世界著名的物理实验室（五）

徐汉屏

柏林大学物理实验室

柏林大学物理实验室是由马格努斯创建的.该实验室所属的柏林大学是德国首都柏林最古老的大学，于1809年由普鲁士王国内务部文教总管洪堡负责筹建，1810年10月正式开学，是第一所新制的大学，设哲学、法学、医学和神学4科，第一任校长为哲学家费希特.

马格努斯原来是化学家，1845年成为柏林大学物理和技术教授.开始他是在自己的住宅里分出几间房屋当作实验室，让最优秀的学生参加研究工作，其中有来自欧美各国的年轻学者.

据一位曾在那里工作过的美国学者里兹回忆，当他在那里学习时，同时还有三个别的学生在那里工作，一个研究声学，一个研究偏振光，还有一个检测刚刚发现的化合物晶体.

由于规模逐渐扩大，柏林大学给予了实验室适当的财政资助.于是，这所私人实验室转变成了大学机构的一部分，1863年正式成为柏林大学物理实验室，是当时世界上屈指可数的正规物理实验室之一.柏林大学也因此成为欧洲物理学研究中心之一.

马格努斯创造了学术讨论会的形式，让学生轮流报告自己新近的科学进展，也常邀请访问学者做报告，研究生院的体制由此逐渐形成.

值得一提的是，一批著名科学家曾在柏林大学执教或求学，并创立了新的理论和学科.这中间包括爱因斯坦、普朗克、玻恩、赫姆霍兹、赫兹、丁达尔等.

著名的德国犹太裔理论物理学家爱因斯坦，提出相对论、质能方程，推动量子力学的发展，因为“对理论物理的贡献，特别是发现了光电效应”而获得1921年诺贝尔物理学奖.

德国物理学家普朗克，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学奖.

德国犹太裔理论物理学家玻恩，量子力学奠基人之一，因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释，获得1954年的诺贝尔物理学奖.

德国物理学家、生理学家、生物物理学家赫姆霍兹，1871年继任物理实验室教授，著名的声学和生理学教授.他從永动机不可能实现的这个事实人手，研究发现能量守恒与转化原理，对能量守恒与转化定律的形成做出了不可磨灭的贡献.

德国物理学家赫兹，在其老师赫姆霍兹的引导下，于1888年做了著名的电磁波实验，证实了电磁波的存在.他用一根两端带有铜球的铜丝弯成环状，当作检波器，放到离电磁波发生器10米远的地方.当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花.

英国物理学家丁达尔，首先发现和研究了胶体中的丁达尔效应，当一束光线通过溶胶，若从入射光的侧面观看，则在光线通过溶胶的部位可看到一个光柱，这是区别溶胶和真溶液最简便的方法.

柏林大学物理实验室是十九世纪欧洲最早的规模较大的物理实验室.二战后，柏林大学分为两所——柏林洪堡大学和柏林自由大学.学校贯彻教学与科研相结合的方针，采取讲课、讨论与研究相结合的教学形式，物理实验室仍发挥着其不可低估的作用.2012年6月学校入选为11所德国“精英大学”之一，其拥有的辉煌历史，对于欧洲乃至于全世界的影响都相当深远.

康乃尔大学基本粒子物理实验室

美国纽约州康乃尔大学基本粒子物理实验室（简称LEPP）位于纽约州中部芬格湖畔风景优美的伊萨卡市.该实验室主要从事实验物理和理论物理以及加速器物理的研究，拥有F.R.纽曼以及R.R.威尔逊两个实验室.

1934年，康乃尔大学利用回旋加速器开始从事实验粒子物理研究.带电粒子从机器中心进行离心旋转，它由利文斯顿建在洛克菲勒大堂内.康乃尔回旋加速器能将质子加速到0.5 MeV.

二次大战后不久，康乃尔大学的核研究实验室和纽曼实验室相继成立.在威尔逊教授的领导下，实验室的师生员工在地下室建造了第一台康乃尔电子同步加速器，将电子加速到300MeV，为康乃尔第一台粒子加速器的600倍.1949年，康乃尔核研究实验室在世界上第一个成功地将束流储存在同步加速器里.

1952年，康乃尔大学的第八任校长地塞米松利用300MeV同步加速器对同步加速器功率首次进行精确测量.1953年，哈特曼利用300MeV同步加速器首次对同步加速器光谱进行精确测量.1954年，康乃尔建造了世界上第一台强聚焦的1GeV电子同步加速器，并在康乃尔300MeV同步加速器上建造了第一条专用同步辐射光束线.到五十年代中期，在第一台康乃尔同步加速器上进行的粒子物理实验提出了一些只有用更高能量的电子束流才能解决的重要问题，幸运的是，由于新技术的发明，比较经济地解决了这一问题.第二台电子同步加速器的峰值能量为1200 MeV，轨道半径3.8 m.

