AEC的使命,实验室主要进行核反应堆研究,加速器这样大型仪器不在其使命之内。因此,当橡树岭提出发展加速器项目时,引起很大争议。同时,伯克利和布鲁克海文各自提出自己的加速器计划。1948年初,AEC同意把高能加速器列入使命计划中,加速器在军事上的各种用途是其被接受的一个考量因素。

国家实验室最初的含义是区域性的,为周边地区大学的科学家提供设备使用。但是,“区域”意味着重复。AEC愿意提供加速器和反应堆为周围大学的科学家使用,但不希望各实验室大型仪器设备重复,也不是所有实验室都有能力建设大型仪器设备。因此,在资源有限的情况下,AEC实施竞争与合作政策,避免重复。带来的结果是专业化:有能力的实验室按照自己的目标和设计,建造不同性能的仪器,实施不同的计划,使实验室系统呈现出多样化特点。高能加速器在20世纪50年代末在AEC占主导地位。

面对国家战略需要,各实验室的反应促进了各实验室多项目化和整个实验室体系的形成:离应用研究最远的伯克利和布鲁海文实验室向计划性研究靠近,阿贡、洛斯阿拉莫斯和橡树岭这些基本上以计划研究为使命的实验室补充了基础研究的布局。实验室开展的主要项目(武器研制、反应堆和大型仪器)由中心实验室向其他实验室扩散。为了更好地适应这些转型,在一个具体领域经验少的实验室可以祈求体系内其他实验室的帮助。[12]

3 原子能和平利用和太空竞赛(1954-1962)

冷战时期,美苏两国的竞争从核武器到空间,再到整个社会领域,这不仅是军事竞争,还是一个长期的社会政治斗争。科学不仅作为国家竞争的工具,还被作为国家威望的象征和外交的工具。在这种背景下,国家实验室的角色得到扩展。

(1)原子能和平利用

1953年12月8日,美国总统艾森豪威尔在纽约联合国大会上发表了历史性的“原子利用和平”的演讲。此时正值冷战和核军备竞赛时期,但艾森豪威尔对核能在农业、医学和发电方面的民用大加赞赏,而不只是关注核战争的危机。[20]他称:“原子能的和平能力将来不再是梦想。这种能力现在已经得到证明。”[18]他提议建立一个国际原子能机构,促进和平利用核能“造福全人类”。4年后,国际原子能机构在维也纳成立。

在总统和平利用原子能的倡议下,1954年,国会对1947年的《原子能法案》做了修订,增添了与国外政府分享技术和科学信息以及增加企业界角色等内容。AEC制定了能源反应堆5年计划,阿贡和橡树岭实验室扮演了重要的角色。

在和平利用原子能的旗帜下,美国核能及相关领域的发展受着民族主义和国际主义的混合驱动。一方面为和平的目的展开竞争,另一方面在有限的领域开展一定程度的国际合作。

为促进原子能和平利用,国家实验室开始承担更直接的国际合作机构的角色。1955年,AEC解密核反应堆,希望实验室成为“真正的科学朝圣之地”。布鲁克海文、阿贡开始设立培训外国科学家的课程。国家实验室被作为一种模式,向亚洲和欧洲国家输出。1954年,欧洲12个国家在瑞士建立欧洲核子中心(CERN),就是来自美国著名的物理学家伊西多·拉比(Isidor Isaac Rabi)的建议,以合作的实验室——布鲁克海文实验室的管理为样板。[12]

1955年在日内瓦召开的第一届原子能和平利用会议,为高能物理学的国际同行创造了亲切交流的机会。1956年初,在CERN和莫斯科召开的两次高能物理会议,让美国人看到苏联杜布纳同步回旋加速器几乎相当于伯克利的两倍,苏联物理学家的水平与西方最好的物理学家水平相当。[12]这极大刺激了美国科学界,忧虑未来的优势将不能持续,国会立即批准资助加速器资金,制定一项削弱苏联领先地位的计划。[21]

