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世界著名实验室简介

2011-04-27
实验室,国家实验室
世界著名实验室简介
方占召

实验室是科学的摇篮,是科学研究的基地,对科技发展起着十分重要的作用。在国际上享有盛誉的著名实验室更被喻为科研领域的麦加,是科技工作者向往和追随的地方。这些实验室往往代表了世界前沿基础研究的最高水平,诞生了一大批诺贝尔奖获得者和具有划时代意义的科技创新成果,是开展高层次学术交流的重要场所。下面选取一些具有代表性的,分类加以介绍。

一、第一类是建立在大学里面,附属于大学或者是由大学代管的实验室。例如:英国剑桥大学的卡文迪什实验室,莫斯科大学的物理实验室,荷兰莱顿大学的低温实验室,英国曼彻斯特大学的物理实验室,等等。美国很多一流的研究型大学都为政府代管国家实验室,这些设在大学里的国家实验室作为原始性创新基地,在国家基础研究、技术开发和科技攻关中承担着重要使命。

1、加州大学伯克利分校的劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称LBNL)
劳伦斯伯克利国家实验室位于美国加州大学伯克利分校,占地81公顷,毗邻旧金山湾。它隶属于美国能源部,由伯克利代管。劳伦斯伯克利实验室是1939年诺贝尔物理学奖得主欧内斯特.奥兰多.劳伦斯先生于1931年建立的,早期关注于高能物理领域的研究,建起了第一批电子直线加速器,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,成为美国乃至世界核物理学的圣地。它是美国一系列著名实验室:Livermore,Los Alamos,Brookhaven等实验室的先驱,也是世界上成百所加速器实验室的楷模。劳伦斯伯克利国家实验室现在研究的领域非常宽泛,下设18个研究所和研究中心,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。劳伦斯伯克利实验室建立以来,共培养了5位诺贝尔物理学奖得主和4位诺贝尔化学奖得主。劳伦斯伯克利国家实验室现有3800名雇员,其中相当一部分是伯克利分校的老师和学生,2004年的财政预算超过5亿美元。特别值得提出的是,目前实验室的主任是朱棣文先生,他是极少数担任美国国家学术机构领导的华人之一。

2、麻省理工学院的林肯实验室(Lincoln Laboratory)
MIT于1951年在麻省的列克辛顿(Lexington)创建了林肯实验室。其前身是研制出雷达的辐射实验室。该实验室是联邦政府投资的研究中心,其基本使命是把高科技应用到国家安全的危急问题上。它很快在防空系统的高级电子学研究中赢得了声誉,其研究范围又迅速扩展到空间监控、导弹防御、战场监控、空中交通管制等领域,是美国大学第一个大规模、跨学科、多功能的技术研究开发实验室。
1957年该实验室建成全固态、可编程数字计算机控制的雷达系统(Millstone Hill radar),实现了对空间目标的实时跟踪,既能跟踪苏联卫星的活动,也能监控卡那维拉尔角的火箭发射。后来,这发展成弹道导弹战略防御系统,其中关键性的技术是数字信号处理和模式识别。在20世纪60年代初期,林肯实验室开发了卫星通信系统,导致8颗实验通信卫星的发射。在20世纪70年代初期,实验室开始研究民航交通管制,强调雷达监控,进行恶劣气象的检测,开发了航空器的自动化控制装置。在20世纪80年代,实验室为克服大气紊流的影响,开发了大功率激光雷达系统。20世纪90年代,为NASA等开发了传感器。现在,林肯实验室则在开发陆地图像处理设备。
为了支持庞大的创新研究,林肯实验室一直保持了在基础研究上的领先地位,例如表面物理、固态物理以及有关材料的优势。它完成了开发半导体激光器的早期研究,设计了红外激光雷达,并开发了高精度卫星定位与跟踪系统。
林肯实验室在计算机图形学、数字信号处理理论以及设计与建造高速数字信号处理计算机等方面做出很大的贡献。信号处理毕竟是实验室许多项目的核心技术,包括高吞吐率的通用信号处理器。它在语音编码与识别方面也有许多出色工作,为自动翻译开拓了道路。
林肯实验室现有雇员2432人,它在2003财政年度的经费是5.226亿美元,其中91.6%即4.787亿美元来自美国国防部,这就不难理解MIT林肯实验室事实上是美国军事电子系统的大本营。

