近百年歷史贏9次諾獎，這個實驗室給我國基礎科研帶來哪些啟示？

位於大洋彼岸的貝爾實驗室聞名遐邇，這裡不僅誕生了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。而我們現在享受的很多科技產品也要歸功於它。

貝爾實驗室在推動基礎科研的發展中扮演過什麼樣的角色？在急需發展基礎科研的中國，這所實驗室又會給我們什麼啟發？或許，我們可以從貝爾實驗室的輝煌歷史中找到答案。

位於美國新澤西州的貝爾實驗室

在2019年的兩會上，作為企業家代表的馬化騰先生提出的一條建議，引發了熱烈討論。他建議國家出臺激勵措施，鼓勵企業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。根據美國美國國家科學基金會（NSF）的統計數據，2016年，美國政府對基礎科研的資金投入佔比為47%，而企業佔比高達27%，甚至超過了高校（14%）[1]。在美國，企業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範。

位於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）公司於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。在過去的一個世紀裡，貝爾實驗室對人類科技進步做出了重要貢獻。比如，電晶體、雷射、電荷耦合器件（CCD）、資訊理論、UNIX作業系統、計算機C語言等都誕生於此。

特別值得注意的是，作為一個工業公司所屬的實驗室，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展，也包括很多對於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誌。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雷射領域作出突破性發明的科學家——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後，便加入了貝爾實驗室，在那裡工作了40年，直至退休。

阿什金（Arthur Ashkin），圖片來源：nobelprize.org

1937年，戴維森（Clinton Joseph Davisson）因為發現了電子被晶體衍射，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。一戰之後，他留在貝爾實驗室，繼續研究真空管中電子的行為。1927年，他和革默（Lester Germer）合作發現了電子衍射。同一年，湯姆森也做出了同樣的發現。今天，戴維森-革默實驗已經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）因為發明半導體電晶體而獲得諾貝爾物理學獎。1947年，在貝爾實驗室，巴丁和布列坦先發明了一种放大電信號的半導體放大器，然後肖克利又作了進一步的改進，這就是電晶體。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）因為發展無序材料（比如玻璃）中的電子理論，而與莫特（Sir Nevill Francis Mott）和範夫列克（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，也就是局限於小範圍運動，不能導電。安德森對凝聚態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理論物理學家。後來，安德森長期任教於普林斯頓大學。

安德森（Philip Warren Anderson）

1978年，彭齊亞斯（Arno A. Penzias）與威爾遜（Robert W. Wilson）因為發現微波背景輻射，而與發現超流的卡皮查（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，為關於宇宙起源的大爆炸理論提供了關鍵證據。根據大爆炸理論，175億年前，宇宙起源於大爆炸，隨著宇宙的膨脹，溫度降低，物質成為星體和星系，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，以用於射電天文學和衛星通訊。當他們發現這種強度較高、來自外太空各個方向的微波時，並不清楚它的起源。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於探測宇宙背景輻射的狄克輻射計。

1997年，朱棣文因為用雷射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）。這一發現為1995年實現玻色-愛因斯坦凝聚（所有的粒子處於同一種量子態）打下了基礎。取得獲獎成就時，朱棣文就在貝爾實驗室工作，在那裡他還實現了「原子噴泉」。

朱棣文

1998年，斯通莫（Horst Störmer）、勞夫林（Robert Laughlin）和崔琦（Daniel Tsui）因為分數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。馮克裡青（Klaus von Klitzing）發現，兩種半導體的界面上的霍爾電導總是某個常量的整數倍數。1982年，當時在貝爾實驗室工作的崔琦和斯通莫發現這個倍數還可以是分數。事實上，電子在這裡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傑出貢獻的高錕）。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，感光元件受到光射後發出電子，如果加上電壓，就會有電信號，導致數字成像。

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），以表彰他們對於超分辨螢光顯微鏡的貢獻。1990年代在貝爾實驗室，白茲格基於光在單個分子上激發的螢光，發明了一種超越通常的光分辨極限的方法，將不同分子的激髮結合起來，使得顯微鏡具有非常高的解析度[5]。

白茲格（Eric Betzig）

2018年，阿什金因為發明光鑷且用之於研究生物系統，而獲得諾貝爾物理學獎的一半。另一半授予產生超強超短雷射脈衝方法的莫雷（Gérard Mourou）和斯崔克蘭（Donna Strickland）。阿什金巧妙地利用光壓，發明了可以捕捉原子、分子、微粒和細胞的光鑷，並為雷射束縛原子打下了基礎 [4]。1969年，阿什金用聚集的雷射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，並應用和發展了阿什金的光鑷囚禁方法，成功實現了原子的雷射冷卻和囚禁。1986年，阿什金開始將光鑷用於研究生物系統。光鑷現在成為研究生命系統的重要工具。

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）合併為阿爾卡特-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併。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] 施鬱. 雷射成就夢想：2018年諾貝爾物理學獎深度解讀. 知識分子, 2018.10.10.[5] 施鬱. 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，現代物理知識，2015年27卷1期，32-34