世界著名的物理实验室（三）

徐汉屏

·费米国家实验室

费米国家实验室（简称FNAL）位于美国伊利诺伊州巴达维亚附近的草原上，占地面积27.5平方公里。园区内主要建筑有16层的威尔逊大楼、利德曼科学教育中心费曼计算中心技术分部培训中心、各分支实验室，以及整体结构位于地下的“费米加速器链”，包括质子反质子对撞机、数个小型回旋加速器和直线加速器，包括加速器附属的控制室、机房、探测器大厅、靶厅、动力厦和维修厂房等。

该实验室建立于1967年，原名为国家加速器实验室。实验室的第一任主管威尔逊为该实验室制定的格言是：“杰出的科学，艺术的瑰丽，土地的守护神，经费上精打细算和机会均等。”

为纪念著名的理论物理学家费米，该实验室于1974年5月改名为费米国家实验室。费米（1901～1954）是原子时代卓越的物理学家，因发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应，获1938年诺贝尔物理学奖。

实验室的目标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运转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解。

费米国家实验室是美国最重要的物理学研究中心之一，是美国最大的高能物理研究实验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心。

高能物理研究的主要工具是加速器，特别是对撞机，让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞。

在美国，最高能量的对撞机就是费米实验室的万亿电子伏加速器，在欧洲核子中心的大型强子对撞机建成之前，它是世界上最大的加速器，是费米实验室的骄傲和希望。它曾捕获了许多新奇亚原子粒子，其中包括第六种夸克——顶夸克的发现（顶夸克属于上夸克的近亲，但其质量要略重）。它能将质子和反质子束流沿着4英里的周长加速到光速的99.999 999 54%。这两个束流在位于束流管道不同位置的两个5 000吨的探测器中心对撞，以研究宇宙早期的情形，探查物质在最小尺度的结构，探索物质、空间和时间的奥秘；束流还引入到固定靶产生中微子束流用来开展研究。

目前，实验室正在分两个阶段进行超大型强子对撞机的设计研究。第一个阶段，利用放在大周长隧道中的坚固超铁氧体磁铁，该对撞机的对撞能量达到40 TeV，亮度与西欧中心大型强子对撞机的亮度一样。第一阶段的潜在科学目标完全实现后开始第二阶段的工作。在同一隧道中安装上高磁场磁铁，对撞能量至少达到175 TeV。

费米国家实验室的研究集中在当代粒子物理以下几个主要问题上：为什么粒子具有质量；中微子质量是否来自不同的源；夸克与轻子的真正本质是什么；为何有三代基本粒子；真正意义上的基本的力是什么；如何将粒子物理和量子引力融合在一起；物质与反物质有何区别；把宇宙组合在一起的暗物质是什么；什么是促使宇宙膨胀的暗能量；在已知道的维数之外，是否还有隐藏的维数；地球是多维广义宇宙的一部分吗；宇宙是由什么组成的及宇宙是如何运作的。

值得一提的是，费米国家实验室精确测定了物质与反物质转换速率。设在该实验室的国际对撞机探测器合作组织对物质与反物质之间的超快转换进行了最精确的测量。实验发现某些B介子可以自发地转变成为反B介子然后再变回B介子，转变速度为三万亿次每秒。这一结果与粒子物理标准模型相吻合，并再次证明电荷宇称破缺的存在，而电荷宇称破缺被认为是宇宙中物质比反物质多的原因。

未来几年在粒子物理上的发現将改变粒子物理的研究方向，而这些发现的最佳机遇则可能存在于费米实验室所开展的实验中。

·卢瑟福·阿普尔顿国家实验室

卢瑟福·阿普尔顿国家实验室（简称RAL）位于英国的牛津郡，靠近迪德考特，是一个多学科、综合性的世界著名的大型实验室。

该实验室的历史可追溯到1921年。1921年，英国在斯劳建立了无线电研究站，后来改称阿普尔顿实验室。1957年，卢瑟福高能实验室作为国家核科学研究所的设施在牛津郡切里顿建成。1964年，在卢瑟福高能实验室所在地切里顿成立了阿特拉斯计算实验室。1965年英国成立了科学研究理事会，卢瑟福高能实验室和阿普尔顿实验室（以及皇家格林威治和爱丁堡观测站）都是其成员。1975年，卢瑟福高能实验室与改名为阿特拉斯中心的阿特拉斯计算实验室合并。1979年，卢瑟福高能实验室与阿普尔顿实验室合并，成为卢瑟福·阿普尔顿实验室。1994年，卢瑟福·阿普尔顿实验室又与1962年建在柴郡的达斯伯里实验室合并，由英国工程和物理科学研究委员会照管。