从50年代中期到末期,加速器的军事用途消退,加速器成为国际主义的理念。一方面,制造更先进的加速器不仅成为美苏之间的竞争,也是美国与英国及其他欧洲国家的竞争;另一方面,高能物理成为无国界的理想,铁幕两边的研究者持有者共同的价值,西方国家与苏联科学家开展一定的交流与合作。

正像之前的曼哈顿计划,当加速器和反应堆成为国际竞赛时,政府愿意资助它们的发展。[12]

(2)太空竞赛

1957年苏联发射第一颗人造地球卫星,掀开了太空时代,美国人紧追。太空竞赛也对AEC实验室产生了很大的影响。1961年,美国总统肯尼迪宣布实施阿波罗登月计划,他还谈到了发展核火箭的计划,这可能会把人带到火星或更远的地方。洛斯阿拉莫斯和美国空军合作设计核动力火箭的项目——Rover,由洛斯阿拉莫斯领导了这项新的研究工作,而航空通用公司和威斯汀房屋公司合作实施了该项目,洛斯阿拉莫斯成功地发展了样机,后来被美国航空航天局(NASA)接管。[22]橡树岭实验室开展以反应堆和放射性同位素作为卫星的能源,布鲁克海文和阿贡实验室也都开太空核辅助能源方面的研究。[12]

太空竞赛提出了许多新的挑战。一时间,各实验室投入的空间项目,橡树岭用300万美元支持160名科学家从事空间相关的项目。[12]

4 使命扩展(1962-1974):从环境研究到能源危机

20世纪50年代核爆炸试验带来的放射性微尘,引起人们对核科学技术发展带来的环境问题的关注,1958-1961年美苏同意暂停核试验,AEC开始试图重新定义国家实验室的角色和任务。1960年,国会AEC联合委员会发布《AEC实验室未来的角色》,指出:“实验室强大的能力不排除原子能领域之外的资源,相信实验室是为整个国家设立的。当需要的时候,实验室也会为其他联邦机构关心的国家重要紧急工作服务”。[12] 1962年蕾切尔·卡逊(Rachel Carson)的《寂静的春天》出版,这部划时代的著作不仅带来了人们对环境问题的关注,也促进AEC和国家实验室的使命进一步向环境研究转向。1967年,国会通过《原子能法案修正案》,明确AEC的研究不仅包括原子能,还包括保护公共健康和安全的相关领域。[18] 70年代初,能源危机使政府政策转向替代能源。

60年代和70年代初的实验室研究揭示了辐射及其影响的新知识,并为确定辐射防护标准和评估核技术对环境的影响提供了必要的数据。基于使用放射性同位素和辐射机器的医疗诊断技术的进步建立了重要的新的临床能力。国家实验室系统也成为先进计算系统和各种大型用户设施(如独特的光源)的战略平台,使广泛的科学研究和技术创新成为可能。

AEC在20世纪60年代和70年代支持了更大的加速器,包括布鲁克海文的交替梯度同步加速器、阿贡的零梯度同步加速器和2英里长的斯坦福直线加速器(1962年成立斯坦福线性加速器中心)。费米国家加速器实验室于1972年建成,在欧洲大型强子对撞机(LHC,2008年试运行)之前,拥有世界上能量最强大的质子同步加速器。可控核聚变反应堆的主要研究中心是橡树岭、洛斯阿拉莫斯、利弗莫尔和普林斯顿等离子物理实验室(1951年成立,1959年命名),尽管许多大学和工业机构也参与其中,但规模较小。[19]

5 国家实验室体系的形成

AEC时期,国家实验室适应国家发展的需求和环境的变化韦斯特维克指出,这种适应带来了实验室的专业化、多样化以及相互的联系,促进AEC实验室形成了一个实验室体系。[12]

(1)专业化

从冷战早期加入高能加速器,到20世纪50年代的能源反应堆、加速器和受控聚变发展,各实验室采取按多项目平行的方式发展。在预算过程督查下,为避免重复,各实验室的科学家和AEC的项目经理都注意按各自不同定位发展他们的项目计划,使他们所建的仪器与开展的研究互不重叠。专业化带来竞争,竞争使得实验室都尽力确保自己的计划落实。

