世界著名的物理實驗室（五）

徐漢屏

柏林大學(xué)物理實驗室

柏林大學(xué)物理實驗室是由馬格努斯創(chuàng)建的。該實驗室所屬的柏林大學(xué)是德國首都柏林最古老的大學(xué)，于1809年由普魯士王國內(nèi)務(wù)部文教總管洪堡負(fù)責(zé)籌建，1810年10月正式開學(xué)，是第一所新制的大學(xué)，設(shè)哲學(xué)、法學(xué)、醫(yī)學(xué)和神學(xué)4科，第一任校長為哲學(xué)家費希特。 馬格努斯原來是化學(xué)家，1845年成為柏林大學(xué)物理和技術(shù)教授。開始他是在自己的住宅里分出幾間房屋當(dāng)作實驗室，讓最優(yōu)秀的學(xué)生參加研究工作，其中有來自歐美各國的年輕學(xué)者。 據(jù)一位曾在那里工作過的美國學(xué)者里茲回憶，當(dāng)他在那里學(xué)習(xí)時，同時還有三個別的學(xué)生在那里工作，一個研究聲學(xué)，一個研究偏振光，還有一個檢測剛剛發(fā)現(xiàn)的化合物晶體。

由于規(guī)模逐漸擴(kuò)大，柏林大學(xué)給予了實驗室適當(dāng)?shù)呢斦Y助。于是，這所私人實驗室轉(zhuǎn)變成了大學(xué)機(jī)構(gòu)的一部分，1863年正式成為柏林大學(xué)物理實驗室，是當(dāng)時世界上屈指可數(shù)的正規(guī)物理實驗室之一。柏林大學(xué)也因此成為歐洲物理學(xué)研究中心之一。

馬格努斯創(chuàng)造了學(xué)術(shù)討論會的形式，讓學(xué)生輪流報告自己新近的科學(xué)進(jìn)展，也常邀請訪問學(xué)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(xué)家曾在柏林大學(xué)執(zhí)教或求學(xué)，并創(chuàng)立了新的理論和學(xué)科。這中間包括愛因斯坦、普朗克、玻恩、赫姆霍茲、赫茲、丁達(dá)爾等。

著名的德國猶太裔理論物理學(xué)家愛因斯坦，提出相對論、質(zhì)能方程，推動量子力學(xué)的發(fā)展，因為“對理論物理的貢獻(xiàn)，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)”而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。

德國物理學(xué)家普朗克，量子力學(xué)的創(chuàng)始人，二十世紀(jì)最重要的物理學(xué)家之一，因發(fā)現(xiàn)能量量子而對物理學(xué)的進(jìn)展做出了重要貢獻(xiàn)，并在1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

德國猶太裔理論物理學(xué)家玻恩，量子力學(xué)奠基人之一，因?qū)α孔恿W(xué)的基礎(chǔ)性研究尤其是對波函數(shù)的統(tǒng)計學(xué)詮釋，獲得1954年的諾貝爾物理學(xué)獎。

德國物理學(xué)家、生理學(xué)家、生物物理學(xué)家赫姆霍茲，1871年繼任物理實驗室教授，著名的聲學(xué)和生理學(xué)教授。他從永動機(jī)不可能實現(xiàn)的這個事實入手，研究發(fā)現(xiàn)能量守恒與轉(zhuǎn)化原理，對能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的形成做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

德國物理學(xué)家赫茲，在其老師赫姆霍茲的引導(dǎo)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(huán)狀，當(dāng)作檢波器，放到離電磁波發(fā)生器10米遠(yuǎn)的地方。當(dāng)電磁波發(fā)生器通電后，檢波器銅絲圈兩端的銅球上產(chǎn)生了電火花。

英國物理學(xué)家丁達(dá)爾，首先發(fā)現(xiàn)和研究了膠體中的丁達(dá)爾效應(yīng)，當(dāng)一束光線通過溶膠，若從入射光的側(cè)面觀看，則在光線通過溶膠的部位可看到一個光柱，這是區(qū)別溶膠和真溶液最簡便的方法。

柏林大學(xué)物理實驗室是十九世紀(jì)歐洲最早的規(guī)模較大的物理實驗室。二戰(zhàn)后，柏林大學(xué)分為兩所——柏林洪堡大學(xué)和柏林自由大學(xué)。學(xué)校貫徹教學(xué)與科研相結(jié)合的方針，采取講課、討論與研究相結(jié)合的教學(xué)形式，物理實驗室仍發(fā)揮著其不可低估的作用。2012年6月學(xué)校入選為11所德國“精英大學(xué)”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(dāng)深遠(yuǎn)。 ·康乃爾大學(xué)基本粒子物理實驗室美國紐約州康乃爾

