世界著名实验室系列No.2——贝尔实验室的重要研究成果及其牛人们

1876年3月10日,贝尔通过送话机喊道:“沃森先生,请过来!我有事找你!” 人类有了最初的可用电话机,揭开了通讯交往的新篇章。

世界著名实验室系列No.2——贝尔实验室的重要研究成果及其牛人们

贝尔实验室历史沿革图(请在失重的模式下观看^_^)

1925年诞生于美国纽约默里山的“贝尔实验室”只能用传奇来形容。在说贝尔实验室之前,你必须知道它的母体公司——美国电话电报公司(简称AT&T)。AT&T脱胎自“电话之父”贝尔创办的“贝尔电话公司”,却很快反过来吞并了它。财大气粗的AT&T每年会拿出产值3%,用于贝尔实验室研发。AT&T必须把实验室专利完全公开,他们却从没担心过自己被其他工业实验室超越。

从成立伊始,贝尔实验室就一直在不断创造奇迹——晶体管、激光器、太阳能电池、第一颗通讯卫星的研制成功,有声电影的问世,射电天文学的创立……贝尔实验室的每一项成果都深刻影响了整个人类社会。作为美国最大的科研机构之一,贝尔实验室为推动美国的科技发展立下了汗马功劳:90年间近3万项专利,问鼎7项诺贝尔物理学奖和1项诺贝尔化学奖,9项美国国家科学奖、8项美国国技术奖(实验室本身成为史上第一个机构获奖者)、4项图灵奖等顶级科技奖项。

正因为此,贝尔实验室一度被视为美国的一张名片、美国科研机构中杰出的发明领袖。然而,正是这样一个功勋卓著的研究机构,却在2008年放弃了其曾经引以为傲的基础物理学研究,而将更多的目光投向在网络、高速电子、无线电、纳米技术、软件等可能更快为其母公司“阿尔卡特-朗讯”带来回报的领域,一时长舆论感慨万千。随后,位于新泽西霍姆德的贝尔实验室大楼被卖掉——时过境迁,人去楼空,至高无上的科研殿堂最终沦为按平米估价的商业楼盘。正如贝尔实验室发言人说,“在新的创新模式下,研究应该致力于解决母公司的需求”。这一决定标志着这个具有代表性的研究机构灿烂篇章的结束。

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位于新泽西州默里山的贝尔实验室

【历史沿革】

1925年,当时AT&T总裁华特·基佛德(Walter Gifford)收购了西方电子(Western Electric)公司的研究部门,成立了一个叫做“贝尔电话实验室公司”的独立实体。AT&T和西方电子各拥有该公司的50%股权。

在AT&T时期,贝尔实验室的研发经费主要来自美国民众缴纳电话费的附加税,所以美国人不需花很多钱就可获取贝尔实验室的专利技术授权,分享贝尔实验室的研究成果。

1984年以后,按照美国政府分拆AT&T的协议,从贝尔实验室中分区成立了Bellcore。Bellcore为分拆后的一系列小贝尔公司统一提供研究开发的服务。

1996年,贝尔实验室以及AT&T的设备制造部门脱离AT&T、成为朗讯科技,AT&T保留了少数研究人员成为其研究机构:AT&T实验室。

2006年,朗讯与阿尔卡特合并为阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)。贝尔实验室归阿尔卡特-朗讯。2008年8月7日,由于其所有者阿尔卡特朗讯连续6个季度决亏损,自阿尔卡特和朗讯科技合并以来从未盈利,市值已经蒸发了62%,阿尔卡特朗讯不得不出售已经拥有46年历史的贝尔实验室大楼,由美国新泽西的Somerset房地产开发公司购得,并打算将其改建为商场和住宅楼。同时,贝尔实验室决定,放弃基础物理学研究、物理科学和半导体科学研究,将集中于能更快进入市场的领域,如网络、高速电子学、无线技术、纳米技术和软件。正如贝尔实验室发言人说,“在新的创新模式下,研究应该致力于解决母公司的需求”。这一决定标志着这个具有代表性的研究机构灿烂篇章的结束。

2016年,诺基亚完成对阿尔卡特-朗讯的收购。贝尔实验室归诺基亚,此时的实验室已今非昔比。

【重要研究成果和工作过的牛人们】

在过去的一个世纪中,贝尔实验室为全世界带来的创新技术与产品囊括了:第一台传真机、按键电话、数字调制解调器、蜂窝电话、通信卫星、高速无线数据系统、太阳能电池、电荷耦合器件、数字信号处理器、单芯片、激光器和光纤、光放大器、密集波分复用系统、首次长途电视传输、高清晰度电视;从1939年展示的Ovodero电子语音合成装置到现在最先进的语音合成及识别等。它的存储程序控制和电子交换、数据库及分组技术为智能网的应用铺平了道路;它开发的UNIX操作系统使各类计算机得以大规模联网,从而成就了今天实用的Internet;C和C++语言是使用最为广泛的编程语言之一;而由贝尔实验室推出的网络管理与操作系统每天支持着世界范围内数十亿的电话呼叫与数据连接。可以说,人类迈向文明的每一步都与贝尔实验室息息相关。

