9个诺奖、百年历史,它其实是由企业办的实验室

2014年的诺贝尔化学奖授予白兹格(Eric Betzig)、黑尔(Stefan W. Hell)和莫尔纳(William E. Moerner),以表彰他们对于超分辨荧光显微镜的贡献。1990年代在贝尔实验室,白兹格基于光在单个分子上激发的荧光,发明了一种超越通常的光分辨极限的方法,将不同分子的激发结合起来,使得显微镜具有非常高的分辨率。  

1998年,斯通莫(Horst Störmer)、劳夫林(Robert Laughlin)和崔琦(Daniel Tsui)因为分数量子霍尔效应的实验和理论而分享诺贝尔物理学奖。霍尔效应是指磁场中的导电平面的边缘积累电荷,因此在与电流垂直的方向也会有电导。冯克里青(Klaus von Klitzing)发现,两种半导体的界面上的霍尔电导总是某个常量的整数倍数。1982年,当时在贝尔实验室工作的崔琦和斯通莫发现这个倍数还可以是分数。事实上,电子在这里形成了一种新的量子流体。 

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。 

贝尔实验室在基础研究方面的辉煌历史可以赋予今天的中国很多启示。马化腾的建议也正逢其时。

阿什金(Arthur Ashkin),图片来源:nobelprize.org安德森(Philip Warren Anderson)朱棣文白兹格(Eric Betzig)

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,它们都得到了实验室的支持。

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。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。

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。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。

1997年,朱棣文因为用激光冷却和束缚原子而与另外两位也在这方面作出重要贡献的科学家柯亨-塔诺基(Claude Cohen-Tannoudji)及菲利普斯(William D. Phillips)分享诺贝尔物理学奖。1980年代,他们用不同的方法将原子冷却到微开的量级(0开就是绝对零度)。这一发现为1995年实现玻色-爱因斯坦凝聚(所有的粒子处于同一种量子态)打下了基础。取得获奖成就时,朱棣文就在贝尔实验室工作,在那里他还实现了“原子喷泉”。

1937年, NBA戴维森(Clinton Joseph Davisson)因为发现了电子在晶体中的衍射现象,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。

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%)。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。

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。

让我们来看看这些在贝尔实验室孕育出的诺奖成果。 

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。

在今年两会上,作为企业家代表的马化腾提出的一条建议,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。

2006年,贝尔实验室的母公司朗讯(Lucent Technologies)与法国的阿尔卡特公司(Alcatel)合并为阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent),同时成立一个新公司LGS Innovations来管理贝尔实验室和朗讯的政府合同。2007年,贝尔实验室与阿尔卡特的实验室合并。2008年,贝尔实验室退出了基础研究。

2018年,阿什金因为发明光镊且用之于研究生物系统,而获得诺贝尔物理学奖的一半。另一半授予产生超强超短激光脉冲方法的莫雷(Gérard Mourou)和斯崔克兰(Donna Strickland)。阿什金巧妙地利用光压,发明了可以捕捉原子、分子、微粒和细胞的光镊,并为激光束缚原子打下了基础 。1969年,阿什金用聚集的激光移动了空气和水中的介电小球。1977年,为了囚禁和冷却原子,阿什金提出“全光单束梯度力囚禁”的构想,也就是光镊。1985年,阿什金与同事成功地用光镊囚禁了一个介电小球。1986年,朱棣文等人与阿什金合作,将原子减速冷却下来,并应用和发展了阿什金的光镊囚禁方法,成功实现了原子的激光冷却和囚禁。1986年,阿什金开始将光镊用于研究生物系统。光镊现在成为研究生命系统的重要工具。

历史上,贝尔实验室的科学家一共获得了9次诺贝尔奖,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。

2009年,博伊尔(Willard S. Boyle)和史密斯(George E. Smith)因为发明CCD传感器而获得当年诺贝尔物理学奖的一半(另一半授予对光纤作出杰出贡献的高锟)。1969年,贝尔实验室的博伊尔和史密斯的一个电子学记忆设计为CCD打下了基础。在CCD中,感光元件受到光射后发出电子,如果加上电压,就会有电信号,导致数字成像。 

2016年,诺基亚买下了阿尔卡特-朗讯,贝尔实验室正式更名为“诺基亚-贝尔”实验室。

文 | 施郁 复旦大学物理学系教授


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