世界著名的物理實(shí)驗(yàn)室（三）

徐漢屏

·費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室

費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱FNAL）位于美國伊利諾伊州巴達(dá)維亞附近的草原上，占地面積27.5平方公里。園區(qū)內(nèi)主要建筑有16層的威爾遜大樓、利德曼科學(xué)教育中心費(fèi)曼計(jì)算中心技術(shù)分部培訓(xùn)中心、各分支實(shí)驗(yàn)室，以及整體結(jié)構(gòu)位于地下的“費(fèi)米加速器鏈”，包括質(zhì)子反質(zhì)子對撞機(jī)、數(shù)個(gè)小型回旋加速器和直線加速器，包括加速器附屬的控制室、機(jī)房、探測器大廳、靶廳、動(dòng)力廈和維修廠房等。

該實(shí)驗(yàn)室建立于1967年，原名為國家加速器實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室的第一任主管威爾遜為該實(shí)驗(yàn)室制定的格言是：“杰出的科學(xué)，藝術(shù)的瑰麗，土地的守護(hù)神，經(jīng)費(fèi)上精打細(xì)算和機(jī)會(huì)均等?！?/p>

為紀(jì)念著名的理論物理學(xué)家費(fèi)米，該實(shí)驗(yàn)室于1974年5月改名為費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室。費(fèi)米（1901～1954）是原子時(shí)代卓越的物理學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)由中子照射產(chǎn)生的新放射性元素并用慢中子實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)，獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運(yùn)轉(zhuǎn)的，提高人類對物質(zhì)和能量的基本屬性的理解。

費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室是美國最重要的物理學(xué)研究中心之一，是美國最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心。

高能物理研究的主要工具是加速器，特別是對撞機(jī)，讓反向旋轉(zhuǎn)的粒子束流在對撞機(jī)中對撞。

在美國，最高能量的對撞機(jī)就是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏加速器，在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)建成之前，它是世界上最大的加速器，是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的驕傲和希望。它曾捕獲了許多新奇亞原子粒子，其中包括第六種夸克——頂夸克的發(fā)現(xiàn)（頂夸克屬于上夸克的近親，但其質(zhì)量要略重）。它能將質(zhì)子和反質(zhì)子束流沿著4英里的周長加速到光速的99.999 999 54%。這兩個(gè)束流在位于束流管道不同位置的兩個(gè)5 000噸的探測器中心對撞，以研究宇宙早期的情形，探查物質(zhì)在最小尺度的結(jié)構(gòu)，探索物質(zhì)、空間和時(shí)間的奧秘；束流還引入到固定靶產(chǎn)生中微子束流用來開展研究。

目前，實(shí)驗(yàn)室正在分兩個(gè)階段進(jìn)行超大型強(qiáng)子對撞機(jī)的設(shè)計(jì)研究。第一個(gè)階段，利用放在大周長隧道中的堅(jiān)固超鐵氧體磁鐵，該對撞機(jī)的對撞能量達(dá)到40 TeV，亮度與西歐中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)的亮度一樣。第一階段的潛在科學(xué)目標(biāo)完全實(shí)現(xiàn)后開始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場磁鐵，對撞能量至少達(dá)到175 TeV。

費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的研究集中在當(dāng)代粒子物理以下幾個(gè)主要問題上：為什么粒子具有質(zhì)量；中微子質(zhì)量是否來自不同的源；夸克與輕子的真正本質(zhì)是什么；為何有三代基本粒子；真正意義上的基本的力是什么；如何將粒子物理和量子引力融合在一起；物質(zhì)與反物質(zhì)有何區(qū)別；把宇宙組合在一起的暗物質(zhì)是什么；什么是促使宇宙膨脹的暗能量；在已知道的維數(shù)之外，是否還有隱藏的維數(shù)；地球是多維廣義宇宙的一部分嗎；宇宙是由什么組成的及宇宙是如何運(yùn)作的。

值得一提的是，費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室精確測定了物質(zhì)與反物質(zhì)轉(zhuǎn)換速率。設(shè)在該實(shí)驗(yàn)室的國際對撞機(jī)探測器合作組織對物質(zhì)與反物質(zhì)之間的超快轉(zhuǎn)換進(jìn)行了最精確的測量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某些B介子可以自發(fā)地轉(zhuǎn)變成為反B介子然后再變回B介子，轉(zhuǎn)變速度為三萬億次每秒。這一結(jié)果與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型相吻合，并再次證明電荷宇稱破缺的存在，而電荷宇稱破缺被認(rèn)為是宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)多的原因。

