世界著名的物理實驗室（三）

徐漢屏

·費米國家實驗室

費米國家實驗室（簡稱FNAL）位于美國伊利諾伊州巴達維亞附近的草原上，占地面積27.5平方公里。園區內主要建筑有16層的威爾遜大樓、利德曼科學教育中心費曼計算中心技術分部培訓中心、各分支實驗室，以及整體結構位于地下的“費米加速器鏈”，包括質子反質子對撞機、數個小型回旋加速器和直線加速器，包括加速器附屬的控制室、機房、探測器大廳、靶廳、動力廈和維修廠房等。

該實驗室建立于1967年，原名為國家加速器實驗室。實驗室的第一任主管威爾遜為該實驗室制定的格言是：“杰出的科學，藝術的瑰麗，土地的守護神，經費上精打細算和機會均等。”

為紀念著名的理論物理學家費米，該實驗室于1974年5月改名為費米國家實驗室。費米（1901～1954）是原子時代卓越的物理學家，因發現由中子照射產生的新放射性元素并用慢中子實現核反應，獲1938年諾貝爾物理學獎。

實驗室的目標是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和運轉的，提高人類對物質和能量的基本屬性的理解。

費米國家實驗室是美國最重要的物理學研究中心之一，是美國最大的高能物理研究實驗室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心。

高能物理研究的主要工具是加速器，特別是對撞機，讓反向旋轉的粒子束流在對撞機中對撞。

在美國，最高能量的對撞機就是費米實驗室的萬億電子伏加速器，在歐洲核子中心的大型強子對撞機建成之前，它是世界上最大的加速器，是費米實驗室的驕傲和希望。它曾捕獲了許多新奇亞原子粒子，其中包括第六種夸克——頂夸克的發現（頂夸克屬于上夸克的近親，但其質量要略重）。它能將質子和反質子束流沿著4英里的周長加速到光速的99.999 999 54%。這兩個束流在位于束流管道不同位置的兩個5 000噸的探測器中心對撞，以研究宇宙早期的情形，探查物質在最小尺度的結構，探索物質、空間和時間的奧秘；束流還引入到固定靶產生中微子束流用來開展研究。

目前，實驗室正在分兩個階段進行超大型強子對撞機的設計研究。第一個階段，利用放在大周長隧道中的堅固超鐵氧體磁鐵，該對撞機的對撞能量達到40 TeV，亮度與西歐中心大型強子對撞機的亮度一樣。第一階段的潛在科學目標完全實現后開始第二階段的工作。在同一隧道中安裝上高磁場磁鐵，對撞能量至少達到175 TeV。

費米國家實驗室的研究集中在當代粒子物理以下幾個主要問題上：為什么粒子具有質量；中微子質量是否來自不同的源；夸克與輕子的真正本質是什么；為何有三代基本粒子；真正意義上的基本的力是什么；如何將粒子物理和量子引力融合在一起；物質與反物質有何區別；把宇宙組合在一起的暗物質是什么；什么是促使宇宙膨脹的暗能量；在已知道的維數之外，是否還有隱藏的維數；地球是多維廣義宇宙的一部分嗎；宇宙是由什么組成的及宇宙是如何運作的。

值得一提的是，費米國家實驗室精確測定了物質與反物質轉換速率。設在該實驗室的國際對撞機探測器合作組織對物質與反物質之間的超快轉換進行了最精確的測量。實驗發現某些B介子可以自發地轉變成為反B介子然后再變回B介子，轉變速度為三萬億次每秒。這一結果與粒子物理標準模型相吻合，并再次證明電荷宇稱破缺的存在，而電荷宇稱破缺被認為是宇宙中物質比反物質多的原因。

未來幾年在粒子物理上的發現將改變粒子物理的研究方向，而這些發現的最佳機遇則可能存在于費米實驗室所開展的實驗中。

·盧瑟福·阿普爾頓國家實驗室

盧瑟福·阿普爾頓國家實驗室（簡稱RAL）位于英國的牛津郡，靠近迪德考特，是一個多學科、綜合性的世界著名的大型實驗室。

該實驗室的歷史可追溯到1921年。1921年，英國在斯勞建立了無線電研究站，后來改稱阿普爾頓實驗室。1957年，盧瑟福高能實驗室作為國家核科學研究所的設施在牛津郡切里頓建成。1964年，在盧瑟福高能實驗室所在地切里頓成立了阿特拉斯計算實驗室。1965年英國成立了科學研究理事會，盧瑟福高能實驗室和阿普爾頓實驗室（以及皇家格林威治和愛丁堡觀測站）都是其成員。1975年，盧瑟福高能實驗室與改名為阿特拉斯中心的阿特拉斯計算實驗室合并。1979年，盧瑟福高能實驗室與阿普爾頓實驗室合并，成為盧瑟福·阿普爾頓實驗室。1994年，盧瑟福·阿普爾頓實驗室又與1962年建在柴郡的達斯伯里實驗室合并，由英國工程和物理科學研究委員會照管。

