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来源:创新战略译丛(之二)
《发现之后：科学研究如何迈向造福人类之路》
校对：施云燕
编者按：
1996年到2003年，美国国家科学院识别和追踪了一些重要技术进步和医学进步的起源，并开展了一系列案例研究。这些案例研究揭示了基础科学所扮演的关键角色，展示了基础研究如何从实验宜或偶然的发现中逐渐发展为可应用于实践的技术，甚至进一步商业化和产业化，成为服务于社会、造福于人类的产品。实际上，科学家们最初在开展这些基础研究时，并无法预测到其实际应用，但恰恰正是这种自由探索式的基础研究，最后催生了诸如本报告所述的人造皮肤、昆虫信息素、人工耳蜗、人类基因检测等技术或产品。另外需要指出的是，本报告的19篇论文都是由专业科学作家和直接参与科学发现的科学家密如合作，共同完成的。《创新研究》将分期推出这19篇论文。
我身在何方？这一问题看似简单，但纵观历史，其实不然。数世纪以来，航海家与探险者们试图在苍穹之上建立起一种高精度的全球定位系统，这样就可以安全到达目的地，避免悲剧发生。1993年6月26日，建立全球定位系统这一愿景得以实现。这一天，美国空军成功发射第24号导航卫星，由24颗卫星组成的全球定位系统网（简称GPS）自此建立起来。全球定位系统接收器价格不到几百美元，而就是这样的设备能够帮助你实时定位，获取你在地球上的经度、纬度，甚至包括海拔信息，定位精度达到了几百英尺。
科学与工程技术的发展进步与相互融合催生了这一不可思议的新技术。这里尤其要提到世界上最精准的计时器——原子钟的发明。原子钟的计时精度可以达到十亿分之一秒。原子钟是物理学家发明的，用于宇宙本源研究。谁也未曾想到有一天原子钟技术有朝一日会孕育出全球导航系统。现今，全球导航系统守护着人类生命安全，功能强大，应用于社会各个层面，创造了价值数十亿美元的产业，提供了10万个工作机会。下文部分改编自物理学家丹尼尔·克莱普纳（Daniel Kleppner）的报告。在这一部分内容中，丹尼尔·克莱普纳阐述了对时间本质的基础研究与精确测量方法是如何促进全球定位系统发展的。
1995年正值波黑战争，6月6日凌晨2:08，驾驶着F-16歼击机在塞尔维亚占领区上空执行任务的一名美国空军飞行员第一次从无线电接收机中听到“破坏者52”（Basher 52）的呼叫。“破坏者52”是美国飞行员上校斯科特·阿格雷迪（Scott O’Grady）的呼叫信号。斯科特·阿格雷迪自己的F-16歼击机在四天前已被塞尔维亚部队击落。这位飞行员事后曾表示当时自己仿佛已置身坟墓，上校斯科特·阿格雷迪的呼叫信号就如同从坟墓外传来。斯科特·阿格雷迪驾驶F-16执行任务时，，当即炸毁。这位29岁的飞行员最终成功实现弹射，但他的同伴并没有在燃烧的残骸中发现降落伞。
降落到地面后，斯科特·阿格雷迪深入敌后长达四天。期间为了保命，他食青草和昆虫充饥，白天以伪装网蔽体，夜间则悄然行动。他冒险用无线电发出求救信号，终于和飞行员取得了联系。飞行员们确定出了斯科特·阿格雷迪的地理位置并请来海军陆战队进行援助。斯科特·阿格雷迪成功获救，第24海军陆战队远征部队和（简称TRAP）专家团队功不可没。救援行动历时4小时，搜救队驾驶美国海军两栖攻击舰基尔塞号从亚得里亚海出发前往波斯尼亚。到了清晨6:50，搜救队找到了斯科特·阿格雷迪，抵挡住了塞尔维亚人的轻武器攻击，顺利返美。这次救援堪称“戏剧性教科书式的救援行动”。当日晚些时候，身处弗吉尼亚州亚历山大市的斯科特·阿格雷迪的父亲威廉·阿格雷迪（William O’Grady）得知了自己的儿子还活着，并且平安无恙。
媒体视斯科特·阿格雷迪为英雄。但斯科特·阿格雷迪认为此次获救应归功于美国海军陆战队冒死解救，他们才是真正的英雄。美国海军陆战队能够在此次救援行动中达到如外科手术般的精准程度，有一个因素起到了决定性的作用。斯科特·阿格雷迪降落到地面后，他在自己的救生衣里找到了一台便携式无线电接收器。这台无线电接收器可以接收来自24颗卫星网络，即全球定位系统(GPS)的信号。因此，尽管斯科特·阿格雷迪身处敌区，他也能够以几百英尺的精度对自己进行定位，然后将自己的经纬度、海拔信息发送给美国空军飞行员以及美国海军陆战队。人们不禁会想，不知斯科特·阿格雷迪和当时的救援人员是否知道当年救援中使用的这种技术是源自60年前对原子和原子核基本特性的基础研究？
全球定位系统轻松地帮人们解答了这样一个问题：“我身在何方？”。这种系统实现了实时定位，准确程度令人惊异。新技术采用了精度达十亿分之一秒的原子钟。发明原子钟的科学家们也未曾想到有一天原子钟技术有朝一日会助力全球导航系统。全球定位系统首次公开亮相便在1991年的海湾战争中获得一片褒奖。美国军队使用全球定位系统进行海陆空导航、排弹、。利用全球定位系统，美国陆军能够迅速而精确地在阿拉伯半岛漫无边际的沙漠中执行军事任务。