国家实验室建设的原意是区域实验室,虽冠以“国家的”之名,但却是面向区域提供研究设施,如布鲁克海文是为东北部大学提供研究设施。专业化的发展使“国家的”意义发生变化,面向了区域外更多的“用户”。如果实验室不与系统其他场所的仪器设备重复,那么每一个特殊的仪器设备不仅面向所在区域的用户,而且是国家范围的用户。[12]由此,最初服务于区域的国家实验室从领域范围上成为真正的国家实验室。

(2)项目多样化

在激烈的竞争环境下,各实验室通过项目多样化在变化的环境中存活与发展。制造武器的洛斯阿拉莫斯开展核动力火箭项目,主攻核反应堆的橡树岭开展加速器项目。AEC允许所有的实验室进入其使命所支持的领域,因此布鲁克海文和洛斯阿拉莫斯进入能源反应堆研究领域,洛斯阿拉莫斯、橡树岭、阿贡进入加速器领域。但实验室并不限制在批准的项目上。随着环境的变化,他们原来的使命遭到威胁,如核爆炸辐射微尘、禁止核武器实验以及工业部门发展核工业能源,他们就寻找新的机会。到60年代初,许多实验室实现了项目多样化。[12]

(3)新学科领域的发展

实验室的多样化带来了新学科领域的发展。到20世纪70年初,一系列新的学科在实验室里发展起来。

计算机    AEC的武器项目促进了实验室计算机项目的早期发展。计算机问世后即被洛斯阿拉莫斯实验室用于流体力学计算。战后,对计算机的需要导致AEC支持第二代计算机,用于计算氢弹制造。计算机对武器项目的重要性使AEC资助计算机产业的发展。计算机科学家发展技术,转移到工业部门生产,再把它带回实验室应用。计算机先应用于武器,又应用于反应堆和高能物理,各实验室发展计算机,又应用于更多的领域,例如生命医学、材料科学等。如今美国国家实验室超级计算机的优势有着深远的历史渊源。

生命医学    1946年的《原子能法案》允许研究“为医学或健康的目的利用裂变和辐射材料”和“保护研究和生产过程中的健康”,这两条理由促使AEC资助生命医学研究。各个实验室就开始启动具有雄心的研究项目。生命医学在实验室扎下根来。战后美国政界对生命医学可能带来攻克癌症疾病和其他健康福利抱有很大希望,对实验室的支持持续上升。

固体物理    作为材料科学主体的固体物理学在20世纪50年代开始在实验室扎根,主要是任务研究的需要,例如材料是反应堆的瓶颈。1955年之后,不仅是为了完成任务,而且需要从事材料基本性质的长期基础研究。到1959年,AEC增加了材料科学研究经费,达到1300万,一半经费分配到阿贡、伯克利、布鲁克海文和橡树岭。橡树岭是最早开始支持固体物理学研究的国家实验室,克利福德·沙尔(Clifford Shull)于1946年所做的中子散射源的工作,与加拿大同行一起获得1994年诺贝尔物理学奖。这个先驱性的工作,表明“固体物理学和核物理一样,是反应堆技术的基础”,促进科学家们加强这方面的工作。[12]

空间    在1957年苏联卫星斯普特尼克一号发射之前,实验室研究就开始考虑外层空间因素。太空竞赛给实验室注入了新动力:火箭推射器的问题,原子武器的电磁效应,宇宙环境对生命组织造成的损害等。

尽管各实验室寻找新的方向,但是他们没有放弃原有的优先性任务。为了保持实验室的基础,实验室采取的措施是增加科学家,而不是把现有的力量偏离现有的项目。到50年代结束的时候,所有的实验室都比10多年前开始时拥有更多的科学家。洛斯阿拉莫斯的科学家人数增长了1倍。[12]

实验室设有自由量裁支配的资金(discretionary funds),为开展一些新领域的研究提供了启动资金。洛斯阿拉莫斯最初的聚变项目、布鲁克海文的基础金属和化学研究项目都是靠自由量裁支配的资金启动的。