(1)1924年休哈特提出了“控制图”(Control Chart) 的建议,被公认为质量控制基本原理的起源

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休哈特控制图

沃特·阿曼德·休哈特(Walter A. Shewhart,1891-1967),美国工程师、统计学家、管理咨询顾问、现代质量管理的奠基者,被尊称为“统计质量控制(SQC)之父”。

休哈特于1917年获得加利福尼亚大学伯克利分校的物理学博士学位后加入西方电气公司,后于1925年任贝尔试验室研究员直到1956退休。

休哈特重要的著作是《产品生产的质量经济控制》,1931年出版后被成为公认为质量基本原理的起源(包括六西格玛),本书对质量管理做出重大贡献。1939 年休哈特完成《质量控制中的统计方法》一书,并发表在专业期刊上大量文章。他关于抽样和控制图的著作吸引了质量问题领域工作人士的兴趣并对这些人产生影响。其中包括最杰出的W·E·戴明和约瑟夫·朱兰。休哈特的“计划-执行-检查-行动循环”的观点被戴明和其他人广泛应用,进行质量改进项目的管理。此循环包括计划你想要做得事、执行计划、研究结果、进行纠正,然后再开始新的循环。

(2)1933年央斯基发现银河系中心发射无线电波

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卡尔·央斯基使用的天线装置复制品,位于美国国家射电天文台

卡尔·央斯基(Karl Guthe Jansky,1905-1950),美国无线电工程师,无线电天文学先驱。

1927年,卡尔·央斯基获得威斯康辛大学麦迪逊分校物理学学士学位后加入贝尔实验室并担任无线电工程师,工作是调查背景噪声来源,它可能会干扰无线电传输。1933年,卡尔·央斯基发现了发射自银河系中心的无线电波,这一发现标志着射电天文学诞生。卡尔·央斯基想更详细的进一步调查银河系的无线电波。他随后提交了一份建议书,想要贝尔实验室建立一个直径30米的碟形天线,拥有更高的灵敏度,更能够仔细的观测该讯号源。然而贝尔实验室拒绝了他的请求,因为检测该辐射源不会对穿越大西洋的通信系统产生明显的影响。

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卡尔·央斯基甚大天线阵

为了纪念卡尔·央斯基做出的贡献,1973年8月举行的国际天文学联合会第十五次大会上,射电天文小组委员会通过决议,使用“央斯基(Jansky)”作为天体射电流量密度的单位,简写作“央(Jy)”,并且纳入国际物理单位系统。美国国家射电天文台博士后奖学金计划被命名为卡尔·央斯基计划。2012年1月10日,美国国家射电天文台的甚大天线阵(VLA)被重新命名为卡尔·央斯基甚大天线阵。

(3)1927年戴维森和革末发现电子衍射现象(1937年诺贝尔物理奖)

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电子衍射实验原理

克林顿•约瑟夫•戴维森(Clinton Joseph Davisson,1881-1958),美国物理学家,电子衍射的实验发现者之一。1917年,戴维森离开卡内基理工学院,到西部电力公司实验室(贝尔电话实验室)的工程系统,1925年后成为贝尔电话实验室的物理学家。在这里,他得到了能以全部时长用于基础研究的保证,研究内容主要涉及两个不同领域:热离子学和金属在电子轰击下的电子发射。

雷斯特·革末(Lester Germer,1896-1971),美国物理学家,电子衍射的实验发现者之一。在第一次世界大战时期,革末曾经是一位战斗机驾驶员。战后,他任职于新泽西州的贝尔实验室。1945年,49 岁革末开始了攀岩的副业生涯。在美国东北部很多地方,都有他的足迹。

1927年,戴维孙与革末一起,进行镍单晶的电子衍射实验,第一次确定了运动电子的波动性,跟德布罗意的理论相一致。在量子力学的发展史上,使得那时刚创立的量子力学,获得了物理学家的广泛接受。戴维森-革末实验也为电子显微镜的发展奠定了基础。革末在热离子学 (thermionics) 、金属冲蚀 (metal erosion) 、接触力学等等学术领域,都有很大的贡献。

戴维森与革末因合作发现电子衍射现象与乔治•汤姆孙(也独立发现电子衍射现象)于1937年一起荣获诺贝尔物理学奖。月球的戴维森陨石坑 (Davisson Crater)是因他而命名。

(4)1940年斯蒂比兹发明第一台数字计算机

乔治·斯蒂比兹(George Stibitz,1904-1995),数字计算机之父。

1937年11月,斯蒂比兹在贝尔实验室研究电话继电器的磁路问题。受电话继电器的启发,他发明了第一台二进制计算机——Model-K(K型机),“K”写全了就是“Kitchen table”。当时他并没有意识到,他已经跨过了一个时代——不仅实现了从机械式计算机向电磁式计算机的飞跃,而且制造出了一台真正的数字计算机!他回忆说:“当时既没有放焰火,也没有开香槟。”只有夫人多萝西亚走过来,不无揶揄地把丈夫发明的机器命名为“厨房餐桌型计算机”。

