世界著名的物理實驗室（五）

徐漢屏

柏林大學物理實驗室

柏林大學物理實驗室是由馬格努斯創建的.該實驗室所屬的柏林大學是德國首都柏林最古老的大學，于1809年由普魯士王國內務部文教總管洪堡負責籌建，1810年10月正式開學，是第一所新制的大學，設哲學、法學、醫學和神學4科，第一任校長為哲學家費希特.

馬格努斯原來是化學家，1845年成為柏林大學物理和技術教授.開始他是在自己的住宅里分出幾間房屋當作實驗室，讓最優秀的學生參加研究工作，其中有來自歐美各國的年輕學者.

據一位曾在那里工作過的美國學者里茲回憶，當他在那里學習時，同時還有三個別的學生在那里工作，一個研究聲學，一個研究偏振光，還有一個檢測剛剛發現的化合物晶體.

由于規模逐漸擴大，柏林大學給予了實驗室適當的財政資助.于是，這所私人實驗室轉變成了大學機構的一部分，1863年正式成為柏林大學物理實驗室，是當時世界上屈指可數的正規物理實驗室之一.柏林大學也因此成為歐洲物理學研究中心之一.

馬格努斯創造了學術討論會的形式，讓學生輪流報告自己新近的科學進展，也常邀請訪問學者做報告，研究生院的體制由此逐漸形成.

值得一提的是，一批著名科學家曾在柏林大學執教或求學，并創立了新的理論和學科.這中間包括愛因斯坦、普朗克、玻恩、赫姆霍茲、赫茲、丁達爾等.

著名的德國猶太裔理論物理學家愛因斯坦，提出相對論、質能方程，推動量子力學的發展，因為“對理論物理的貢獻，特別是發現了光電效應”而獲得1921年諾貝爾物理學獎.

德國物理學家普朗克，量子力學的創始人，二十世紀最重要的物理學家之一，因發現能量量子而對物理學的進展做出了重要貢獻，并在1918年獲得諾貝爾物理學獎.

德國猶太裔理論物理學家玻恩，量子力學奠基人之一，因對量子力學的基礎性研究尤其是對波函數的統計學詮釋，獲得1954年的諾貝爾物理學獎.

德國物理學家、生理學家、生物物理學家赫姆霍茲，1871年繼任物理實驗室教授，著名的聲學和生理學教授.他從永動機不可能實現的這個事實人手，研究發現能量守恒與轉化原理，對能量守恒與轉化定律的形成做出了不可磨滅的貢獻.

德國物理學家赫茲，在其老師赫姆霍茲的引導下，于1888年做了著名的電磁波實驗，證實了電磁波的存在.他用一根兩端帶有銅球的銅絲彎成環狀，當作檢波器，放到離電磁波發生器10米遠的地方.當電磁波發生器通電后，檢波器銅絲圈兩端的銅球上產生了電火花.

英國物理學家丁達爾，首先發現和研究了膠體中的丁達爾效應，當一束光線通過溶膠，若從入射光的側面觀看，則在光線通過溶膠的部位可看到一個光柱，這是區別溶膠和真溶液最簡便的方法.

柏林大學物理實驗室是十九世紀歐洲最早的規模較大的物理實驗室.二戰后，柏林大學分為兩所——柏林洪堡大學和柏林自由大學.學校貫徹教學與科研相結合的方針，采取講課、討論與研究相結合的教學形式，物理實驗室仍發揮著其不可低估的作用.2012年6月學校入選為11所德國“精英大學”之一，其擁有的輝煌歷史，對于歐洲乃至于全世界的影響都相當深遠.

康乃爾大學基本粒子物理實驗室

美國紐約州康乃爾大學基本粒子物理實驗室（簡稱LEPP）位于紐約州中部芬格湖畔風景優美的伊薩卡市.該實驗室主要從事實驗物理和理論物理以及加速器物理的研究，擁有F.R.紐曼以及R.R.威爾遜兩個實驗室.

1934年，康乃爾大學利用回旋加速器開始從事實驗粒子物理研究.帶電粒子從機器中心進行離心旋轉，它由利文斯頓建在洛克菲勒大堂內.康乃爾回旋加速器能將質子加速到0.5 MeV.

二次大戰后不久，康乃爾大學的核研究實驗室和紐曼實驗室相繼成立.在威爾遜教授的領導下，實驗室的師生員工在地下室建造了第一臺康乃爾電子同步加速器，將電子加速到300MeV，為康乃爾第一臺粒子加速器的600倍.1949年，康乃爾核研究實驗室在世界上第一個成功地將束流儲存在同步加速器里.