(4)实验室的基础研究

随着实验室以从国防任务为主扩展到更多的领域,实验室与大学、工业部门和联邦政府的其他机构开始产生摩擦,一些议题引起争议。其中一个重要议题是基础研究。GAC列出几类基础研究应该由AEC支持:与应用项目相关的研究,需要成本化的仪器和大规模团队的研究,涉及昂贵的、危险物、保密的项目,接受实验科学家的“方便科学家”(scientists-on-tap)的理论:需要开展研究,使实验室成为对相当数量的一流科学家有吸引力的地方。GAC为基础研究的辩护包括一个新的要素:研究需要多科学大团队。实验室的多学科交叉团队的方式,使生命科学家可以与化学家、物理学家、工程师和金属学家一起工作,相互促进,具有优势,能获得更大的受益,这是国家实验室区别于大学的重要特征之一。[12]长期担任橡树岭主任的阿尔文·温伯格(Alvin Weinberg)认为,学科交叉给大型实验室增强了独特的力量。[23]

AEC最后把基础研究列入实验室的使命。

6 国家实验室的含义

在AEC时期,国家实验室的含义逐渐明确下来:(1)从范围上,从区域扩展到全国。随着多项目实验室的专业化,其独有的仪器设备不单是面向周围区域,而且是面向全国,后来建立的斯坦福直线加速器中心(1962)和费米国家加速器实验室(1967)都是面向全国的单项目实验室;(2)承担国家任务,实现国家目标。实验室的成长过程,也是按国家目标和优先性部署与调整的过程,不仅在AEC使命之内,而且包括AEC之外的国家需求,这体现在实验室经费来源于其他联邦机构(如NASA),这种特点至今如此;(3)系统性。国家实验室是一个系统,各实验室具有鲜明的特点,又相互联系合作,发挥着整体效应;(4)开展大科学活动。大型国家实验室科学活动的特点是以大型仪器为依托,以多学科大团队开展的大规模长期活动,这是国家实验室区别于大学和工业部门的特点。温伯格根据国家实验室这种特点,首次提出了大科学的概念。[23]

20世纪70年代美国能源政策面临难题。1973年能源危机爆发时,美国核能供应只占国家能源需求的1%。美国政府开始形成全面的能源政策。1975年AEC被分为两个部分:能源研发署(ERDA)和美国核管理委员会,并将其研究职能置于ERDA之下。ERDA整合了AEC和其他机构的现有能源研究活动。国家实验室归属于ERDA,研究向转向非核能能源研究。

三、能源部时期(1977年至今 )

1977年8月4日,美国国会通过《能源部组织法案》,10月1日美国能源部正式运行。该法案正式将所属的武器实验室和非武器多项目实验室的管理监督分开,赋予新成立的能源研究办公室(1998年更名为科学办公室)管理后者。[24]自成立至今40余年来,能源部实验室的发展随着国家需求和国际环境的变化不断调整和发展,形成了今天能源创新、科学前沿、国家安全、环境管理和大型科学设施能等几大发展格局。根据美国能源部对其实验室形成时段的划分,[25]对其发展做以下概述。

120世 纪80年代:把技术推向市场

20世纪80年代,技术和经济竞争是美国政策的主旋律。这一时期,人们逐渐热衷于将实验室的科学应用于从医学到工业的各个领域,并努力加速实现科学发现在私营部门经营生产中的使用。

1980年,美国国会通过《史蒂文森-怀德勒技术创新法案》,要求联邦实验室(包括能源部的国家实验室)参与技术转移活动,设立技术转移办公室,来识别潜在的商业化技术,并把它们积极转移到产业中去。1989年出台的《国家竞争力技术转移法案》,是《史蒂文森-怀德勒技术创新法案》的修正法案,允许美国国家实验室与包括私人客户在内的非政府实体签署合作研究和发展合同(CRADA)。新法律的目的是帮助国家实验室重新聚焦在国家经济安全上,但所希望的实验室与工业界的协同关系,并没有出现。