大學(xué)基本粒子物理實驗室（簡稱LEPP）位于紐約州中部芬格湖畔風(fēng)景優(yōu)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(xué)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(jī)器中心進(jìn)行離心旋轉(zhuǎn)，它由利文斯頓建在洛克菲勒大堂內(nèi)。康乃爾回旋加速器能將質(zhì)子加速到0.5MeV。

二次大戰(zhàn)后不久，康乃爾大學(xué)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(lǐng)導(dǎo)下，實驗室的師生員丁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(xué)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(jìn)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(jìn)行精確測量。1954年，康乃爾建造了世界上第一臺強(qiáng)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(jìn)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(shù)的發(fā)明，比較經(jīng)濟(jì)地解決了這一問題。第二臺電子同步加速器的峰值能量為1200MeV，軌道半徑3.8m。

20世紀(jì)60年代初，加速器被半徑7m、能量為2200MeV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(jìn)行測量。1965年，MauryTinger發(fā)表第一篇提出粒子加速器中能量回收的論文。1968年，康乃爾10GeV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(dǎo)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圓形隧道，以安放lGeV同步加速器。

1975年，實驗室將超導(dǎo)高頻技術(shù)首次用于高能圓形加速器，超導(dǎo)高頻腔插入10GeV同步加速器中。1979年，康乃爾開始調(diào)試能量為10.6GeV的正負(fù)電子對撞機(jī)-康乃爾電子儲存環(huán)CESR和CLEO高能物理探測器。1979年，在原同步加速器隧道內(nèi)建造康乃爾高能同步加速器源CHESSX射線裝置，CESR和CLEO在9.4?10.4GeV能量范圍內(nèi)看到3個b-b夸克束縛態(tài)共振峰。到70年代末，從其他的實驗室大量了解到有關(guān)加速高能強(qiáng)粒子束流，并使它們在高能軌道中運行數(shù)小時的情況。這樣做的方法是建立正負(fù)電子儲存環(huán)，這是提尚威爾遜實驗室研究能力最節(jié)省費用的方法。康乃爾儲存環(huán)（CESR）沿10GeV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(xué)、哈佛大學(xué)、羅徹斯特大學(xué)、羅格斯大學(xué)、雪城大學(xué)和范德比爾特大學(xué)的物理學(xué)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(tuán)，使單正負(fù)電子束團(tuán)對撞。endprint

80年代，實驗室增建了同步輻射光源用戶設(shè)施。1983年，利陶爾教授提出麻花狀軌道，增加CESR中的束團(tuán)數(shù)量，來提高亮度的想法。CESR安裝了高流強(qiáng)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(fù)電子束團(tuán)運行。1984年夏，CESR開始7束團(tuán)/束流的運行。同年，CESR進(jìn)行改進(jìn)，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(xué)的羅斯曼博士利用CHESS研究感冒病毒。1988年，CESR在b-b共振區(qū)處于世界領(lǐng)先，正負(fù)電子對撞機(jī)的亮度創(chuàng)了紀(jì)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(jìn)行了擴(kuò)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(nèi)基-梅隆大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)、堪薩斯大學(xué)、俄克拉荷馬大學(xué)、普渡大學(xué)和紐約州立大學(xué)奧爾巴尼分校的物理學(xué)家加入了CLEO的研究。核研究實驗室雇傭員工達(dá)180人。

90年代，核研究實驗室的運行做得更大更好。1994年CESR進(jìn)行改進(jìn)，包括部分安裝了新的經(jīng)典分離器和一個新的數(shù)字束流反饋系統(tǒng)。1994年夏開始9個束團(tuán)的運行。翌年，因為CLEO安裝新的硅頂點探測器和改進(jìn)環(huán)本身基本原理的束流-電流/熱-能力CHESS的能力，威爾遜實驗室的實驗計劃暫停。

進(jìn)入21世紀(jì)以后，核研究實驗室有了進(jìn)一步的發(fā)展。2000年，威爾遜實驗室安裝了CLE0Ⅲ、CHESS東和CHESS西，與許多大學(xué)的合作繼續(xù)進(jìn)行。由于SLAC和KEK“B工廠”的加速器亮度已經(jīng)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(qū)，CESR將新的研究計劃命名為CESR-c.2003年，CESR安裝6塊超導(dǎo)扭擺磁鐵后，使其能量降到3.76GeV，從而成為世界上第一個由扭擺磁鐵主導(dǎo)的儲存環(huán)。2004年3?5月安裝了另外6塊。2003年麥金農(nóng)被授予第一個利用CESR所做工作的諾貝爾獎。

