二战期间的科技成就从何而来?︱科学史

2021
07/20

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第二次世界大战深刻影响了人们对科学的看法,远超其他历史事件。


第二次世界大战深刻影响了人们对科学的看法,远超其他历史事件。特别是在广岛和长崎,科学展现了令人生畏的力量。


科学与技术、政府之间的合作有可能会带来严重的风险。我们应该重点发展哪些技术?应该怎样规范科学研究,引导它向特定目标发展?政府又该扮演什么样的角色?


二战以来,政府资助并组织了许多大规模研究,掌握了技术应用的方向,比如“曼哈顿计划”“登月计划”等。历史学家们称之为“大科学”。


今天,政策制定者普遍呼吁开展新一代“曼哈顿计划”或“登月计划”,以应对从癌症到气候变化等重大社会和技术挑战。


正如历史学家克拉伦斯 · 拉斯比(Clarence G. Lasby)所说的那样,“大科学”的遗产之一是科学家的公众形象“已经成为奇迹创造者”,并且“在政治权力上有很高的声望”。二战期间的许多标志性技术(包括核弹、雷达和计算机)要部分归功于政府的发起和资助。


因此,现在许多人认为:为完成伟大的技术成就,政府不仅需要资助研究,还要引导研究计划朝着具体的实际目标发展。此外,这也要求我们不能把资金浪费在非定向的、由好奇心驱动的科学上——它的结果往往是不可预测的,没法派上用场,甚至是不可靠的。


我们将会看到,这是错误的。

仅以核弹、雷达和计算机为例,它们都是由于理论和技术发展的整个网络才得以实现的。这些理论和技术的发展不仅早在战争之前数年或数十年,而且多数情况下都来自没有具体目标的非定向研究。

二战中的各种技术突破,它们背后的科学理论并不是来自有实际目标的研究,而纯粹是好奇心驱动的自由探索。在这一过程中,偶然性有时扮演了关键角色。

非定向的研究可以产生巨大的实际效益,这是创造“大科学”的关键人物万尼瓦尔 · 布什(Vannevar Bush)宣扬并加以实践的想法。

他是美国总统罗斯福的科学顾问,也是科学研究与发展办公室主任。这个联邦机构成立于1941年,旨在战争期间调动科学力量。它对战争至关重要,支持研制了包括核弹、计算机、雷达在内的一系列发明。
 

万尼瓦尔 · 布什:“不过,这些技术进步得以实现,是因为在战争之前,我们已经通过基础研究在多个领域积累了大量的科学数据。”

   
布什相信,正如战前的基础科学研究为战时的技术发明铺平了道路,和平时期的基础科学研究也会带来造福社会的技术发明。非定向的基础科学能带来技术红利,这个想法成为布什战后科学政策的核心愿景,并且部分得到了实现。

1950年,美国国家科学基金会成立。时至今日,该基金会仍在支持各个科学领域的基础研究。

布什的想法一直存在争议。亚利桑那州立大学的丹尼尔 · 萨雷维茨(Daniel Sarewitz)就认为布什的主张——由好奇心驱动的研究会结出技术果实——是“毫无掩饰的美丽谎言”,并呼吁将科学引向技术创新。但是,回顾“大科学”的起源,技术发明的路径漫长而复杂,并且往往是不可预测的。二战期间的标志性技术就显著地表明了这一事实。

如果想要科学产生技术效益,那么除了目标明确的实际研究项目之外,我们还需要一个坚实的基础科学研究体系。

今天,基础科学受到的重视程度不断下降,获得的资助不断减少。这很可能会威胁到将来的“登月计划”。

从植物学到炸弹

毫无疑问,美国政府的巨大努力使得核武器最终问世。1945年,杜鲁门总统在宣布使用原子弹的演讲中,把曼哈顿计划称为“历史上最伟大的科学成就”。但是,在此之前,物理学家和化学家们已经研究了近十年核裂变。许多基础的科学发现更是要早得多,而且它们也都没有什么具体的实际目标。