在这一时期,国家实验室除了面向经济竞争方面的发展之外,还参与了战略性防御倡议(SDI,俗称“星球大战计划”),并首创人类基因组计划(HGP)。

(1)国家实验室与“星球大战”计划(1983-1986)

1981年,里根总统上台,重新把能源部的任务重点放在支持核能和核武器的发展上。1983年3月23日,里根总统宣布实施美国“星球大战计划”,它的目的是研究、开发和测试新一代的高科技武器,这些武器将部署在太空和地球上,以保护美国免受苏联核导弹的攻击。SDI使命运未明的国家实验室得以复兴。

SDI的设想部分来源于国家实验室取得的技术成就,在利弗莫尔开展的激光工作,[26]在洛斯阿拉莫斯开展的中性粒子束和轨道炮技术的工作。[22] SDI的经费投入从1984年的10亿美元增至1988年的30亿美元,整体布局是:监视、获取、跟踪和杀伤评估(30%);定向能武器(约30%);动能武器(约20%);系统概念和战斗管理(少于10%);生存能力,杀伤力,关键支持技术(约10%)。在1983-1986年的前20家承担单位中,利弗莫尔、洛斯阿拉莫斯、桑迪亚实验室分别排在第3位、第9位和第11位,经费占比分别为5.1%、3.9%、3.1%。[27]利弗莫尔开展X激光、光束研究等项目,[26]洛斯阿拉莫斯还增加了常规防御研究,为国防部调查装甲和装甲穿甲弹,并采取措施实现核武库的现代化。[22]

(2)首倡人类基因组计划

1986年能源部首先提出实施HGP,并在能源部内部开展基因组研究。1990年美国国会批准国立卫生研究院(NIH)和能源部联合实施为期15年的HGP。历史上第一个生物学的大科学计划由能源部提出,这似乎令人奇怪。但实际上,国家实验室早在二战时期的曼哈顿计划时就开始开展了生物学研究,当时关心的问题是原子爆炸辐射是如何造成遗传损害的,后来对于核辐射和能源生产带来的化学副产品对生物体的研究一直持续,深入到对基因结构、基因复制、受损和修复的研究,从这些研究中逐渐形成共识,需要研究整个人类基因组的序列。

能源部人类基因组计划的科学基础已经存在于国家实验室之中:能源部在开展涉及生物学家、化学家、工程师和数学家的大型多学科项目方面有着悠久的历史;洛斯阿拉莫斯实验室利用能源部的计算机和数据管理专业知识开发了DNA序列库Genbank;洛斯阿拉莫斯和利弗莫尔实验室具有的染色体分类能力对基因组计划至关重要。[28]从某种程度看,人类基因组计划是能源部研究任务顺理成章的外延。

1997年,能源部把相关实验室的基因组测序力量整合在一起,成立联合基因组研究所。

2 20世纪90年代:转型发展

(1)寻求国家实验室的新使命

冷战的结束使国家实验室存在的目的和未来发展受到质疑,甚至有意见认为应该关闭国家实验室,这导致了一系列对国家实验室使命、运营和管理的评估。

1994年5月,克林顿总统要求于1993年成立的国家科学技术委员会(NSTC)对美国能源部、国防部和NASA三部门下的联邦实验室进行跨部门的机构综合性审查,要求NSTC于1995年5月15日提交最终审查报告。

在此稍前,1994年2月,美国能源部部长设立了特别工作组,研究能源部国家实验室未来的发展方案。该工作组由摩托罗拉公司前任CEO罗伯特·高尔文(Robert Galvin)主持,被非正式地称为高尔文委员会。1995年2月,高尔文委员会发布其研究报告——《美国能源部国家实验室的未来选择》。报告指出,国家实验室在能源、国家安全、环境和基础科学方面发挥了关键作用,但在管理上还存在着诸多问题,一些实验室已经游离了传统的与能源和国防任务相关的任务。报告建议,在一至两年的时间里,能源部和国会应该发展和实施联邦政府支持国家实验室的新做法,按私营部门“企业化”那样运行实验室系统。[29]