3、加州大学的洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory,简称LANL)
洛斯阿拉莫斯国家实验室位于美国新墨西哥州首府圣塔菲西北56公里处,成立于1943年,以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世。
洛斯阿拉莫斯是一个当之无愧的科学城和高科技辐射源。实验室在二战期间由罗斯福总统倡议建立,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。
该实验室是一所由能源部与加利福尼亚大学联合管理的多计划研究机构。其研究工作分两大类:武器研究,包括开发满足目前军事需要的核弹头、设计试验先进技术方案,以及通过相关科学技术领域的实验与理论研究,维持一项创新性武器研究计划;非武器研究,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。
这里云集了大批世界顶尖科学家,目前共有1.2万名雇员,每年经费预算高达21亿美元。

4、布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory,简称BNL)
布鲁克海文国家实验室位于纽约长岛萨福尔克县(Suffolk County)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BATTELLE成立的布鲁克海文科学学会负责管理。
布鲁克海文国家实验室拥有3台开展研究用的反应堆和同步辐射光源、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、回旋加速器等一大批大型仪器和设备。除开创了核技术、高能物理、纳米技术等多个领域的研究外,该实验室还在生物、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。大科学装置群的强大支撑能力和多学科交叉的环境,使布鲁克海文国家实验室在发展新型、边缘科学和突破重大新技术方面具有强大的能力,取得多项令世界瞩目的重大成果,并数次获得诺贝尔奖,成为著名的大型综合性科学研究基地。
布鲁克海文实验室拥有3000名雇员,每年还接待全球的超过4000名科学家的访问。布鲁克海文的年度研究经费超过4亿美元。

5、加州理工学院的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,简称JPL)
喷气推进实验室是位于加利福尼亚州帕萨迪那美国国家航空航天局(NASA)的一个下属机构,负责为美国国家航空航天局开发和管理无人空间探测任务,行政上属于加州理工学院管理,前身是由航空大师西奥多.冯.卡门于1936年牵头成立的喷气动力研究所。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,确立了其作为“太空开发计划之母”的地位。目前喷气推进实验室共进行着45个项目的研发,各种无人探测器升空后的控制工作大都由其负责。它还担负着对地球准确测量的任务,控制着全球的深空探测网络。这里汇集了太空研究领域一流的科学家和工程师,员工总数超过5200人,年度研究经费达13亿美元。

6、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,简称ORNL)
橡树岭国家实验室是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室,成立于1943年,原称克林顿实验室,是曼哈顿秘密计划的一部分,现由田那西大学和Battelle纪念研究所共同管理。
20世纪50年代和60年代期间,橡树岭国家实验室主要从事核能、物理及生命科学的相关研究。70年代成立了能源部后,使得橡树岭国家实验室的研究计划扩展到能源产生、传输和保存等领域。
目前,橡树岭国家实验室的任务是开展基础和应用的研究与开发,提供科学知识和技术上解决复杂问题的创新方法,增强美国在主要科学领域里的领先地位;提高洁净大量能源的利用率;恢复和保护环境以及为国家安全作贡献。
橡树岭国家实验室许多科学领域在国际上处于领先地位。它主要从事6个方面的研究,包括中子科学、能源、高性能计算、复杂生物系统、先进材料和国家安全。
橡树岭国家实验室现有雇员3800多人和客座研究人员大约3000人,年度经费超过10亿美元。

7、阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)
阿贡国家实验室是美国政府最老和最大的科学与工程研究实验室之一——在美国中西部为最大。阿贡是1946年特许成立的美国第一个国家实验室,也是美国能源部所属最大的研究中心之一。过去半个世纪中,芝加哥大学为美国能源部及其前身监管阿贡国家实验室的运行。
阿贡是从二次世界大战曼哈顿工程的一部分,芝加哥大学的冶金实验室的基础上发展起来的。战后,阿贡接受开发和平利用原子反应堆的任务。数年来,阿贡的研究不断扩大,包括了基础科学、科学设施、能源资源计划、环境管理、国家安全、工业技术开发等许多领域。阿贡有两个场所:位于伊利诺州的东场所,占地1500英亩,是美国能源部芝加哥工作办公室所在地;位于爱达荷州的西场所,占地约900英亩,是阿贡多数主要核反应堆研究设施的所在地。
今天,阿贡的雇员超过3500名,运行经费约为4.75亿美元,支持200多个研究项目,从原子核研究到全球气候变化研究。1990以来,阿贡曾与600多家公司、无数的联邦政府部门以及其他组织一道工作。

