近百年歷史贏得9次諾獎，這個實驗室給我國基礎科研帶來哪些啟示？
位于大洋彼岸的貝爾實驗室聞名遐邇，這里不僅誕生了9個諾貝爾獎，還把圖靈獎、美國國家科學獎等大獎收入囊中。而我們現(xiàn)在享受的很多科技產(chǎn)品也要歸功于它。
貝爾實驗室在推動基礎科研的發(fā)展中扮演過什么樣的角色？在急需發(fā)展基礎科研的中國，這所實驗室又會給我們什么啟發(fā)？或許，我們可以從貝爾實驗室的輝煌歷史中找到答案。
位于美國新澤西州的貝爾實驗室
● ● ●
在2019年的兩會上，作為企業(yè)家代表的馬化騰先生提出的一條建議，引發(fā)了熱烈討論。他建議國家出臺激勵措施，鼓勵企業(yè)等社會力量加強對基礎科研的投入，改變我國基礎科研主要由政府投入的局面。
相比之下，美國的基礎研究來源更為多元化。根據(jù)美國美國國家科學基金會（NSF）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年，美國政府對基礎科研的資金投入占比為47%，而企業(yè)占比高達27%，甚至超過了高校（14%）[1]。在美國，企業(yè)出資從事基礎研究的不乏先例。成立近百年的貝爾實驗室更是其中的典范。
位于美國新澤西州的貝爾實驗室（Bell Lab）的前身是美國電話與電報公司（AT&T）子公司西部電氣（Western Electric）公司于19世紀末成立的工程部[2]。1925年，這個工程部成為貝爾實驗室。在過去的一個世紀里，貝爾實驗室對人類科技進步做出了重要貢獻。比如，晶體管、激光、電荷耦合器件（CCD）、信息論、UNIX操作系統(tǒng)、計算機C語言等都誕生于此。
特別值得注意的是，作為一個工業(yè)公司所屬的實驗室，貝爾實驗室歷史上在基礎研究方面成果卓著。大大小小的基礎研究既大大促進了公司的技術發(fā)展，也包括很多對于公司的技術沒有直接應用的成就，它們都得到實驗室的支持。
歷史上，貝爾實驗室的科學家一共獲得了9次諾貝爾獎[2]，包括8次物理學獎和1次化學獎。這也是貝爾實驗室推動基礎研究的重要標志。讓我們來看看這些在貝爾實驗室孕育出的諾獎成果[3]。
最近的一次是在2018年，當年的諾貝爾物理學獎授予了在激光領域作出突破性發(fā)明的科學家——96歲的“光鑷之父”阿什金（Arthur Ashkin）與另外兩位科學家[4]。阿什金成為史上最高齡的諾獎得主，他的獲獎工作就是在貝爾實驗室完成的。而且，他自康奈爾大學博士畢業(yè)后，便加入了貝爾實驗室，在那里工作了40年，直至退休。
1937年，戴維森（Clinton Joseph Davisson）因為發(fā)現(xiàn)了電子被晶體衍射，證明了電子的波動性，從而與湯姆森（George Paget Thomson）分享了諾貝爾物理學獎。1917年，戴維森從卡內(nèi)基工學院來到貝爾實驗室，研究軍事通訊上所需要的真空管。一戰(zhàn)之后，他留在貝爾實驗室，繼續(xù)研究真空管中電子的行為。1927年，他和革默（Lester Germer）合作發(fā)現(xiàn)了電子衍射。同一年，湯姆森也做出了同樣的發(fā)現(xiàn)。今天，戴維森-革默實驗已經(jīng)成為大學物理的基礎教學實驗。
1956年，肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布列坦（Walter H. Brattain）因為發(fā)明半導體晶體管而獲得諾貝爾物理學獎。1947年，在貝爾實驗室，巴丁和布列坦先發(fā)明了一種放大電信號的半導體放大器，然后肖克利又作了進一步的改進，這就是晶體管。順便提一下，1956年獲獎時，巴丁在伊利諾伊大學任教，剛剛與庫珀和施瑞弗提出BCS超導理論，這使他們獲得1972年的諾貝爾物理學獎，巴丁也成為唯一兩次榮膺諾貝爾物理學獎的獲得者。
1977年，安德森（Philip Warren Anderson）因為發(fā)展無序材料（比如玻璃）中的電子理論，而與莫特（Sir Nevill Francis Mott）和范夫列克（John Hasbrouck van Vleck）分享了諾貝爾物理學獎。1958年，在貝爾實驗室工作的安德森指出，在無序材料中，一定條件下，電子是局域化的，也就是局限于小范圍運動，不能導電。安德森對凝聚態(tài)物理理論有非常多的重要貢獻，可能是當代最重要的凝聚態(tài)理論物理學家。后來，安德森長期任教于普林斯頓大學。
