加州理工学院之一：山不在高，有仙则灵

连鹏

今年是加州理工学院中国同学会成立40周年。特更新2011年落笔的母校系列以志庆！

2017年第一次更新序

一年一度的诺贝尔奖揭晓仪式降下帷幕。母校加州理工学院大有斩获。在九位科学奖得主中，有三位校友获奖：迈克尔·莫里斯·罗斯巴什（Michael Morris Rosbash）因发现生物钟基因而获得生理医学奖；基普·索恩（Kip Stephen Thorne）和巴里·巴里什（Barry Clark Barish）因在引力波研究方面的杰出贡献而获得物理奖。此外，两位加州理工学院的博士后也得殊荣：获得生理医学奖的杰弗里·霍尔（Jeffrey C.Hall）和获得化学奖的约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）。

值此可喜之际，特将2011年在其它网站发的加州理工学院系列略作更新，重登于微信，恭贺母校。

加州理工学院之一：山不在高，有仙则灵

连鹏

加州理工学院（Caltech）是唯一在权威的英国《泰晤士高等教育》（Times Higher Education）长达8年的世界最佳大学排行榜年年荣登三甲的大学，包括5年榜首（2012-16），2年第二（2011和2017），和1年第三（2018）。

图一：加州理工学院校徽

图二：加州理工学院的吉祥物海狸，萌萌哒

为什么以理工科为主、没有诸如法学院医学院管理学院等热门学科、仅有大约300名教授和2,430学生（包括本科生和研究生）的加州理工学院会独占鳌头呢？

1．山不在高，有仙则灵

加州理工学院（California Institute of Technology or Caltech）坐落于距加利福尼亚州洛杉矶市东北11英里的帕萨蒂纳（Pasadena）。创校126年来，Caltech 不盲目扩大或增加学科，保持着小学院（还叫“学院”）的规模（学院共有987名本科生（亚裔占42%），1,443名研究生，300名教授和600名研究学者），保持着最高的人均学生资源（教师与本科生比例高达1:3）[注2]，保持着高度的学科对话交流碰撞融合的传统，持之以恒地走着一条重质不重量的精英路线，达到了“山不在高，有仙则灵”的境界：

- 加州理工学院共有47位校友48次赢得诺贝尔奖[注3]，9名校友赢得克拉夫奖（Crafoord Prize）[注4]，12名校友赢得卡夫里奖（Kavli Prize）[注5]。考虑Caltech的小规模，人均得大奖数傲视全球。

- 68校友获得美国科学最高荣誉“美国国家科学奖章”，占所有得奖者的13%。

- 15校友获得美国技术最高荣誉“美国国家技术奖章”，占所有得奖者的6%。

- 48%的教授（145人或230人次，不少教授是双院甚至三院院士，有一位是四院院士）为美国国家院士（包括国家科学院、国家工程学院、国家医学院以及国家艺术与科学学院）。院士比例在全美高校一骑绝尘。

- 教授论文被引用率全球最高（此指标在《泰晤士高等教育》排名积分里占30%）。

- 人均教授获得的发明备忘录为全美大学最高。

- 有38%的本科生最终获得博士学位，为全美大学最高。

加州理工学院诺贝尔奖得主包括

- 被公认为历史上最伟大的化学家之一和二十世纪最伟大的科学家之一的莱纳斯•鲍林（Linus Pauling）是二十世纪对人类贡献最大的世纪伟人之一。他博学多才，以跨度不同的科学领域———从物理学到化学到分子生物学到医学领域所取得的非凡成就而著称。他的名著《化学键的本质》被欧洲人奉为《化学圣经》，是科学史上被引述最多的著作之一

