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(gè)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(shí)正值經(jīng)濟(jì)蕭條時(shí)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(cái)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(jià)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(gè)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(gè)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?、礦物燃料、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(shí)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(tái)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(jiǎng).

8位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)）、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(jiǎng)）、格拉塞（因發(fā)明了氣泡室獲得1960年諾貝爾物理獎(jiǎng)）、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(jiǎng)）、斯穆特（因發(fā)現(xiàn)黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射擾動(dòng)現(xiàn)象獲得2006年諾貝爾物理獎(jiǎng)）、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(jiǎng)）、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(jiǎng)）.

4位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)）、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(jiǎng)）、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(jiǎng)）.

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(jiǎng).

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(jiǎng)——美國國家科學(xué)獎(jiǎng)?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(gè)重要的里程碑.同時(shí)它開啟了人類戰(zhàn)爭史的又一個(gè)里程碑——人類進(jìn)入了核武器威懾時(shí)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(gè)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(huì)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(shí)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(huì)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(gè)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(xiǎn)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(gè)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(shí)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(gè)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(jiǎng)，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(jiǎng)）、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(jiǎng)）、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(jiǎng)）、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(jiǎng)）、戴維斯（因探測到宇宙中微子，獲2002年諾貝爾物理獎(jiǎng)）、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(jiǎng)）、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(jiǎng)）.