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MIT辐射实验室 发表评论(0) 编辑词条

第二次世界大战期间,美国的雷达工程是仅次于曼哈顿工程的第二大工程。雷达工程的核心研究机构是 MIT 辐射实验室。它被誉为"战争史上最大的合作研究机构",并在短短五年的密集研究中,获得了正常情况下可能需要20年才能取得的成果。雷达研制的成功不仅成为盟军取得胜利的一大法宝,更为战后美国科技的崛起做出了不可磨灭的功绩。作为第一个大规模、多学科交叉定向研究的实验室,毫无疑问,它所走过的这段史无前例的历程,能够为当今我们所面临的大科学管理以及产学研合作创新提供诸多启示。
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MIT20号楼编辑本段回目录

  20号楼可不是寻常所在。“二战”期间为MIT赢得全球声誉的辐射实验室(Radiation Laboratory),便设在这栋为满足美国政府军事需要紧急建造的简陋临时建筑中。从1940年10月到1945年底,在阿尔弗雷德·李·鲁米斯(Alfred Lee Loomis)的率领下,辐射实验室承担了美国“二战”期间使用的几乎全部微波雷达的研发和制造工作,并研发出了第一个全球无线电导航系统LORAN。正是因为在这一领域的突出技术优势,美国海军才得以成功肃清德国潜艇在美国海岸附近的活动,并于1944年成功实现扭转战局的诺曼底登陆。到1945年9月时,美国政府拨给MIT用于微波雷达研制的经费高达每个月近500万美元,相当于MIT“二战”前整个学校全年的经费。最高峰时,受雇于辐射实验室的科学家和技术人员达3897人,而这上千人的活动中心,便是20号楼。

Building 20 andBuilding 22
Building 20, as it looked circa 1946. Building 22 is visible in the upper right corner of the image. Photograph courtesy of the MIT Museum.

  20号楼并不好看。弗雷德·哈珀古德(Fred Hapgood)在他关于MIT的《无尽长廊》(Up the Infinite Corridor: MIT and the Technical Imagination)一书中写道:“这楼太丑了,简直叫人叹服。它比校园里所有其他的难看建筑物还要丑上10倍。”但是,对于在其中工作的科学家来说,这栋虽不好看但却相当合用的大楼却远远没那么糟糕。MIT电子研究实验室的副主任、后来负责林肯实验室的阿尔伯特·希尔(Albert Hill)就说过:“搬进20号楼后,我们实验室的可用空间一下子大了两倍。”主要原因是20号楼是临时建筑,因此可以随心所欲地根据实验需要调整内部空间。而在电子工程和生物工程教授杰罗姆·莱特文(Jerome Lettvin)的眼中,20号楼就像“麻省理工学院的子宫”,虽然看上去乱七八糟,但其中却神迹屡现。

  如果从时间点上看,辐射实验室和20号楼的黄金时代,的确也是麻省理工学院历史上最重要的一段发展时期。在辐射实验室之前,虽然MIT已经是一所全美一流的工程学校,但它还不是一所伟大的研究型大学。它的主要教育目标,依然遵循着罗杰斯时代定下的方针,也即更加强调“手”的训练,旨在为当时新英格兰地区蓬勃发展的纺织业、金属加工业和机械业提供更符合需求的工程技术人员。根据曾经在辐射实验室工作过的诺贝尔经济学奖得主保罗·萨缪尔森的回忆,直到上世纪40年代中后期,麻省理工学院的数学系和物理系等基础科学系仍几乎是完全为了迎合工程学学生的兴趣而设立的。“所有这些系都被看做‘服务系’,是工程师们开车进来,把他们的油箱加满初级数学、物理学和化学课程的加油站。”在“二战”前相当长的一段时间里,MIT工程学与基础科学的师资比一直保持在85%比15%左右。

美国研制雷达内幕编辑本段回目录

  雷达的基本概念早在20世纪初就形成了,1935年是雷达技术发展史上一个里程碑。那一年,英、美、德、苏、意等国都研制出雷达的最初原型,但此后的发展以英国最快。原因是英国首先把雷达与英伦三岛的空防结合起来。

  1940年,英国发明了10厘米微波波段的大功率磁控管,但由于当时英国已参加了二次大战,工业生产能力吃紧,无法大规模生产这种先进的雷达设备。丘吉尔首相批准由空防科学调查委员会主席狄查德(1885-1959)率高级代表团携带磁控管及图纸去美国寻求合作。

  当时美国在外交上公开表示中立,英国使节团与美国政府的官员特别是军方谈判有所顾忌。正巧美国由总统下令刚成立一个非政府组织“国防研究委员会”(简称NDRC),主席布什(V.Bush,1890-1974)是麻省理工学院(MIT)电机工程师,是早期电脑发展先驱。1938年他在担任声誉卓著的私人研究组织“华盛顿卡内基协会”主席后,积极展开活动,主张建立一个国家委员会,以此作为民间科学家与军队之间的桥梁。得到总统提名后,他进入白宫与罗斯福面谈,得到罗斯福的赞赏并获得批准,授权成立了NDRC。

