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著名物理實(shí)驗(yàn)室簡介（二）貝爾實(shí)驗(yàn)室

        貝爾實(shí)驗(yàn)室，由AT&T公司于1925年成立，以電話發(fā)明人貝爾命名。貝爾實(shí)驗(yàn)室“只”出了12個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，不及卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的一半，但貝爾實(shí)驗(yàn)室對普通人的意義恐怕遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了卡文迪許——晶體管、傳真機(jī)、手機(jī)、太陽能電池、UNIX、C語言，這些都來自貝爾實(shí)驗(yàn)室，并影響了現(xiàn)代人的生活。對于能看到這篇文章的諸位，我只想介紹什么是晶體管。

貝爾實(shí)驗(yàn)室

        晶體管，1947年發(fā)明于貝爾實(shí)驗(yàn)室，它既是貝爾實(shí)驗(yàn)室最大的成就，也應(yīng)該是上世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。晶體管是一種基于半導(dǎo)體物理的器件，可以用電信號改變另一個(gè)電信號，是現(xiàn)在一切電子器件的基礎(chǔ)。由晶體管而計(jì)算器，由計(jì)算器而計(jì)算機(jī)，我們才進(jìn)入了信息時(shí)代。

        電子電路里的邏輯門大約由20個(gè)晶體管組成，上世紀(jì)50年代的分立晶體管計(jì)算機(jī)大約由2000個(gè)晶體管組成。70年代后計(jì)算機(jī)的基本計(jì)算功能被集成于一個(gè)叫central processing unit的模塊，即被我們熟知的CPU。1978年著名的CPU、Intel8086有3E4個(gè)晶體管，1982年的80286有1E5個(gè)晶體管，1985年的80386有3E5個(gè)晶體管，1989年的80486有1E6個(gè)晶體管，1993年的Pentium有3E6個(gè)晶體管，2008年的Core i7有7E8個(gè)晶體管，2012年已經(jīng)有5E9個(gè)晶體管的CPU了。集成電路上晶體管總數(shù)每兩年翻一番，也被稱為摩爾定律。如果關(guān)注8086→ 286→386→486→Pentium的發(fā)展史，我們會注意到一個(gè)有意思的現(xiàn)象，這些著名CPU的晶體管總數(shù)在對數(shù)空間接近等間距：如果CPU性能差別不大，新產(chǎn)品將不被重視，如果CPU性能增加過多，商業(yè)公司的研發(fā)投入又不能利益最大化。

縱軸為CPU的晶體管數(shù)目，橫軸為時(shí)間。（圖片來源：wiki）

        包括晶體管的發(fā)明者在內(nèi)，12個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)室的人員獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這里面包括了晶體管、感光器件CCD這樣的重要發(fā)明，也包括了電子衍射實(shí)驗(yàn)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、冷原子中的波色凝聚、宇宙微波背景輻射這些方向各異的基礎(chǔ)物理。電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了量子力學(xué)關(guān)于物質(zhì)波動(dòng)性的基本假設(shè)，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)電荷，冷原子中的波色凝聚用新技術(shù)研究量子力學(xué)，宇宙微波背景輻射是大爆炸理論的實(shí)驗(yàn)支持。前文提到的重要理論物理學(xué)家安德森也曾工作于貝爾實(shí)驗(yàn)室。1968年和1983年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作人員還獲得了圖靈獎(jiǎng)，UNIX是后者的部分獲獎(jiǎng)原因。

        在技術(shù)發(fā)明方面，貝爾實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)站把以下10個(gè)方面是作為他們最重要的貢獻(xiàn)：

