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近百年历史、9个诺贝尔奖 这个实验室有何不一样?

  位于大洋彼岸的贝尔实验室闻名遐迩,这里不仅诞生了9个诺贝尔奖,还把图灵奖、美国国家科学奖等大奖收入囊中。而我们现在享受的很多科技产品也要归功于它。贝尔实验室在推动基础科研的发展中扮演过什么样的角色?在急需发展基础科研的中国,这所实验室又会给我们什么启发?或许,我们可以从贝尔实验室的辉煌历史中找到答案。

  在今年两会上,作为企业家代表的马化腾先生提出的一条建议,引发了热烈讨论。他建议国家出台激励措施,鼓励企业等社会力量加强对基础科研的投入,改变我国基础科研主要由政府投入的局面。

  相比之下,美国的基础研究来源更为多元化。根据美国NSF(美国国家科学基金会)的统计数据,2016年,美国政府对基础科研的资金投入占比为47%,而企业占比高达27%,甚至超过了高校(14%)[1]。在美国,企业出资从事基础研究的不乏先例。成立近百年的贝尔实验室更是其中的典范。

  位于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Lab)的前身是美国电话与电报公司(AT&T)子公司西部电气(Western Electric)公司于19世纪末成立的工程部[2]。1925年,这个工程部成为贝尔实验室。在过去的一个世纪里,贝尔实验室对人类科技进步做出了重要贡献。比如,晶体管、激光、电荷耦合器件(CCD)、信息论、UNIX操作系统、计算机C语言等都诞生于此。

  特别值得注意的是,作为一个工业公司所属的实验室,贝尔实验室历史上在基础研究方面成果卓著。大大小小的基础研究既大大促进了公司的技术发展,也包括很多对于公司的技术没有直接应用的成就,它们都得到实验室的支持。

  历史上,贝尔实验室的科学家一共获得了9次诺贝尔奖[2],包括8次物理学奖和1次化学奖。这也是贝尔实验室推动基础研究的重要标志。让我们来看看这些在贝尔实验室孕育出的诺奖成果[3]。

  最近的一次是在2018年,当年的诺贝尔物理学奖授予了在激光领域作出突破性发明的科学家——96岁的“光镊之父”阿什金(Arthur Ashkin)与另外两位科学家[4]。阿什金成为史上最高龄的诺奖得主,他的获奖工作就是在贝尔实验室完成的。而且,他自康奈尔大学博士毕业后,便加入了贝尔实验室,在那里工作了40年,直至退休。

  1937年,戴维森(Clinton Joseph Davisson)因为发现了电子被晶体衍射,证明了电子的波动性,从而与汤姆森(George Paget Thomson)分享了诺贝尔物理学奖。1917年,戴维森从卡内基工学院来到贝尔实验室,研究军事通讯上所需要的真空管。一战之后,他留在贝尔实验室,继续研究真空管中电子的行为。1927年,他和革默(Lester Germer)合作发现了电子衍射。同一年,汤姆森也做出了同样的发现。今天,戴维森-革默实验已经成为大学物理的基础教学实验。

  1956年,肖克利(William Shockley)、巴丁(John Bardeen)和布列坦(Walter H。 Brattain)因为发明半导体晶体管而获得诺贝尔物理学奖。1947年,在贝尔实验室,巴丁和布列坦先发明了一种放大电信号的半导体放大器,然后肖克利又作了进一步的改进,这就是晶体管。 顺便提一下,1956年获奖时,巴丁在伊利诺伊大学任教,刚刚与库珀和施瑞弗提出BCS超导理论,这使他们获得1972年的诺贝尔物理学奖,巴丁也成为唯一两次荣膺诺贝尔物理学奖的获得者。

  1977年,安德森(Philip Warren Anderson)因为发展无序材料(比如玻璃)中的电子理论,而与莫特(Sir Nevill Francis Mott)和范夫列克(John Hasbrouck van Vleck)分享了诺贝尔物理学奖。1958年,在贝尔实验室工作的安德森指出,在无序材料中,一定条件下,电子是局域化的,也就是局限于小范围运动,不能导电。安德森对凝聚态物理理论有非常多的重要贡献,可能是当代最重要的凝聚态理论物理学家。后来,安德森长期任教于普林斯顿大学。

  1978年,彭齐亚斯(Arno A。 Penzias)与威尔逊(Robert W。 Wilson)因为发现微波背景辐射,而与发现超流的卡皮查(Pyotr Leonidovich Kapitsa)分享了诺贝尔物理学奖。微波背景辐射指均匀充满整个宇宙的微波,为关于宇宙起源的大爆炸理论提供了关键证据。根据大爆炸理论,175亿年前,宇宙起源于大爆炸,随着宇宙的膨胀,温度降低,物质成为星体和星系,而充斥宇宙的辐射的波长拉长,成为微波。1960年代,他们建起狄克(Robert Dicke)辐射计,以用于射电天文学和卫星通讯。当他们发现这种强度较高、来自外太空各个方向的微波时,并不清楚它的起源。当时,普林斯顿大学的宇宙学家(包括狄克)很快给出了解释,事实上,他们正在试图建造用于探测宇宙背景辐射的狄克辐射计。

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