世界著名的物理實驗室（一）

徐漢屏

物理學是一門以實驗為基礎的科學.在物理學的發展過程中，實驗起到了非常重要的作用，物理實驗室是物理科學的搖籃，是研究物理科學的基地，對物理學科發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驗室，讓你了解這些實驗室的發展歷程、主要成果以及所培養的科學精英.

·勞倫斯伯克利國家實驗室

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

勞倫斯伯克利國家實驗室以它的奠基人物理學家歐內斯特·勞倫斯的姓和該室的所在地命名.勞倫斯伯克利國家實驗室的前身是“加州大學放射實驗室”，由勞倫斯于1931年創建.當時正值經濟蕭條時期，勞倫斯以其特有的組織才能，充分發掘美國的人力、物力和財力，建起了第一批電子直線加速器，在他的領導組織下，實驗室成員開展了廣泛的科學研究，發現了一系列超重元素，開辟了放射性同位素、重離子科學等研究方向.

勞倫斯參與曼哈頓計劃，主管用電磁法分離制造原子彈用的鈾-235 工作.此外還發明了彩色顯像管并獲專利.化學元素周期表中第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驗室都是為紀念勞倫斯而命名的.

勞倫斯伯克利國家實驗室的價值觀是：總體承諾創造科學、高度誠實和無可挑剔的倫理、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驗室下設18個研究所和研究中心，研究的領域無比寬泛，涵蓋了高能物理、地球科學、環境科學、計算機科學、能源科學、材料科學等多個學科，現在的主要研究領域是核物理、高能物理、核化學、生物和醫學、分子科學和材料科學的基礎研究等.近年來在環境問題的分析和新能源技術，特別是地熱能源、礦物燃料、太陽能及核聚變的發展方面也進行了大量的研究.

80多年來，該實驗室一直在許多學科的科學研究上處于領先地位，在國際上贏得了很高的聲譽.據實驗室官網發布，截至2015年，實驗室共獲得了35項重大科研成果.例如，镎、钚、鋯、锎、锿、鍆、锘和鐒都是在該室發現的.對于镅和鐨的發現，該室也起了重要作用.實驗室還發現了反質子、反中子、頂夸克和暗物質，發明了Anger照相機、化學激光器、時間投影室、智能窗、固態熒光燈鎮流器、固體聚合物電池、硫燈、伯克利燈等，實驗室的許多重要設備，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，都是本室自己設計和建造的.

截至2015年，與實驗室相關的8位物理學家、4位化學家及聯合國政府間氣候變化專家小組（ IPCC）獲得諾貝爾獎.

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

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

聯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，實驗室有70位科學家是美國國家科學院的院士、13位科學家獲得了科研領域國家最高終身成就獎——美國國家科學獎章、18位工程師當選為美國國家工程院院士、3位科學家被選人醫學研究所等等.

特別值得提出的是，實驗室2004～2008年間的主任是原美國能源部部長朱棣文，他也是極少數擔任美國國家學術機構領導的華人之一.

·洛斯阿拉莫斯國家實驗室

洛斯阿拉莫斯國家實驗室（簡稱LANL）又稱為阿拉莫斯科學實驗室，以前因為保密原因對外稱其為Y地點，隸屬于美國能源部.實驗室位于美國新墨西哥州首府圣塔菲西北56公里處.

實驗室成立于二戰期間的1943年，由羅斯福總統倡導建立，是曼哈頓工程的一部分.物理學家奧本海默是實驗室的第一任主任.實驗室云集了大批世界頂尖科學家，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，是著名的科學城和高科技輻射源.洛斯阿拉莫斯實驗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爭史的又一個里程碑——人類進入了核武器威懾時代，

洛斯阿拉莫斯國家實驗室是世界上最大的多功能實驗室之一，其研究工作分為武器研究與非兵器研究兩大類：武器研究，包括開發滿足軍事需要的核彈頭、設計實驗先進技術計劃，以及通過相干科學技術領域的實驗與實踐研究，保持一項創新性武器研究籌劃；非兵器研究，包括核裂變、核聚變、中等物理加速、超導、計算科學、生物醫學、地球科學、非核能及基礎能源科學等.

洛斯阿拉莫斯國家實驗室總共研制了3枚原子彈，第一枚為實驗彈，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，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.