能源部对高尔文报告给出了反应,同意高尔文委员会关于实验室治理系统已经破碎的看法,提出了一个新的实验室“管理改进路线图”,但不同意高尔文委员会关于使实验室管理系统“公司化”的建议。能源部提出一个新的解决方案,即任命新的实验室运行委员会,委员会由美国能源部的管理层人员和外部私营企业的顾问组成,负责审查和改进国家实验室的运行情况。[30]

白宫科学技术政策办公室(OSTP)根据NSTC的联邦实验室审查报告结果发布了指导意见。该指导意见指出,克林顿总统认为能源部、国防部和NASA的实验室系统要为国家在基础科学、国家安全、环境保护、能源、航空航天和提升工业竞争力等方面提供必要的技术服务。另外,指导意见还提出了改进实验室系统的机构管理和减少制度冗余的方针原则。[25]OSTP的意见标志着对冷战后联邦实验室的命运给出了一个肯定的答案。

1996年7月,能源部实验室运行委员会发布了战略性实验室第一阶段任务计划,汇编了美国能源部国家实验室的组织结构,资金使用和任务使命的相关信息。[25]

(2)国家实验室的成就

虽然国家实验室处于未来不确定的不稳定期,但这一时期的成就突出。1991年斯坦福直线加速器中心(SLAC)安装了欧洲以外的第一台互联网服务器,并安置北美首批网站。1994年2月11日,普林斯顿等离子中心托卡马克聚变试验反应堆(TFTR)启动,是第一个使用氘和氚的高能混合物运行的聚变装置。它产生的1070万瓦的聚变功率创造了世界纪录。1994年7月1日,世界上第一个大型超导射频技术装置在托马斯·杰斐逊国家加速器实验室正式运行。1995年3月2日,费米国家实验室宣布在对撞机探测器(CDF)上发现了第六种夸克——顶夸克。1995年3月26日,巨大的同步加速器——先进光子源(APS)在阿贡国家实验室(ANL)首次产生了X射线。自此之后,APS产生的高效高能量的X射线引领了两次诺贝尔奖的获奖之路,并用来研发治疗艾滋病,阿尔茨海默氏症和癌症的药物。1997年6月11日,桑迪亚国家实验室(SNL)宣布其“ASCI Red”超级计算机已经开始运行,该计算机是全球首个突破每秒一兆(万亿)次浮点运算的计算机。[25]

这一时期,能源部组建国家可再生能源实验室(1991)和国家能源技术实验室(1999)。自此,现有的能源部17个国家实验室建成(见表1)。

表 1  能源部17个国家实验室来源:文献[30],根据文献[32]更新、补充。

注释:GOGO:国有国营;GOCO:国有民营;LLC:有限责任公司,指前面的实体是一个专门为管理国家实验室成立的联合实体。成立时间是指国家实验室的原单位成立的最早时间,例如国家可再生能源实验室的前身太阳能研究所成立于1977年。

3 21世纪初期:从注重安全到促进新技术发展

(1)科学与安全

2001年,9.11恐怖袭击事件再次引发了对国家安全问题的关注。国家实验室开始在支持核材料的安全性方面发挥越来越大的作用。

2002年11月,布什总统签署了2002年版《国土安全法案》,赋予美国国土安全部进入美国能源部国家实验室的特别权利。

(2)在新兴技术发展中的角色

美国在2001年实施国家纳米技术倡议(NNI)。《21世纪纳米技术研究与发展法案》于2003年正式通过成为法律,该法案批准了近20亿美元的纳米技术研发经费,包括能源部阿贡、劳伦斯伯克利、橡树岭、洛斯阿拉莫斯和桑迪亚等6个国家实验室建设纳米科学研究中心。[25]

4  21世纪第2个十年:创新的动力源

国家实验室在大的仪器设施和尖端技术方面继续取得骄人的成就(如2011年在费米国家加速器实验室制造并测试的黑暗能量摄像机首次探测到宇宙光线,NASA向火星发射的“好奇号”探测器上搭载了许多国家实验室的技术),[25]继续强调依靠其独特的科学设施,吸引着来自世界各地的研究人员;同时,强调与政府其他部门的合作、与企业、大学、地方合作,推动技术的发展和提高国家竞争力。