1952年，康乃爾大學的第八任校長地塞米松利用300MeV同步加速器對同步加速器功率首次進行精確測量.1953年，哈特曼利用300MeV同步加速器首次對同步加速器光譜進行精確測量.1954年，康乃爾建造了世界上第一臺強聚焦的1GeV電子同步加速器，并在康乃爾300MeV同步加速器上建造了第一條專用同步輻射光束線.到五十年代中期，在第一臺康乃爾同步加速器上進行的粒子物理實驗提出了一些只有用更高能量的電子束流才能解決的重要問題，幸運的是，由于新技術的發明，比較經濟地解決了這一問題.第二臺電子同步加速器的峰值能量為1200 MeV，軌道半徑3.8 m.

20世紀60年代初，加速器被半徑7m、能量為2 200 MeV的同步加速器所取代.1961年，瓊斯利用1GeV同步加速器首次對輻射極化進行測量.1965年，Maury Tinger發表第一篇提出粒子加速器中能量回收的論文.1968年，康乃爾10 GeV電子同步加速器在CESR運動場地下建造.同步加速器體量的不斷增大，導致六十年代末建造了一座新的大樓一威爾遜實驗室和半英里長的地下網形隧道，以安放lGeV同步加速器.

1975年，實驗室將超導高頻技術首次用于高能圓形加速器，超導高頻腔插入10 GeV同步加速器中.1979年，康乃爾開始調試能量為10.6 GeV的正負電子對撞機一康乃爾電子儲存環CESR和CLEO高能物理探測器.1979年，在原同步加速器隧道內建造康乃爾高能同步加速器源CHESSX射線裝置，CESR和CLEO在9.4～10.4 GeV能量范圍內看到3個b-b夸克束縛態共振峰.到70年代末，從其他的實驗室大量了解到有關加速高能強粒子束流，并使它們在高能軌道中運行數小時的情況.這樣做的方法是建立正負電子儲存環，這是提高威爾遜實驗室研究能力最節省費用的方法.康乃爾儲存環（ CESR）沿10 GeV同步加速器建在同一隧道里，1979年開始為物理實驗運行.同時成立了CLEO合作組，初期由康乃爾大學、哈佛大學、羅徹斯特大學、羅格斯大學、雪城大學和范德比爾特大學的物理學家組成.1978年至1980年之間，康乃爾同步加速器光源CHESS研制成功.1982年，CESR最后運行單束團，使單正負電子束團對撞.

80年代，實驗室增建了同步輻射光源用戶設施.1983年，利陶爾教授提出麻花狀軌道，增加CESR中的束團數量，來提高亮度的想法.CESR安裝了高流強注入器，使得大量聚束的粒子運行，到1983年秋，CESR中有3個正負電子束團運行.1984年夏，CESR開始7束團/束流的運行，同年，CESR進行改進，插入了2塊四極磁鐵.通過使這2塊磁鐵彼此之間相距2m，亮度增加了4倍.還是在這一年，普渡大學的羅斯曼博士利用CHESS研究感冒病毒.1988年，CESR在b-b共振區處于世界領先，正負電子對撞機的亮度創了紀錄.CLEO升級為CLEOⅡ，包括桶和端蓋量能器中30t摻雜鉈的碘化銫.CHESS也進行了擴展，CHESS東安裝了1塊新的永久扭擺磁鐵.同年，拉格斐教授接任核研究實驗室所長.卡內基一梅隆大學、佛羅里達大學、堪薩斯大學、俄克拉荷馬大學、普渡大學和紐約州立大學奧爾巴尼分校的物理學家加入了CLEO的研究.核研究實驗室雇傭員工達180人.

90年代，核研究實驗室的運行做得更大更好.1994年CESR進行改進，包括部分安裝了新的經典分離器和一個新的數字束流反饋系統.1994年夏開始9個束團的運行.翌年，因為CLEO安裝新的硅頂點探測器和改進環本身基本原理的束流一電流/熱一能力CHESS的能力，威爾遜實驗室的實驗計劃暫停.

進入21世紀以后，核研究實驗室有了進一步的發展.2000年，威爾遜實驗室安裝了CLEOⅢ、CHESS東和CHF，SS西，與許多大學的合作繼續進行.由于SLAC和KEK“B T廠”的加速器亮度已經超過了CESR，CESR決定改變物理方向，將加速器運行在3～5GeV的J/ψ能區，CESR將新的研究計劃命名為CESR -c.2003年，CESR安裝6塊超導扭擺磁鐵后，使其能量降到3.76 GeV，從而成為世界上第一個由扭擺磁鐵主導的儲存環.2004年3～5月安裝了另外6塊.2003年麥金農被授予第一個利用CESR所做T作的諾貝爾獎.

現在，康乃爾大學基本粒子物理實驗室已成為世界上著名的加速器物理研究中心之一.

加州理工學院噴氣推進實驗室

加州理工學院噴氣推進實驗室（簡稱JPL）坐落在帕薩迪納和拉肯亞達市之間，靠近加利福尼亞州的洛杉磯，總占地面積約為0.72 km²，是美國國家航空航天局的一個下屬機構，致力于以無人飛行器探索太陽系，行政上屬于加州理工學院管理.實驗室負責為美國國家航空航天局開發和治理無人空間探測任務.