- 引发电子革命的晶体管（Transistor）之父威廉•肖克利（William B. Shockley）

- 遗传学（Genetics）之父染色体的发现者之一托马斯•亨特•摩尔根（Thomas Hunt Morgan）

- 激光之父查尔斯•汤斯（Charles Townes）

- 量子电动力学之父、历史上最传奇最有趣的科学家之一理查德•费曼（Richard Feynman）

- 夸克[注6]之父默里•盖尔曼（Murray Gell-Mann）

- 宇宙大爆炸的证实者罗伯特•威尔逊（Robert Wilson）

- 大脑不对称“左右脑分工理论”的发现者罗杰•斯佩里（Roger Wolcott Sperry）[注7]

- 飞秒化学[注8]之父艾哈迈德•泽维尔（Ahmed H. Zewail）

- 控制细胞周期的特异基因的发现者勒兰德•哈特韦尔（Leland H. Hartwell）

- 实验经济学[注9]之父弗农•史密斯（Vernon Smith）

- 有机合成中的复分解（Metathesis）先驱罗伯特.格拉布（Robert H.Grubbs ）

- 结合量子化学和分子动力学（quantum mechanics/molecular mechanics）奠基计算生物学（Computational Biology）的马丁·卡普拉斯（Martin Karplus）

- 从遗传基因的角度揭示生物钟如何控制身体的迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash）和

- 为人类首次探测到引力波从而打开了认识宇宙的一个新窗口做出突出贡献的基普·索恩（Kip Thorne）和巴里•巴里什（Barry Barish）。

- 弗朗西丝·阿诺德（Frances H. Arnold）的“定向进化”方法，对蛋白质进行快速、高效的改造和优化，奠定了蛋白质工程和酶工程的基础。

- 查尔斯·赖斯（Charles M. Rice）培养和研究丙型肝炎病毒，为治愈该肝炎做出了贡献。

- 约翰·克劳泽（John F. Clauser）1972年开创性的量子纠缠实验，奠定了量子信息科学的实验基础。

- 约翰·霍普菲尔德（John J. Hopfield）在1982年提出了霍普菲尔德网络（Hopfield Network），这是一种联想记忆模型，能够存储和重建模式，为后来的深度学习和机器学习奠定了基础。

此外，Caltech生物有机化学家Arie Jan Haagen-Smit教授开创性的研究发现并确认从汽车排气管排出的无色透明的尾气才是肆虐洛杉矶地区50多年、毒杀成千上万生灵的烟雾的罪魁祸首。他的证据确凿、无可辩驳的结论推动了美国全国汽车排放标准和国会1970清洁空气法案，最终有效地治理了洛杉矶及美国其它地方的严重雾霾问题，还民众蓝天（20世纪50年代及60年代，加州一些地区每年要承受200多天危险的烟雾天）。他也实至名归地被称为“空气污染控制之父”。

加州理工学院电子工程系教授John Pierce被公认为通讯卫星之父，他还领导贝尔实验室团队研发出世界首个晶体管（transistor）。而同系的Carver Mead教授则被公认为超大型集成电路（VLSI）的开山鼻祖。

注1：《泰晤士高等教育》的世界大学排行榜调查，使用教学与学习环境、学术影响力，含论文报告被引用情况、研究报告发表数量、引用情况及声誉、国际师生人数、发表的论文数量，以及研究资金与产业创新等13个指标进行分析，约有1万多名学术界声望高的专家受邀参加调查。这13个指标综合成5个方面：教学（教学环境）占总计分的30%；研究（数量、收入和声望）占30%；论文引用率（研究影响力）占30%；产业收入（创新能力）占2.5%； 和国际视野（师资、学生和研究）占7.5%。《泰晤士高等教育》的世界大学排行特别强调大学的研究能力和声誉，研究和论文引用率合计60%。相比之下，《美国新闻周刊》的美国大学排名就完全忽略研究，倒是十分强调Caltech不怎么样的新生升级率和毕业率（30%权重）。