贝尔实验室当时面对的问题,是交流电路实验中需要给出答案的大量复数计算题。实验室雇用了满屋子的女计算员,用手摇计算机从早算到晚,仍然跟不上实验的进度。在此情况下,1938年9月,命名为M-1的数字计算机研制工程启动;一年之后,即1939年9月,斯蒂比兹交出了满意的机器。1940年1月8日,M-1开始运行,标志着美国的第一台数字计算机诞生。

M-1电磁式数字计算机只使用了440个继电器和10个闸刀开关,完全解决了复数的加、减、乘、除四则运算,一次复数乘法约需30~45秒钟;计算同样的题目,人工手摇计算机需要15分钟时长。从1940年到1949年,斯蒂比兹接着主持了M-2、M-3、M-4、M-5型电磁式计算机的研制,以满足美国在二次世界大战和战后恢复建设对计算机的需求。M-5是占地200平方米的庞然大物,斯蒂比兹为它安装了近万只继电器,共生产了两台。1949年,贝尔实验室的最后一台M型计算机M-6投入使用,用继电器来组装计算机从此成为了历史。

二战期间,斯蒂比兹曾被借调到美国科学研究和发展署担任顾问。从50年代开始,他在伯灵顿担任咨询顾问,参与研制小型电脑。1964年,他担任了达特默斯大学生理系教授和名誉教授,为生物医学开发各种电脑系统,直到1983年退休。他一生在计算机领域共获得38项技术专利,还不包括在贝尔实验室与他人合作取得的发明专利。为了表彰斯蒂比斯的功绩,1997年,美国计算机博物馆以他的名字设立了一个著名奖项——“斯蒂比兹计算机先驱奖”,颁发给那些仍活在世上的计算机时代先驱:1997年的获奖者有“集成电路之父”基尔比和“微处理器之父”霍夫;1998年获奖者有“鼠标器之父”道格拉斯;1999年的获奖者是“因特网之父”塞尔夫和卡恩;2000年的获奖名单里有“万维网之父”伯纳斯-李和“电子邮件之父”汤姆林森……

(5)1947年巴丁、肖克利和布拉顿发明晶体管(1956年诺贝尔物理奖)

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第一个晶体管的复制品

1947年,贝尔实验室发明晶体管。参与这项研究的约翰·巴丁、威廉·肖克利、沃尔特·布拉顿于1956年获诺贝尔物理学奖。

约翰·巴丁(John Bardeen,1908-1991),美国物理学家。巴丁于1928年取得威斯康星大学麦迪逊分校电机工程系学士学位,1929年取得硕士学位。1930年到1933年期间,巴丁在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场及重力场勘测方法的研究。1933年巴丁进入普林斯顿大学并于1936年获得普林斯顿大学博士学位。1938年到1941年间,巴丁担任明尼苏达大学助理教授,1941年到1945年在华盛顿海军军械实验室工作,1945年到1951年在贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属的导电机制、半导体表面性能等问题。1947年巴丁和同事布拉顿发明了半导体三极管,一个月后,肖克利发明了PN结晶体管,三人因发现晶体管效应共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

后来,巴丁又与库珀和斯里弗密切合作,在1957年提出BCS理论,解释常规超导体的超导电性的微观理论。BCS是他们三人的姓Bardeen、Cooper和Schrieffer的字首缩写,而BCS理论就是巴丁—库珀—斯里弗理论。由于这一贡献,三人于1972年共同获得诺贝尔物理学奖。巴丁也因此成为同一学术领域(物理学)中获得两次诺贝尔奖金的第一位科学家。

威廉·肖克利(William Shockley,191-1989),美国物理学家和发明家,晶体管之父,创立了硅谷历史上第一家科技公司,招募到摩尔等开创硅谷历史的“八叛徒(Traitorous Eight)”。

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硅谷八叛徒

肖克利于1932年获加州理工学院学士学位,1936年在麻省理工获固体物理学博士学后加入贝尔实验室并担任晶体管物理部主任。1955年,肖克利离开工作将近20年的贝尔实验室,回到老家圣克拉拉谷,也就是现在硅谷的中心地带。他在山景城创建了肖克利半导体实验室,然后到人才济济的美国东海岸招揽到了八位才华横溢的年轻人才。就是这八个人,后来不仅被他指责为“叛徒”,也成为了硅谷最重要的火种。“八叛逆”创办了具有传奇色彩的仙童(Fairchild)半导体公司,发明了集成电路,全球开始进入了集成电路时代。。《纽约时报》把八个人辞职的那天(1957年9月18日)列为为类历史上10个重要的日子之一。虽然仙童没有成为像 IBM、GE、AT&T 这样的“巨无霸”,但是他把他的种子撒遍了整个半导体行业。有一个非常戏剧性的事件是,1969年硅谷的一次半导体峰会上,400多名参会者只有24名不是仙童的前雇员,简直惊呆了,大家齐聚一堂,其乐融融,无一不感谢老东家仙童为硅谷带来一片繁荣。

