在线特别报道：计数飞秒 - 彭博社

在担心美国的研究和创新正在减弱，因为行业削减其研发预算之际，美国能源部正准备帮助填补这些空白。去年11月，能源部发布了未来20年的研究计划。这是能源部制定的第一个长期计划。该愿景呼吁投资数十亿美元，以创建旨在材料科学、生物学、环境科学、物理学和计算等领域取得突破的尖端工具和设施。

“我们谈论的是主要的新设施和升级设施，”能源部长斯宾塞·亚伯拉罕说。目标是巩固美国作为世界最佳研究避风港的地位。亚伯拉罕补充道，做到这一点，美国的创新能力将会保持强劲，“因为我们将继续能够吸引世界上最聪明的人才。”

强大的梦想。

国家科学基金会与此保持一致。在9月份，NSF拨出了6900万美元用于资助六个新的纳米科学与工程中心，明年它希望在纳米研究上花费8100万美元，包括两个新的纳米中心。这八个新设施将使现有数量翻倍——所有这些设施自2001年国家纳米技术倡议（NNI）启动以来建立，当时的预算为4.64亿美元。明年的NNI资金将这一数字翻倍，达到9.82亿美元。NSF、五角大楼和能源部将共同出资大约80%的总额。

总的来说，华盛顿今年将在研发上花费1050亿美元，比去年增加了4%。卫生与公共服务部是最大的研发推动者，占联邦支出的52%。国防部紧随其后，占11%的份额，NASA和能源部也紧随其后。它们各自大约分配10%的联邦研发资金。

对于能源部来说，其20年计划中的首要任务是聚变能源。为了实现几乎无限、廉价且相对清洁的能源梦想，美国去年重新加入了国际热核聚变实验堆（ITER）项目。这个50亿美元项目的其他成员包括中国、欧盟、日本、韩国和俄罗斯。ITER希望制定出商业聚变电厂的蓝图，这些电厂预计在2040年左右投入运营。

超级超级计算机。

这一转变发生在美国退出该项目仅五年后。是什么促使决定重返？是能源部科学办公室资助的一台强大新超级计算机运行ITER设计模型的结果。

“这让我们对ITER的成功充满信心，”理论物理学家雷蒙德·L·奥巴赫说。他负责该部门的科学部门，该部门资助大学、智库和国家实验室的非军事研究。该部门的预算超过30亿美元，支持美国联邦资助的物理科学研究的40%，包括计算机科学。

ITER模拟涉及的数据量庞大，足以让1990年代中期的超级计算机崩溃。即使在今天最好的硬件上，这也是一个巨大的挑战。要准确模拟聚变反应堆中某些令人困惑的现象，需要的计算能力是能源部所有研究实验室计算机总和的100倍。

在能源的20年计划中，实现这种百倍的计算能力提升是第二高的优先事项。这个被称为超规模科学计算能力（USSCC）的计算机网络将带来“巨大的经济和科学利益，”奥尔巴赫说。除了为聚变能源研究提供更多动力之外，所谓的超规模计算将成为能源部通过先进计算进行科学发现计划（SciDAC）的主力军。

复杂模拟。

SciDAC于2001年启动，旨在探索科学的新前沿。现在它针对50多个项目，涉及能源部国家实验室和数十所大学的团队。橡树岭国家实验室将提供超规模计算能力的前瞻性体验。来自Cray（CRAY）的超级计算机将在2007年前为橡树岭提供处理350万亿次计算的能力。这是每秒350万亿次计算，令人惊叹。“这将是一个巨大的增长，”奥尔巴赫说——几乎是去年所有国家实验室非国防能力的五倍。

然而，更强大的计算系统将是至关重要的。这是因为未来科学和工程的大部分发现可能源于数字模型。奥尔巴赫解释说，复杂的模拟正迅速变得比传统的实验与理论之间的相互作用更有成效。为了高效开辟新领域，科学家们渴望能够处理50万亿次计算及以上的计算机——这比美国顶级超级计算机的能力还要多一倍。

然而，仅仅更快的计算机是不够的。为了在药物、化学和生物技术方面取得突破，科学家们需要更多关于分子世界的信息，才能开发出准确的模拟。

万亿分之一秒。

这就是线性相干光源的作用所在。它将被建造在斯坦福线性加速器中心的三公里长的对撞机隧道中。预计将在2007年底开始有限运行，线性相干光源将成为世界上最强大的X射线机器。

这个3.15亿美元的系统也将是有史以来最快的闪光灯，产生的激光脉冲X射线仅以飞秒为单位进行测量——万亿分之一秒。这些超短脉冲预计将产生前所未见的动态停止图像。转化为慢动作电影，线性相干光源的图像将使研究人员能够研究蛋白质如何展开的秘密，精确观察化学反应的细节，并检查材料在应力下的纳米结构和性能。

稍早一些的是位于橡树岭的14亿美元中子源。中子源预计将在2006年启动。它将成为世界上最强烈的中子束源。由于中子带有中性电荷，它们可以深入固体和分子结构内部——提供的见解可以帮助制药研究人员、高分子化学家和材料科学家设计更好的药物、塑料和金属。

如果你想知道什么是溅射，可以想象用钝锤子敲击。中子源中，质子将敲击汞原子并击出中子。然后收集这些中子，形成束流，并以10毫秒的脉冲释放出来。

惊喜是必然的。

能源的20年路线图是基于研究人员在科学和技术方面能够设想的进展而构建的。但如果过去可以作为任何指导，亚伯拉罕说，计划的最终价值可能会是那些出现的惊喜，这些惊喜将科学家引向意想不到的道路。为研究人员提供新颖的工具，谁也无法预料他们会发现什么。

“但将会有一个重大发现，”亚伯拉罕预测道。这就是科学的真正奇迹。

作者：奥蒂斯·波特