1827年,苏格兰植物学家罗伯特 · 布朗(Robert Brown)把显微镜对准了悬浮在水中的花粉颗粒。他观察到这些微小颗粒在随机移动,这种现象后来被称为布朗运动。在接下来将近80年的时间里,它一直都没有合适的解释。

1905年,瑞士专利局一位26岁的职员发表了一篇论文,提出花粉颗粒的行为是由看不见的分子运动造成的。几年后,让 · 佩兰(Jean BaptistePerrin)用实验证实了这位年轻职员——爱因斯坦的理论。这为分子的存在以及物质的原子理论提供了可信的证据。

同样是在1905年(爱因斯坦“奇迹年”),这位年轻的物理学家还发表了另一篇论文。他假设辐射是由单个的能量包组成的,并称之为“光量子”。这是一个革命性的想法,光电效应不仅证实了光的量子理论,还为量子物理学奠定了基础。

这还不是全部。1905年,爱因斯坦还发表了一篇论文,概述了狭义相对论,确立了质量与能量的等价关系。后来,它解释了核裂变为何会释放能量。

1934年,布朗做出著名观察100多年后,在罗马恩里科 · 费米镭研究所工作的一群科学家发现,铀这种已知的最重元素存在某些特异之处。费米和他的同事观察发现,当他们用中子轰击铀原子核时,似乎产生了一种新的、更重的元素——“超铀元素”。

1939年,德国化学家奥拓 · 哈恩(Otto Hahn)和弗里茨 · 斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)仔细观察中子轰击铀核后发现,实验产生的并不是更重的“超铀元素”,而是铀核分裂产生了更轻的反射性碎片。两位化学家写道:“我们万分不愿迈出这一步,因为它违背了以往所有的核物理学。”
1938年,奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼用这台实验仪器发现了铀核的分裂

这些发现的重要性很快就变得清晰起来。正如玛丽 · 奈(Mary Jo Nye)在《大科学之前》(1996年)一书中叙述的那样,奥托 · 弗里施(Otto Frisch)得到这个消息的时候,正与他的姑姑利斯 · 迈特纳(Lise Meitner)在一起,他们都是物理学家。

弗里施回忆说,他和姑姑开始明白,在“将铀核分裂成两个几乎相等部分”的实验中,“最显著的特征”就是它“释放了巨大的能量”。弗里施将之称为“裂变”,并与迈特纳一起给出了它的理论解释。玻尔(Niels Bohr)在普林斯顿大学与美国物理学家约翰 · 惠勒(John Wheeler)合作,确定铀的裂变是由铀的一种稀有同位素铀-235造成的。他还警告同事,这些发现可以用来“制造炸弹”,但“这需要整个国家一起努力才能办到”。

在二战爆发前的几个月里,从巴黎到曼哈顿的科学家都在研究铀。一个法国团队发表结果,高能核链式反应至少在理论上是可行的。鉴于这些进展,尤金 · 维格纳(Eugene Wigner)和匈牙利物理学家利奥 · 斯齐亚德(Leo Szilard)——他们都希望这些发现对德国人保密——敦促爱因斯坦就核裂变的军事意义给罗斯福总统写一封信。爱因斯坦的信件直接导致了1940年铀咨询委员会的成立,该委员会受国防研究委员会领导。后者是新成立的联邦机构,由布什领导。该委员会运行了一年,随后被科学研究与发展办公室取代。

起初,布什对核武器计划持怀疑态度,但越来越多的科学证据表明了它的可行性。1941年底,布什召集铀委员会成员在华盛顿特区探讨了这个想法。12月,日本轰炸珍珠港。次年6月,罗斯福总统为全力制造核武器开了绿灯。

三年后,广岛和长崎毁于一旦。然而,使得核弹成为可能的基础科学是在战争前十年间发展起来的。从花粉微粒到光量子,这些研究促成了21世纪上半叶物理学的发展。如果没有这段丰富的非定向研究,曼哈顿计划根本就是不可想象的。