  这个机构权力很大,可以干预军方有关科技的各种业务,MIT的校长康普顿、哈佛大学校长康乃特、国家科学院院长兼贝尔实验室主任朱威特等老友担任副主管,他的这个机构联系775所大学、企业实验室及非营利机构,并把这些力量整合起来,为国防服务。

  1940年8月,狄查德与布什会面后,彼此见解、胸怀非常投合。在布什的暗中支持下,美军代表与狄查德得以比较坦诚地谈判合作交易,9月16日海陆军部正式加入NDRC。终于英国使节团的两名物理学家鲍恩、科克罗夫特把带来的高度保密的箱子打开,展示出磁控管,开诚布公地说明它能发射10厘米的微波,功率达105瓦,是当年美国最佳发射管的1000倍。这时美方才知悉英国带来的礼物的珍贵,并且通过鲍恩的介绍得知美国的雷达研究水平远不如英国,特别是脱离了战事的实际需要。

  此后双方的合作迅速升温,NDRC增设了“微波委员会”,任命企业界很有权威的金融家、业余物理学家鲁密斯为主席,鲁密斯对其堂兄———陆军部长史汀生说,英国带来的这项发明会把美国的雷达发展向前推进2年。布什、鲁密斯和康普顿等人一直认为,应创立一所核心实验室,并以这台仪器为基础,展开雷达研究。

  实验室地点经微波委员会反复商讨,认为必须具备两个特点:第一,越接近首都华盛顿越好。第二,设在一所学术研究水平顶尖的大学内,既可以保持学术自由的风气,又可以吸引学术界注意力。最后选定麻省理工学院(MIT),一方面它在微波研究上有深厚的传统,另外还有人事方面的优势,布什、鲍尔斯均为MIT校友,而MIT校长康普顿已是NDRC副主席。

  最初起名“微波实验室”,为保密和误导敌方,重新命名为“辐射实验室”,使间谍认为它是劳伦斯建于加州大学的辐射实验室在东岸的翻版,专注于基础研究,无法转作军事用途。1939年荣获诺贝尔奖的劳伦斯被布什拉来参加微波委员会,并且想请他任辐射实验室主任,但他因加州大学的回旋加速器的工作很难分心,谢绝了这个邀请。可是他对英国抗击德国非常同情,听了鲍恩的介绍后,急切想为新建的辐射实验室效劳,于是就推荐他的弟子们参加雷达的研究工作。

  10月15日杜布里奇(1920-1994)听到老师劳伦斯的召唤,立刻跳上火车直奔纽约,几天后就升任辐射实验室主任。众多物理学家纷纷被吸引,11月6日拉比(1898-1988,于1944年获诺贝尔奖)加入实验室,并任实验室副主任,他的热情支持产生了较大的影响,如他立刻招来两名顶尖弟子加入。到12月1日就有20位物理学家到实验室上班。杜布里奇则想方设法招募新人,实验室所有成员广收人才,直接去函全国各地大学,要求推荐全新人才。

  在网罗人才方面,辐射实验室创造了科技史上罕见的奇迹。1940年11月它仅有20多名元老,到1945年8月1日,成员激增至3897人,30%是科学家和工程师,其中有500名具有博士学位,遥遥领先于战时任何研究机构,连曼哈顿工程(原子弹计划)也瞠乎其后。作为实验室灵魂的物理学家们接到劳伦斯和杜布里奇神秘召唤,前往辐射实验室所在地剑桥时,对微波可以说是一窍不通,但到大战结束时,这些人都早已跻身世界级专家之列,有一批人获诺贝尔奖。值得一提的是,MIT的辐射实验室不仅聚集了美国的一流人才,还汇集了不少外国的顶尖人才,一批去美国的中国学者也被邀请到该实验室参加工作,作出过重要贡献。

  雷达

  中文里“雷达”一词源自英文“radar”一词的音译,而该词则是“radiodetectionandranging”的字头字母缩略,意为“无线电侦察与测距”。能实现这种作用的雷达是一个电子系统,它包括发射机、接收机和天线等部分。发射机的心脏是一种叫“磁控管”的电子管,它能产生天线发射的载波。接收机是一种超外差式接收装置。天线的作用是使磁控管产生的载波在空中形成一个波束,射向所要求的方向,为此,天线的外形要做抛物面形(像一个炒菜的铁锅)、喇叭形等形状。

  雷达是怎样“侦察和测距”的?科学家们早就知道,电磁波遇到金属表面时,会被反射;而且电磁波波长越短,反射率越高,故雷达的载波波长一般都在以厘米为单位的微波波段。反射回来的电磁波叫做“回波”。当一目标(飞机、舰船等)在移动时,其回波频率与发射时的载波频率稍有相差,两者的频率差叫“多普勒频移”。这个频移值大小取决于目标相对于雷达的运动速度,据此可以判定目标的移动速度。另外,通过测量发射载波的那一刻到接收到回波的那一刻的时间间隔,再乘上电磁波在大气中的传播速度,就可以求得目标距离雷达多远。