自2013年以来,能源部开展了一项系统而全面的工作,以使国家实验室系统以更具战略性的方式聚焦在大规模、有影响力的举措。借着国家实验室依靠独特的设施解决多学科复杂问题独特的作用,国家实验室成为连接大学、工业界以及联邦研究合作伙伴的重要枢纽,促成和推动整个研发领域的发展。一个具体的表现是实验室和外部伙伴之间的合作,如州、工业界和大学;另一个表现是实验室之间的合作,即利用各自的优势,形成一个灵活应对重大挑战的具有凝聚力的体系,如2015年间,在实验室和非联邦伙伴之间达成约3000份有效协议。[31]

这一时期,能源部重视国家实验室管理,2013年成立国家实验室政策委员会,并重建国家实验室运营委员会。

2014年1月,国会通过《2014财年综合拨款法案》,指示能源部部长组织国家能源实验室效率审查委员会(CRENEL)对17个国家实验室审查,主要目的是评估实验室与能源部战略优先事项的一致性、重复问题、应对当前与未来能源和国家安全挑战的能力、规模以及对其他联邦机构的支持等议题。CRENEL于2014年5月成立,2015年10月38日提交最终报告,将美国能源部国家实验室描述为“为国家的安全、科学领导力和经济竞争力做出了深刻贡献的国有资产”,同时也提出了一系列建议,其目的在于尽可能地达到国家实验室经营的最高效率和最佳成果,确保在今后几年内通过这项国有资产实现国家利益的最大化。[32]

国家实验室继续在新兴关键技术中扮演重要角色。2018年美国国会通过《国家量子倡议法案》,能源部是主要的承担主体之一,国家实验室以国家量子战略为指导,从科学、劳动力、与企业合作、基础设施、经济与安全和国际合作方面等方面布局量子科技。[31]

四、总结与启示

美国国家实验室经过75年的长期发展,形成了如今规模巨大、领域广泛的体系,在美国的科研事业和创新体系中占有十分重要的位置,所产生的成就令世人瞩目。今天,研究美国国家实验室,不仅要关注它的现状和发展趋势,还需要了解它是如何演化和发展成现在这样的体系。这需要以历史发展的眼光,探究其发展的动力和条件等规律性的认识。通过以上的历史考察,本文认为以下因素对美国国家实验室的发展是十分重要的:

1  使命导向

使命导向是指以满足国家的战略需求、解决国家面临的重大挑战为己任。自成立以来,从最初的武器研制,到原子能的和平利用,到太空竞赛、环境问题,再到能源危机,美国国家实验室的使命是满足国家不断变化的需要而演变的。在这一过程中,关于国家实验室的角色、任务及相关政策与管理议题就一直是美国政府内外不断讨论和评估的问题。据不完全统计,从1975年到2014年,至少有74份评估报告。[33]这说明,国家实验室的使命及相关议题是认识和理解美国国家实验室发展的一个核心问题。

使命导向可以从两个层面理解:国家为什么需要国家实验室?国家实验室如何聚焦其现在和未来的使命需要?

从美国国家实验室的历史来看,在国家层面,建设国家实验室是通过研发支持核能的军事和民用方面应用。而后国家目标的变化和扩展对实验室的使命提出新的要求,促进实验室的使命发生变化和扩展。在实验室层面,围绕国家任务,开展以核科学及相关的学科理论与应用研究是其基本使命。在美国国家实验室使命形成、调整与扩展过程中,有几个方面的因素是重要的:(1)政府与科学的关系。二战后,美国政府给予科学很高的地位,并努力创造一个适应科学发展的环境。AEC第一代领导人形成的共识是:科学研究对国家的生活是十分重要的,要恢复和重建因战争受到损害的研究环境,对研究自由没有限制,这种理念被AEC后任领导人继承下来;[34](2)国家实验室与国家科研和创新体系建设。建设国家实验室的思路,不仅要承担政府任务,而且通过仪器设备共享,与大学、企业建立广泛的联系。实验室建设要考虑区域布局;(3)科学界的自主性。科学家在实验室建设中发挥了重要的作用。实验室的使命确定,不单是由政府自上而下提出的国家利益和国家需求,而且来源于科学界自下而上的建议,反映了国家的利益,创造了国家的战略需求,如反应堆技术是先由科学家向政府建议后,得到政府支持的。[12] AEC科学家坚持基础研究的重要性,他们想了许多方法劝说国会拨款委员会的委员,基础研究是必须要做的;[34](4)系统性:竞争与合作。美国国家实验室是一个系统化的发展,各实验室在努力保持自身优势的同时,广泛开展合作。