注2：由哈佛大学、斯坦福大学和耶鲁大学学者合作并发表在2013年的《经济学季刊（The Quarterly Journal of Economics）》的研究报告显示：加州理工学院在3,000多名优秀高中生的美国大学显示性偏好（Revealed Preference，即有多少学生接受录取）排名中，位居第二（仅次于哈佛大学）。

注3：Caltech校友所赢得的48次诺贝尔奖包括20个物理奖，16个生理学与医学奖，9个化学奖，2个经济学奖和1个和平奖（1954年化学奖得主莱纳斯•鲍林因其反核努力而获得1962年和平奖）。48次诺贝尔奖是Caltech官方严格认证的算法，只包括得奖时的在职教职员和因在校所学而得奖的校友。校外常被引用的加州理工学院诺贝尔得奖数有78人之多，排在全球大学第8。如果只算科学类的（去除经济、文学和和平），Caltech诺贝尔奖数为72，高居第四（只在哈佛、剑桥和加州大学伯克利分校之后）。这个算法除了严格算法的得奖人，还包括在Caltech任教足够长但离开后得奖的教授、因不是Caltech受教的专业得奖的校友、短期任职和访问学者、非教职员隶属机构（如JPL（Jet Propulsion Laboratory 喷气推进实验室）、访问学者等）。

注4：克拉夫奖（Crafoord Prize）由克拉夫夫妇捐资瑞典皇家科学院于1980年设立；1982年开始授奖，授奖范围是不为诺贝尔奖所涵盖的三大学科：数学与天文学、地球科学、和生物科学（着重于生态学）。逐年轮流授奖，即每一学科隔3年有一次获奖。每项获奖不超过3人，获奖者必须是仍然健在的科学家，由瑞典国王每年颁奖（奖金60万美元）。以上这些规定都是和诺贝尔奖一致的。迄今得奖的81人中，有9名是加州理工学院的校友，占11.1%。

注5：卡夫里奖（Kavli Prize）由挪威科学与文学学院、挪威教育科研部和Kavli基金会联合成立的国际性奖项,2008年开始授奖，奖励天体物理学、纳米科学和神经科学方面有突出科研成就的学者。该奖每两年颁发一次，由委员会分别从世界各地的科学家中评选出该领域的获奖者，奖金为100万美元。迄今得奖的73人中，有12名是加州理工学院的校友，占16.4%。

注6：夸克（Quark），基本粒子理论中的组成粒子。中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克组成的。一个质子和一个反质子在高能下碰撞，就会产生一对几乎自由的夸克。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。它是1964年美国物理学家默里•盖尔曼和G•茨威格各自独立提出的理论。

注7：斯佩里经过多年的研究发现，人的左右脑有严格的工作区分，左脑负责逻辑、工作、学习，右脑负责睡眠、潜意识、感知音乐。

注8：飞秒化学（Femtochemistry）是物理化学的一支，研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒，这也就是名称的来源。泽维尔的实验使用了超短激光技术，即飞秒光学技术。犹如电视节目通过慢动作来观看足球赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过“慢动作”观察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。泽维尔通过“对基础化学反应的先驱性研究”，使人类得以研究和预测重要的化学反应，泽维尔因而给化学以及相关科学领域带来了一场革命。

注9：实验经济学（Experimental Economics）是经济学的一个分支，它在可控的实验环境下针对某一经济现象，通过控制某些条件、观察决策者行为和分析实验结果，以检验、比较和完善经济行为理论，并提供政策决策的依据。实验方法为经济学家提供了前所未有的复制性（Replicability）和可控程度，也提供了一种经济理论和证据之间的共生关系的可能性，使经济学更加科学和完善。参见连鹏“从非实验走向实验的经济学———实验经济学简介（Economics: From Non-Experimental to Experimental -- A Brief Introduction of Experimental Economics）”1999年5月，汤敏，茅于轼主编《现代经济学前沿专题》第三集，商务印书馆。