自此，全球定位系统技术引入了民用领域。现今，全球导航系统守护着人类生命安全，广泛应用并渗透到社会各个领域，创造了价值数十亿美元的新产业，并促进了就业。集成电路技术起初是用于制造电脑芯片的，但不久的未来，随着该技术的发展进步，便可应用到全球定位系统中。使用这种技术就可以将全球定位系统信号接收器和传送器做成信用卡大小,如此小巧而又廉价以至于每辆车都可以安装，每个人都可以携带。
•应急车辆利用全球定位系统确定目的地并获取路线图。
•全球定位系统可用于定位迷航船只。
•托运与交通运输服务业使用全球定位系统跟踪船只、提升交货速度。
•航运公司使用安装有全球定位系统的游轮和货船进行海上导航，记录并监控船只的海上活动。
•乘船游客和小型商用车辆所有者使用全球定位系统进行导航。
•民航飞行员使用全球定位系统进行导航、喷洒农药、航拍及空中测量。
•使用全球定位系统，航空公司得以优化他们的飞行计划，节省了数百万美元的成本；全球定位系统可用于仪器导航着陆，大型或小型机场均适用。此外全球定位系统也使新型的障碍回避系统得以成形。
•全球定位系统常作以下用途：绘图、地球测量与调查。使用全球定位系统可以进行公路绘图、森林火灾跟踪。此外在建筑施工过程中，人们使用全球定位系统操控推土机叶片，精度得以控制在几英寸以内。
•地球科学家们使用全球定位系统监测地震以及地球构造板块的位移变化。
•通讯公司对全球定位系统的依赖与日俱增。通过将本地的参考时钟与全球定位系统时间直接比对，电信公司可以同步不同区域的数字网络。
•卫星制造商使用全球定位系统接收器来跟踪卫星。
•装有全球定位系统的汽车不仅可以帮助驾驶员定位也能够帮助他们导航。在日本，已经有50万辆汽车安装了全球定位导航系统。
这仅仅是开始。据估算，如今全球定位系统接收器及其技术的国际市场价值已超二十亿美金。人们预计在接下来的十年里，该价值将突破300亿美金。
全球定位系统发展历程包括两个方面：基础研究是如何使生死攸关的国防技术成为现实；又是如何催生出各种重要的商业设备。诸多其他的技术进步也成就了全球定位系统的发展。这些技术包括卫星发射与控制技术、固态电子器件、微型集成电路片、相关电路、到达时间差定位技术、微波通信以及无线电导航。本报告主要分析人类对原子世界本质的理解探索，尤其是为研究相对论和爱因斯坦物理学而发明的原子钟，是如何催生出这种高精度时钟，这些发明又是如何进一步应用于实践并与卫星跟踪技术结合来满足人类基本需求，帮助人类获取位置与导航信息。
数世纪以来，人们只能依靠观察太阳与星星的位置、使用航位推测法进行导航。现代钟表出现后，人们可以确定经度信息，但即便使用精度最高的仪器，定位精度也只能达到几英里。1957年10月4日，前苏联成功发射了人造卫星。很快，人们发现这种人造卫星可以当做导航工具使用。之后第二天晚上，麻省理工学院林肯实验室的研究人员就掌握了精确测定卫星轨道的方法：当卫星靠近地面时，无线电信号频率增大；卫星远离地面时，无线电信号频率减小。这就是人们熟知的“多普勒频移”（Doppler shift）。无线电信号频率变化显而易见，通过这种观察，研究人员可以确定卫星航迹的精准信息。人类可以从地面获取精准的卫星航迹信息。这一发现成为了人类利用卫星发出的无线电信号确定地面位置信息的第一步。
接下来的几年，美国海军开展了一系列卫星导航实验。以1956年的海军导航卫星系统实验为标志，。执行水下任务时，潜水艇需要在水中隐匿数月之久。但使用陀螺仪导航，也就是人们熟知的惯性导航，无法确保潜水艇位置信息的准确性。海军导航卫星系统由六颗卫星构成，这六颗卫星以一种序接的方式环绕在地球的极地轨道上。通过分析来自卫星的无线电信号，也就是测量无线电信号的多普勒频移，就能够在10或15分钟内获得潜水艇准确的位置信息。1973年，。这一年的国际劳动节的周末，五角大楼召开了一场讨论会。，这次讨论会提出了全球定位系统的概念。全球定位系统的关键要素是24颗导航卫星。这24颗导航卫星由罗克韦尔国际公司（Rockwell International）制造，体积相当于大型汽车的大小，重约1,900磅。每颗卫星绕地球轨道运行，运行周期为12小时。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），这种分布使得在全球任何地方都可以接收来自4颗以上卫星的无线电信号。1978年，第一颗全球定位系统卫星投入运行。至1993年，该系统卫星数已达24颗。