对美国麻省理工辐射实验室雷达研制的历史考察编辑本段回目录

 说到军事技术中的跨学科研究,不得不提及二战时期美国开展的“曼哈顿工程”和“雷达研制工程”。英美有一句名言:“为我们终结二战的是原子弹,而帮助我们赢得战争的则是雷达。”当时,雷达是在麻省理工学院的辐射实验室(林肯实验室的前身)里成功研制的。战后,美国麻省理工学院辐射实验室集合各方面的专家,总结二战期间参与雷达研制的经验,在1947年由麦克劳希尔出版社出版了《雷达系统工程》丛书共28本,大幅度推动了雷达技术在世界的传播发展。目前,在麻省理工学院辐射实验室里进行的跨学科研究、多任务协作的雷达研制等军事技术创新的论述还不多,本文在获得很多关于辐射实验室口述史等电子文本的基础上,对美国
麻省理工辐射实验室雷达研制过程作一个历史考察。
      1 雷达研制中的多任务协作
“战争俨然是个巨大的里程碑,立在科学指数型发展的大路边。”〔1〕时间回溯到1940年9月16日,
当来自英国的蒂泽德一行向万尼瓦尔·布什等人演示了共振腔磁控管后,令他们惊奇的是,这个磁控管能以10厘米波长产生10千瓦的脉冲功率,这个脉冲功率数大约是美国当时最佳发射管的1000倍左右。二战爆发后,战事情况危急,为了打赢战争,万尼瓦尔·布什、柯南特、阿尔弗莱德·卢米斯和卡尔·康普顿等人一致建议,以英国的共振腔磁控管为基础,成立一所专门研究微波雷达的实验室。他们最开始给这个实验室命名为“微波实验室”,第一年的运行经费预算为45.5万美元。
    经过美国国防研究委员会和微波委员会研究同意,1940年10月11日,微波实验室正式成立,实验
室人数将近20人,设在麻省理工学院内。几周后,微波实验室马上改名为辐射实验室,按照最初设定的研究目标,辐射实验室开展三项军事技术研究计划:第一,从事飞行器微波拦截方面研究计划;第二,研制地基高精度瞄准雷达,即在地面就能使用微波雷达来控制对敌方飞机的瞄准和射击;第三,研制飞行器导航系统,主要是让飞行器根据无线电通信的指示进行着陆。
要完成这三项计划不是一件容易的事,一是实验室场地和研发设备,二是研发人才。实验室场地倒不是一件难事,时任麻省理工学院校长的卡尔·康普顿有能力协调政府划拨实验室用地。至于研发设备,可以用运行经费进行购买,这些都难不倒辐射实验室的初创者。最难的是到哪里一下子网络到这么多人才,包括各个领域的科学家和工程师。这些难题都没有阻止卡尔·康普顿他们前进的脚步。他们坚定一定能研发出雷达。
为了招募研发精英人才,卡尔·康普顿和劳伦斯他们将目光瞄准了大学里的科学家,特别是核物理学家。因为核物理学家在从事加速器研究的过程中,对于高频率无线电波相当熟悉。加上劳伦斯本身就在加州大学伯克利分校进行回旋加速器研究,对这个领域人才相当熟悉,有两人马上进入劳伦斯的视野。第一个是在哈佛大学设计并建造了第一座回旋加速器的班布里奇,另一个是杜布里奇,当时的杜布里奇正担任罗彻斯特大学物理系主任和文理学院院长。由于劳伦斯的声誉和威望,当杜布里奇接听完劳伦斯的电话后,毫不犹豫地决定来辐射实验室,接任技术总监一职,不久便升为辐射实验室主任。在劳伦斯的帮助下,经过杜布里奇的努力运作,辐射实验室引进了很多物理学界的顶尖级科学家,像普林斯顿大学的理论物理学家特纳被聘任为实验室顾问。接下来,哥伦比亚大学物理学家拉比,伊利诺伊大学物理学主席惠勒·鲁密斯都接受聘书,相继来到辐射实验室效力。于是,实验室的力量不断壮大,由几人壮大到几十人,这群人堪称“美国物理学精英”。像劳伦斯、拉比、柏赛尔、路易斯·阿瓦雷兹、诺曼·拉姆兹五人,都先后荣获诺贝尔奖,还有五位辐射实验室的职员及顾问,也在后来赢得了美
国科学界的最高荣誉。在国家利益面前,他们中断甚至放弃个人的研究事业,紧紧团结在辐射实验室这个组织里为研制出雷达而奉献自己的才智。据史料记载,当时,有“噪声女杰”王明贞、“微波先驱”孟昭英、“双奖华人”葛庭燧等三人在美国麻省理工学院参与了雷达关键技术研究,人称“中国三杰”。
随着人员越来越多,辐射实验室已经初具规模。1940年11月11日,一小群核物理学家聚集在编号“4—133”室的新司令部,召开第一次正式的辐射实验室会议。在会议上,大伙讨论了微波雷达的基本概念和磁腔管,同时对于整个组织的轮廓也取得一致意见,把问题分配给七个技术部门。这七个技术部门是依据雷达的构成要素分类的,计有发射机、接收机、天线等等。
对于一项这么大而复杂的进行雷达研制的军事技术创新工程,虽然外围有柯南特、卡尔·康普顿、万尼瓦尔·布什和阿尔弗莱德·卢米斯等关键人物在进行战略决策,也有杜布里奇和劳伦斯这样的管理决策者,科学家也不缺乏,但是还需要大量的工程技术人才,将这项研究付诸实施,具体制造出雷达产品。这种多任务的研发工程需要各种人才有效结合,才能产生协作效应。正如马克思所指出的那样,“通过协作不仅提高了个人生产力,而且是创造了一种生产力,这种生产力本身必然是集体力。”
到了1941年3月初,实验室的成员扩充至近200人,半数以上为科学家与工程师。新进人员来自差异甚大的各个领域,例如:生理学、政治学、经济学、建筑、光学、数学、人类学以及天文学等。为解决有效空投炸弹等实际问题,就必须在辐射实验室组建不同的研究小组。因此,随着研究任务的具体化,在实验室主任及辐射实验室指导委员会的领导之下,实验室下设12个部门,每个部门下属若干个工作小组,具体执行项目任务,如有需要,工作小组还会下设若干个子小组
    2 形成知识“交易区”,开展跨学科研究
  为了加快研究进程和效果,微波委员会果断地决定,把参与项目研究的人员全部集中在辐射实验室,共同进行研究。而作为辐射实验室的上级领导部门,国防研究委员会通过签订合同的方式将研究任务赋予实验室后,便将实验室的管理完全由科学家们自行负责。实验室实行指导委员会决策,主任负责日常管理的领导体制。二战后国家实验室的主任负责制就这样延续下来了。