加州理工学院校园不大但美轮美奂。其校园总体规划在2010年获得相当于景观设计奥斯卡奖的美国景观设计学会大奖。

图3：贝克曼大礼堂（Beckman Auditorium）

图4：贝克曼学院（Beckman Institute）（化学和生物方面的跨学科研究中心）

图5：陈神经科学大楼规划图（将于2020年竣工）

图6：陈天桥夫妇

2016年12月，中国互联网游戏先驱、盛大创始人陈天桥和太太雒芊芊向加州理工学院捐赠1.15亿美元用于跨学科脑科学研究。

2．三才“天地人”

加州理工学院在中国古人所说的三才“天地人”研究上都傲视同侪：

“人”。从Caltech的10个诺贝尔生理学与医学奖得主在遗传学、染色体、大脑分工、细胞周期复分解和生物钟等方面的开创性贡献，就可看出其在生物人类科学的领先地位。

“地”（物理地球科学）。Caltech在粒子物理方面人才辈出。譬如在1950至1970年代，就以两名很可能称得上当时最伟大的理论粒子物理学家所在的学校而闻名：盖尔曼和费曼。那里地震研究的权威性首屈一指。只要看到校园里停靠着大量电台新闻车，就知道在全球的某个角落刚刚发生了不小的地震。

“天”（天体宇航航空）。

引力波与双黑洞

美东时间2016年2月11日上午10点30分、北京时间2月11日23点30分，来自加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟以及美国国家自然科学基金会的科学家携手向全世界宣布，由加州理工学院和麻省理工学院共同管理操作的激光干涉引力波天文台（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO），在2015年9月14日首次直接探测到了引力波。其波源来自13亿光年之外的遥远宇宙空间，由两个初始质量分别29颗和36颗太阳的黑洞碰撞并合所引发的，也首次证实了双黑洞的存在。

图7：双黑洞

这一划时代的发现，证实了爱因斯坦（他在1931-1933连续三个冬季学期以访问教授的身份到加州理工学院做研究 -- 诺贝尔奖父子得主尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）和奥格·玻尔（Aage Bohr）都访问过加州理工学院）100年前在广义相对论中提出的一个重要预言：宇宙超暴力事件，例如两颗中子星（由超新星爆炸后形成的、物质密度高达每立方厘米10亿吨重、自转速度每秒成百上千转）或两个极重的黑洞对撞，将产生宇宙最强的力量“引力波”。这种“时空涟漪”，会像波一样，以光速传递到整个宇宙，并为人们所观测。百年来，科学家们前赴后继、孜孜不倦地寻找着引力波 -- 这“暴力后的温柔”。

功夫不负有心人。引力波的发现，直接验证了广义相对论，也为人类打开了认识宇宙的全新窗口。譬如，通过引力波，人们可以看到吞噬除引力波之外的一切（包括光）、原本无法看到的黑洞 ，可以了解宇宙大爆炸瞬间及其混沌的初始38万光年（那时因为高温和高密度，光无法自由旅行），甚至可以揭开占据宇宙所有质量的95%以上的暗能量和暗物质的神秘面纱（传统的电磁波、微波、红外线、紫外线、X射线和伽马射线只能看到不到5%的宇宙）。2017年诺贝尔物理奖得主、LIGO创始人之一、加州理工学院天体物理学家、广义相对论大咖、科幻巨片《星际穿越（Interstella（2014））》的科学顾问基普·索恩（Kip Stephen Thorne）有感而发道：“这个发现显示，我们人类正踏上一次奇妙而崭新的远征：去探索宇宙扭曲面的远征 – 扭曲时空里产生的物质和现象。碰撞的黑洞与引力波是我们第一个美丽的范例。”

太阳系第九大行星“X 行星”

公布引力波发现的三周前（即2016年1月20日），美国加州理工学院天文学家迈克尔·布朗（Mike Brown）和康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）在美国《天文学杂志》上发表论文称，他们已通过数学建模和计算机模拟找到了太阳系存在第九大行星“X 行星”的“铁证”，太阳系将再现九大行星。这是人类近170年来首次发现太阳系新行星。尽管目前这颗行星的具体位置还比较模糊，但科学家认为，这一发现将激发起科学家的追星热潮，有可能找到这颗行星的确切位置。

