温伯格，年因弱电统一理论与格拉肖和萨拉姆分享当年诺贝尔物理学奖，本文是其年发表在《纽约书评》关于大科学危机的文章，由天涯逐客编译。
去年是原子核发现一百周年。年，在曼彻斯特的欧内斯特·卢瑟福进行的一项实验中，镭的放射性衰变产生的一束带电粒子射向一张薄薄的金箔。当时人们普遍认为原子的质量是均匀分布的，就像布丁一样。在这种情况下，来自镭的带电粒子应该会以很小的偏转通过金箔。令卢瑟福吃惊的是，其中一些粒子几乎直接从金属箔上弹回来，这表明它们受到金原子中又小又重的东西的反弹。卢瑟福将其定义为原子核，电子围绕原子核旋转，就像行星围绕太阳旋转一样。
这是伟大的科学，但不是所谓的大科学。卢瑟福的实验团队由一名博士后和一名本科生组成。他们的研究得到了伦敦皇家学会区区70英镑的资助。实验中使用的最昂贵的东西是镭的样本，但卢瑟福不必为此付钱。因为镭是从奥地利科学院借来的。
核物理学很快发展壮大。卢瑟福实验中镭放射的带电粒子没有足够的能量穿透金原子核进入原子核本身。为了击碎原子核并了解它们的构成，物理学家在20世纪30年代发明了回旋加速器和其他可以将带电粒子加速到更高能量的机器。已故的布鲁克海文实验室(BrookhavenLaboratory)前主任莫里斯感慨道：“第一个分解原子核的是卢瑟福，有一张照片是他把这个装置放在膝盖上。我总是记得后来的照片，当一个著名的回旋加速器在伯克利建造的时候，所有的人都坐在回旋加速器的腿上。”
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第二次世界大战后，新的加速器开始被建造。在对宇宙射线的观察中，物理学家发现了几种全新的基本粒子。为了研究这种新型物质，必须人为地制造大量粒子。为此，物理学家必须将质子、氢原子核等普通粒子束加速到更高的能量，这样，当质子撞击静止目标中的原子时，它们就可以转化为大量的新型粒子。这不是为了创造最高能量加速器的记录，也不是为了收集越来越多的新粒子。建造这些加速器的目的是通过创造新的粒子，来学习和了解支配一切形式物质的自然法则。尽管许多物理学家喜欢卢瑟福式的小规模实验，但发现的逻辑迫使物理学设备变得更大。
年，我在伯克利的辐射实验室做博士后。伯克利当时拥有世界上最大的加速器Bevatron，它占据了校园上方山上的一幢大楼的整个面积。这个加速器是专门用来将质子加速到足以产生反质子的高能状态。令人惊讶的是，数百种高度不稳定的新粒子也被创造出来。这些新型粒子如此之多，不可能都是基本粒子，我们甚至开始怀疑，我们是否知道什么是基本粒子。这一切既令人困惑，又令人兴奋。
在Bevatron工作了十年之后，很明显，要弄清这些发现的意义，需要新一代高能加速器。新的加速器必须更大，无法装进伯克利山的实验室。许多机构人员也越来越多，不可能由任何一所大学来管理。但这是伯克利的危机，不是物理学的危机。芝加哥郊外的费米实验室(Fermilab)、日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)以及美国和欧洲的其他实验室都建造了新的加速器。
到20世纪70年代中期，这些实验室的实验人员和理论家利用收集到的数据，形成了一个全面的、现在已得到证实的关于粒子和力的基础理论，被称为标准模型。在这个理论中，有几种基本粒子。存在着强相互作用的夸克，它构成了原子核中的质子和中子，以及上世纪50年代和60年代发现的大多数新粒子。还有一种叫做轻子的相互作用更弱的粒子，其原型是电子。
还有载力的粒子，通过在夸克和轻子之间移动以产生各种力。其中包括(1)光子，光的量子，负责电磁力；(2)W和Z玻色子负责弱核力，允许夸克和轻子从一个变化到另一个，例如,当碳14衰变为氮14，允许带负电的下夸克变成带正电的上夸克(碳年代测定法用的正是这种衰变)；(3)无质量的胶子，它们产生强大的核力，使夸克在质子和中子中结合在一起。
