著名物理实验室简介——卡文迪许实验室

作者：锁相，凝聚态物理学博士

物理学以实验为基础，实验物理发展史是物理学史的骨架，开展实验科研的场所通常被称为实验室。历史上，最著名的大型物理实验室往往由少数核心科研项目逐渐扩充，成为关注某些特定领域的联合科研机构。

卡文迪许实验室建立于1871年，由当时的英国剑桥大学校长卡文迪许公爵捐赠建立，并以其亲戚亨利-卡文迪许命名，隶属于英国剑桥大学。

亨利·卡文迪许是著名的化学家和物理学家，以发现了氢气闻名。伟大的物理学家麦克斯韦参与了实验室建设，并成为了第一任实验室主任，同时也获得了卡 文迪许物理教授这一头衔。卡文迪许物理教授的头衔是物理学界最重要的校内教授称号之一，它从1871年起，一共只授予过9个学者，并且前人不退后人不上。看看这9个人都有谁，就知道卡文迪许实验室的不平凡了。

按这9个人的简历，我将卡文迪许实验室分为三个时期：原子物理黄金期（1871-1937），转型期（1938-1953），剑桥大学物理系时期（1954- ）。这9个人分别是：

1871-1879，麦克斯韦：电磁学理论奠基人，统计物理重要的早期贡献者；实验物理学家兼理论物理学家。

1879-1884，瑞利：声学奠基人，瑞利散射现象发现者，氩气发现者，1904年诺贝尔奖获得者；实验物理学家兼理论物理学家。

1884-1919，汤姆逊：电子发现者，质谱仪发明者，1906年诺贝尔奖获得者，最著名的学生卢瑟福1908年获诺奖，儿子乔治·汤姆逊1937年获诺奖；实验物理学家。

1919-1937，卢瑟福：原子物理学奠基人，原子核和质子的探测者，半衰期概念提出者，1908年诺贝尔奖获得者；《不列颠百科全书》称其为法拉第之后最伟大的实验物理学家。

1938-1953，布拉格：布拉格X射线衍射定律发现者，晶格结构相关知识奠基人，1915年诺贝尔奖获得者；实验物理学家。

1954-1971，莫特：因在磁体系与无序体系中的电子结构理论研究，获1977年诺贝尔奖；理论物理学家。与他同时获奖的安德森也曾工作于卡文迪许，并被认为是当今最重要的凝聚态物理学家之一。

1971-1982，派帕德：超导体相关长度概念提出者，费米面的测量者，学生约瑟夫1973年获诺奖（约瑟夫获诺奖的工作发表于他22、受派帕德指导时）；实验物理学家兼理论物理学家。

1984-1995，爱德华：场论贡献者之一。理论物理学家。

1995-今，弗伦德：有机半导体领域贡献者之一。实验物理学家。

从麦克斯韦到卢瑟福，是卡文迪许实验室的原子物理的黄金时期，这一时期的实验室工作奠定了我们今天对物质世界认识的基础。麦克斯韦和瑞利建立起实验 室的框架，将科学家的个人研究转变为单位研究，以促进科学家间的合作，从而适应现代物理所需要的专业化趋势。可以说，从这个时候起，个人实验室时代基本终结，拥有主流科学实验成果的科学家们几乎都隶属于某个机构。

麦克斯韦强调了测量方面的训练，瑞利进一步强调了实验仪器的重要性。瑞利曾私人捐献了500英镑用以增添仪器，这是卡文迪许实验室某一次实验仪器扩 展总费用的三分之一（我不知道这具体发生在哪一年）。从平均收入水平估算，瑞利任实验室主任的第一年（1879年）的500英镑等于现在的21万英镑，约 200万人民币。瑞利获诺贝尔奖后，又捐赠了5000英镑给实验室。

麦克斯韦和瑞利的远见是日后卡文迪许实验室频频收获突破性实验成果的基础。之后的汤姆逊和卢瑟福时期，实验室发现了电子、α射线、β射线、质子、中 子、元素衰变定律，发明了质谱仪、膨胀云室，开展了核反应和同位素的研究，首次证明了爱因斯坦的质能关系。这期间的重要工作太多，许多贡献的重要性仅从名 称上就可以明白，反而没有详细介绍的必要。可以说，几乎一半的近代物理学产生于这个实验室。

1904到1937年间，卡文迪许实验室获得了11次诺贝尔奖，这在现在任何一个研究机构都是不可想象的。

布拉格指导下的卡文迪许实验室经历了转型。转型期的出现不仅仅是由原子物理方向的领导者卢瑟福变为了固体物理方向的领导者布拉格这么简单。第二次世 界大战期间，实验室的重点由原子物理与核物理方向的基础研究，转到了与军事应用有关的核武器、雷达等方向。二战结束后，由于这些科研的敏感性，英国政府为 核物理研究成立了一个实验室，转移走了相关的科学家，也转移走了相关的经费。布拉格在这个背景上，将实验室重心调整为晶体物理学、分子生物学和射电天文 学，他本人在晶体物理学上贡献良多。分子生物学和射电天文学的重要工作分别于1962年和1974年获得诺贝尔奖。分子生物学科在卡文迪许实验室的建立， 开始了蛋白质和DNA结构的研究。顺便说明，物理学科的发展是其他实用学科发展的前提，没有物理成像技术和探测手段，包括生命科学在内的许多学科将是无源 之水。尽管布拉格在职的15年间，卡文迪许出获得了4个诺贝尔奖，这4项获奖的工作均是卢瑟福在职期间完成的。

布拉格之后的卡文迪许实验室，其实就是剑桥大学的物理系：依然非常好，可不再是独一无二的了。在2012年的一个物理排行榜上，前五名依次是麻省理 工、哈佛、斯坦福、牛津、剑桥。布拉格所带领的转型是非常明智的。黄金时代的卡文迪许实验室关注的是原子物理，属于这个学科的时间是上世纪三十、四十年 代。对于进一步的高能物理研究，大型加速器是必要的工具，这是一个极端耗钱耗能源的实验方向，以英国的国力很难单独支撑起现在的大型加速器实验。从这个角 度，卡文迪许实验室的历史意义已经结束，从麦克斯韦到卢瑟福的主要历史积累已经用完，它现在就只是一个顶尖大学的物理系。在卡文迪许实验室的官方网站上， 实验室20年来无人得诺奖。最后一个诺贝尔奖出现在1989年。之前，1982年的诺奖属于晶体学和分子生物学，归功于布拉格时期；1979年的诺奖也属 于晶体学；1978年的诺贝尔奖获得者卡皮察曾在卡文迪许工作，但他获奖的科学原因是1937年时在苏联时发现了超流，其实与卡文迪许无关。

在卡文迪许实验室工作过的科学家中，共有29位获得了诺贝尔奖，包括物理、化学、医学，平均5年一个获奖者。单以诺贝尔奖论英雄不完全对，但是卡文 迪许结束了个人实验室时代，开启了现代实验物理，创造了原子物理的黄金时代，却是毋庸质疑的事实。今日的卡文迪许实验室实际上已经不再特别，只是剑桥大学的物理系，现在有81名教职人员。

注释

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二战后取代卡文迪许实验室核物理的国家实验室是Atomic Energy Research Establishment （AERE）;被挖走的核物理学家中有曾经的实验室核方向负责人John Cockroft，实验物理学家兼工程师，他在二战期间也是英国空防研究的负责人，对雷达技术的研究提供了帮助。