2  以应用导向的核心能力形成和扩展

国家实验室的使命是应用导向的,基本的目标是解决实际应用性问题。实验室的核心能力是围绕某一重大应用而建立的,如洛斯阿拉莫斯的核心能力是武器系统。但是,对于核科学来说,它的应用研究与基础研究和技术发展是紧密联系在一起,大的实验室在面向应用研究、解决国家任务难题的同时,会向基础研究和技术发展两边扩展,形成多种核心能力,如洛斯阿拉莫斯实验室今天仍然是武器制造科技的旗舰,但在材料科学和粒子物理学方面也有强大的实力。

国家实验室部署了许多学科的专家和大的团队,因此,面对新的任务和难题,可以很好地部署组织,攻克难关。[23]

3 突出人才的重要性

实验室的人才重要性首先表现在实验室主任的领导能力和管理才能。AEC实验室的主任都是从曼哈顿计划走来的,是“洛斯阿拉莫斯一代”的佼佼者,如伯克利实验室主任恩斯特·劳伦斯以及继任者埃德温·麦克米伦(Edwin Mattison McMillan)都是诺贝尔奖物理学获得者,洛斯阿拉莫斯实验室主任诺里斯·布拉德伯里(Norris Bradbury)是奥本海默亲自挑选的接班人,温伯格则是博士毕业不久就加入曼哈顿计划的后起之秀。这些人科学视野开阔,不仅对科学发展方向有很好的判断力和科研组织管理才能,而且具有企业家精神,努力说服政府和国会投资有前景的方向和项目。实验室主任还有可自由支配的资金作为种子资金支持一些小项目,有些发展成为大项目,如温伯格和布拉德伯里都是用自由支配的资金资助受控核聚变项目。

国家实验室的人才战略,不单是采取为完成政府的项目任务而招募使用人才,而且从实验室建制化本身的要求,招募和使用最好的科学家,由实验室主任自由量裁地决定他们的使用。为了能吸引和留住人才,国家实验室采取了所谓的“方便科学家”模式,即允许科学家做自己想做的事,这样可以使实验室成为吸引一流科学家之地,而且在需要的时候,也可以很容易动员科学家解决任务难题。[12]

4 突破旧模式的局限

美国国家实验室起源于曼哈顿计划,但它能在AEC之下得到大发展,恰恰是由于突破了曼哈顿计划的局限。曼哈顿计划是战争期间的以任务导向的集中化模式:中央化管理,分割化的军事操作,有着明确目标任务和时间节点的限制。而面对核领域更广阔的发展和相关领域的科学技术问题以及不断变化的国家需求,既要保持一定的任务导向的集中攻关模式,也要有促进新突破、新应用以及可持续发展的组织和机制设计。国家实验室能够从最初的武器设计、反应堆结构等主要方向发展到如今在计算机、信息、空间、生命医学等众多科学技术前沿领域都具有突出的能力和成就,得益于AEC时期对国家实验室制度的弹性设计和灵活管理:在明确政策原则下,鼓励实验室及科学家的自由竞争:在坚持基本使命(原子能的军事和民用应用)的情况下,吸取科学家的意见(如建造大型仪器);不固守传统的做法,如实验室集中化管理;根据国家需求和国际环境的变化,突破原有设计的局限,开辟新的方向。

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作者:樊春良,中国科学院科技战略咨询研究院研究员。研究方向为科技政策、科学与社会。
来源: “科学与社会”公众号 2023-09-14

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