从逻辑到计算机


计算机的发明过程同样是漫长而复杂的。

世界上最早的电子计算机——英国的“巨人”和之后不久的美国的“ENIAC”——都来自政府项目。但是,与核弹一样,使得这些发明成为可能的基础理论早已存在。


直到二战结束几个月后ENIAC才最终完成,并被美国陆军用来计算弹道轨迹


19世纪30年代,乔治 · 布尔(George Boole)还只是一名青年教师,管理着英格兰的一所寄宿学校。他开始思考是否可以用代数来表示形式逻辑。威廉 · 涅尔和玛莎 · 涅尔(William and Martha Kneale)夫妇在《逻辑学的发展》(1962年)中写道,布尔出生在一个中产家庭,基本上靠自学成才。多年后,有两位逻辑学家公开争论“谓词的量化”问题。布尔受此影响,决定重新回到这个问题上来。


1847年,布尔出版了薄薄一卷本《逻辑的数学分析》,概述了所谓的“逻辑计算”。这是一种高度普遍化的在哲学上雄心勃勃的代数,它奠定了现代二值逻辑的基础。


当布尔写作这本书的时候,并不是出于现实的或潜在的应用。他认为自己只是在描述“人类理智的数学”。但是,到了1937年,也就是布尔的著作问世一个世纪后,美国工程师香农(Claude Shannon)证明可以用电子继电器开关电路来实现布尔的代数。这个想法正是现代计算机的关键。


从布尔的杰作到香农的洞见,这条路并非坦途。事实上,香农并不是第一个注意到数理逻辑对计算具有实际意义的人。关于计算机器的实验至少可以追溯到17世纪。莱布尼茨认识到代数与逻辑之间的对称性,发明了一种能够进行基本算数运算的机器。


1869年,英国逻辑学家威廉 · 杰文斯(William Stanley Jevons)在布尔方法的基础上,制造了一台 “逻辑钢琴”。这是一台类似小型立式钢琴的计算机器,在涅尔夫妇看来,“更像是一台收银机”。


当香农发表自己成果时,他还是麻省理工学院的研究生,正在研究一种叫作差分分析仪的模拟计算机。巧合的是,这种机器正是几年前由布什发明的。


香农自己的经历,也充满了偶然性。


1916年,他出生在密歇根州的一个小镇上。那是有线电报盛行的时代,他曾经搭建了一个从自己家到朋友家半英里的电报网络。后来,香农在密歇根大学学习电气工程和数学。1936年,就在他毕业前不久,恰好看到一则招聘启事,职位是麻省理工学院的研究助理,工作是操作和维护布什的差分分析仪。正如詹姆斯 · 格利克(James Gleick)在《信息》(2011年)一书中所描述的那样,在研究差分分析仪(一台满是电子继电器的百吨级机器)时,香农意识到,每个继电器的状态,“开”或“关“,都可以用二进制代数的0和1来表示。布什鼓励香农继续研究,敦促他专攻数学,而不是当时更热门的电机驱动和电力传输领域。21岁的香农接着写了他的硕士论文,内容是布尔代数的机电应用,这被认为是数字电路设计的基础。


1940年从麻省理工学院获得博士学位后,香农加入了位于新泽西州的普林斯顿高等研究院,当时,爱因斯坦和一些在世的最伟大数学家都在那儿,如赫尔曼 · 外尔、冯 · 诺依曼和库尔特 · 哥德尔等。


但是到了1941年夏天,美国加入二战似乎已是迫在眉睫,香农转而去了贝尔实验室,希望为战争贡献自己的力量。在那里,他与计算机先驱阿兰 · 图灵相遇,时不时一起讨论。图灵在1943年被英国派到美国工作两个月,帮助美国军方破译密码。除了破译密码外,香农还在贝尔实验室利用计算机将通信理论应用于防空技术。这项研究得到了布什领导的国防研究委员会一份重要合同的支持。


在战后的岁月里,香农由于在数字计算和信息理论方面的开创性工作而备受称赞,并成为全美最著名的科学家之一。尽管有政府的经费支持,以及具体的指向,香农的成功仍是历史的偶然。