二、第二类实验室属于国家机构,有的甚至是国际机构,由好几个国家联合承办。它们大多从事于基本计量,高精尖项目,超大型的研究课题,和国防军事任务。例如:

1、德国的联邦技术物理研究所(Physikalisch Technische Bundesanstalt,简称PTB)
建于1884年,原名帝国技术物理研究所(Physikalisch Technische Reichsanstalt,简称PTR),相当于德国的国家计量局,以精密测量热辐射著称。十九世纪末该研究所的研究人员致力于黑体辐射的研究,导致了普朗克发现作用量子。可以说这个实验室是量子论的发源地。
谈到该实验室就须介绍物理学史上两位重要的人物。
第一个是1911年诺贝尔物理学奖获得者维恩Wilhelm Wien(1864-1928),他曾是该实验室的理论带头人,在这里工作长达近十年的时间。他的主要贡献是发现了几个重要的热辐射定律。
第二位是1918年诺贝尔物理学奖得主普郎克,他发现的能量级对物理学的进展作出了重大贡献。他是继维恩后曾在该实验室工作的一位重要的学术带头人。

2、英国的国家物理实验室(National Physical Laboratory,简称NPL)
英国的国家物理实验室,是英国历史悠久的计量基准研究中心,创建于1900年。
1981年分6个部:即电气科学、材料应用、力学与光学计量、数值分析与计算机科学、量子计量、辐射科学与声学。
作为高度工业化国家的计量中心,与全国工业、政府各部门、商业机构有着广泛的日常联系,对外则作为国家代表机构,与各国际组织、各国计量中心联系。它还对环境保护,例如噪声、电磁辐射、大气污染等方面向政府提供建议。英国国家物理实验室共有科技人员约1000人,1969年最高达1800人。

3、欧洲核子研究中心(European Organization for Nuclear Research,简称CERN)
欧洲核子研究中心创立于1954年,是规模最大的一个国际性的实验组织。它的创建、方针、组织、选题、经费和研究计划的执行,都很有特点。1983年在这里发现W±和Z0粒子,次年该中心两位物理学家鲁比亚和范德梅尔获诺贝尔物理奖。
欧洲核子研究中心是在联合国教科文组织的倡导下,由欧洲11个国家从1951年开始筹划,现已有26个成员国。经费由各成员国分摊,所长由理事会任命,任期5年。下设管理委员会、研究委员会和实验委员会,组织精干,管理完善。研究人员共达9000人,多为招聘制。这是一个旨在探索“宇宙开始时最基本的东西是什么”等问题的纯科学的物理研究机构,也是当今世界上规模最大的科学实验室之一。来自包括中国在内的世界80多个国家的6000多名物理学家曾在此工作过。
这个研究中心建有两个国际研究所,供世界著名的科学家小组研究亚原子核的结构及其理论。第一研究所装有6亿电子伏的同步回旋加速器,280亿电子伏的质子同步加速器等。第二研究所在第一研究所旁边,它装有一台周长约7千米的新质子同步加速器。
研究中心除有许多先进而价格昂贵的试验设备外,还有图书资料室,并出版《欧洲核研究组织信使》(月刊)和科学报告等。由于中心的设备齐全,服务优良,加上科学家们的勤奋努力,欧洲核子研究中心在粒子物理研究领域已经取得了一些举世瞩目的成果,从而成为名副其实的核子研究中心。
数十年来,该研究中心先后建成质子同步回旋加速器、质子同步加速器、交叉储存环(ISR)、超质子同步加速器(SPS)、大型正负电子对撞机(LEP)、并拥有世界上最大的氢气泡室(BEBL)。