 

      这样,实验室开始了正常运转。当运行一段时间后,这些来自不同学科领域的科学家和工程师就发现,他们这些不同学科领域的专家在一起进行研究,但是对于新的微波雷达研究领域,他们就像一群门外汉在门外徘徊,他们之间感觉到需要一种“思想发酵剂”,将各自领域的新思想和新方法汇集在一起进行发酵,从而得到共同需要的答案。
    其实,他们需要的就是达到一种真正的跨学科研究合作状态。要达到这种状态,需要不断的沟通和交流。事实上,有效的沟通和交流才能发生效果。一旦遇到难以解决的问题,科学家与工程师不断沟通,核物理学家和材料专家交流,甚至光谱学家和统计学家也开始相互沟通,在沟通交流的过程中,这些不同学科背景的科学家以及工程技术人员实现了有效的显性知识转移和共享,久而久之,在他们之间,就实现了显性知识和隐性知识的共享,从而加快了雷达研制的速度。
彼得·盖里森使用了“交易区”的比喻来描述参与雷达研制的物理学家和工程师如何共同努力建立复杂的粒子探测器。为了交流思想,相互启发,他们不得不制定一个“克里奥耳语”,或减少日常语言,使他们能够对于设计变革达成共识。他认为,两个不同的群体都可以找到共同点。当这些不同学科背景的群体之间发生了富有成效的合作时,这种有效的沟通和交流真正实现了发酵的作用。同时他们开始在语言、实践以及方法方面开始共享时,“交易区”就开始产生了。
于是,为了营造出适合沟通与交流的开放气氛,辐射实验室经常举办分组会议、小组讨论以及每周研讨会,定期讨论雷达研究过程中出现的难题。还有许多不是正式讨论的分组会议,如随时就某个问题在理论物理学家、核物理学家、材料专家以及数学家之间的讨论,也起到了很重要的作用。当时,大家的一个共同目的就是能在最短的时间内研制出雷达装置设备。因此,实验室里的科学家和工程师之间在一起经常交流和沟通,不同学科领域的研究人员之间具有知识共享的意愿,为了共同解决问题的目标而集合在一起,他们就会就某一个难题进行研讨和思想碰撞,在资源共享中共同研究解决具体问题,进行跨学科研究。这样,随着时间的推移,跨学科研究偏好在实验室逐渐形成。
显然,“交易区”的形成正是由于参与雷达研制的不同科学家(像理论物理学家、试验物理学家、统计学家、光学家、天文学家以及大量的工程师)之间的新思想、新方法的交流和沟通,才使雷达研制在短时间内取得重大突破,而这些成绩都与“交易区”所发挥的作用有关。当时在雷达实验室理论部门工作的施温格,在这种“交易区”中借鉴于电气工程师们常用的一项古老技术,通过吸收更多的工程技术成果,跳出自身已形成的根深蒂固的专业知识和思想的局限,而将研究对象放在设备上,并通过这些物质对象将先前狭隘的领域理论和电气工程的计算及语言连接起来,最终由麦克斯韦方程组出发推导出一系列规则,而正是这些规则,使得其他学科背景的工
程技术人员和科学家们实现了对于微波的实际网络计算和描述。交叉研究改变了施温格解决物理问题的研究思想和策略,雷达研制工作对他在战后的科学研究产生了深远的影响。〔7〕
在将近4000位参与者的通力合作下,麻省理工学院辐射实验室各个学科领域的科学家和工程师之间的跨学科研究,使得本要花费20年时间研制的雷达在5年内就成功研制出了100多种不同类型的雷达系统,成功地将微波雷达用于空、陆、海方面,诸如空袭预警、高射炮控制、空中截击、盲目投弹和舰船探测等各个战事领域,击败了敌军。
与此同时,在不同学科背景科学家们共同参与的雷达研究活动中,由于“交易区”的存在,加上语言上的沟通顺畅,不同学科领域的科学家在一起商量讨论,不但成功研发出了雷达,而且实现了不同学科的交叉,从而催生了像运筹学、系统工程和项目管理等高度交叉性的学科。紧接着,在1952年,麻省理工学院开设了一门“武器系统工程”的课程。意识到运筹学和系统工程的相似性,1962年,在洛杉矶加州大学、宾夕法尼亚大学、密歇根大学、约翰霍普金斯大学里,都提供了“运筹学与系统工程”的研究生课程。
    3 多任务协作需要合理的多学科人才结构匹配
  在开展雷达研制的实验室中,跨学科研究变成了一种社会化的集体活动。而且,实验室里的科学家和工程师之间在一起经常交流和沟通,不同学科领域的研究人员之间具有知识共享的意愿,为了共同解决问题的目标而集合在一起,他们就会就某一个难题进行研讨和思想碰撞,在资源共享中共同研究解决具体问题,进行跨学科研究。由于雷达研制需要进行多任务协作,这就需要合理匹配的多学科人才结构。因此,根据雷达研制的具体任务,结合需要的人才,可以绘制一个雷达研制的多任务协作图。