标准模型虽然取得了成功，但并不完美。首先，到目前为止，这个理论中夸克和轻子的质量必须从实验中推导出来，而不是从一些基本原理推导出来。几十年来，我们一直在研究这些质量的名单，觉得我们应该理解他们，但却没有任何结果。就像是试图读取一个被遗忘的古代铭文。此外，还有一些重要的东西不包括在标准模型中，如引力和暗物质,天文学家告诉我们不可见的物质占宇宙总质量的5/6。
所以现在我们正在等待欧洲核子研究中心新加速器的实验结果，我们希望它能让我们超越标准模型。这就是大型强子对撞机，简称LHC。它是一个地下巨大的环形建筑，周长17英里，穿过瑞士和法国的边界。其中，两束质子以相反的方向加速，其能量最终将达到7tev，也就是说，大约是质子能量的倍。这些粒子束将在环周围的几个观测站进行碰撞，这些观测站的探测器将在这些碰撞中产生的各种粒子进行分类。
在大型强子对撞机上将要发现的一些新东西是人们长期以来所期待的。在年和年提出的标准模型中，将弱力和电磁力统一起来的部分是基于这些力之间的精确对称。携带弱核力的W和Z粒子以及携带电磁力的光子都以无质量粒子的形式出现在理论方程中。虽然光子是无质量的，但W和Z粒子实际上很重。因此，有必要假设电磁和弱相互作用之间的对称性被打破，也就是说，虽然这是理论方程的确切性质，但它在观察到的粒子和力中不明显。
关于电弱对称是如何被打破的，最初也是最简单的理论是年和年提出的，它包含了遍及宇宙的四个新领域。在自然界中，这些场中的一束能量会表现为一种巨大的、不稳定的、电中性的粒子，后来被称为希格斯玻色.除质量外，希格斯玻色子的所有特性都是由年和年的电弱理论预测的，但到目前为止，这种粒子还没有被观测到。这就是大型强子对撞机正在寻找的希格斯玻色子，如果发现了，它将证实电弱理论的最简单版本。年12月，两个研究小组报告暗示，希格斯玻色子已经在大型强子对撞机中被创造出来，其质量是质子的倍。此后，在对费米实验室早期数据的分析中，也出现了这种质量的希格斯玻色子的迹象。到年底，我们将知道希格斯玻色子是否真的被发现了。（年希格斯玻色子被正式宣告发现）
希格斯玻色子的发现将是对现有理论的一个令人满意的验证，但它不会为未来更全面的理论指明道路。我们希望，就像Bevatron的情况一样，在大型强子对撞机上发现的最令人兴奋的东西将是一些完全出乎意料的东西。不管它是什么，我们很难看到它是如何把我们带到包括引力的一个终极理论。所以在接下来的十年里，物理学家们可能会要求他们的政府支持我们认为需要的任何新的、更强大的加速器。
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这很难让人接受。我的悲观情绪部分来自我在上世纪80年代和90年代试图为另一个大型加速器筹集资金的经历。上世纪80年代初，美国开始计划建造超导超级对撞机(SSC)，该对撞机能将质子加速到20TeV，是欧洲核子研究中心大型强子对撞机最大能量的三倍。经过十年的设计，选址在德克萨斯州，购买了土地，并开始建设隧道和磁铁。
然而在年，众议院取消了对SSC的资助。后来，参议院会议委员会恢复了拨款，但是第二年同样的事情又发生了，这一次众议院否决了会议委员会的建议。在花费了近20亿美元之后，SSC死了。
导致SSC夭折的原因之一是经费的过度支出。甚至有媒体造谣说，花费在行政大楼走廊上的盆栽植物都要上百美金。预计的开支确实增加了，但主要的原因是，每年的预算并没有到位，国会从来没有提供足够的资金来按计划支出。这就延长了完成项目的时间和成本。尽管如此，SSC还是克服了所有技术上的难题，并且预计完成的费用和大型强子对撞机的花费差不多，关键是它比LHC早十年完成。
取消SSC成为年当选的新一代国会议员的目标。他们认为冷战结束了，在SSC的发现不会产生任何直接的实际重要性。物理学家指出高能物理学带来很多有益的副产品，从同步加速器辐射到互联网。在促进技术进步的意义上，大科学和战争的作用相同，但是不会杀死任何人。问题是，它不能预先承诺会产生怎样的副产品。
真正激励基本粒子物理学家的是对物质世界本质的认识，他们相信，世界是由我们能够发现的、简单的、普遍原则所统治的。但并不是每个人都能感受到这一点的重要性。在关于SSC的辩论中，我在拉里·金的广播节目上和一个反对该方案的国会议员在一起辩论。他说他不反对在科学上花钱，但我们必须设定优先次序。我解释说，SSC将帮助我们了解自然法则，我问这是否应该得到优先考虑。我清楚的记得他的回答——不可能。