4、瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute,简称PSI)
瑞士保罗谢勒研究所是瑞士科学和技术的多学科研究中心。在与国内外大学、其他研究机构和工业界的合作中,PSI在固态物理、材料科学、基本粒子物理、生命科学、核与非核能研究及与能源有关的生态学的研究中非常活跃。
PSI是瑞士最大的国家研究所,有雇员1200人,是瑞士唯一这种类型的研究所。
PSI研究的重点放在基础研究和应用研究,特别是与可持续发展有关的领域和对教育和培训具有重要意义、但超出大学单个系能力的领域。
PSI研制和运行需要特别高标准的技术诀窍、经验和专业的复杂研究设施,拥有散裂中子源,瑞士光源(SLS)等大科学装置,是世界科学界主要的用户实验室之一。通过它开展的研究,PSI获得新的基础知识,并积极促进其在工业上的应用。

三、第三类实验室直接归属于工业企业部门,为工业技术的开发与研究服务。其中最著名的有贝尔实验室和IBM研究实验室。

1、贝尔实验室(Bell Laboratories)
贝尔实验室原名贝尔电话实验室,始建于1925年,总部在美国纽约(后迁至新泽西州的墨里黑尔)。它是一个在全球享有极高声誉的研究开发机构,主要宗旨是进行通讯科学的研究,有研究人员20000人,下属6个研究部,共14个分部,56个实验室,每年经费达22亿美元,其中10%用于基础研究。除了无线电电子学以外,在固体物理学(其中包括磁学、半导体、表面物理学)、天体物理学、量子物理学和核物理学等方面都有很高水平。
贝尔实验室自成立以来,共获专利26000多项(平均每天一项),其中重大科研成果50多项,如有声电影、晶体管、信息论、激光理论、3K宇宙背景辐射、可视电话、磁泡器件、光通信、数字计算机等,对我们的生活产生了重要的影响。在这里每年都要发表上千篇学术论文,造就了一大批优秀科学家。几十年来获得诺贝尔物理奖的先后有:发明电子衍射的戴维森,发明晶体管的肖克利、巴丁和布拉坦,发明激光器的汤斯和肖洛,理论物理学家安德逊,射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊。正是由于贝尔实验室产生了许多科学研究的突出成就,人们把它看作世界上最具权威性的研究机构之一。

2、IBM研究实验室(IBM Research)
IBM是International Business Machines Corporation(美国国际商用机器公司)的简称,创建于1911年,现已发展成为跨国公司,在计算机生产与革新中居世界领先地位。
IBM研究实验室也叫IBM研究部,共有研究人员3500人,还吸收许多博士后和访问学者参加工作。它专门从事基础科学研究,并探索与产品有关的技术,其特点是将这两者结合在一起。科学家在这里工作,一方面推进基础科学,一方面提出对实际应用有益的科学新思想。研究部下属四个研究中心:
(1)位于美国纽约的Thomas J.Watson研究中心。从事计算机科学、输入/输出技术、生产性研究数学、物理学、记忆和逻辑等方面的研究。其中物理学包括:凝聚态物理、超微结构、材料科学、显微技术、表面物理、激光物理以至天文学和基本粒子。
(2)位于美国加州的Almaden研究中心。除了计算机科学以外,还进行高温超导、等离子体、扫描隧道显微镜和同步辐射等研究。
(3)瑞士Zurich研究中心。重点是激光科学与技术,特别是半导体激光器、光学储存、光电材料、分子束外延、高温超导、超显微技术等方面,还进行信息处理等计算机科学研究。
(4)日本东京研究中心。内分计算机科学研究所、新技术研究所和东京科学中心,主要是结合计算机的生产和革新进行研究。
进入80年代,IBM研究中心成绩斐然,两届诺贝尔物理奖都被它的成员夺得:一是因发明扫描隧道显微镜,宾尼格(G. K. Ginnig)与罗勒尔(H. Rohrer)共获1986年诺贝尔物理奖的一半,二是因发现金属氧化物的高温超导电性,柏诺兹(J. G. Bednorz)和缪勒(K. A. Müller)共获1987年奖。

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本栏目主要介绍科学技术方面,包括现代科学研究成果、现代科技、现代科学技术、世界著名实验室简介等。特别关注有关人与文化的价值方面的研究。

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