現(xiàn)在，康乃爾大學(xué)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(xué)院噴氣推進(jìn)實驗室

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

噴氣推進(jìn)實驗室的歷史可追溯到1936年。由當(dāng)年加州理工學(xué)院的教授卡門創(chuàng)建，他當(dāng)時進(jìn)行的是火箭推進(jìn)器實驗，而一些人則稱此實驗室為噴氣推進(jìn)實驗室，但他從來沒有進(jìn)行過對渦輪增壓推進(jìn)器或者其他類型的噴氣發(fā)動機(jī)的研究工作。

第二次世界大戰(zhàn)期間，美國空軍委托噴氣推進(jìn)實驗室對由納粹德國研制的V2火箭及其他的軍事項目進(jìn)行戰(zhàn)果評估。基于此研究成果，噴氣推進(jìn)實驗室首先研制了MGM5型導(dǎo)彈，此后又研制發(fā)展了MGM29A型短程地對地導(dǎo)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(xué)家錢學(xué)森和帕森斯。

到了1958年，噴氣推進(jìn)實驗室的政府職權(quán)全部轉(zhuǎn)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(wù)就此開始。在職權(quán)轉(zhuǎn)移后，噴氣推進(jìn)實驗室保留了其原來的名字。盡管大部分關(guān)于噴氣推進(jìn)器的研究在1958年后就停止了，噴氣推進(jìn)實驗室在1995年又加入到了設(shè)計推進(jìn)器的項目之中，這一次是和韋克曼空間探測器與推進(jìn)器公司合作，共同研制和發(fā)展火箭發(fā)動機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)。這種發(fā)動機(jī)可以通過直接燃燒火星大氣層中的二氧化碳以產(chǎn)生動力。

噴氣推進(jìn)實驗室會集了太空研究范疇一流的科學(xué)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(xué)院的一些在校生和實習(xí)生等。在國際科技界，噴氣推進(jìn)實驗室如雷貫耳，它在美國導(dǎo)彈和航天發(fā)展史上起到了空前的作用，尤其是1958年“探險者1號”進(jìn)入軌道，確定了其作為“太空開發(fā)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(wù)，包括1997年的“火星探路者”任務(wù)、2003年的火星表面探測任務(wù)。實驗室已向太陽系中的每個行星都發(fā)射了無人探測器，還對地球進(jìn)行了準(zhǔn)確測量。它控制著全球的深空探測網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)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(jìn)實驗室參與進(jìn)行的重大科研任務(wù)有：探索者計劃（1958年，將美國首個人造衛(wèi)星送入太空）、水手號計劃（20世紀(jì)60?70年代，發(fā)射一系列為探索火星、金星、水星等而設(shè)計的無人太空船）、先驅(qū)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(xué)望遠(yuǎn)鏡）、伽利略計劃（2001年，一個歐洲的全球?qū)Ш椒?wù)計劃，世界上笫一個專門為民用目的設(shè)計的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）、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(shù)，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(wèi)星（2005?2009年，將一枚偵察衛(wèi)星送往火星，以前所未有的分辨率對火星這顆紅色行星進(jìn)行詳細(xì)考察，并且為往后的火星地表任務(wù)尋找適合的登陸地點，同時為這些任務(wù)提供高速的通訊傳遞功能）、卡西尼惠更斯衛(wèi)星（1997?2005年，對土星進(jìn)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(fā)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(dāng)“機(jī)械地質(zhì)工作者”，尋找有關(guān)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(yuǎn)鏡（2003年至今，負(fù)責(zé)觀測厚厚的塵云、朦朧的銀河系核心以及宇宙內(nèi)的其他隱秘區(qū)域）、火星探測軌道衛(wèi)星（2005年至今，提供非常細(xì)微的火星地質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(jìn)行研究）和火星科學(xué)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(jī)化合物和環(huán)境條件進(jìn)行分析）等。

實驗室?guī)缀趺磕甓紩幸淮伍_放參觀日，屆時會邀請公眾參觀實驗室的設(shè)備，并觀摩實驗室科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)場展示。來自加利福尼亞州南部和其他地方的學(xué)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(jìn)實驗室還會協(xié)助在其附近的電影電視工業(yè)，對一些關(guān)于電影、電視中所涉及的科學(xué)準(zhǔn)確性提供經(jīng)常的建議。endprint