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由仙童衍生出来的大大小小公司的关系图

沃尔特·布拉顿(Brattain Walter Houser) 美国物理学家。1902年2月10日生于中国(父母是美国人)厦门。他1924年毕业于惠特曼学院(在华盛顿州沃拉沃拉),1929年在明尼苏达大学取得博士学位。同年,他进入贝尔电话实验室,成为一名物理学研究人员。他同肖克利和巴丁共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

(6)1948年香农发表论文《通讯的数学原理》,奠定现代通信理论的基础

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香农的通信系统模型

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香农公式

克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon,1916-2001),美国数学家、电子工程师和密码学家,信息论的创始人,美国科学院院士、伦敦皇家科学院院士、利奥波第那科学院院士。

1936年从密歇根大学毕业时,香农获得了两个学士学位:电子工程学士和数学学士。不久,香农进入麻省理工学院开始研究生学习。在1937年硕士论文的基础上,香农上发表了著名论文“A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits”。由于这篇论文,香农于1940年被授予美国Alfred Noble协会美国工程师奖。哈佛大学的哈沃德·加德纳称香农的硕士论文“可能是本世纪最重要、最著名的硕士学位论文”。用电子开关模拟布尔逻辑运算是现代电子计算机的基本思路,香农的工作成为数字电路设计的理论基石。Vannevar Bush建议香农将类似的数学方法应用于孟德尔遗传学,香农接受了这个建议,写出了An Algebra for Theoretical Genetics。凭此论文,香农于1940年获得麻省理工学院博士学位。二战期间,香农加入贝尔实验室,研究火力控制系统和密码学。1948年,香农发表了划时代的论文——通信的数学原理,奠定了现代信息论的基础。他的成果是部分基于奈奎斯特和哈特利先前在贝尔实验室的成果。不仅如此,香农还被认为是数字计算机理论和数字电路设计理论的创始人。

(7)1954年皮尔森和富勒等人制作出最早的现代结构的晶体硅太阳能电池

杰拉德·皮尔森(Gerald L. Pearson,1905-1987),美国物理学家。从斯坦福大学获得物理学博士学位后,于1929年加入贝尔实验室,从事电阻的温度特性研究,并获得热敏电阻相关的13项专利。二战后,杰拉德加入肖克利的团队,从事半导体特性研究。1960年,皮尔森从贝尔实验室退休。

卡尔文·富勒(Calvin Souther Fuller,1902-1994),美国物理化学家。1929年,富勒获得芝加哥大学物理学博士学位。1930年,富勒加入贝尔实验室。二战期间,由于日本断绝橡胶供应,富勒开始从事合成橡胶制造工作。

1954年,皮尔森和富勒等人在贝尔实验室用表面抛光的硅片制作PN结,后分别在两侧蒸镀上金属电极,制成了光伏转换效率达6%的世界上第一块实用性硅太阳电池,成为现代硅太阳电池时代的开始。

(8)1962年赛斯勒和韦斯特发明驻极体电容麦克风

格哈德·赛斯勒(Gerhard M. Sessler)德国发明家和科学家,驻极体电容话筒发明者。赛斯勒1931年出生于德国巴登-符腾堡州罗森费尔德市,1959年获得古腾堡大学博士学位后加入贝尔实验室直到1975年。1975年至1999年在达姆施塔特工业大学任电气与电子工程系教授。1962年发明驻极体电容麦克风,1983年开发微型硅电容式麦克风。1999年入选美国国家发明家名人堂,2010年获得本杰明·富兰克林奖章。

詹姆士·韦斯特(James Edward Maceo West),美国发明家和声学家,驻极体电容话筒发明者,现代麦克风的创造者。韦斯特1961年加入贝尔实验室,2001年获得贝尔实验室院士(Bell Labs Fellow)称号,同年从贝尔实验室退休。他持有47项美国专利和200多项外国专利。

1962年,赛斯勒和韦斯特合作发明驻极体电容麦克风。今天世界上所使用的90%以上的麦克风都基于他的技术——包括应用于电话和音乐产业的麦克风。

(9)汤斯、戈登和肖洛发明激光器(1964年诺贝尔物理奖)

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第一个氨丙烷激微波器原型和发明家查尔斯·汤斯

查尔斯·哈德·汤斯(Charles H. Townes,1915-2015),美国物理学家,微波激射器和激光器的发明人,激光之父。汤斯于1939年在加利福尼亚理工学院获得博士学位。在第二次世界大战期间以及战后的几年中,他在贝实验室从事雷达投弹系统的设计工作。雷达技术涉及到微波的发射和接收,而微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。1953年12月,在哥伦比亚大学,汤斯和他的学生戈登(James P. Gordon)和肖洛(汤斯的妹夫)终于制成了一个装置,产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射微波放大(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)”,缩写为Maser。

1958年,汤斯与肖洛写了篇名为《红外和光学微波激射器》(Infrared and Optical Masers)的论文,来阐述制造一种在红外和可见光区工作的激射器,并为此获得专利权。1960年,美国休斯飞机公司物理学家西奥多·梅曼(Theodore H. Maiman)制造了第一台激光器,并宣布获得了波长为0.6943微米的激光。这是人类有史以来获得的第一束激光,激光也由此获得“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”等称号。同年12月,贝尔实验室的伊朗裔美国科学家贾万等人成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。

