世界著名的物理实验室（一）

徐汉屏

物理学是一门以实验为基础的科学.在物理学的发展过程中，实验起到了非常重要的作用，物理实验室是物理科学的摇篮，是研究物理科学的基地，对物理学科发展起着十分重要的作用.为此，本系列稿将向你择要介绍一些世界著名的物理实验室，让你了解这些实验室的发展历程、主要成果以及所培养的科学精英.

·劳伦斯伯克利国家实验室

劳伦斯伯克利国家实验室（简称LBNL）位于美国加利福尼亚州的伯克利，毗连旧金山湾，与美国著名学府加利福尼亚大学伯克利分校紧邻，占地81公顷.实验室由加利福尼亚大学进行具体管理，是美国的一个大型多学科研究中心，附属于美国能源部，它是美国乃至世界核物理学的圣地，是电子直线加速器的发源地，美国一系列著名实验室——利弗莫尔、洛斯阿拉莫斯、布鲁克海文等实验室的先驱，也是世界上成百所加速器实验室的榜样.

劳伦斯伯克利国家实验室以它的奠基人物理学家欧内斯特·劳伦斯的姓和该室的所在地命名.劳伦斯伯克利国家实验室的前身是“加州大学放射实验室”，由劳伦斯于1931年创建.当时正值经济萧条时期，劳伦斯以其特有的组织才能，充分发掘美国的人力、物力和财力，建起了第一批电子直线加速器，在他的领导组织下，实验室成员开展了广泛的科学研究，发现了一系列超重元素，开辟了放射性同位素、重离子科学等研究方向.

劳伦斯参与曼哈顿计划，主管用电磁法分离制造原子弹用的铀-235 工作.此外还发明了彩色显像管并获专利.化学元素周期表中第103号元素铹以及加利福尼亚州伯克利和利弗莫尔的两所劳伦斯实验室都是为纪念劳伦斯而命名的.

劳伦斯伯克利国家实验室的价值观是：总体承诺创造科学、高度诚实和无可挑剔的伦理、为安全不让步、人和思想的多样性、紧迫感.

劳伦斯伯克利国家实验室下设18个研究所和研究中心，研究的領域无比宽泛，涵盖了高能物理、地球科学、环境科学、计算机科学、能源科学、材料科学等多个学科，现在的主要研究领域是核物理、高能物理、核化学、生物和医学、分子科学和材料科学的基础研究等.近年来在环境问题的分析和新能源技术，特别是地热能源、矿物燃料、太阳能及核聚变的发展方面也进行了大量的研究.

80多年来，该实验室一直在许多学科的科学研究上处于领先地位，在国际上赢得了很高的声誉.据实验室官网发布，截至2015年，实验室共获得了35项重大科研成果.例如，镎、钚、锆、锎、锿、钔、锘和铹都是在该室发现的.对于镅和镄的发现，该室也起了重要作用.实验室还发现了反质子、反中子、顶夸克和暗物质，发明了Anger照相机、化学激光器、时间投影室、智能窗、固态荧光灯镇流器、固体聚合物电池、硫灯、伯克利灯等，实验室的许多重要设备，包括世界上第一台回旋加速器和后来的超重离子直线加速器和高能重离子加速器，都是本室自己设计和建造的.

截至2015年，与实验室相关的8位物理学家、4位化学家及联合国政府间气候变化专家小组（ IPCC）获得诺贝尔奖.

8位诺贝尔物理学奖得主分别是：劳伦斯（因发明了回旋加速器获得1939年诺贝尔物理奖）、塞格雷和张伯伦（因发现了反质子获得1959年诺贝尔物理奖）、格拉塞（因发明了气泡室获得1960年诺贝尔物理奖）、阿尔瓦雷斯（因发现了基本粒子中的共振态获得1968年诺贝尔物理奖）、斯穆特（因发现黑体形态和宇宙微波背景辐射扰动现象获得2006年诺贝尔物理奖）、朱棣文（因发明了用激光冷却和俘获原子的方法获得1997年诺贝尔物理学奖）、珀尔马特（因发现了宇宙加速膨胀获得2011年诺贝尔物理学奖）.

4位诺贝尔化学奖得主分别是：西博格和麦克米伦（因发现了超铀元素获得1951年诺贝尔化学奖）、卡尔文（因确定了碳的光合作用路径获得1961年诺贝尔化学奖）、李远哲（因交叉分子束的研究成果获得1986年诺贝尔化学奖）.

联合国政府间气候变化专家小组（ IPCC）获得2007年诺贝尔和平奖.

另外，实验室有70位科学家是美国国家科学院的院士、13位科学家获得了科研领域国家最高终身成就奖——美国国家科学奖章、18位工程师当选为美国国家工程院院士、3位科学家被选人医学研究所等等.

特别值得提出的是，实验室2004～2008年间的主任是原美国能源部部长朱棣文，他也是极少数担任美国国家学术机构领导的华人之一.

·洛斯阿拉莫斯国家实验室

洛斯阿拉莫斯国家实验室（简称LANL）又称为阿拉莫斯科学实验室，以前因为保密原因对外称其为Y地点，隶属于美国能源部.实验室位于美国新墨西哥州首府圣塔菲西北56公里处.

