世界著名的物理實(shí)驗(yàn)室（一）

徐漢屏

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué).在物理學(xué)的發(fā)展過程中，實(shí)驗(yàn)起到了非常重要的作用，物理實(shí)驗(yàn)室是物理科學(xué)的搖籃，是研究物理科學(xué)的基地，對物理學(xué)科發(fā)展起著十分重要的作用.為此，本系列稿將向你擇要介紹一些世界著名的物理實(shí)驗(yàn)室，讓你了解這些實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程、主要成果以及所培養(yǎng)的科學(xué)精英.

·勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱LBNL）位于美國加利福尼亞州的伯克利，毗連舊金山灣，與美國著名學(xué)府加利福尼亞大學(xué)伯克利分校緊鄰，占地81公頃.實(shí)驗(yàn)室由加利福尼亞大學(xué)進(jìn)行具體管理，是美國的一個大型多學(xué)科研究中心，附屬于美國能源部，它是美國乃至世界核物理學(xué)的圣地，是電子直線加速器的發(fā)源地，美國一系列著名實(shí)驗(yàn)室——利弗莫爾、洛斯阿拉莫斯、布魯克海文等實(shí)驗(yàn)室的先驅(qū)，也是世界上成百所加速器實(shí)驗(yàn)室的榜樣.

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室以它的奠基人物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·勞倫斯的姓和該室的所在地命名.勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的前身是“加州大學(xué)放射實(shí)驗(yàn)室”，由勞倫斯于1931年創(chuàng)建.當(dāng)時正值經(jīng)濟(jì)蕭條時期，勞倫斯以其特有的組織才能，充分發(fā)掘美國的人力、物力和財力，建起了第一批電子直線加速器，在他的領(lǐng)導(dǎo)組織下，實(shí)驗(yàn)室成員開展了廣泛的科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)了一系列超重元素，開辟了放射性同位素、重離子科學(xué)等研究方向.

勞倫斯參與曼哈頓計(jì)劃，主管用電磁法分離制造原子彈用的鈾-235 工作.此外還發(fā)明了彩色顯像管并獲專利.化學(xué)元素周期表中第103號元素鐒以及加利福尼亞州伯克利和利弗莫爾的兩所勞倫斯實(shí)驗(yàn)室都是為紀(jì)念勞倫斯而命名的.

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的價值觀是：總體承諾創(chuàng)造科學(xué)、高度誠實(shí)和無可挑剔的倫理、為安全不讓步、人和思想的多樣性、緊迫感.

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室下設(shè)18個研究所和研究中心，研究的領(lǐng)域無比寬泛，涵蓋了高能物理、地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科，現(xiàn)在的主要研究領(lǐng)域是核物理、高能物理、核化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)、分子科學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究等.近年來在環(huán)境問題的分析和新能源技術(shù)，特別是地?zé)崮茉础⒌V物燃料、太陽能及核聚變的發(fā)展方面也進(jìn)行了大量的研究.

80多年來，該實(shí)驗(yàn)室一直在許多學(xué)科的科學(xué)研究上處于領(lǐng)先地位，在國際上贏得了很高的聲譽(yù).據(jù)實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)發(fā)布，截至2015年，實(shí)驗(yàn)室共獲得了35項(xiàng)重大科研成果.例如，镎、钚、鋯、锎、锿、鍆、锘和鐒都是在該室發(fā)現(xiàn)的.對于镅和鐨的發(fā)現(xiàn)，該室也起了重要作用.實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、頂夸克和暗物質(zhì)，發(fā)明了Anger照相機(jī)、化學(xué)激光器、時間投影室、智能窗、固態(tài)熒光燈鎮(zhèn)流器、固體聚合物電池、硫燈、伯克利燈等，實(shí)驗(yàn)室的許多重要設(shè)備，包括世界上第一臺回旋加速器和后來的超重離子直線加速器和高能重離子加速器，都是本室自己設(shè)計(jì)和建造的.

截至2015年，與實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的8位物理學(xué)家、4位化學(xué)家及聯(lián)合國政府間氣候變化專家小組（ IPCC）獲得諾貝爾獎.