真正激励政客的是其选民的直接经济利益。大型实验室为德州带来了工作机会和资金，因此吸引了该州议员的积极支持，同时也收获了其他国会议员的冷漠和敌意。在选址之前，一位参议员告诉我，当时在不知道花落谁家时，有位参议员支持SSC，但一旦选址选定，这个数字就会降至2位。他说的一点没错。我们看到一些国会议员在确定他们的州未被选择时，很快就改变了他们对SSC的立场，从支持变为反对。
另一个困扰SSC的问题是科学家之间的资金竞争。科学家普遍认为，在SSC可以进行好的科学研究，但有些人认为，把钱花在其他科学领域会更好，比如他们自己的领域——固体物理。一个固体物理学家当选美国物理学会(AmericanPhysicalSociety)主席后断然反对SSC，他认为用于该中心的资金应该更好地用于固态物理领域。但是据我观察，取消SSC节省下来的资金并没有用于其他科学领域，这让我很不高兴。
当物理学家们向政府申请LHC后的下一代加速器时，所有这些问题将再次出现。但情况会更糟，因为下一代加速器可能必须国际合作。最近，我们看到一个为发展可控热核能源而建造实验室的项目，即ITER，在法国和日本争夺实验室选址的竞争中差点夭折。在基础物理学中，确实，很多实验可以不用建造新一代的加速器就能完成。我们将继续寻找这些罕见的现象，如质子的放射性衰变。在研究中微子的性质方面有很多工作要做。我们从天文学家那里得到一些有用的信息。但我认为，如果不把高能量技术的前沿向后推进，我们就不可能取得重大进展。因此，在接下来的十年里，我们可能会看到对自然法则的探索放慢脚步，在我们的有生之年很可能不会再有太大进展。
对于所有的科学领域来说，资金都是一个问题。在过去的十年里，美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)能够资助的课题比例从33%降到了23%。但大科学有一个特殊的问题，那就是它不能轻易地缩小规模，修建一个缩小一半的加速器是没有意义的。
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最早的加速器天文学与物理学有着非常不同的历史，但它也面临着同样的问题。在政府的大力支持下，天文学很早就成为了一门大科学，因为它在某种程度上是有用的，天文学在古代被用于大地测量、导航、计时和制作日历，并且以占星术的形式被认为对预测未来有用。19世纪，富有的富豪开始在天文学上慷慨地花钱。罗斯伯爵在他家里的天文台使用了一个巨大的望远镜，叫做利维坦，发现了现在被称为星系的星云。在美国，天文台和望远镜的建造都带有捐赠者的名字，比如里克、耶克斯和胡克，最近的还有凯克、霍比和埃伯利。
但是现在天文学面临的问题已经超越了个人研究的能力。我们不得不向太空发射天文台，这既是为了避免地球大气层造成的干扰，也是为了避免粒子在穿透大气层的辐射。宇宙背景探测器、哈勃太空望远镜和威尔金森微波各向异性探测器等卫星天文台与先进的地面天文台协同工作，使宇宙学发生了革命性的变化。我们现在知道大爆炸开始于亿年前。我们也有充分的证据表明，在此之前，有一个指数级的快速膨胀阶段，称为暴胀。
但是宇宙学有陷入困境的危险，就像基本粒子物理学几十年来陷入困境一样。年发现宇宙正在加速膨胀，这一发现可以适用于各种理论，但我们没有观测到可以指向正确的理论。对早期宇宙遗留下来的微波辐射的观测已经证实了早期暴涨的观点，但没有提供有关膨胀物理过程的详细信息。新的卫星观测站将是必需的，但是它们会得到资助吗？
作为哈勃望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜的命运令人不安地回忆起了SSC的历史。按照奥巴马政府去年要求的资金水平，该项目将继续进行，但不会允许望远镜被发射到轨道上。7月，众议院拨款委员会投票取消了韦伯望远镜。有人抱怨成本的增加，但就像SSC的情况一样，大部分的增加是因为年复一年的项目没有得到足够的资金支持。该望远镜的资金最近已经恢复，但未来的前景并不乐观。该项目不再受美国宇航局科学任务理事会的管辖。韦伯计划在技术上表现非常出色，尽管已经花费了数十亿美元，但SSC也是如此，这并没有使它避免被取消的命运。