 从图3可以看出,要完成雷达研制,至少需要很多领域的科学家和工程师。值得一提的是,有一些关于大规模工程开展的跨学科研究的文献中,除了强调科学家和工程师的作用外,忽视了决策层和管理层人员的作用。在是否进行雷达研制的前期决策中,阿尔弗莱德·卢米斯、万尼瓦尔·布什、卡尔·康普顿和柯南特等起到了决定性的作用,为美国开展雷达研制进行战略决策,功不可没。还有像实验室主任杜布里奇、两位副主任惠勒·鲁密斯和拉比等都为雷达研制做出了巨大的贡献。因为一项大规模的军事技术创新工程,如果离开了决策层和管理层,那么可以说,单靠科学家和工程师是开展不起来的。美国学者认为,德国没能研制出原子弹主要是“缺乏总的方向、一致的目标,及各个参与部门之间的协调……研究任务交付给一些多少有互相竞争的团体分头进行……困难显而易见……各干着自己的本行,没有被按特定的计划工作”。因为只有各个部门相互协调,组织系统才能运行良好。
进行雷达研制这样的军事技术创新工程,是一个复杂的系统工程,包括基础研究到工程学、应用设计、生产甚至战术应用的整个过程,在这些过程中,参与者有高层决策者,中层管理者、科学家和工程技术人才。由于每个环节和整个系统密切相连,这就要求每个环节的人员应该相互协作,成功完成整个项目。在雷达研制过程中,需要的人数从最开始成立时的20人增加到后来的3897人。从这么庞大的雷达研制队伍可以发现合理匹配的多学科人才结构。因此,从雷达研制的复杂过程可以将参与者基本分成四类人才,即:战略决策人才、组织管理人才、科学研究人才与工程技术人才。
第一,战略决策人才。由于有英国的共振腔磁控管作为雷达研制基础,阿尔弗莱德·卢米斯、万尼瓦尔·布什、卡尔·康普顿和柯南特等一致向美国国防研究委员会和微波委员会建议,要求设置专门的实验室研制雷达,这样,才有了辐射实验室的诞生。因此,除了美国国防研究委员会和微波委员会以外,在雷达研制战略决策群体中,阿尔弗莱德·卢米斯、万尼瓦尔·布什、卡尔·康普顿和柯南特为辐射实验室成立进行了战略规划和可行性分析,最终进行正确的战略决策,属于战略决策人才。“微波委员会、卡尔·康普顿、阿尔弗莱德·卢米斯,杜布里奇和督导委员会使辐射实验室作为一个重要的科学项目而优先运转,这是真正民主和有效的合作研究。”〔10〕宾夕法尼亚州立大学的物理化学家布利通·查斯在接受安德鲁·哥里斯滕采访的口述史中这么说道。而像实验室顾问、普林斯顿大学的理论物理学家特纳,以及伯克利加州大学劳伦斯实验室的主任劳伦斯,在实验室成立前后,充当了实验室顾问咨询人才的角色,间接地影响战略决策的制订,也能称为战略决策人才。
第二,组织管理人才。当辐射实验室成立后,为了使实验室正常运转,首先是实验室主任应该具有组织管理方面的才能。微波委员会通过签订合同的方式将研究项目交给麻省理工学院辐射实验室后,同时给予实验室主任杜布里奇宽泛的技术政策,使他们自由研究。副主任惠勒·鲁密斯负责处理人事问题,另一名副主任拉比则是实验室的领导型科学家,负责学术研究。指导委员会作出大的方面的决策,并且每周开会一次,为的是指导委员会成员在安排具体工作时使这些决策有效实施。〔11〕其余的就是辐射实验室下设的12个部门的负责人,还有各个部门下设的小组组长,如探索新频带和发展新微波技术的基本发展组组长珀塞尔、天线组组长朱兰成等。因此,辐射实验室主任、副主任以及下设部门负责人、小组负责人都充当了组织管理人员的角色,理属组织管理人才。
第三,科学研究人才。当雷达确定在辐射实验室研制后,科学研究人才就是实验室的核心队伍,其他与雷达研制相关的人都是为雷达研制服务的角色。因为雷达研制是一项创造性的劳动,生产新知识和研发新技术,属于基础研究,也是应用研究。需要依靠理论物理学家、核物理学家、光学家等科学家会聚在一起,进行不断的交流和合作,用应用性的基础研究来带动军事技术创新。雷达研制,最关键的是要掌握基本物理理论和关键技术,离开了科学研究人才,雷达研制就成为一句空话。像哥伦比亚大学的物理学家拉比、伊利诺伊大学的物理学科主席惠勒·鲁密斯、拉比的得意学生杰雷德·查卡瑞尔斯与诺曼·拉姆兹、埃德温·麦克米兰和路易斯·阿瓦雷兹等,在这些科学研究人才中,有很多后来都获得了诺贝尔奖。
第四,工程技术人才。雷达研制不是纯粹的基础研究,是在基础研究的基础上根据不同任务的分工,进行应用设计、生产甚至战术应用。因此,在这整个过程中,这么庞大的一个军事技术研发工程,就需要大量的工程师和工程技术人员。如天线的制造,接收器和收发器的研制,都需要大量的工程技术人才参与设计和生产,并且直接应用于具体的战术中。在这些具体研发过程中,涉及很多关键技术和复杂工艺,产品加工精度要求非常高,就会遇到理论、方法、材料、直到技术工艺上的种种难题,这就需要有多年的技术经验的工程专家进行解决。
因此,雷达研制的多任务协作客观上要求多学科人才的参与。实际上,拥有多学科人才,还得让这些人才在一起有效沟通、交流,进行跨学科研究,促进学科的交叉与融合,从而实现军事技术创新。