噴氣推進實驗室的歷史可追溯到1936年.由當年加州理工學院的教授卡門創建，他當時進行的是火箭推進器實驗，而一些人則稱此實驗室為噴氣推進實驗室，但他從來沒有進行過對渦輪增壓推進器或者其他類型的噴氣發動機的研究工作.

第二次世界大戰期間，美國空軍委托噴氣推進實驗室對由納粹德國研制的V2火箭及其他的軍事項目進行戰果評估.基于此研究成果，噴氣推進實驗室首先研制了MGM5型導彈，此后又研制發展了MGM29A型短程地對地導彈，此項研究直到1958年才被停止.在該實驗室參加工作的還有火箭科學家錢學森和帕森斯.

到了1958年，噴氣推進實驗室的政府職權全部轉移到了新成立的國家航空航天局，實驗室的無人星際探索的任務就此開始.在職權轉移后，噴氣推進實驗室保留了其原來的名字.盡管大部分關于噴氣推進器的研究在1958年后就停止了，噴氣推進實驗室在1995年又加入到了設計推進器的項目之中，這一次是和韋克曼空間探測器與推進器公司合作，共同研制和發展火箭發動機和噴氣發動機.這種發動機可以通過直接燃燒火星大氣層中的二氧化碳以產生動力.

噴氣推進實驗室會集了太空研究范疇一流的科學家和工程師，共有大約5000名全職雇員，此外還有幾千個以其他合同形式雇用的員工，以及加州理工學院的一些在校生和實習生等，在國際科技界，噴氣推進實驗室如雷貫耳，它在美國導彈和航天發展史上起到了空前的作用，尤其是1958年“探險者1號”進入軌道，確定了其作為“太空開發計劃之母”的地位.其后，它又相繼參與了伽利略木星探測和“火星漫步”等科研任務，包括1997年的“火星探路者”任務、2003年的火星表面探測任務.實驗室已向太陽系中的每個行星都發射了無人探測器，還對地球進行了準確測量.它控制著全球的深空探測網絡，這些設施分別坐落在加利福尼亞的莫哈韋沙漠、西班牙的馬德里附近和澳大利亞的堪培拉附近.

多年來，由噴氣推進實驗室參與進行的重大科研任務有：探索者計劃（1958年，將美國首個人造衛星送人太空）、水手號計劃（20世紀60～70年代，發射一系列為探索火星、金星、水星等而設計的無人太空船）、先驅者計劃3和4（1958～1959年，月球飛越）、海盜者計劃（1975年，探索火星上有無生物）、旅行者計劃（1977年，探測太陽系外圍行星）、麥哲倫計劃（1995～ 2001年，研制口徑65米的光學望遠鏡）、伽利略計劃（2001年，一個歐洲的全球導航服務計劃，世界上第一個專門為民用目的設計的全球性衛星導航定位系統）、深空1和2（1998～1999年，驗證未來行星際探測所需的十幾項新技術，確定火星表面是否有水或冰存在）、火星全球探測者（1997～ 2001年，拍攝火星表面的高分辨率圖象，研究火星的地貌和重力場探測火星的天氣和氣候，分析火星表面和大氣的組成）、探測火星大氣的軌道衛星（2005～2009年，將一枚偵察衛星送往火星，以前所未有的分辨率對火星這顆紅色行星進行詳細考察，并且為往后的火星地表任務尋找適合的登陸地點，同時為這些任務提供高速的通訊傳遞功能）、卡西尼惠更斯衛星（1997～2005年，對土星進行空間探測）、星塵計劃（ 1999～2006年，探測維爾特二號彗星和它的彗發成分組成）、火星奧德賽計劃（2001年至今，尋找火星上水與火山活動的跡象）、火星探路者計劃（1996～1997年，繪制火星地形圖、分析火星大氣成分和記錄火星天氣變化的情況）、火星漫步者計劃（2003年，當“機械地質工作者”，尋找有關火星演化的蛛絲馬跡，尤其要追溯火星上水的歷史）、斯皮策深空望遠鏡（2003年至今，負責觀測厚厚的塵云、朦朧的銀河系核心以及宇宙內的其他隱秘區域）、火星探測軌道衛星（2005年至今，提供非常細微的火星地質結構，幫助辨別可能對登陸器、探測車造成危險的各種阻礙，對火星地表礦物、塵埃以及水被輸送到火星大氣中的過程等進行研究）和火星科學實驗室（2011年至今，又名“好奇號”火星車，采集火星土壤樣本和巖芯，然后對它們可能支持微生物存在的有機化合物和環境條件進行分析）等.

實驗室幾乎每年都會有一次開放參觀日，屆時會邀請公眾參觀實驗室的設備，并觀摩實驗室科學技術的現場展示.來自加利福尼亞州南部和其他地方的學生會來到實驗室參觀.另外，除了和政府之間的項目，噴氣推進實驗室還會協助在其附近的電影電視工業，對一些關于電影、電視中所涉及的科學準確性提供經常的建議.