不加控制的支持


二战期间,政府不遗余力地支持科学研究。到战争结束时,政府资金占美国全部研发支出的80%以上。然而,布什担心,战后政府可能不再这么慷慨。此外,他也担心,科学研究在和平时期仍被政府控制,被引导到具体、实用的目标上去。布什很清楚,许多技术的产生离不开政府的控制,但他更明白这些技术是建立在基础科学之上的。

1945年7月,布什向杜鲁门总统提交了报告《科学:无尽的前沿》,这或许是有史以来最著名的科学政策文件。

 

他指出,“战争中,大多数科学研究都是应用现有的科学知识来解决具体问题”。但是,战争时期行之有效的做法不适用于和平时期。我们必须取消战时不得不施加的严格控制,恢复科学探究的自由,这对扩大科学知识的疆域是非常必要的。

   
战时的应用研究能够成功,关键是科学家在战前积累了足够的“科学资本”,那时他们并没有义务去追求理论的实际应用。布什认为,应用研究是以基础科学为前提的。现在战争结束了,需要的是更多的知识,而不只是更多的应用。新产品、新工艺不是自己就冒出来的,而是建立在新的原则和概念之上的。基础研究是技术进步的“心脏起搏器”,只有基础研究才能发展出新的原则和概念。今天这一情况比以往任何时候都更加真实。

布什是共和党人,民主党人并不认可他的报告。他们要求政府加强,而非削弱对科学的控制。这被认为可以解决另一问题:科学与工业的相互依赖。历史学家肯德尔 · 伯尔(Kendall Birr)观察到,“工业研究在战争间歇期爆发式增长,只在大萧条期间受到了轻微抑制”。

从1927年到1938年,美国工业研究实验室的数量大约翻了一番,从1000个增加到1769个,其雇员也从19000人增加到44000人。美国电话电报(AT&T)等公司为这些实验室提供资金,以此巩固自身的市场优势,最终形成垄断。

战争初期,工业研究已经集中在少数几个企业实验室中。据丹尼尔 · 凯弗斯观察,到战争结束,集中程度更加明显,政府的研究经费66%只给了68家公司,40%更是只给了10家公司。罗斯福新政的铁杆拥护者,参议员哈雷 · 基尔戈尔(Harley M. Kilgore)认为,科学正在变成“公司或工业研究的婢女”。

这个指控在政治上很有分量。在1943年的参议院会议上,联邦法官、司法部反垄断司前助理检察长瑟曼 · 阿诺德(Thurman Arnold)呼吁政府“打破私营集团在研究领域的垄断地位”。《纽约时报》的科学编辑写道:“自由放任作为经济原则已被抛弃;作为科学政策,也应该被抛弃。”1945年底,基尔戈尔呼吁建立国家科学基金会(NSF),监督所有政府研究,引导它们实现社会所期待的目标。

尽管布什并不是罗斯福新政的粉丝,但和基尔戈尔一样,他也担忧经济垄断,担忧工业界控制科学。然而,他反对政府控制科学。

他给总统顾问伯纳德 · 巴鲁克(Bernard Baruch)建言,问题是“科学仅仅需要被支持,还是同时也需要被控制?”换句话说,它需要被支持,但控制,无论是由工业界还是政府,都会扼杀新知识的发现。

在工业界,科学研究一般都会受到“之前达成的目标”,以及“持续性商业压力”的约束。政府虽然没有商业压力,但受到类似的政治压力。无论是工业界还是政府,它们关心的都只是“应用现有的科学知识去解决具体问题”,而不是“扩大科学知识的疆域”。

部分胜利


基尔戈尔提议国家科学基金会引导研究朝向特定应用,而布什则主张将资金分散用于基础研究。在《科学:无尽的前沿》中,布什详细阐述了自己的计划,这份报告源自他与罗斯福总统的一次谈话。谈话中,布什对战后科学的命运表示担忧。事实上,他向总统提出的想法正是为了对抗基尔戈尔的计划。1944年,罗斯福正式要求提交这份报告。1945年,它被提交给了杜鲁门总统,并被公之于众,仅在基尔戈尔计划公布前几天。