1964年,汤斯和两位俄国学生尼古拉·巴瑟夫(Nikolai G. Basov)、亚历山大·普罗霍罗夫(Aleksandr M. Prokhorov)因对微波激射器和激光的贡献同获当年的诺贝尔物理学奖。1967年,汤斯转到加州大学柏克莱分校任教后,用微波探测遥远宇宙星空中的分子,也取得极大的成就,几乎让他第二次获得了诺贝尔奖。1985年,他和其他科学家用红外线和无线电,观测到银河系中央的一个巨大黑洞,也是非常了不起的发现。

亚瑟·莱纳德·肖洛(1981年诺贝尔物理奖,见下节内容)。

詹姆斯·戈登(James Power Gordon,1928-2013),美国物理学家,汤斯的学生,微波激射器发明人之一。戈登大学时就读于麻省理工学院。1951年,因麻省理工学院拒绝了自己的研究生申请,戈登转而进入哥伦比亚大学跟随导师汤斯做起了“微波”研究。在1958年转至贝尔实验室研究量子电子学后,戈登的研究科目拓展至宇宙起源的追踪探索、光镊技术在原子物理学中的应用等。戈登虽然没有获得诺贝尔奖,但他的研究则为接下来多项诺贝尔奖的研究奠定了基础。戈登的工作造福了无数应用领域,尤其是光学通信的研究对高速因特网助益良多。2010年,戈登成为美国光学学会的荣誉会员。研究之余,戈登喜欢玩网球,还获得过一次美国锦标赛的冠军。

汤斯获得诺贝尔奖后,把一部分奖金赠与戈登,戈登则用老师赠予的奖金买了辆别克旅行车。有不少人认为,戈登也应同享诺贝尔的荣誉,因为在微波激射器的制造过程中,汤斯也将戈登的贡献记录在内。在2008年戈登80岁的生日宴上,年届93岁的汤斯说戈登之所以没得诺贝尔奖,一是诺贝尔奖有不能被同时颁发至3人以上的规则,另外,戈登当时还是在校研究生也对此造成了限制。

(10)肖洛发展应用激光光谱学(1981年诺贝尔物理奖)

亚瑟·莱纳德·肖洛(Arthur L.Schawlow,1921-1999),犹太裔美国物理学家,汤斯的妹夫,激光器的发明人之一。

肖洛在多伦多大学维多利亚分校获得物理学博士学位后,于1949年师从汤斯在哥伦比亚大学物理系做博士后研究。肖洛于1951年加入贝尔实验室直到1961年成为斯坦福大学的教授。因在发展激光光谱学所作的贡献,肖洛与坎伯利基哈福大学的布隆姆贝根(Nicolaas Bloembergen)分享1981年诺贝尔物理奖奖金;另一半另一半授予瑞典乌普沙拉(Uppsala)大学的凯·西格班(Kai M.Siegbahn),以表彰他在高分辨率电子能谱学所作的贡献。

(11)1962年贝尔实验室研制世界上第一颗有源通信卫星“电星一号”

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电星一号

1962年7月10日,贝尔实验室与美国国家航空航天局(NASA)合作,成功发射世界上第一颗有源通信卫星“电星一号”(Telstar I),开启了现代通信时代,使全球用户都能够使用实时电话及数据通信业务,并观看越洋电视节目转播。

电星一号(Telstar I)是一个直径约1码(约1米)、重约170磅(约77公斤)的球体,集成了晶体管、太阳能(电池)板等贝尔实验室开发的多种创新技术,其发射成功无疑代表了技术上的一次创举。例如,使用3600块贝尔实验室1954年发明的太阳能电池为该卫星供电。该卫星容量达600个语音信道,并支持一个黑白电视频道的信号传输。

电星一号卫星搭载NASA的三角洲(Thor-Delta)运载火箭发射,并在距离地球赤道约30000英里(约48000公里)的椭圆形轨道上运行。在7月10日进入轨道后,世界上首个跨大西洋电视信号通过电星一号传输成功,该信号从美国缅因州安道尔(Andover)的一座地面站发射,传送至法国普勒默尔博杜(Pleumeur-Bodou)地面双子站,与此同时,英国Goonhilly Downs的姐妹站也接收到信号。

电星开创了无数先河:它是全世界第一颗有源直达通信卫星,通过太空成功传输第一帧电视画面,实现第一次越洋电话呼叫,并进行了第一次高速数据通信传输和第一次电传图像传输;及首次跨越大西洋实现电视信号直播。电星一号于于1963年2月21日停止运行,其工作由后续其它Telstar卫星接任,其中包括2008年发射的Telstar 18。

(12)诺尔顿编写“BEFLIX”计算机动画语言

在 1963 到 1967 年期间,贝尔实验室的扎雅克( E . Zajak )等人开始用计算机辅助制作动画。肯尼思·诺尔顿(Kenneth Knowlton)开发了在线条打印机上叠印字母和标志的技术,能模拟出照片上明暗的大致灰度差别,使用这种方法,诺尔顿创作了“计算机裸体”及其他作品。此外,诺尔顿还用 FORTRANIV 语言编写了一个称为 BEFLIX 的二维动画制作系统并和其他艺术家一起制作了许多计算机动画电影,这个软件系统在计算机辅助制作动画的发展历程上具有里程碑的意义。