1978年，彭齊亞斯（Arno A. Penzias）與威爾遜（Robert W. Wilson）因為發(fā)現(xiàn)微波背景輻射，而與發(fā)現(xiàn)超流的卡皮查（Pyotr Leonidovich Kapitsa）分享了諾貝爾物理學獎。微波背景輻射指均勻充滿整個宇宙的微波，為關于宇宙起源的大爆炸理論提供了關鍵證據(jù)。根據(jù)大爆炸理論，175億年前，宇宙起源于大爆炸，隨著宇宙的膨脹，溫度降低，物質(zhì)成為星體和星系，而充斥宇宙的輻射的波長拉長，成為微波。1960年代，他們建起狄克（Robert Dicke）輻射計，以用于射電天文學和衛(wèi)星通訊。當他們發(fā)現(xiàn)這種強度較高、來自外太空各個方向的微波時，并不清楚它的起源。當時，普林斯頓大學的宇宙學家（包括狄克）很快給出了解釋，事實上，他們正在試圖建造用于探測宇宙背景輻射的狄克輻射計。
1997年，朱棣文因為用激光冷卻和束縛原子而與另外兩位也在這方面作出重要貢獻的科學家柯亨-塔諾基（Claude Cohen-Tannoudji）及菲利普斯（William D. Phillips）分享諾貝爾物理學獎。1980年代，他們用不同的方法將原子冷卻到微開的量級（0開就是絕對零度）。這一發(fā)現(xiàn)為1995年實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚（所有的粒子處于同一種量子態(tài)）打下了基礎。取得獲獎成就時，朱棣文就在貝爾實驗室工作，在那里他還實現(xiàn)了“原子噴泉”。
1998年，斯通莫（Horst St?rmer）、勞夫林（Robert Laughlin）和崔琦（Daniel Tsui）因為分數(shù)量子霍爾效應的實驗和理論而分享諾貝爾物理學獎。霍爾效應是指磁場中的導電平面的邊緣積累電荷，因此在與電流垂直的方向也會有電導。馮克里青（Klaus von Klitzing）發(fā)現(xiàn)，兩種半導體的界面上的霍爾電導總是某個常量的整數(shù)倍數(shù)。1982年，當時在貝爾實驗室工作的崔琦和斯通莫發(fā)現(xiàn)這個倍數(shù)還可以是分數(shù)。事實上，電子在這里形成了一種新的量子流體。
2009年，博伊爾（Willard S. Boyle）和史密斯（George E. Smith）因為發(fā)明CCD傳感器而獲得當年諾貝爾物理學獎的一半（另一半授予對光纖作出杰出貢獻的高錕）。1969年，貝爾實驗室的博伊爾和史密斯的一個電子學記憶設計為CCD打下了基礎。在CCD中，感光元件受到光射后發(fā)出電子，如果加上電壓，就會有電信號，導致數(shù)字成像。
2014年的諾貝爾化學獎授予白茲格（Eric Betzig）、黑爾（Stefan W. Hell）和莫爾納（William E. Moerner），以表彰他們對于超分辨熒光顯微鏡的貢獻。1990年代在貝爾實驗室，白茲格基于光在單個分子上激發(fā)的熒光，發(fā)明了一種超越通常的光分辨極限的方法，將不同分子的激發(fā)結(jié)合起來，使得顯微鏡具有非常高的分辨率[5]。
2018年，阿什金因為發(fā)明光鑷且用之于研究生物系統(tǒng)，而獲得諾貝爾物理學獎的一半。另一半授予產(chǎn)生超強超短激光脈沖方法的莫雷（Gérard Mourou）和斯崔克蘭（Donna Strickland）。阿什金巧妙地利用光壓，發(fā)明了可以捕捉原子、分子、微粒和細胞的光鑷，并為激光束縛原子打下了基礎 [4]。1969年，阿什金用聚集的激光移動了空氣和水中的介電小球。1977年，為了囚禁和冷卻原子，阿什金提出“全光單束梯度力囚禁”的構(gòu)想，也就是光鑷。1985年，阿什金與同事成功地用光鑷囚禁了一個介電小球。1986年，朱棣文等人與阿什金合作，將原子減速冷卻下來，并應用和發(fā)展了阿什金的光鑷囚禁方法，成功實現(xiàn)了原子的激光冷卻和囚禁。1986年，阿什金開始將光鑷用于研究生物系統(tǒng)。光鑷現(xiàn)在成為研究生命系統(tǒng)的重要工具。
2006年，貝爾實驗室的母公司朗訊（Lucent Technologies）與法國的阿爾卡特公司（Alcatel）合并為阿爾卡特-朗訊（Alcatel-Lucent），同時成立一個新公司LGS Innovations來管理貝爾實驗室和朗訊的政府合同。2007年，貝爾實驗室與阿爾卡特的實驗室合并。2008年，貝爾實驗室退出了基礎研究。2016年，諾基亞買下了阿爾卡特-朗訊，貝爾實驗室正式更名為“諾基亞-貝爾”實驗室。
貝爾實驗室在基礎研究方面的輝煌歷史可以賦予今天的中國很多啟示。馬化騰的建議也正逢其時。
參考文獻：
[1] www.nsf.gov/statistics/2018/nsf18309/#chp2
[2] Wikipedia
[3] nobelprize.org
[4] 施郁. 激光成就夢想：2018年諾貝爾物理學獎深度解讀. 知識分子, 2018.10.10.
[5] 施郁. 慶祝2015國際光之年、紀念早期量子論—從2014年諾貝爾物理學獎與化學獎談起，現(xiàn)代物理知識，2015年27卷1期，32-34
制版編輯 | Morgan