有趣的是，正是这个布朗10年前轰轰烈烈的动议，冥王星被踹出太阳系九大行星行列，而布朗也赢得了“冥王星杀手”的铁血封号。第九行星戏剧性的失而复得，可谓“失也布朗，得也布朗”。

众所周知，Caltech诺贝尔奖的罗伯特•威尔逊证实了宇宙大爆炸。那里的黑洞研究在全球也是名利前茅。著名理论物理学家、宇宙学家、剑桥大学教授和创下了237周最畅销书纪录的《时间简史：从宇宙大爆炸到黑洞》（Brief History of Time：From the Big Bang to Black Holes）作者史蒂芬•霍金（Stephen Hawking）对黑洞的开创性研究，主要就是在1974-75访问加州理工学院一年时进行的。霍金先后与不同学者，提出多项学说，改变人类对宇宙诞生的看法。其中由他与另一名学者彭罗斯（Roger Penrose）合着的奇点定理（Singularity Theorem），提出时间及宇宙是有起点和终点，肯定了同时代其他人开创的宇宙大爆炸学说，推翻古典物理学有关时空是永恒存在的学说。按照该项定理，他进一步提出具有革命意义的「宇宙无边论」（No Boundary Proposal），该论说指出，在扩张中的宇宙外，并没有任何人类认知的「空间」存在。在黑洞研究上，他亦提出多重创见，认为黑洞并非完全漆黑一片，相反，黑洞会发出一种辐射（后来被称为霍金辐射 Hawking Radiation），这种辐射（能量）以极缓慢的速度离开黑洞后，亦即意味黑洞能量会耗尽，造成黑洞蒸发现象。霍金也因此将加州理工学院作为英国剑桥之外的家，每年到加州理工学院一个月左右，从事研究并与那里的教授、博士后及研究生交流。

图8：史蒂芬•霍金《时间简史：从宇宙大爆炸到黑洞》

历史上关于黑洞最有名的打赌

说起霍金、黑洞和加州理工学院，不得不提到那个历史上关于黑洞最有名的（甚至是关于科学探索最有名的）打赌。穷一生精力研究黑洞的霍金，曾担心黑洞可能只是理论上的概念，而现实中根本不存在。他为免到时自己变得一无所有，1975年在访问加州理工学院时，与Caltech好友、2017年诺贝尔物理奖得主、LIGO创始人之一索恩（Kip Stephen Thorne）开赌：究竟黑洞是否存在，具体的赌约是指当时一个最有可能疑似为黑洞的天体天鹅座X-1。为了进行「对冲」，霍金很有趣地押注黑洞不存在。如果他「不幸」地赢了，霍金虽然一生心血被毁，但索恩要向他赠上专门踼爆英国皇室丑闻的《私家侦探》（Private Eye）杂志4年订阅，如果霍金「幸运」地输了，他就要赠送索恩色情杂志《阁楼》（Penthouse）一年赠阅。1990年霍金在加州理工学院演讲时，很“伤心”地愿赌服输。当时索恩人在莫斯科，于是霍金大张旗鼓闯入索恩的办公室拿出当年的赌据来按手指认输。这件事情还有一个有趣的结局，霍金给索恩订阅了1年的《阁楼》，这让索恩的妻子很恼火，原因倒不是因为对阁楼的内容反感，因为他的妻子认为霍金应该订阅一份对男女都适合的刊物。

图9：史蒂芬•霍金和索恩（右2）

历史上关于黑洞有四次著名的打赌，都与加州理工学院有关：

第一次是已故的诺贝尔奖获得者钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）和加州理工学院著名物理学家索恩（Kip Stephen Thorne）关于旋转黑洞的稳定性问题打的赌。结果是索恩赢得一年的杂志《花花公子》。但是由于索恩的妻子认为应该订阅一份对男女都适合的刊物，钱德拉塞卡换成为索恩订购了《听众》杂志。