与极其复杂的全球定位系统整体相比，全球定位系统的工作原理极为简单。每颗卫星实时发射数字无线电信号。这些信号既包含位置信息也包括时间信息，精确度达十亿分之一秒。全球定位系统接收器接收四颗卫星上发来的信号，通过计算可在几百英尺精度范围内确定其在地球上的位置。接收器将自身的时间信息与卫星发来的时间信息进行对比，通过时差计算出所在地与卫星之间的距离。（光速为每秒186,000 英里：若全球定位系统时间迟于接收器时间千分之一秒，那么所在地与该卫星的距离为186英里。）通过比对接收机时间与位置已知的三颗卫星时间，接收器便可获得精确的经度、纬度与海拔信息。
上述方法要求卫星与接收器都必须配有高精度的计时器。然而，通过接收第四颗卫星信号，用精度相对较低的石英钟计时的接收器也可以达到同样的效果。这里所说的石英钟就是大多数手表中常见的一种。一旦接收器与四颗卫星对接成功，全球定位系统便可运行起来，即刻计算出位置信息。
要使全球定位系统有效运行，接收器需获得卫星确切的位置信息，同时需要卫星提供可靠且高精度的时间信息。为了确保信息的准确性，每颗卫星都配有四颗原子钟——原子钟是目前世界上最准确的时间测量仪器。为了保证信息的可靠性，科学家们将卫星布设在距离地球11,000英里的轨道上，于大气层之上与地球遥遥相望，在既定的轨道上持续运行。一天之内，卫星两次经过同一地点，、位置、以及海拔信息。测量出的这些信息再传送回卫星，与定时讯号一并送出去。
全球定位系统兴起于军事领域，是一种军事工具。但使全球定位系统成形的原子钟却并非军事产物，而是二战开始不久前基础研究的产物。原子钟原本是用于研究原子结构这一基础课题，后来，科学家们发现这种高精度技术可以用来制作原子钟。原子钟的灵感起初与精确导航并无关联，而仅仅是想发明一种可以辅助时间本质研究的计时器而已，特别是用于爱因斯坦引力理论中引力对时间的影响研究，也就是人们熟知的引力红移。
直到上世纪20年代，最精确的时钟还是钟摆式的。取代它们的更为精确的时钟是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即使如此精确，但它仍不能满足科学家们研究爱因斯坦引力论的需求。根据爱因斯坦的理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟平均每天快三千万分之一秒。所以精确测定时间的唯一办法只能是通过原子本身的微小振动来控制时钟计时。
根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里吸收或释放的电磁能量大小是离散值。当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是离散的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的，例如铯133的共振频率为9192631770Hz，因此铯原子可被用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
20世纪30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术，依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他还首先提出，这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是，随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近电磁场的振荡频率，原子从电磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到另一状态的跃迁。通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场频率(现在能与原子的共振频率保持完全相同的频率)作为产生时间脉冲的节拍器。
在拉比的基础上，其他一些研究人员继续开展技术的研究工作，力图让该技术更加完美。1949年，拉比的学生诺曼·拉姆齐(Norman Ramsey)提出，使原子两次穿越振荡电磁场，可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得了诺贝尔奖。