(13)1964年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射(1978年诺贝尔物理奖)

阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias),美国射电天文学家,犹太人。彭齐亚斯1933年出生于德国的慕尼黑,后随全家移居美国,是1939年二战爆发前最后一批逃离纳粹德国的难民。1956年,彭齐亚斯进入哥伦比亚大学就读,1958年获得硕士学位,1962年获得博士学位。而后任职于新泽西州霍姆代尔附近克劳福德山的贝尔电话公司。

罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson),美国射电天文学家。作为赖斯大学的学生,由于少年时期对电子学的爱好,他起初攻读电机工程学,后来改读物理学。1962年,他以射电天文学方面的论文获得加州理工学院的哲学博士学位。次年,他成为射电天文学研究员。现在,他是贝尔电话实验室无线电物理部的主任。

1964年,彭齐亚斯和同在贝尔电话公司工作的威尔逊使用一具为早期通讯卫星设计的天线,接收到了来自天空的均匀、且不随时长变化的讯号。1965年,他们二人在《天体物理学报》上发表了题为《在4080兆赫上额外天线温度的测量》的论文,宣布了这个发现。随后,普林斯顿大学的狄克等人在同一杂志上解释道,这就是宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力证据。彭齐亚斯和威尔逊也因此获得1978年诺贝尔物理学奖。

(14)1965年,No.1ESS,世界上第一部开通使用的程控电话交换机

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No.1ESS

1965年贝尔电话公司制造世界上第一台程控交换机No.1ESS(The Number One Electronic Switching System),它通过监控数据中心流量并优先排序电话交换系统上的任务来防止系统过载,从而在高峰呼叫时段支持更强大的服务。程控技术奠定了现代通信的程控电话交换系统。厄娜·施耐德·胡佛(Erna Schneider Hoover,美国女数学家,1954年加入贝尔实验室)获得程控交换系统专利(专利号3623007),这也是第一项软件专利。

(15)1967年R.W.Chang提出正交频分复用技术

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OFDM频谱示意图

OFDM(正交频分复用)的思想最早在1966年由R. W. Chang提出,由于当时只能使用模拟滤波器分离子载波,复杂度较高,一直没有发展起来。到1971年,Weinstein提出利用离散傅里叶变换(DFT)来实现多载波的调制和解调,为OFDM的实用化奠定了基础。1980年,Peled又提出在OFDM符号之间插入循环前缀作为保护间隔,在消除符号间干扰(ISI)的同时,保证系统在多径条件下仍能保持正交。至此,形成了我们现在广泛使用的OFDM系统的概念。进入上个世纪90年代,随着数字信号处理(DSP)技术和超大规模逻辑集成电路(VLSI)技术的发展,以及人们对更高速率更高质量和更多灵活性的通信方式的不断追求,世界上掀起OFDM的研究热潮。

(16)1969年汤普森和里奇开发UNIX和C语言(1983年图灵奖)

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PDP-11

世界著名实验室系列No.2——贝尔实验室的重要研究成果及其牛人们

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肯尼斯·蓝·汤普逊(Kenneth Lane Thompson),美国计算机科学家与软件工程师。1943年汤普森出生于美国新奥尔良。1960年就读加州大学伯克利分校主修电气工程,取得了电子工程硕士的学位。1966年加入了贝尔实验室。汤普森参与了贝尔实验室与麻省理工学院以及通用电气公司联合开发的一套多使用者分时作业系统,名叫Multics,同时他自己又写的一个“star travel”游戏可执行于Multics之上。贝尔实验室后来撤出Multics计划。汤普森只好找到一台老式PDP-7机器,重写了他的“star travel”游戏。在开发Multics的期间,汤普森创造出了名为Bon的程式语言。汤普森花了一个月的时长开发了全新的操作系统,UNiplexed Information and Computing System(UNICS),可执行于PDP-7机器之上,后来改称为UNIX。第一版的Unix就是基于B语言来开发的。Bon语言在进行系统编程时不够强大,所以汤普森和里奇对其进行了改造,并与1971年共同发明了C语言。1973年汤普森和里奇用C语言重写了UNIX,安装于PDP-11的机器之上。2000年,汤普森从贝尔实验室退休,成为了一名飞行员。2006年,汤普逊进入google工作与罗勃特·派克,罗伯特·格瑞史莫共同主导了Go语言的开发。

丹尼斯·里奇(Dennis MacAlistair Ritchie,1941-2011),美国计算机科学家,C语言之父,UNIX之父。里奇在哈佛大学学习物理学和应用数学毕业,1967年他进入贝尔实验室,是朗讯技术公司系统软件研究部门的领导人。1968年获得数学博士,而论文正是上面的《递归函数的的层次》。1978年与布莱恩·柯林汉(Brian W. Kernighan)一起出版了名著《C程序设计语言(The C Programming Language)》,现在此书已翻译成多种语言,成为C语言方面最权威的教材之一。《C编程语言》总共只有100多页,薄得难以置信。很多人都被它的简洁性吸引,学习并使用C语言。直到今天,C语言依然是世界上最重要的编程语言之一,”保持简单”原则显示了强大的生命力。里奇在个人生活上也尽量“保持简单”。他一直住在新泽西,低调地生活,不太在媒体上曝光,终身没有结婚。2006年贝尔实验室被整体卖给了法国阿尔卡特公司,里奇于2007年从贝尔实验室退休。