“中国三杰”与雷达研制编辑本段回目录

  在国内纪念抗战胜利60周年的大量报道中,笔者注意到一个令人欣喜的变化,即开始有文字披露和报道中国科学家在全民抗战所起的作用。

  这种作用大致表现为两个方面:一是当时留学欧美学习自然科学的一批学者,在二战期间以自己的专业和学识投身或参与到抗战事业中,他们或直接参与新式武器的研发,或从事相应的理论计算工作,其中的佼佼者如战时研制出我国第一部雷达的著名物理学家束星北,以及本期科技文摘介绍的三位杰出的物理学家王明贞、孟昭英、葛庭燧;二是当时国内自己培养出的一批科学家,他们历经艰辛努力设法为国家培养人才,著名的西南联大是这其中的典范。另外有一些科学家则直接投身于地雷等武器的研制,在极其困难的条件下,为冀中抗战军民研制出多种杀伤力颇高的地雷,为抗日战争的胜利做出了直接的贡献,在中国抗战史上写下了浓重一笔。

  尽管开始有了一些这方面的报道,但迄今在国内各类有关抗战的文字、影像资料和各种展览中,有关对中国科学家(包括在本土和留学海外的)在抗战中所起作用的介绍实在是少之又少,其中的原因可能与历史材料、资料数据的缺失有关。为此笔者在这里呼吁有更多的人关心这件事,尽可能补全这一页。相信随着史料的挖掘、整理以及当事人及其后代的回忆,有关中国科技人员对抗战胜利所作贡献的史实将更多地展示在世人面前,中国科学家在抗战中的作用、地位也能得到恰当的评价。