8位諾貝爾物理學(xué)獎得主分別是：勞倫斯（因發(fā)明了回旋加速器獲得1939年諾貝爾物理獎）、塞格雷和張伯倫（因發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子獲得1959年諾貝爾物理獎）、格拉塞（因發(fā)明了氣泡室獲得1960年諾貝爾物理獎）、阿爾瓦雷斯（因發(fā)現(xiàn)了基本粒子中的共振態(tài)獲得1968年諾貝爾物理獎）、斯穆特（因發(fā)現(xiàn)黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射擾動現(xiàn)象獲得2006年諾貝爾物理獎）、朱棣文（因發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法獲得1997年諾貝爾物理學(xué)獎）、珀?duì)栺R特（因發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹獲得2011年諾貝爾物理學(xué)獎）.

4位諾貝爾化學(xué)獎得主分別是：西博格和麥克米倫（因發(fā)現(xiàn)了超鈾元素獲得1951年諾貝爾化學(xué)獎）、卡爾文（因確定了碳的光合作用路徑獲得1961年諾貝爾化學(xué)獎）、李遠(yuǎn)哲（因交叉分子束的研究成果獲得1986年諾貝爾化學(xué)獎）.

聯(lián)合國政府間氣候變化專家小組（ IPCC）獲得2007年諾貝爾和平獎.

另外，實(shí)驗(yàn)室有70位科學(xué)家是美國國家科學(xué)院的院士、13位科學(xué)家獲得了科研領(lǐng)域國家最高終身成就獎——美國國家科學(xué)獎?wù)隆?8位工程師當(dāng)選為美國國家工程院院士、3位科學(xué)家被選人醫(yī)學(xué)研究所等等.

特別值得提出的是，實(shí)驗(yàn)室2004～2008年間的主任是原美國能源部部長朱棣文，他也是極少數(shù)擔(dān)任美國國家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)的華人之一.

·洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱LANL）又稱為阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以前因?yàn)楸Ｃ茉驅(qū)ν夥Q其為Y地點(diǎn)，隸屬于美國能源部.實(shí)驗(yàn)室位于美國新墨西哥州首府圣塔菲西北56公里處.

實(shí)驗(yàn)室成立于二戰(zhàn)期間的1943年，由羅斯?？偨y(tǒng)倡導(dǎo)建立，是曼哈頓工程的一部分.物理學(xué)家奧本海默是實(shí)驗(yàn)室的第一任主任.實(shí)驗(yàn)室云集了大批世界頂尖科學(xué)家，以研制降生世界上第一顆原子彈和第一顆氫彈而馳名于世，是著名的科學(xué)城和高科技輻射源.洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的建立是美國歷史上的一個重要的里程碑.同時它開啟了人類戰(zhàn)爭史的又一個里程碑——人類進(jìn)入了核武器威懾時代，

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室是世界上最大的多功能實(shí)驗(yàn)室之一，其研究工作分為武器研究與非兵器研究兩大類：武器研究，包括開發(fā)滿足軍事需要的核彈頭、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃，以及通過相干科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐研究，保持一項(xiàng)創(chuàng)新性武器研究籌劃；非兵器研究，包括核裂變、核聚變、中等物理加速、超導(dǎo)、計(jì)算科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、地球科學(xué)、非核能及基礎(chǔ)能源科學(xué)等.

洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室總共研制了3枚原子彈，第一枚為實(shí)驗(yàn)彈，于1945年7月16日在新墨西哥州的阿拉莫戈多附近第一次成功地舉行了核試驗(yàn)，代號“TRINITY”.另外兩枚的名字分別為“小男孩”和“胖子”，一枚投到了廣島，另一枚投到了長崎.

冷戰(zhàn)結(jié)束后，國際政治格局的變化使得美國的核武器發(fā)展計(jì)劃不再是首要的任務(wù).現(xiàn)在，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬核試驗(yàn)和對國家核武庫的管理.通過利用實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可以對核爆進(jìn)行完全的模擬，而不需要真正地引爆核彈.洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室還同佛羅里達(dá)大學(xué)的兩個分校合作，共同管理著美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室.它還作為聯(lián)合基因?qū)W會的合作伙伴，投入到基因重組、DNA排序、基因科技的發(fā)展和信息科學(xué)等科研項(xiàng)目之中.2015年11月，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室宣布，聯(lián)手美國聯(lián)邦政府能源部下屬另外兩家國家實(shí)驗(yàn)室，即勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室，組成“極端規(guī)模（計(jì)算）性能（研究）聯(lián)盟（ APEX）”，從事“未來先進(jìn)技術(shù)高性能計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、購置和開發(fā)”.

·布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（簡稱BNL），位于紐約長島薩福爾克縣中部，原址為第一、二次世界大戰(zhàn)時的美國陸軍厄普頓兵營.該實(shí)驗(yàn)室成立于1948年，現(xiàn)隸屬于美國能源部，由石溪大學(xué)和巴特爾研究所成立的布魯克海文科學(xué)學(xué)會負(fù)責(zé)管理.