        1.數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（主要是DSL網(wǎng)絡(luò)）；

        2.晶體管；

        3.手機(jī)（1947年就提出這個(gè)概念，1970年已經(jīng)在芝加哥鋪設(shè)了商業(yè)手機(jī)網(wǎng)絡(luò)）；

        4.太陽能電池（1954年第一次實(shí)用太陽能發(fā)電）；

        5.激光（除了可以用于做報(bào)告時(shí)的激光筆外，還用于打印機(jī)、條形碼掃描、醫(yī)學(xué)手術(shù)中）；

        6.數(shù)字通訊技術(shù)（用于通話系統(tǒng)）；

        7.通訊衛(wèi)星（1962年，第一顆軌道通訊衛(wèi)星Telstar I被建造和發(fā)射）；

        8.按鍵電話（隨著現(xiàn)在觸摸屏的普及，以后可能會跟更老的撥號式電話一起進(jìn)入博物館了）；

        9.UNIX系統(tǒng)和C語言（統(tǒng)計(jì)語言R的前身S也是來自貝爾實(shí)驗(yàn)室）；

        10.數(shù)字信號處理器（digital signal processor，多媒體核心部件，也用于無線電話、答錄機(jī)等）。

更老式的撥號式電話（圖片來源: http://www.howitworksdaily.com/history/rotary-dial-telephones/）

        貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁于1956和1972年兩次獲得諾獎(jiǎng)，他是唯一一位兩次獲物理諾獎(jiǎng)的科學(xué)家，然而，他并不是貝爾實(shí)驗(yàn)室如此特殊的原因。根據(jù)Andrew Gelman發(fā)表于“physicsworld”的一則書評，他認(rèn)為貝爾實(shí)驗(yàn)室特殊的原因在于，貝爾實(shí)驗(yàn)室的巔峰時(shí)期，在給頂尖科學(xué)家們提供了一個(gè)好科研環(huán)境的同時(shí)，還提供了高于平常大學(xué)教授薪水的收入；此外，貝爾實(shí)驗(yàn)室的所在地沒有什么好玩的，科學(xué)家的精力只能集中在工作上。翻譯他的一句原話：“在40年代到70年代貝爾實(shí)驗(yàn)室最成功的時(shí)間里，在那里工作就象在大學(xué)里面工作。除了收入高一些、儀器好一些、車間能滿足你所有設(shè)計(jì)需求、不用教書、并且不用花時(shí)間申請科研經(jīng)費(fèi)?！?Andrew Gelman曾工作于貝爾實(shí)驗(yàn)室，這樣的說法聽起來像是在假裝不經(jīng)意地炫耀。

        輝煌的貝爾實(shí)驗(yàn)室名字依然在，但是曾經(jīng)的傳奇已經(jīng)結(jié)束了。1996年，AT&T將貝爾實(shí)驗(yàn)室歸于Alcatel-Lucent旗下，重命名為Alcatel-Lucent Bell Lab?？墒乾F(xiàn)在的貝爾實(shí)驗(yàn)室，基礎(chǔ)科學(xué)、物理和數(shù)學(xué)分支已經(jīng)被取消了。換言之，貝爾實(shí)驗(yàn)室為人類作出重要貢獻(xiàn)的領(lǐng)域被閹割了。短期的逐利行為無法容忍從1947年晶體管發(fā)明到信息時(shí)代之間的漫長等待，純粹的商業(yè)行為也難以大幅度長時(shí)間支持信息理論、電子衍射、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、冷原子中的波色凝聚、宇宙微波背景輻射這類基礎(chǔ)科研，或者稱之為“自由”研究?，F(xiàn)在的貝爾實(shí)驗(yàn)室關(guān)注產(chǎn)生了多少專利、多少專利已經(jīng)被應(yīng)用，以前的輝煌只是現(xiàn)在母公司所擁有的一種廣告效應(yīng)。

        Alcatel-Lucent解散了基礎(chǔ)研究方向，但是它還是留下了一批最核心、最重要的科學(xué)家，（秘密地或者低調(diào)地）維持著少量基礎(chǔ)科研課題組運(yùn)轉(zhuǎn)。如果將來再有來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，我不會感到奇怪，但是我不期待貝爾實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)在的運(yùn)營模式下對物理研究有新一波的沖擊。

說明

        摩爾定律的另一個(gè)表達(dá)：計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能每18個(gè)月翻倍。計(jì)算性能既取決于晶體管數(shù)目，又取決于晶體管性能。人們在提高晶體管總數(shù)的同時(shí)，也在提升單個(gè)晶體管的性能。

（作者：鎖相）