卢瑟福·阿普尔顿国家实验室的设施和研究工作主要有：中心激光装置，运行高功率玻璃和钛宝石激光设施和几个较小规模可调激光器，为英国和其他欧共体国家的研究人员提供大型激光系统；世界上亮度最高的散裂中子源，提供中子和缪子束流，支持世界上大约1600名科学家开展物理、化学、材料科学、地质学、工程和生物学的研究；第三代同步辐射光源，作为在原子和分子水平研究物质结构如生物组织、聚合物和催化剂最先进的科学装置，支持研究人员设计药物和高技术材料、研究环境问题等工作；空间科学与技术，设有运行卫星控制中心，提供模拟宇宙条件的测试设备；中心微型结构装置，以电子束光刻为基础，为大学和工业界提供最先进的微加工服务和研发设备，利用先进的技术研制和加工样机；能源研究机构，研究题目包括空气动力学、强电电子学、飞轮和电池能量储存、控制系统、材料测试、预报、风流速模拟等；无线电通信研究机构，从事无线电波传播、无线电通信和天文学方面广泛题目的研究；分子光谱装置，用于红外线、可见光和紫外线光谱研究，为科研人员提供世界水平的科学设备和支持。

该实验室现有雇员1 200人，支持来自大学、研究界10 000名科学家和工程师们的工作。其主要设施用来从事新材料和结构的研究，如从电池电解质到涡轮叶片、x射线激光器、基于空间的天体物理以及粒子物理和许多其他课题。

现在，卢瑟福·阿普尔顿国家实验室已成为核物理、同步辐射光源、散裂中子源、空间科学、粒子天体物理、信息技术、大功率激光、多学科应用研究的中心，成为英国研究委员会中心实验室理事会的成员之一。它的发展历程有力地说明了大型科学研究中心的形成是科学发展的必然。

·卡文迪许实验室

卡文迪许实验室即是剑桥大学的物理实验室。剑桥大学建于1209年，历史悠久，与牛津大学同为英国的最高学府。卡文迪许实验室建于1871-1874年间，由剑桥大学时任校长威廉·卡文迪许私人捐款兴建。

该实验室是为纪念伟大的物理学家、化学家、剑桥大学校友亨利·卡文迪许（威廉·卡文迪许的近亲）而命名的。1789年，亨利·卡文迪许利用扭秤，成功地测出了引力常量的数值，证明了万有引力定律的正确。卡文迪许解决问题的思路是，将不易观察的微小变化量，转化为容易观察的显著變化量，再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量。该实验是物理学史上的经典实验之一。这样，对于天体以及地球质量的估计才成为可能。

英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。把物理实验室从科学家私人住宅中扩展为研究单位，适应了19世纪后半叶工业技术对科学发展的要求，促进了科学技术的开展。随着科学技术的发展，科学研究工作的规模越来越大，社会化和专业化是必然趋势。剑桥大学校长的这一做法是有远见的。

二十世纪70年代以后，古老的卡文迪许实验室已经大大扩建，研究领域包括天体物理学、粒子物理学、固体物理学、生物物理学等。卡文迪许实验室是近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室，催生了大量足以影响人类进步的重要科学成果，包括发现电子、中子、发现原子核的结构、发现DNA的双螺旋结构等，为人类的科学发展做出了举足轻重的贡献，至今仍不失为世界著名的实验室之一。

卡文迪许实验室的有关人员做出了许多对现代科学有重要意义的发现和发明，其中影响全局的有1911年卢瑟福发现原子的核结构、1919年发现人工元素蜕变、1924年证实核势垒，1913年布拉格父子发现x射线晶体衍射公式和测定晶体点阵常数，1932年查德威克发现中于，1933年布莱克特验证正电子，1933年奥利芬特验证质能等价定律，1953年克里克和沃森发现DNA双螺旋结构，1967年赖尔发现射电天体和休伊什发现脉冲星。在凝聚态物理学上，1959年皮帕德提出超导费米面，20世纪60年代英特提出非晶态半导体理论，1962年约瑟夫森提出超导体隧道效应理论等。这些重大发现不但冲破了经典原子论框架，改变了人类两千多年的物质观，而且将观念的变革扩大到生命物质的遗传机理，奠定了电磁理论、气体导电理论、物质电结构理论、x射线晶体物理学，原子物理学、核物理学、分子生物学、射电天文学、表面物理学和凝聚志物理学的基础，因此大多具有划时代意义。这些成就显示了卡文迪许实验室在现代科学革命和发展中起到了何等重要的关键性作用。

卡文迪许实验室作为剑桥大学物理科学院的一个系，从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主，占剑桥大学诺贝尔奖得主总数的三分之一，其科研效率之惊人，成果之丰硕，举世无双。在这29位诺贝尔奖得主中，有20位物理学家、6位化学家和3位生理学或医学家。

一百多年来，卡文迪许实验室吸引了世界各国大量优秀青年物理学家，造就了许多科学精英，成了世界物理学家心目中的圣地。