著名物理實驗室簡介（二）——貝爾實驗室

作者：鎖相（凝聚態物理學博士，科研工作者）

貝爾實驗室，由AT&T公司于1925年成立，以電話發明人貝爾命名。貝爾實驗室“只”出了12個諾貝爾獎獲得者，不及卡文迪許實驗室的一 半，但貝爾實驗室對普通人的意義恐怕遠遠超過了卡文迪許——晶體管、傳真機、手機、太陽能電池、UNIX、C語言，這些都來自貝爾實驗室，并影響了現代人 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。

貝爾實驗室

晶體管，1947年發明于貝爾實驗室，它既是貝爾實驗室最大的成就，也應該是上世紀最重要的發明之一。晶體管是一種基于半導體物理的器件，可以用電信號改變另一個電信號，是現在一切電子器件的基礎。由晶體管而計算器，由計算器而計算機，我們才進入了信息時代。

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

縱軸為CPU的晶體管數目，橫軸為時間。（圖片來源：wiki）

包括晶體管的發明者在內，12個貝爾實驗室的人員獲得了諾貝爾獎。這里面包括了晶體管、感光器件CCD這樣的重要發明，也包括了電子衍射實驗、分數 量子霍爾效應、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物理。電子衍射實驗證明了量子力學關于物質波動性的基本假設，分數量子霍爾效應發 現了分數電荷，冷原子中的波色凝聚用新技術研究量子力學，宇宙微波背景輻射是大爆炸理論的實驗支持。前文提到的重要理論物理學家安德森也曾工作于貝爾實驗 室。1968年和1983年，貝爾實驗室的工作人員還獲得了圖靈獎，UNIX是后者的部分獲獎原因。

在技術發明方面，貝爾實驗室的網站把以下10個方面是作為他們最重要的貢獻：

1.數據網絡（主要是DSL網絡）；

2.晶體管；

3.手機（1947年就提出這個概念，1970年已經在芝加哥鋪設了商業手機網絡）；

4.太陽能電池（1954年第一次實用太陽能發電）；

5.激光（除了可以用于做報告時的激光筆外，還用于打印機、條形碼掃描、醫學手術中）；

6.數字通訊技術（用于通話系統）；

7.通訊衛星（1962年，第一顆軌道通訊衛星Telstar I被建造和發射）；

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

9.UNIX系統和C語言（統計語言R的前身S也是來自貝爾實驗室）；

10.數字信號處理器（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/）

貝爾實驗室的巴丁于1956和1972年兩次獲得諾獎，他是唯一一位兩次獲物理諾獎的科學家，然而，他并不是貝爾實驗室如此特殊的原因。根據 Andrew Gelman發表于“physicsworld”的一則書評，他認為貝爾實驗室特殊的原因在于，貝爾實驗室的巔峰時期，在給頂尖科學家們提供了一個好科研 環境的同時，還提供了高于平常大學教授薪水的收入；此外，貝爾實驗室的所在地沒有什么好玩的，科學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年代貝爾實驗室最成功的時間里，在那里工作就象在大學里面工作。除了收入高一些、儀器好一些、車間能滿足你所有設計需求、不用教書、并且不用花 時間申請科研經費。” Andrew Gelman曾工作于貝爾實驗室，這樣的說法聽起來像是在假裝不經意地炫耀。

輝煌的貝爾實驗室名字依然在，但是曾經的傳奇已經結束了。1996年，AT&T將貝爾實驗室歸于Alcatel-Lucent旗下，重命名 為Alcatel-Lucent Bell Lab。可是現在的貝爾實驗室，基礎科學、物理和數學分支已經被取消了。換言之，貝爾實驗室為人類作出重要貢獻的領域被閹割了。短期的逐利行為無法容忍從 1947年晶體管發明到信息時代之間的漫長等待，純粹的商業行為也難以大幅度長時間支持信息理論、電子衍射、分數量子霍爾效應、冷原子中的波色凝聚、宇宙 微波背景輻射這類基礎科研，或者稱之為“自由”研究。現在的貝爾實驗室關注產生了多少專利、多少專利已經被應用，以前的輝煌只是現在母公司所擁有的一種廣 告效應。

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

摩爾定律的另一個表達：計算機的計算性能每18個月翻倍。計算性能既取決于晶體管數目，又取決于晶體管性能。人們在提高晶體管總數的同時，也在提升單個晶體管的性能。