未來幾年在粒子物理上的發(fā)現(xiàn)將改變粒子物理的研究方向，而這些發(fā)現(xiàn)的最佳機(jī)遇則可能存在于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室所開展的實(shí)驗(yàn)中。

·盧瑟福·阿普爾頓國家實(shí)驗(yàn)室

盧瑟?！ぐ⑵諣栴D國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱RAL）位于英國的牛津郡，靠近迪德考特，是一個(gè)多學(xué)科、綜合性的世界著名的大型實(shí)驗(yàn)室。

該實(shí)驗(yàn)室的歷史可追溯到1921年。1921年，英國在斯勞建立了無線電研究站，后來改稱阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室。1957年，盧瑟福高能實(shí)驗(yàn)室作為國家核科學(xué)研究所的設(shè)施在牛津郡切里頓建成。1964年，在盧瑟福高能實(shí)驗(yàn)室所在地切里頓成立了阿特拉斯計(jì)算實(shí)驗(yàn)室。1965年英國成立了科學(xué)研究理事會(huì)，盧瑟福高能實(shí)驗(yàn)室和阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室（以及皇家格林威治和愛丁堡觀測站）都是其成員。1975年，盧瑟福高能實(shí)驗(yàn)室與改名為阿特拉斯中心的阿特拉斯計(jì)算實(shí)驗(yàn)室合并。1979年，盧瑟福高能實(shí)驗(yàn)室與阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室合并，成為盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室。1994年，盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室又與1962年建在柴郡的達(dá)斯伯里實(shí)驗(yàn)室合并，由英國工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)照管。

盧瑟福·阿普爾頓國家實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施和研究工作主要有：中心激光裝置，運(yùn)行高功率玻璃和鈦寶石激光設(shè)施和幾個(gè)較小規(guī)?？烧{(diào)激光器，為英國和其他歐共體國家的研究人員提供大型激光系統(tǒng)；世界上亮度最高的散裂中子源，提供中子和繆子束流，支持世界上大約1600名科學(xué)家開展物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程和生物學(xué)的研究；第三代同步輻射光源，作為在原子和分子水平研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)如生物組織、聚合物和催化劑最先進(jìn)的科學(xué)裝置，支持研究人員設(shè)計(jì)藥物和高技術(shù)材料、研究環(huán)境問題等工作；空間科學(xué)與技術(shù)，設(shè)有運(yùn)行衛(wèi)星控制中心，提供模擬宇宙條件的測試設(shè)備；中心微型結(jié)構(gòu)裝置，以電子束光刻為基礎(chǔ)，為大學(xué)和工業(yè)界提供最先進(jìn)的微加工服務(wù)和研發(fā)設(shè)備，利用先進(jìn)的技術(shù)研制和加工樣機(jī)；能源研究機(jī)構(gòu)，研究題目包括空氣動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)電電子學(xué)、飛輪和電池能量儲(chǔ)存、控制系統(tǒng)、材料測試、預(yù)報(bào)、風(fēng)流速模擬等；無線電通信研究機(jī)構(gòu)，從事無線電波傳播、無線電通信和天文學(xué)方面廣泛題目的研究；分子光譜裝置，用于紅外線、可見光和紫外線光譜研究，為科研人員提供世界水平的科學(xué)設(shè)備和支持。

該實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有雇員1 200人，支持來自大學(xué)、研究界10 000名科學(xué)家和工程師們的工作。其主要設(shè)施用來從事新材料和結(jié)構(gòu)的研究，如從電池電解質(zhì)到渦輪葉片、x射線激光器、基于空間的天體物理以及粒子物理和許多其他課題。

現(xiàn)在，盧瑟福·阿普爾頓國家實(shí)驗(yàn)室已成為核物理、同步輻射光源、散裂中子源、空間科學(xué)、粒子天體物理、信息技術(shù)、大功率激光、多學(xué)科應(yīng)用研究的中心，成為英國研究委員會(huì)中心實(shí)驗(yàn)室理事會(huì)的成員之一。它的發(fā)展歷程有力地說明了大型科學(xué)研究中心的形成是科學(xué)發(fā)展的必然。