与此同时，在过去的几年里，NASA对天体物理学的资助也在不断下降。年，美国国家研究委员会(NationalResearchCouncil)进行了一项关于未来10年天文学发展机会的调查，为新的太空天文台设定了优先级。最优先考虑的是WFIRST，一种红外观测望远镜；在“探索者”旁边，是一个规模类似于威尔金森微波各向异性探测器的中型天文台项目；然后是LISA，一个引力波天文台；最后是国际x射线天文台。这些项目都还没有得到预算资金。大科学领域的一些空白正被欧洲所填补，例如大型强子对撞机和一个名为普朗克的新微波卫星观测站。但欧洲的财政问题比美国更严重，欧盟委员会(EuropeanUnionCommission)目前正在考虑从欧盟预算中取消大型科学项目。
天文学在美国有一个特殊的问题。NASA，负责这项工作的政府机构，一直把更多的资源投入到载人航天飞行中，而这对科学贡献甚微。近年来，所有为天文学做出巨大贡献的天文台都是无人值守的。国际空间站被部分作为一个科学实验室出售，但它并没有产生任何重要的科学意义。去年宇宙射线天文台被抬到空间站，一些重大科学实验可能在空间站上执行,但没有宇航员参与操作，开发无人探测项目要便宜的多。
国际空间站要对这次SSC的取消负部分责任。年，这两项法案都在国会进行了关键的投票。因为空间站将由休斯顿管理，所以两者都被视为德克萨斯州的项目。在承诺积极支持SSC之后，年克林顿政府决定只能支持德克萨斯州的一个大型科学项目，最终选择了空间站。国会议员们对两者的区别并不清楚。在一个众议院委员会的听证会上，我听到一位国会议员说，他能看到空间站如何帮助我们了解宇宙，但他不能理解关于SSC的事情。
我差点哭出来。正如我后来写的，空间站有一个巨大的优势，它的成本是SSC的十倍，所以NASA可以把它的合同订单分散到许多州。也许如果SSC的成本更高，它就不会被取消。
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大科学正在与政府的各种开支竞争，不仅是与载人航天，和各种真正的科学项目，而且还有许多其他我们需要政府去做的事情。我们在教育上的投入还不够，不足以使教师成为我们最好的大学毕业生优先的职业选择。与欧洲和东亚相比，我们的客运铁路和互联网服务越来越差。我们没有足够的专利审查员来处理新的专利申请只能不无休止地拖延。我们有些监狱人满为患，人手不足，这造成了残酷和不人道的后果。我们缺少法官，因此民事诉讼需要数年才能得到审理。
此外，美国证券交易委员会(SecuritiesandExchangeCommission，简称sec)没有足够的员工来打赢针对其被控监管的企业的官司。没有足够的戒毒中心来治疗想要戒毒的瘾君子。我们的警察和消防员比之前少了。许多美国人不能得到足够的医疗照顾。等等。事实上，现在的国会对待政府的许多其他职责比对待科学还要糟糕。如果现行立法强制自动削减8%的非军事开支，所有这些问题将变得更加严重。
我们最好不要通过攻击在这些其他需求上的开支来为科学辩护。我们会输，也应该输。几年前，我和德克萨斯州众议院拨款委员会的一名成员共进晚餐。当她滔滔不绝地谈到有必要花钱改善德州的高等教育时，我印象深刻。哪个州立大学的教授会不想听这个?我天真地问她，打算开发那些新的收入来源。她回答说，哦，不，我不想增加税收。我们可以从医疗保健中拿钱。这不是我们应该处于的位置。
在我看来，真正需要的不是为某种特定的公共利益奔走恳求，而是让所有关心这些事情的人团结起来，恢复更高、更累进的税率，尤其是针对各种投资收入。我不是一个经济学家，但我经常和经济学家们交谈，政府支出比减税更能刺激经济。说我们负担不起增加的政府开支，这纯粹是一种谬误。但考虑到公众对税收的狂热情绪，这样的观点是政治毒药。这是真正的危机，不仅仅是对科学而言，如果现行的制度不改革，政府将越来越捉襟见肘。