1983年丹尼斯·里奇与肯·汤普逊一起获得了图灵奖。理由是他们“研究发展了通用的操作系统理论,尤其是实现了UNIX操作系统”。1999年两人为发展C语言和Unix操作系统一起获得了美国国家技术奖章。

(17)1969年史密斯和博伊尔发明CCD(2009年诺贝尔物理奖)

维拉德·博伊尔(Willard S. Boyle,1924-2011),加拿大物理学家。博伊尔出生于加拿大阿默斯特,高中毕业后即加入加拿大海军,成为航空母舰战斗机飞行员以参加第二次世界大战,但不久二战就结束了,博伊尔从没参与过真正的战斗。1950年,博伊尔又回到麦吉尔大学攻读博士学位,3年后他加入了美国贝尔实验室。曾代表贝尔实验室为美国宇航局(NASA)提供技术支持,并发明了第一台用于医学以及NASA的登月计划选址所需的激光器;博伊尔还与另一名科学家获得了有关半导体注入式激光器设想的第一个专利。今天,光碟(CD)录制和播放大多需要依靠半导体激光器技术。

乔治·史密斯(George Elwood Smith),美国物理学家。史密斯1930年出生于美国纽约,在宾夕法尼亚大学获学士学位,在芝加哥大学获硕士和博士学位,1959年博士毕业后,史密斯加入了美国贝尔实验室。一开始,他的研究方向是半导体的电学性质和能带结构。1964年,史密斯成为贝尔实验室设备概念部门的负责人,成立这个部门的目的是研究下一代固态器件。1969年,史密斯和博伊尔共同发明了CCD图像传感器。史密斯先后撰写了40多篇科学论文,在美国拥有31个专利。由于史密斯作出的杰出贡献,2002年,美国电气与电子工程师学会还专门设立了一个以他命名的奖项。

2009年诺贝尔物理学奖授予华人科学家高锟以及两名美国科学家韦拉德-博伊尔(Willard Boyle)和乔治-史密斯(George Smith),以奖励他们在光纤和半导体领域上的开创性研究。其中高锟将获得一半的奖金,另外两名获奖者各得四分之一的奖金,两位美国科学家的获奖理由为——“发明了一种成像半导体电路,即CCD(电荷耦合器件)传感器”。评委会赞扬博伊尔与史密斯1969年第一次成功地发明了数字成像技术,工作于新泽西州贝尔实验室的他们设计了一种影像传感器,可以将光在短时长内转化为像素,为摄影技术带来“革命化”变革。“没有CCD,数码相机的发展将更为缓慢。没有CCD,我们就不会看到哈勃太空望远镜拍摄的令人诧异的图片,也不会看到我们的邻居火星上的红色沙漠图像。”评委会说。

(18)安德森对磁性和无序系统的电子结构的基础研究(1978年诺贝尔物理奖)

菲利普·沃伦·安德森(Philip Warren Anderson),美国物理学家。1923年12月13日出生于美国伊利诺斯州,二战争中担任无线电工程师,二战后获哈佛大学理学学士(1943年)、理学硕士(1947年)和哲学博士(1949年)学位。学生时代,他在范弗莱克指导下与贝尔实验室合作研究了微波和红外光谱的压力增宽。1974 年,安德森成为卡文迪许实验室助理主任。

因对磁性和无序系统的电子结构的基础研究,与范弗莱克(John Hasbrouck van Vleck)和莫特(Sir Nevill Francis Mott)一起分享1977年度的诺贝尔物理学奖金。

(19)1982年贝尔实验室制作首个单片32位微处理器BELLMAC-32A

世界著名实验室系列No.2——贝尔实验室的重要研究成果及其牛人们

AT&T贝尔实验室32位微处理器BELLMAC-32A

世界上第一块单片32位微处理器是AT&T贝尔实验室的BELLMAC-32A,样本于1980年,1982年正式投产。1984年AT&T解体后更名为WE32000(WE代表西部电子),后来又推出了后续产品WE32100和WE32200。这些芯片用在了AT&T的3B5及3B14小型计算机、世界上第一台超级台式微机3B2,还有世界上第一台笔记本式超级微机“亚历山大”上(这种系统使用类似于现在游戏机上用的ROM插件)。所有这些系统都运行贝尔实验室的UNIX操作系统,包括叫做xt-layers的第一个窗口系统。

(20)施特默、崔琦和劳克林发现并解释分数量子霍耳效应(1998年诺贝尔物理奖)

崔琦(Daniel Tsui),1939年生于河南省平顶山市宝丰县,华裔美国物理学家,美国国家工程院院士,中国科学院外籍院士。1967年在美国芝加哥大学获物理学博士学位,此后到贝尔实验室工作。1982年起任普林斯顿大学电子工程系教授,主要从事电子材料基本性质等领域的研究。