二战后，美国国家标准局(U.S. National Bureau of Standards)和英国国家物理实验室(the British National Physical Laboratory)都宣布，要以拉比及其学生的原子共振研究为基础来制定原子钟时间标准。世界上第一个原子钟是由英国国家物理实验室的路易斯·埃森（LouisEssen）和约翰·帕里（John V.L. Parry）合作建造完成的，但这个钟体积庞大，需要一个房间的设备，所以实用性不强。另一名麻省理工的科学家，拉比曾经的同事扎杰罗尔德·扎卡来亚斯（Jerrold Zacharias）使得原子钟成为一个更为实用的仪器。扎卡来亚斯计划建造一个被他称为原子喷泉的、充满了幻想的原子钟，这种原子钟非常精确，足以研究爱因斯坦预言的引力对时间的作用。研制过程中，扎卡来亚斯推出了一种小型的原子钟，可以从一个实验室方便地搬移到另一个实验室。1954年，他与马塞诸塞州马尔登市的一家国有公司一起建造了以他的便携式仪器为基础的商用原子钟。两年后该公司生产出了第一个原子钟，并在四年内售出50个，如今用于GPS的铯原子钟都是这种原子钟的后代。
物理学家们继续在拉比和其学生的原子共振构想基础上进行实验，设定新奇多变的实验环境，力图将实验结果运用到原子钟上。其中一项研究摒弃了磁性材料转而使用另外一种技术，该技术利用光泵现象来挑选出可用来计时的原子能级,并利用光束将其激发到所需能级。由于这项研究成果，巴黎高等师范学院（the École Normal Supérieure Kastler）成为了1966年诺贝尔物理学奖的获得者。现如今，相比铯原子，光泵铷原子在原子钟中的运用更多一些。铷原子钟成本较低且体积较小，但其计时的精确度有待商榷。
还有一种原子钟是氢微波激射器。1954年，哥伦比亚大学的查尔斯·汤斯（Charles Townes）与他的同事们在进行分子结构研究过程中发明了微波激射器。汤斯和他的团队也因此成就获得了1964年的诺贝尔物理学奖。激光器的前身就是微波激射器。微波激射器是一种微波器件，利用原子或分子的直接辐射来产生信号。汤斯发明的微波激射器使用的是氨原料。随后1960年，哈弗大学的拉姆齐和他的团队研发了一种新的微波激射器。拉姆齐的微波激射器使用的是氢原料，它是一种原子钟，精度极其准确。
到了1967年，原子钟研究成效卓越。根据铯原子的振动原理，人类重新定义了“秒”的概念。现如今的原子钟精度极高，10万年内，时间误差为一秒。最近，美国将国家标准技术局新启用的原子钟——NIST-7作为了国家的基准时间标准。据估算，该原子钟每三百年内的时间误差为一秒。
历经数年，铯原子钟、氢微波激射器原子钟、铷原子钟终于在太空领域得到应用。无论是在卫星还是地面控制系统，都可以看到这三种原子钟的身影。全球定位系统卫星最终还是选用了铯原子钟，与60年前拉比的概念化铯原子钟相似。
1973年，五角大楼见证了全球定位系统构想的诞生。20年后，随着第24颗卫星的成功发射，全球定位系统得以充分发挥其功用。24颗卫星均由美国空军管理，在全球设置5个地面站对这些卫星进行监控。收集好的数据交由位于美国科罗拉多的空军联合太空作战中心（the Air Force Consolidated Space Operations Center）分析，分析工作完成后，工作人员将更新信息传送到卫星并校准计时器和轨道数据。
我们不应忽略的是，。这一事实也使全球定位系统饱受争议。无论何种新兴技术，在推动社会进步的同时也会带来一些风险。全球定位系统也不例外，它可能被走私者、恐怖分子或敌对势力所利用。全球定位系统有着巨大的市场潜力，迫于全球定位系统制造商施加的市场压力，。作为一种妥协，，该政策规定全球定位卫星提供的最精确信号仅供军队和授权用户使用提供。目前，全球定位系统卫星发出的信号分为以下两种：精度在100英尺以内的民用信号；仅能由军事部门解码的精度在60英尺以内的第二类信号。同时，，，使其定位精度降低至300英尺。
1996年3月，美国白宫宣布民用全球定位系统精度进一步提高，低精度等级的民用全球定位系统信号将会在十年之内废除。美国白宫再次确认了联邦政府承诺，即全球定位系统服务仅限于有利于世界和平的民用、商用与科学用途，该服务面向全球，不收取任何费用。
全球定位系统远景不可限量，技术发展充满无限可能。该系统新颖、独特，可即时提供定位信息，确立了全球定位的国际化标准。通过科学计算，定位信息不仅仅包括街道地址、城市和国家信息，还可以获得经纬度信息。全球定位系统服务同电话号码信息一同储存在电脑化的网络黄页，人们就可以随时随地找到位于某个城市、乡镇或郊区的餐馆或加油站了。全球定位系统为人类社会技术发展带来无限希望。科学家们怀着对宇宙本质与我们所生活的世界的好奇不断探索，基础研究得到公众的支持，富有成效，相信会有更多的新技术诞生。
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