实验室成立于二战期间的1943年，由罗斯福总统倡导建立，是曼哈顿工程的一部分.物理学家奥本海默是实验室的第一任主任.实验室云集了大批世界顶尖科学家，以研制降生世界上第一颗原子弹和第一颗氢弹而驰名于世，是著名的科学城和高科技辐射源.洛斯阿拉莫斯实验室的建立是美国历史上的一个重要的里程碑.同时它开启了人类战争史的又一个里程碑——人类进入了核武器威慑时代，

洛斯阿拉莫斯国家实验室是世界上最大的多功能实验室之一，其研究工作分为武器研究与非兵器研究两大类：武器研究，包括开发满足军事需要的核弹头、设计实验先进技术计划，以及通过相干科学技术领域的实验与实践研究，保持一项创新性武器研究筹划；非兵器研究，包括核裂变、核聚变、中等物理加速、超导、计算科学、生物医学、地球科学、非核能及基础能源科学等.

洛斯阿拉莫斯国家实验室总共研制了3枚原子弹，第一枚为实验弹，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举行了核试验，代号“TRINITY”.另外两枚的名字分别为“小男孩”和“胖子”，一枚投到了广岛，另一枚投到了长崎.

冷战结束后，国际政治格局的变化使得美国的核武器发展计划不再是首要的任务.现在，洛斯阿拉莫斯实验室的任务是利用计算机进行模拟核试验和对国家核武库的管理.通过利用实验设施，可以对核爆进行完全的模拟，而不需要真正地引爆核弹.洛斯阿拉莫斯实验室还同佛罗里达大学的两个分校合作，共同管理着美国国家强磁场实验室.它还作为联合基因学会的合作伙伴，投入到基因重组、DNA排序、基因科技的发展和信息科学等科研项目之中.2015年11月，洛斯阿拉莫斯国家实验室宣布，联手美国联邦政府能源部下属另外两家国家实验室，即劳伦斯利弗莫尔国家实验室和桑迪亚国家实验室，组成“极端规模（计算）性能（研究）联盟（ APEX）”，从事“未来先进技术高性能计算系统的设计、购置和开发”.

·布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室（简称BNL），位于纽约长岛萨福尔克县中部，原址为第一、二次世界大战时的美国陆军厄普顿兵营.该实验室成立于1948年，现隶属于美国能源部，由石溪大学和巴特尔研究所成立的布鲁克海文科学学会负责管理.

美国能源部在布鲁克海文国家实验室建立之始就将其定位为一个大型综合性研究机构，对该实验室规定的四项基本任务是：构想、设计、建造和运行复杂、先进的用户装置；在科学前沿开展长期、高风险的基础研究和应用研究；发展国家需要的先进技术，并将其转移给其他机构和产业部门，以及培养新一代科学家和工程师；提高公众的科学精神.

布鲁克海文国家实验室拥有强大的大科学装置群，先后投入运行的一大批大型仪器和装备包括：石墨研究反应堆、高通量束流反应堆、医学研究反应堆、质子同步加速器、交变梯度同步加速器、超导加速器、相对论重离子对撞機、同步辐射光源和深紫外自由电子激光，还有强场核磁共振仪、投射电子显微镜、扫描电子显微镜、正电子断层成像仪、盘旋加速器等.

大科学装置群的强盛支持和多学科的穿插环境，使布鲁克海文国家实验室除首创了核技术、高能物理、纳米技术等多个领域的研究外，还在生物、化学、医学、材料科学、环境科学、能源科学和技术等多学科开展研究，在发展新型、边沿科学和冲破重大新技术方面存在壮大的能力，获得多项令世界注视的重大成果，取得了辉煌的科学成就.

例如，在高能物理方面，实验室获得的重大成就有中微子的发现、J/ψ粒子的发现、CP破坏、宇称破缺和太阳中微子研究中的先驱性工作，以及对于现代粒子加速器利用有决定意义的强聚焦原理的发现等.

又如，在生命科学方面，实验室所进行的研究具有很长和光荣的历史，为改变DNA和蛋白质的细胞机制、开发研究人类疾病的成像技术等基础研究，以及基于从这些研究得到的知识的生物医学应用方面做出了贡献.

在医学方面，实验室发明了L-多巴和铊- 201、锝-99 m放射性同位素的医学应用，发展了X射线心血管造影术，在帕金森病、心脏扫描、盐与高血压、心脏健康检查、缓解癌症疼痛、测量脑功能及毒品上瘾脑机制等研究中有重大突破，该实验室是采用正电子断层照相和其他医学成像技术，研究毒品上瘾脑机制的第一个研究机构.

再如，在生物学方面，实验室在细胞变种、解密DNA结构、紫外光与癌、病毒机理等研究中有重大突破.该实验室利用X射线和中子开展的生物样品研究，是结构生物学的开创性工作.

另外，实验室还在发展磁悬浮列车技术，在纳米科学以原子和分子为单位设计和组装新材料等等方面进行了富有成果的研究.

布鲁克海文实验室曾经有12位科学家先后获得过诺贝尔奖，他们是：李政道和杨振宁（因发现弱相互作用下宇称不守衡，获1957年诺贝尔物理奖）、丁肇中（因发现新的J/ψ基本粒子，获1976年诺贝尔物理奖）、克罗宁和菲奇（因发现电荷共轭宇称不守恒，获1980年诺贝尔物理奖）、莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格（因发现中微子，获1988年诺贝尔物理奖）、戴维斯（因探测到宇宙中微子，获2002年诺贝尔物理奖）、麦金农（因阐明了离子通道的结构和机理，获2003年诺贝尔化学奖）、拉玛克里斯南和施泰茨（因在核糖体结构和功能研究的巨大贡献，获得2009年诺贝尔化学奖）.