  其实回溯历史上的这一页,一方面是恢复历史本来面貌,另一方面更是意在今日和未来。当时中国的这批科学家,在物质条件极其艰苦,信息资料获取极其有限的情况下,主要凭自己的爱国热情和才智,自力更生、独立创新,成为全民抗战中的一支作用独特的重要力量。有学者建议,应借纪念抗战60周年之机,介绍叶企孙、吴有训、赵忠尧、王淦昌、钱学森、钱三强等一批为中国和世界反法西斯战争做出过重要贡献的中国学者的事迹,以激励年轻一代向老一辈科学家那样艰苦奋斗,开拓创新。但愿这一呼吁能引起更多人的响应。

  □虞昊应兴国

  英美有一句名言:“为我们终结二战的是原子弹,而帮助我们赢得战争的则是雷达。”其实,在这“终结”和“赢得”背后,也凝聚着我们中国科学家的智慧。

  今天,我们向读者介绍曾在美国麻省理工学院参与雷达关键技术研究的“中国三杰”。

  “噪声女杰”王明贞

  我们知道,原子是由原子核和若干个电子组成的,电子围绕着原子核在特定的轨道上高速旋转,同时它们自身又像一个带磁性的小陀螺,物理学称之为具有磁矩和自旋。1925年荷兰莱顿大学的两位物理学博士古德斯米特和乌伦贝克提出上述假设,并成功地解释了塞曼效应和原子光谱的精细结构,在量子力学发展史上写下浓重的一笔,只是机遇不巧而没有获得诺贝尔奖。

  1927年,古德斯米特来到美国密歇根大学任教。1939年,在他讲授理论力学的班上来了一名中国的女博士研究生,她叫王明贞。这位中国姑娘勤学好思,给古教授留下了很好的印象。本来他打算亲自做王的博士论文导师,后来因为美国麻省理工学院(MIT)辐射实验室请他去领导理论部,他就把王介绍给自己的好搭档乌伦贝克,后者也于1939年来到密歇根大学任教。

  1942年,王明贞在乌教授指导下完成博士论文,但她却回不了中国。由于1941年12月7日日本偷袭珍珠港,太平洋战争爆发,来往于美中之间的轮船停开。奖学金已到期,没有了经济来源的王明贞只得去找古教授,古教授早就从乌教授那里听到王在密大读博期间的优异表现(得到三个“金钥匙奖”,其中一个又是金钥匙中最高级的),就毫不犹豫地介绍她去MIT辐射实验室理论部工作。由于这是个保密单位,FBI(联邦调查局)经过3个月的审查,终于通知她前去报到。古教授发挥她理论物理的特长,把王安排在理论部所属的数字计算室。每当有的研究小组的公式无法再简化,因而求不出通解时,就让计算室的人用计算机算出数字结果。

  过了几个月,乌伦贝克教授也来到辐射实验室,不久他就接替古德斯米特担任理论部主任。古教授离开时只说是“另有任务”,二战结束后才知道,他被任命为“阿尔索斯”侦察队的科学负责人。这个组织是美军最高统帅部于1943年秋成立,被派往欧洲专门收集德国原子武器方面的情报。乌教授来了之后,他又进一步“重用”王明贞,叫她专门研究噪声理论。噪声研究对机器运转、电子设备正常工作都具有重要意义。从信息论的角度看,噪声是掩盖需要的信息内容的那些无规则、无法预测、不合需要的信号或信号变化。

  雷达是靠回波来收集信息的,但回波信号一般很弱,而周围环境中的其他电磁信号(噪声)却比回波信号强,怎样从噪声的“大海”中捞取雷达回波这枚“针”,就是噪声研究要解决的问题。有趣的是,太阳之类的恒星也不断发出电磁噪声,影响雷达、无线电通信的正常运行。1970年代,美国贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊,就是在研究无线电噪声的过程中发现了宇宙的背景辐射,并荣获1978年度诺贝尔物理学奖。由此可见噪声研究之重要。

  王明贞在辐射实验室呆了3年,于1945年11月离开,去华盛顿他哥哥王守竞那里。1945年12月31日辐射实验室正式关闭,为了使这项庞大的严格保密技术转为民用,该室250名主要人员编写了以《雷达系统工程》命名的丛书,共27卷,于1947年交麦克劳希尔出版社出版,被从事微波电子学的物理学家及工程人员奉为圣经,拉比称它为“继旧约圣经之后最伟大的工程”,为21世纪迅猛发展的微电子技术、信息技术以及当代的天文学等广大科技领域奠定了基础。这套丛书第24卷名为《阈信号》,由劳生和乌伦贝克任主编,在序言中主编高度评价了王明贞所作出的贡献,指出:她不仅完成了第13章所叙的全部工作,并且帮助全书有关理论的各章进行计算和描述工作。

  在为二战的雷达研究作出过贡献的中国科学家中,王明贞教授是贡献最大、工作时间最长的一位,又是仅有的还健在的一位,现已年近百岁。1906年王明贞生于苏州,兄弟姐妹共12个,其中7人皆为一流科学家。姐姐王淑贞是著名的妇产科专家;哥哥王守竞是理论物理学家,曾任北京大学、浙江大学物理系主任;两位弟弟王守武、王守觉都是著名的半导体物理学家,中科院院士;另一位弟弟王守融是精密机械仪器专家。