第二次是以上霍金和索恩的1975年之赌。

第三次打赌是在1991年，霍金又要求开赌，这次索恩与他站在同一阵线，对赌一方是加州理工学院著名量子力学教授普雷斯基尔（John Preskill）。当时的命题是，奇点应该被黑洞围绕，但没有被黑洞包围的「裸奇点」（Naked Singularities）是否存在。霍金再次输了。

第四次打赌是在1997年，霍金同美国物理学家约翰•普雷斯基尔打赌，黑洞是否会摧毁它们吞噬的一切信息？霍金于2004年7月21日当众表示输掉了这场科学史上著名的赌赛，并送给普雷斯基尔一套板球百科全书。

3．喷气与推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）

加州理工学院在“天”（天体宇航航空）的领先地位也得益于“喷气与推进实验室”（Jet Propulsion Laboratory，简称JPL）。有5000名全职雇员的JPL是美国国家航空航天局（The National Aeronautics and Space Administration，简称NASA）的一个下属机构，负责开发和管理无人太空探测任务，行政上受NASA的委托由加州理工学院管理。JPL所进行的科研项目中包括了伽利略木星探测任务和火星漫步任务（包括1997年的火星探路者任务和2003年的火星表面探测任务）。JPL已经向太阳系中的每个行星都发射了无人探测器，还进行了对地球准确测量的任务。它控制着全球的深空探测网络，这些设施分别坐落在加利福尼亚的Mojave沙漠，西班牙的马德里附近和澳大利亚的堪培拉附近。

图10：加州理工学院的“喷气与推进实验室”

图11：坐落在圣格布瑞尔山谷（San Gabriel Valley）的“喷气与推进实验室”

以下是按时间顺序列出的具有重大意义的JPL探测任务：

1 探索者计划 (Explorer Program)　　
2 水手计划 (Mariner Program)　　
3 先锋计划 3和4 (Pioneer 3 and 4)　　
4 海盗者计划 (Viking Program)　　
5 旅行者计划 (Voyager Program)　　
6 麦哲伦计划 (Magellan Program)　　
7 伽利略计划 (Galileo Probe)　　
8 火星全球探测者 (Mars Global Surveyor)　
9 深太空1和2 (Deep Space 1 and 2)　　　
10 探测火星大气的轨道卫星 (Mars Climate Orbiter) 　　
11 卡西尼惠更斯卫星 (Cassini Huygens)　　
12 星尘计划 (Stardust)　　
13 火星奥德赛计划 (Mars Odyssey)　　
14 火星探路者计划 (Mars Pathfinder)　　
15 火星漫步者计划 (Mars Exploration Rover Mission) 　　
16 斯皮策深空望远镜 (Spitzer Space Telescope) 　　
17 火星探测轨道卫星 (Mars Reconnaissance Orbiter)
18 火星科学实验室 (Mars Science Laboratory)
19 广域红外线巡天探测卫星 （Wide-Field Infrared Explorer, WISE）
20 航天飞机雷达测图计划（Shutter Radar Topography Mission）

图12：由最近刚圆满走完20年太空征程的“卡西尼”(Cassini)号探测器拍摄的土星

图13：喷气与推进实验室的“精神号”火星探测车

图14：与地球及金星大小类似的（大小从右到左排列）、太阳系外行星可能存在生命

这是由加州理工学院、加州大学和美国国家航空航天局共同拥有的、坐落于夏威夷岛（the Big Island of Hawaii）的、世界最大的天文望远镜（the W.M.Keck Observatory）发现的。其中Kepler-20f很可能有大气层。

后注：本文2011年首次发表于其他网站，现加于更新。图片皆来自网上，在此多谢摄影者。

献给母校