美國能源部在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室建立之始就將其定位為一個大型綜合性研究機(jī)構(gòu)，對該實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的四項(xiàng)基本任務(wù)是：構(gòu)想、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行復(fù)雜、先進(jìn)的用戶裝置；在科學(xué)前沿開展長期、高風(fēng)險的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究；發(fā)展國家需要的先進(jìn)技術(shù)，并將其轉(zhuǎn)移給其他機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)部門，以及培養(yǎng)新一代科學(xué)家和工程師；提高公眾的科學(xué)精神.

布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室擁有強(qiáng)大的大科學(xué)裝置群，先后投入運(yùn)行的一大批大型儀器和裝備包括：石墨研究反應(yīng)堆、高通量束流反應(yīng)堆、醫(yī)學(xué)研究反應(yīng)堆、質(zhì)子同步加速器、交變梯度同步加速器、超導(dǎo)加速器、相對論重離子對撞機(jī)、同步輻射光源和深紫外自由電子激光，還有強(qiáng)場核磁共振儀、投射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、正電子斷層成像儀、盤旋加速器等.

大科學(xué)裝置群的強(qiáng)盛支持和多學(xué)科的穿插環(huán)境，使布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室除首創(chuàng)了核技術(shù)、高能物理、納米技術(shù)等多個領(lǐng)域的研究外，還在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)和技術(shù)等多學(xué)科開展研究，在發(fā)展新型、邊沿科學(xué)和沖破重大新技術(shù)方面存在壯大的能力，獲得多項(xiàng)令世界注視的重大成果，取得了輝煌的科學(xué)成就.

例如，在高能物理方面，實(shí)驗(yàn)室獲得的重大成就有中微子的發(fā)現(xiàn)、J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)、CP破壞、宇稱破缺和太陽中微子研究中的先驅(qū)性工作，以及對于現(xiàn)代粒子加速器利用有決定意義的強(qiáng)聚焦原理的發(fā)現(xiàn)等.

又如，在生命科學(xué)方面，實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的研究具有很長和光榮的歷史，為改變DNA和蛋白質(zhì)的細(xì)胞機(jī)制、開發(fā)研究人類疾病的成像技術(shù)等基礎(chǔ)研究，以及基于從這些研究得到的知識的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面做出了貢獻(xiàn).

在醫(yī)學(xué)方面，實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了L-多巴和鉈- 201、锝-99 m放射性同位素的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，發(fā)展了X射線心血管造影術(shù)，在帕金森病、心臟掃描、鹽與高血壓、心臟健康檢查、緩解癌癥疼痛、測量腦功能及毒品上癮腦機(jī)制等研究中有重大突破，該實(shí)驗(yàn)室是采用正電子斷層照相和其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，研究毒品上癮腦機(jī)制的第一個研究機(jī)構(gòu).

再如，在生物學(xué)方面，實(shí)驗(yàn)室在細(xì)胞變種、解密DNA結(jié)構(gòu)、紫外光與癌、病毒機(jī)理等研究中有重大突破.該實(shí)驗(yàn)室利用X射線和中子開展的生物樣品研究，是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的開創(chuàng)性工作.

另外，實(shí)驗(yàn)室還在發(fā)展磁懸浮列車技術(shù)，在納米科學(xué)以原子和分子為單位設(shè)計(jì)和組裝新材料等等方面進(jìn)行了富有成果的研究.

布魯克海文實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)有12位科學(xué)家先后獲得過諾貝爾獎，他們是：李政道和楊振寧（因發(fā)現(xiàn)弱相互作用下宇稱不守衡，獲1957年諾貝爾物理獎）、丁肇中（因發(fā)現(xiàn)新的J/ψ基本粒子，獲1976年諾貝爾物理獎）、克羅寧和菲奇（因發(fā)現(xiàn)電荷共軛宇稱不守恒，獲1980年諾貝爾物理獎）、萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格（因發(fā)現(xiàn)中微子，獲1988年諾貝爾物理獎）、戴維斯（因探測到宇宙中微子，獲2002年諾貝爾物理獎）、麥金農(nóng)（因闡明了離子通道的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，獲2003年諾貝爾化學(xué)獎）、拉瑪克里斯南和施泰茨（因在核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究的巨大貢獻(xiàn)，獲得2009年諾貝爾化學(xué)獎）.