20世纪60年代初，加速器被半径7m、能量为2 200 MeV的同步加速器所取代.1961年，琼斯利用1GeV同步加速器首次对辐射极化进行测量.1965年，Maury Tinger发表第一篇提出粒子加速器中能量回收的论文.1968年，康乃尔10 GeV电子同步加速器在CESR运动场地下建造.同步加速器体量的不断增大，导致六十年代末建造了一座新的大楼一威尔逊实验室和半英里长的地下网形隧道，以安放lGeV同步加速器.

1975年，实验室将超导高频技术首次用于高能圆形加速器，超导高频腔插入10 GeV同步加速器中.1979年，康乃尔开始调试能量为10.6 GeV的正负电子对撞机一康乃尔电子储存环CESR和CLEO高能物理探测器.1979年，在原同步加速器隧道内建造康乃尔高能同步加速器源CHESSX射线装置，CESR和CLEO在9.4～10.4 GeV能量范围内看到3个b-b夸克束缚态共振峰.到70年代末，从其他的实验室大量了解到有关加速高能强粒子束流，并使它们在高能轨道中运行数小时的情况.这样做的方法是建立正负电子储存环，这是提高威尔逊实验室研究能力最节省费用的方法.康乃尔储存环（ CESR）沿10 GeV同步加速器建在同一隧道里，1979年开始为物理实验运行.同时成立了CLEO合作组，初期由康乃尔大学、哈佛大学、罗彻斯特大学、罗格斯大学、雪城大学和范德比尔特大学的物理学家组成.1978年至1980年之间，康乃尔同步加速器光源CHESS研制成功.1982年，CESR最后运行单束团，使单正负电子束团对撞.

80年代，实验室增建了同步辐射光源用户设施.1983年，利陶尔教授提出麻花状轨道，增加CESR中的束团数量，来提高亮度的想法.CESR安装了高流强注入器，使得大量聚束的粒子运行，到1983年秋，CESR中有3个正负电子束团运行.1984年夏，CESR开始7束团/束流的运行，同年，CESR进行改进，插入了2块四极磁铁.通过使这2块磁铁彼此之间相距2m，亮度增加了4倍.还是在这一年，普渡大学的罗斯曼博士利用CHESS研究感冒病毒.1988年，CESR在b-b共振区处于世界领先，正负电子对撞机的亮度创了纪录.CLEO升级为CLEOⅡ，包括桶和端盖量能器中30t掺杂铊的碘化铯.CHESS也进行了扩展，CHESS东安装了1块新的永久扭摆磁铁.同年，拉格斐教授接任核研究实验室所长.卡内基一梅隆大学、佛罗里达大学、堪萨斯大学、俄克拉荷马大学、普渡大学和纽约州立大学奥尔巴尼分校的物理学家加入了CLEO的研究.核研究实验室雇佣员工达180人.

90年代，核研究实验室的运行做得更大更好.1994年CESR进行改进，包括部分安装了新的经典分离器和一个新的数字束流反馈系统.1994年夏开始9个束团的运行.翌年，因为CLEO安装新的硅顶点探测器和改进环本身基本原理的束流一电流/热一能力CHESS的能力，威尔逊实验室的实验计划暂停.

进入21世纪以后，核研究实验室有了进一步的发展.2000年，威尔逊实验室安装了CLEOⅢ、CHESS东和CHF，SS西，与许多大学的合作继续进行.由于SLAC和KEK“B T厂”的加速器亮度已经超过了CESR，CESR决定改变物理方向，将加速器运行在3～5GeV的J/ψ能区，CESR将新的研究计划命名为CESR -c.2003年，CESR安装6块超导扭摆磁铁后，使其能量降到3.76 GeV，从而成为世界上第一个由扭摆磁铁主导的储存环.2004年3～5月安装了另外6块.2003年麦金农被授予第一个利用CESR所做T作的诺贝尔奖.

现在，康乃尔大学基本粒子物理实验室已成为世界上著名的加速器物理研究中心之一.

加州理工学院喷气推进实验室

加州理工学院喷气推进实验室（简称JPL）坐落在帕萨迪纳和拉肯亚达市之间，靠近加利福尼亚州的洛杉矶，總占地面积约为0.72 km²，是美国国家航空航天局的一个下属机构，致力于以无人飞行器探索太阳系，行政上属于加州理工学院管理.实验室负责为美国国家航空航天局开发和治理无人空间探测任务.