盧瑟福·阿普爾頓國家實驗室的設施和研究工作主要有：中心激光裝置，運行高功率玻璃和鈦寶石激光設施和幾個較小規模可調激光器，為英國和其他歐共體國家的研究人員提供大型激光系統；世界上亮度最高的散裂中子源，提供中子和繆子束流，支持世界上大約1600名科學家開展物理、化學、材料科學、地質學、工程和生物學的研究；第三代同步輻射光源，作為在原子和分子水平研究物質結構如生物組織、聚合物和催化劑最先進的科學裝置，支持研究人員設計藥物和高技術材料、研究環境問題等工作；空間科學與技術，設有運行衛星控制中心，提供模擬宇宙條件的測試設備；中心微型結構裝置，以電子束光刻為基礎，為大學和工業界提供最先進的微加工服務和研發設備，利用先進的技術研制和加工樣機；能源研究機構，研究題目包括空氣動力學、強電電子學、飛輪和電池能量儲存、控制系統、材料測試、預報、風流速模擬等；無線電通信研究機構，從事無線電波傳播、無線電通信和天文學方面廣泛題目的研究；分子光譜裝置，用于紅外線、可見光和紫外線光譜研究，為科研人員提供世界水平的科學設備和支持。

該實驗室現有雇員1 200人，支持來自大學、研究界10 000名科學家和工程師們的工作。其主要設施用來從事新材料和結構的研究，如從電池電解質到渦輪葉片、x射線激光器、基于空間的天體物理以及粒子物理和許多其他課題。

現在，盧瑟福·阿普爾頓國家實驗室已成為核物理、同步輻射光源、散裂中子源、空間科學、粒子天體物理、信息技術、大功率激光、多學科應用研究的中心，成為英國研究委員會中心實驗室理事會的成員之一。它的發展歷程有力地說明了大型科學研究中心的形成是科學發展的必然。

·卡文迪許實驗室

卡文迪許實驗室即是劍橋大學的物理實驗室。劍橋大學建于1209年，歷史悠久，與牛津大學同為英國的最高學府。卡文迪許實驗室建于1871-1874年間，由劍橋大學時任校長威廉·卡文迪許私人捐款興建。

該實驗室是為紀念偉大的物理學家、化學家、劍橋大學校友亨利·卡文迪許（威廉·卡文迪許的近親）而命名的。1789年，亨利·卡文迪許利用扭秤，成功地測出了引力常量的數值，證明了萬有引力定律的正確。卡文迪許解決問題的思路是，將不易觀察的微小變化量，轉化為容易觀察的顯著變化量，再根據顯著變化量與微小量的關系算出微小的變化量。該實驗是物理學史上的經典實驗之一。這樣，對于天體以及地球質量的估計才成為可能。

英國是19世紀最發達的資本主義國家之一。把物理實驗室從科學家私人住宅中擴展為研究單位，適應了19世紀后半葉工業技術對科學發展的要求，促進了科學技術的開展。隨著科學技術的發展，科學研究工作的規模越來越大，社會化和專業化是必然趨勢。劍橋大學校長的這一做法是有遠見的。

二十世紀70年代以后，古老的卡文迪許實驗室已經大大擴建，研究領域包括天體物理學、粒子物理學、固體物理學、生物物理學等。卡文迪許實驗室是近代科學史上第一個社會化和專業化的科學實驗室，催生了大量足以影響人類進步的重要科學成果，包括發現電子、中子、發現原子核的結構、發現DNA的雙螺旋結構等，為人類的科學發展做出了舉足輕重的貢獻，至今仍不失為世界著名的實驗室之一。

卡文迪許實驗室的有關人員做出了許多對現代科學有重要意義的發現和發明，其中影響全局的有1911年盧瑟福發現原子的核結構、1919年發現人工元素蛻變、1924年證實核勢壘，1913年布拉格父子發現x射線晶體衍射公式和測定晶體點陣常數，1932年查德威克發現中于，1933年布萊克特驗證正電子，1933年奧利芬特驗證質能等價定律，1953年克里克和沃森發現DNA雙螺旋結構，1967年賴爾發現射電天體和休伊什發現脈沖星。在凝聚態物理學上，1959年皮帕德提出超導費米面，20世紀60年代英特提出非晶態半導體理論，1962年約瑟夫森提出超導體隧道效應理論等。這些重大發現不但沖破了經典原子論框架，改變了人類兩千多年的物質觀，而且將觀念的變革擴大到生命物質的遺傳機理，奠定了電磁理論、氣體導電理論、物質電結構理論、x射線晶體物理學，原子物理學、核物理學、分子生物學、射電天文學、表面物理學和凝聚志物理學的基礎，因此大多具有劃時代意義。這些成就顯示了卡文迪許實驗室在現代科學革命和發展中起到了何等重要的關鍵性作用。

卡文迪許實驗室作為劍橋大學物理科學院的一個系，從1904年至1989年的85年間一共產生了29位諾貝爾獎得主，占劍橋大學諾貝爾獎得主總數的三分之一，其科研效率之驚人，成果之豐碩，舉世無雙。在這29位諾貝爾獎得主中，有20位物理學家、6位化學家和3位生理學或醫學家。

一百多年來，卡文迪許實驗室吸引了世界各國大量優秀青年物理學家，造就了許多科學精英，成了世界物理學家心目中的圣地。