霍斯特·路德维希·施特默(Horst Ludwig Störmer),1949年生在德国法兰克福,德国物理学家。1974年施特默在法国格勒诺布尔的高强度磁场实验室攻读博士期间,研究高强度磁场中的电子孔滴特性,他在那里第一次结识了来自贝尔实验室的崔琦。施特默的导师曾在美国贝尔实验室工作,1976年施特默访问了贝尔实验室,这促成了他在获得博士学位后,于1977年来到美国新泽西州的贝尔实验室做博士后。他1978年获得了贝尔实验室的固定职位,1983年成为固体电子与光学性质部门的主管,1991年被任命为贝尔实验室的物理学研究实验室主任,领导8个部门的约100名科研人员。在贝尔实验室从事科研20年后,施特默于1998年初前往纽约哥伦比亚大学,任该校的应用物理学教授。

罗伯特·B·劳克林(RobertBettsLaughlin),1950年出生于美国加利福尼亚州维塞利亚,美国物理学家。1979年在麻省理工学院获物理学博士学位。

1982年崔琦、霍斯特·施特默和罗伯特·劳克林对有更高迁移率的铝镓砷/砷化镓异质结中的二维电子气在更强磁场和更低温度条件测量它的霍耳效应,除看到更明显的整数量子霍耳效应的平台之外,还发现当最低朗道能级被电子填充比为z=1/3、2/3、4/3、5/3、2/5、3/5、4/5、2/7等奇分母分数值时也有霍耳电阻平台,这就是分数量子霍耳效应。因此,瑞典皇家科学院把1998年诺贝尔物理奖授予崔琦与德国科学家霍斯特·施特默和美国科学家罗伯特·劳克林,主要表彰他们发现并解释了这一特殊现象。劳克林并没有参与发现分数量子霍尔效应的实验,但是他在后来解释了实验结果。

(21)朱棣文发明用激光冷却和俘获原子的方法(2009年诺贝尔物理奖)

朱棣文(Steven Chu),华裔美国物理学家,中国科学院外籍院士,美国第12任能源部部长。

朱棣文1948年生于美国密苏里州圣路易斯。1970年毕业于罗切斯特大学,获数学学士和物理学学士学位,1976年获得美国加州大学伯克利分校物理学博士学位。1978年,就职于贝尔电话实验室;1978年~1983年,担任电磁现象研究贝尔实验室研究人员;1983年~1987年,担任贝尔实验室量子电子学研究部主任,领导电子化研究工作。1983年,开始从事原子冷却技术的研究。2004-2008年任美国劳伦斯伯克利国家实验室主任,同时兼任加州大学伯克利分校物理学教授。

1997年,朱棣文在劳伦斯伯克利国家实验室因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。与他同获该奖项的是美国科学家威廉·菲利普斯和一法国科学家科昂·塔努吉。

(22)1985年斯特劳斯特卢普发布商用C++语言

本贾尼·斯特劳斯特卢普(Bjarne Stroustrup),1950年出生于丹麦,丹麦计算机学家,C++之父。

斯特劳斯特卢普1975年毕业于丹麦阿鲁斯大学获得数学和计算机硕士学位,1979年获英国剑桥大学计算机科学博士学位后加入贝尔实验室,担任AT&T大规模程序设计研究部门负责人。同时开始开发一种语言,当时称为“C with Classes”(带类的C),后来演化为C++。1998年,ANSI/ISO C++标准建立,同年,斯特劳斯特卢普推出了其经典著作The C++ Programming Language的第三版。C++的标准化标志着斯特劳斯特卢普倾20年心血的伟大构想终于实现。自C++语言诞生以来,c++语言已成为使用最广泛的面向对象程序设计语言之一。

(23)1985年贝齐格开发超高分辨率的荧光显微镜技术(2014年诺贝尔化学奖)

埃里克·贝齐格(Eric Betzig)1960年1月13日生于美国密歇根州安娜堡,美国神经科学家、发明家、应用物理学家。

贝齐格先后毕业于加州理工学院的物理学系和康奈尔大学的工程物理学博士专业,1988年获得美国康奈尔大学博士学位后,贝齐格就职于贝尔实验室半导体物理研究部门。在1996年,贝齐格离开学术界,到当时他父亲拥有的安娜堡机械公司,成为研究开发的副总裁。在这里,他开发了灵活的自适应液压伺服技术(FAST),但并没有取得商业上的成功。然后,贝齐格回到显微镜领域,开发光敏定位显微镜(PALM),并在2006年,他加入了霍华德·休斯医学研究所的珍利亚农场研究园区作为组长,开发超高分辨率的荧光显微镜技术。

他的妻子吉娜是安徽蚌埠人,毕业于蚌埠市第一中学和中国科学技术大学,两人在加州大学伯克利分校认识并结婚。

2014年,因研制出“超分辨率萤光显微镜”,与斯特凡·W·黑尔、W·E·莫纳共同获得诺贝尔化学奖。

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