·卡文迪許實(shí)驗(yàn)室

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室即是劍橋大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室。劍橋大學(xué)建于1209年，歷史悠久，與牛津大學(xué)同為英國的最高學(xué)府?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室建于1871-1874年間，由劍橋大學(xué)時(shí)任校長威廉·卡文迪許私人捐款興建。

該實(shí)驗(yàn)室是為紀(jì)念偉大的物理學(xué)家、化學(xué)家、劍橋大學(xué)校友亨利·卡文迪許（威廉·卡文迪許的近親）而命名的。1789年，亨利·卡文迪許利用扭秤，成功地測出了引力常量的數(shù)值，證明了萬有引力定律的正確。卡文迪許解決問題的思路是，將不易觀察的微小變化量，轉(zhuǎn)化為容易觀察的顯著變化量，再根據(jù)顯著變化量與微小量的關(guān)系算出微小的變化量。該實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。這樣，對于天體以及地球質(zhì)量的估計(jì)才成為可能。

英國是19世紀(jì)最發(fā)達(dá)的資本主義國家之一。把物理實(shí)驗(yàn)室從科學(xué)家私人住宅中擴(kuò)展為研究單位，適應(yīng)了19世紀(jì)后半葉工業(yè)技術(shù)對科學(xué)發(fā)展的要求，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的開展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)研究工作的規(guī)模越來越大，社會(huì)化和專業(yè)化是必然趨勢。劍橋大學(xué)校長的這一做法是有遠(yuǎn)見的。

二十世紀(jì)70年代以后，古老的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)大大擴(kuò)建，研究領(lǐng)域包括天體物理學(xué)、粒子物理學(xué)、固體物理學(xué)、生物物理學(xué)等?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室是近代科學(xué)史上第一個(gè)社會(huì)化和專業(yè)化的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，催生了大量足以影響人類進(jìn)步的重要科學(xué)成果，包括發(fā)現(xiàn)電子、中子、發(fā)現(xiàn)原子核的結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)等，為人類的科學(xué)發(fā)展做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)，至今仍不失為世界著名的實(shí)驗(yàn)室之一。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的有關(guān)人員做出了許多對現(xiàn)代科學(xué)有重要意義的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，其中影響全局的有1911年盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子的核結(jié)構(gòu)、1919年發(fā)現(xiàn)人工元素蛻變、1924年證實(shí)核勢壘，1913年布拉格父子發(fā)現(xiàn)x射線晶體衍射公式和測定晶體點(diǎn)陣常數(shù)，1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中于，1933年布萊克特驗(yàn)證正電子，1933年奧利芬特驗(yàn)證質(zhì)能等價(jià)定律，1953年克里克和沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，1967年賴爾發(fā)現(xiàn)射電天體和休伊什發(fā)現(xiàn)脈沖星。在凝聚態(tài)物理學(xué)上，1959年皮帕德提出超導(dǎo)費(fèi)米面，20世紀(jì)60年代英特提出非晶態(tài)半導(dǎo)體理論，1962年約瑟夫森提出超導(dǎo)體隧道效應(yīng)理論等。這些重大發(fā)現(xiàn)不但沖破了經(jīng)典原子論框架，改變了人類兩千多年的物質(zhì)觀，而且將觀念的變革擴(kuò)大到生命物質(zhì)的遺傳機(jī)理，奠定了電磁理論、氣體導(dǎo)電理論、物質(zhì)電結(jié)構(gòu)理論、x射線晶體物理學(xué)，原子物理學(xué)、核物理學(xué)、分子生物學(xué)、射電天文學(xué)、表面物理學(xué)和凝聚志物理學(xué)的基礎(chǔ)，因此大多具有劃時(shí)代意義。這些成就顯示了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)代科學(xué)革命和發(fā)展中起到了何等重要的關(guān)鍵性作用。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室作為劍橋大學(xué)物理科學(xué)院的一個(gè)系，從1904年至1989年的85年間一共產(chǎn)生了29位諾貝爾獎(jiǎng)得主，占劍橋大學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主總數(shù)的三分之一，其科研效率之驚人，成果之豐碩，舉世無雙。在這29位諾貝爾獎(jiǎng)得主中，有20位物理學(xué)家、6位化學(xué)家和3位生理學(xué)或醫(yī)學(xué)家。

一百多年來，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室吸引了世界各國大量優(yōu)秀青年物理學(xué)家，造就了許多科學(xué)精英，成了世界物理學(xué)家心目中的圣地。