  “微波先驱”孟昭英

  孟昭英(1906-1995),1928年毕业于燕京大学,不久赴美留学,1936年获美国加州理工学院(CIT)博士学位,随后回国,先后在燕京大学和西南联大任教。

  1943年按清华大学规定,教授任职满5年可获学术休假一年,于是孟昭英应CIT之邀来此任客座教授。次年,因他是电子学方面的专家,MIT辐射实验室特邀他参加雷达研究工作,交给他的任务是解决雷达天线“一物二用”的难题。一般电子设备(如收音机、电视机)天线的作用只是接收来自太空的无线电信号,而雷达天线则身兼二任:既要把磁控管产生的微波作为雷达搜索的载波发射出去,又要接收来自飞机、军舰等目标对载波产生反射的回波。载波是大功率的(因为要辐射得远),而回波则是很微弱的。用同一架天线作发射和接收时,如何防止大功率载波窜入接收线路把它烧坏,是一个伤脑筋的关键问题。这个研究的代号为“TRbox”。孟昭英凭借他精湛的电子技术和极强的动手能力,发明了一个气体放电开关,当雷达在发射大功率载波脉冲时,这个开关发生气体放电,造成通向接收机的电路短路,从而保护了接收机里的晶体检波器不被击穿。载波发出后,气体开关又接通,接收机开始工作,接收回波。孟昭英发明的这个气体放电开关被命名为“微波双工器”。

  1947年出版的丛书第14卷《微波双工器》的序言中介绍了孟昭英的工作。MIT辐射实验室解散时,美国名牌大学、联邦标准局及一些大企业纷纷出高薪争聘,他一概拒绝。当时国内战局动荡,民不聊生,他毅然克服种种困难,不顾囊中乏款,自费采购MIT的珍贵科技资料和实验仪器,于1946年带回国。回国后,他在清华大学物理系建立了世界一流、国内独一无二的电子学实验室。1952年,他坚决抵制苏联专家的错误意见,在清华大学创建国内第一个无线电电子系并任系主任,把MIT辐射实验室积累的世界最高水平的电子学科技移植到新中国,为新中国的电子学和微波科技事业奠定了基础。1956-1967全国科学技术发展远景规划的电子学部分,全部由他制订。上图就是1956年开会制订规划期间,孟昭英在中南海与周恩来总理、梁思成(右二)、马大猷(右一)的合影。

  “双奖华人”葛庭燧

  葛庭燧(1913-2000),出生于山东,1937年毕业于清华大学,后来就读燕京大学物理系研究生。1938年,他以青年学生的爱国情怀,参加了清华大学理学院院长叶企孙亲自领导的支援冀中抗日游击队的斗争。叶先生要他利用燕大作掩护(燕大是美国人办的,那时日美尚未开战,日本军队没有开进燕大),为游击队做一些事:搞一些关键器材,如雷管和无线电器材;查阅并提供一些有关无线电通信的书刊资料;介绍科技人员去游击区工作。葛庭燧扮作牧师,在两名传教士带领下,通过日本兵守卫下的封锁线,到了冀中根据地,了解到实际情况,完成了任务。

  1941年,葛庭燧去美国加州大学(伯克利)读研究生,并于1943年获得博士学位。随后他到MIT辐射实验室,参加到国防任务中,研制远程雷达的发射-接收两用气体放电开关。由于他工作出色,战后获得美国国防研究会颁发的奖章一枚。他在MIT还参加了由研制原子弹的曼哈顿工程交下的任务,同样因为成绩优异而获奖。同时在雷达和原子弹研制中参与其事,并获奖励的中国科学家,恐怕就葛庭燧一位。

  (作者分别为清华大学物理系教授、上海科学技术出版社编审) 

相关文献编辑本段回目录

  • Baxter, James Phinney, III; Scientists Against Time, MIT Press, 1968
  • Bowen, E. G.; Radar Days, Inst. of Physics Publishing, 1987
  • Brittain, James E.; "The Magnetron and the Beginning of the Microwave Age," Physics Today, vol. 73, p. 68, 1985
  • Guerlac, Henry E.; Radar in World War II, American Inst. of Physics, 1987
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  • Stewart, Irvin; Organizing Scientific Research for War; Administrative History of the OSRD, Little, Brown, 1948
  • Watson, Raymond C., Jr.; Radar Origins Worldwide, Trafford Publishing, 2009
  • Willoughy, Malcom Francis; The Story of LORAN in the U.S. Coast Guard in World War II, Arno Pro, 1980
  • Zimmerman, David; Top Secret Exchange: the Tizard Mission and the Scientific War, McGill-Queen's Univ. Press, 1996

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