在布什的计划中,基金会不会指导或监督任何研究,而只是资助各种非政府机构,“主要是学院、大学和研究机构”。布什认为,只要这些“基础研究中心”充满活力和健康,“就会不断有新的科学知识流向政府、工业界或其他地方”。与基尔戈尔的计划不同,科学研究的”政策、人事、方法以及范围“都将由具体的研究机构自己负责。对布什来说,只有当科学是自由的,而不是被控制的时候,科学才最有可能蓬勃发展,并最终产生出令人震惊的想法。

这场政治斗争持续多年。

1950年,杜鲁门总统终于签署了一项创建国家科学基金会的法案。尽管沿用了基尔戈尔建议的名称,但这个新机构在某些重要方面反映了布什的愿景,包括他对基础研究的强调。但是,它与布什的愿景之间至少有两个重大差别。

基金会主任将由总统任命,而不是布什建议的由基金会成员选举产生。杜鲁门先前曾否决了一项排除此条款的法案。此外,基金会将有权制定整体的研究议程,而非听任研究机构自身的安排。

在设计思路上,国家科学基金会明显带有布什的印记:在战争期间支持应用研究的,战后支持基础研究。但是,布什关于政府支持非定向研究的愿景从未得到完全实现。随着国家实验室的发展和冷战研究的兴起,这一愿景更是无从谈起。

事实上,国家科学基金会并没有成为政府研究项目的首要资助者,甚至不是主要资助者。战后不久,国家科学基金会的预算就被新成立的海军研究办公室和原子能委员会超过,就连医学研究也被转移到了国立卫生研究院。因此,到成立之时,正如凯弗斯所言,国家科学基金会“只不过是美国多元化的研究机构中,一个微不足道的小伙伴”。

保护无尽的前沿


布什向总统提交报告75年后的今天,基础科学研究在美国政府科研支出中所占的比例不断下降。并且,政府支出只占到全部科研经费的1/3,这个数字在战后十年左右曾是2/3。公共和私营资金越来越多地支持实用的、有具体目标的研究,而不是基础的、非定向的、纯粹由好奇心驱动的研究。

科学应该被引导到具体的实际目标上,还是自由地追求自己的目标?核弹、计算机、雷达的发明史为布什的想法提供了重要支持。正是基础研究中积累的大量科学数据,才使得这些非凡的技术成就成为可能。

值得注意的是,虽然布什对基础科学的重要性深信不疑,但这并不是基于理论推理,而是布什的亲身经历。

年轻时,布什在数学方面表现出色,但更喜欢实际的发明和创造。1916年,他获得了麻省理工学院和哈佛大学联合培养的工程博士学位。在第一次世界大战期间,他参加开发了潜艇探测器。正是作为电气工程师的经历,让他确信了基础研究的价值。

战后,布什被任命为麻省理工学院电气工程系的电力传输教授,后来成为该校电子工程学院院长和副校长。在此期间,布什还帮助他的大学室友劳伦斯 · 马歇尔(Lawrence K. Marshall)创办了一家专注于制冷和电子技术的商业企业——雷神公司。这家公司后来成为一家大型国防承包商。

20世纪初,科学与技术已经相互依存、相互促进。布什的职业生涯真切地反映了这个历史现实:他是一个横跨数学、计算机和工程等领域的研究者,同时也是一个拥有多项发明专利的企业家,一个领导监管计算机、雷达和核弹发展的战时机构的联邦官员。科学知识已经成为现代技术进步不可或缺的东西。纯粹理论上的发现,随着时间的推移,能够产生巨大的实际效益。

相比应用研究,政府对基础研究的资助力度不断下降。现在是时候重新考虑国家的科技政策了。技术奇迹需要科研机构能够自由地追求其目标,并有充足的资金这么做。

本文作者安东尼·米尔斯(M. Anthony Mills)是R街研究所的科学政策主任;马克·米尔斯(Mark P. Mills)是曼哈顿研究所的高级研究员,也是西北大学麦考密克工程学院的研究员。本文选自《世界科学》杂志2021年第1期“创新启示录”栏目。文章观点不代表主办机构立场。

文章来源世界科学

主编|赵清

排版|Mia

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
计算机,二战,科技,科学,战争

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