冷戰結束后，國際政治格局的變化使得美國的核武器發展計劃不再是首要的任務.現在，洛斯阿拉莫斯實驗室的任務是利用計算機進行模擬核試驗和對國家核武庫的管理.通過利用實驗設施，可以對核爆進行完全的模擬，而不需要真正地引爆核彈.洛斯阿拉莫斯實驗室還同佛羅里達大學的兩個分校合作，共同管理著美國國家強磁場實驗室.它還作為聯合基因學會的合作伙伴，投入到基因重組、DNA排序、基因科技的發展和信息科學等科研項目之中.2015年11月，洛斯阿拉莫斯國家實驗室宣布，聯手美國聯邦政府能源部下屬另外兩家國家實驗室，即勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和桑迪亞國家實驗室，組成“極端規模（計算）性能（研究）聯盟（ APEX）”，從事“未來先進技術高性能計算系統的設計、購置和開發”.

·布魯克海文國家實驗室

布魯克海文國家實驗室（簡稱BNL），位于紐約長島薩福爾克縣中部，原址為第一、二次世界大戰時的美國陸軍厄普頓兵營.該實驗室成立于1948年，現隸屬于美國能源部，由石溪大學和巴特爾研究所成立的布魯克海文科學學會負責管理.

美國能源部在布魯克海文國家實驗室建立之始就將其定位為一個大型綜合性研究機構，對該實驗室規定的四項基本任務是：構想、設計、建造和運行復雜、先進的用戶裝置；在科學前沿開展長期、高風險的基礎研究和應用研究；發展國家需要的先進技術，并將其轉移給其他機構和產業部門，以及培養新一代科學家和工程師；提高公眾的科學精神.

布魯克海文國家實驗室擁有強大的大科學裝置群，先后投入運行的一大批大型儀器和裝備包括：石墨研究反應堆、高通量束流反應堆、醫學研究反應堆、質子同步加速器、交變梯度同步加速器、超導加速器、相對論重離子對撞機、同步輻射光源和深紫外自由電子激光，還有強場核磁共振儀、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.

大科學裝置群的強盛支持和多學科的穿插環境，使布魯克海文國家實驗室除首創了核技術、高能物理、納米技術等多個領域的研究外，還在生物、化學、醫學、材料科學、環境科學、能源科學和技術等多學科開展研究，在發展新型、邊沿科學和沖破重大新技術方面存在壯大的能力，獲得多項令世界注視的重大成果，取得了輝煌的科學成就.

例如，在高能物理方面，實驗室獲得的重大成就有中微子的發現、J/ψ粒子的發現、CP破壞、宇稱破缺和太陽中微子研究中的先驅性工作，以及對于現代粒子加速器利用有決定意義的強聚焦原理的發現等.

又如，在生命科學方面，實驗室所進行的研究具有很長和光榮的歷史，為改變DNA和蛋白質的細胞機制、開發研究人類疾病的成像技術等基礎研究，以及基于從這些研究得到的知識的生物醫學應用方面做出了貢獻.

在醫學方面，實驗室發明了L-多巴和鉈- 201、锝-99 m放射性同位素的醫學應用，發展了X射線心血管造影術，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制等研究中有重大突破，該實驗室是采用正電子斷層照相和其他醫學成像技術，研究毒品上癮腦機制的第一個研究機構.

再如，在生物學方面，實驗室在細胞變種、解密DNA結構、紫外光與癌、病毒機理等研究中有重大突破.該實驗室利用X射線和中子開展的生物樣品研究，是結構生物學的開創性工作.

另外，實驗室還在發展磁懸浮列車技術，在納米科學以原子和分子為單位設計和組裝新材料等等方面進行了富有成果的研究.

布魯克海文實驗室曾經有12位科學家先后獲得過諾貝爾獎，他們是：李政道和楊振寧（因發現弱相互作用下宇稱不守衡，獲1957年諾貝爾物理獎）、丁肇中（因發現新的J/ψ基本粒子，獲1976年諾貝爾物理獎）、克羅寧和菲奇（因發現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（因發現中微子，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（因闡明了離子通道的結構和機理，獲2003年諾貝爾化學獎）、拉瑪克里斯南和施泰茨（因在核糖體結構和功能研究的巨大貢獻，獲得2009年諾貝爾化學獎）.