喷气推进实验室的历史可追溯到1936年.由当年加州理工学院的教授卡门创建，他当时进行的是火箭推进器实验，而一些人则称此实验室为喷气推进实验室，但他从来没有进行过对涡轮增压推进器或者其他类型的喷气发动机的研究工作.

第二次世界大战期间，美国空军委托喷气推进实验室对由纳粹德国研制的V2火箭及其他的军事项目进行战果评估.基于此研究成果，喷气推进实验室首先研制了MGM5型导弹，此后又研制发展了MGM29A型短程地对地导弹，此项研究直到1958年才被停止.在该实验室参加工作的还有火箭科学家钱学森和帕森斯.

到了1958年，喷气推进实验室的政府职权全部转移到了新成立的国家航空航天局，实验室的无人星际探索的任务就此开始.在职权转移后，喷气推进实验室保留了其原来的名字.尽管大部分关于喷气推进器的研究在1958年后就停止了，喷气推进实验室在1995年又加入到了设计推进器的项目之中，这一次是和韦克曼空间探测器与推进器公司合作，共同研制和发展火箭发动机和喷气发动机.这种发动机可以通过直接燃烧火星大气层中的二氧化碳以产生动力.

喷气推进实验室会集了太空研究范畴一流的科学家和工程师，共有大约5000名全职雇员，此外还有几千个以其他合同形式雇用的员工，以及加州理工学院的一些在校生和实习生等，在国际科技界，喷气推进实验室如雷贯耳，它在美国导弹和航天发展史上起到了空前的作用，尤其是1958年“探险者1号”进入轨道，确定了其作为“太空开发计划之母”的地位.其后，它又相继参与了伽利略木星探测和“火星漫步”等科研任务，包括1997年的“火星探路者”任务、2003年的火星表面探测任务.实验室已向太阳系中的每个行星都发射了无人探测器，还对地球进行了准确测量.它控制着全球的深空探测网络，这些设施分别坐落在加利福尼亚的莫哈韦沙漠、西班牙的马德里附近和澳大利亚的堪培拉附近.

多年来，由喷气推进实验室参与进行的重大科研任务有：探索者计划（1958年，将美国首个人造卫星送人太空）、水手号计划（20世纪60～70年代，发射一系列为探索火星、金星、水星等而设计的无人太空船）、先驱者计划3和4（1958～1959年，月球飞越）、海盗者计划（1975年，探索火星上有无生物）、旅行者计划（1977年，探测太阳系外围行星）、麦哲伦计划（1995～ 2001年，研制口径65米的光学望远镜）、伽利略计划（2001年，一个欧洲的全球导航服务计划，世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统）、深空1和2（1998～1999年，验证未来行星际探测所需的十几项新技术，确定火星表面是否有水或冰存在）、火星全球探测者（1997～ 2001年，拍摄火星表面的高分辨率图象，研究火星的地貌和重力场探测火星的天气和气候，分析火星表面和大气的组成）、探测火星大气的轨道卫星（2005～2009年，将一枚侦察卫星送往火星，以前所未有的分辨率对火星这颗红色行星进行详细考察，并且为往后的火星地表任务寻找适合的登陆地点，同时为这些任务提供高速的通讯传递功能）、卡西尼惠更斯卫星（1997～2005年，对土星进行空间探测）、星尘计划（ 1999～2006年，探测维尔特二号彗星和它的彗发成分组成）、火星奥德赛计划（2001年至今，寻找火星上水与火山活动的迹象）、火星探路者计划（1996～1997年，绘制火星地形图、分析火星大气成分和记录火星天气变化的情况）、火星漫步者计划（2003年，当“机械地质工作者”，寻找有关火星演化的蛛丝马迹，尤其要追溯火星上水的历史）、斯皮策深空望远镜（2003年至今，负责观测厚厚的尘云、朦胧的银河系核心以及宇宙内的其他隐秘区域）、火星探测轨道卫星（2005年至今，提供非常细微的火星地质结构，帮助辨别可能对登陆器、探测车造成危险的各种阻碍，对火星地表矿物、尘埃以及水被输送到火星大气中的过程等进行研究）和火星科学实验室（2011年至今，又名“好奇号”火星车，采集火星土壤样本和岩芯，然后对它们可能支持微生物存在的有机化合物和环境条件进行分析）等.

实验室几乎每年都会有一次开放参观日，届时会邀请公众参观实验室的设备，并观摩实验室科学技术的现场展示.来自加利福尼亚州南部和其他地方的学生会来到实验室参观.另外，除了和政府之间的项目，喷气推进实验室还会协助在其附近的电影电视工业，对一些关于电影、电视中所涉及的科学准确性提供经常的建议.