作者：鎖相，凝聚態(tài)物理學(xué)博士

物理學(xué)以實(shí)驗為基礎(chǔ)，實(shí)驗物理發(fā)展史是物理學(xué)史的骨架，開展實(shí)驗科研的場所通常被稱為實(shí)驗室。歷史上，最著名的大型物理實(shí)驗室往往由少數(shù)核心科研項目逐漸擴(kuò)充，成為關(guān)注某些特定領(lǐng)域的聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)。

卡文迪許實(shí)驗室建立于1871年，由當(dāng)時的英國劍橋大學(xué)校長卡文迪許公爵捐贈建立，并以其親戚亨利-卡文迪許命名，隸屬于英國劍橋大學(xué)。

卡文迪許實(shí)驗室舊址

亨利·卡文迪許是著名的化學(xué)家和物理學(xué)家，以發(fā)現(xiàn)了氫氣聞名。偉大的物理學(xué)家麥克斯韋參與了實(shí)驗室建設(shè)，并成為了第一任實(shí)驗室主任，同時也獲得了卡 文迪許物理教授這一頭銜。卡文迪許物理教授的頭銜是物理學(xué)界最重要的校內(nèi)教授稱號之一，它從1871年起，一共只授予過9個學(xué)者，并且前人不退后人不上。看看這9個人都有誰，就知道卡文迪許實(shí)驗室的不平凡了。

按這9個人的簡歷，我將卡文迪許實(shí)驗室分為三個時期：原子物理黃金期（1871-1937），轉(zhuǎn)型期（1938-1953），劍橋大學(xué)物理系時期（1954- ）。這9個人分別是：

1871-1879，麥克斯韋：電磁學(xué)理論奠基人，統(tǒng)計物理重要的早期貢獻(xiàn)者；實(shí)驗物理學(xué)家兼理論物理學(xué)家。

1879-1884，瑞利：聲學(xué)奠基人，瑞利散射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者，氬氣發(fā)現(xiàn)者，1904年諾貝爾獎獲得者；實(shí)驗物理學(xué)家兼理論物理學(xué)家。

1884-1919，湯姆遜：電子發(fā)現(xiàn)者，質(zhì)譜儀發(fā)明者，1906年諾貝爾獎獲得者，最著名的學(xué)生盧瑟福1908年獲諾獎，兒子喬治·湯姆遜1937年獲諾獎；實(shí)驗物理學(xué)家。

1919-1937，盧瑟福：原子物理學(xué)奠基人，原子核和質(zhì)子的探測者，半衰期概念提出者，1908年諾貝爾獎獲得者；《不列顛百科全書》稱其為法拉第之后最偉大的實(shí)驗物理學(xué)家。

1938-1953，布拉格：布拉格X射線衍射定律發(fā)現(xiàn)者，晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)知識奠基人，1915年諾貝爾獎獲得者；實(shí)驗物理學(xué)家。

1954-1971，莫特：因在磁體系與無序體系中的電子結(jié)構(gòu)理論研究，獲1977年諾貝爾獎；理論物理學(xué)家。與他同時獲獎的安德森也曾工作于卡文迪許，并被認(rèn)為是當(dāng)今最重要的凝聚態(tài)物理學(xué)家之一。

1971-1982，派帕德：超導(dǎo)體相關(guān)長度概念提出者，費(fèi)米面的測量者，學(xué)生約瑟夫1973年獲諾獎（約瑟夫獲諾獎的工作發(fā)表于他22、受派帕德指導(dǎo)時）；實(shí)驗物理學(xué)家兼理論物理學(xué)家。

1984-1995，愛德華：場論貢獻(xiàn)者之一。理論物理學(xué)家。

1995-今，弗倫德：有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域貢獻(xiàn)者之一。實(shí)驗物理學(xué)家。

1897年，下排右一，盧瑟福；右三，湯姆遜。上排左二，威爾遜，卡文迪許實(shí)驗室人員，1927年諾獎獲得者。1895年卡文迪許實(shí)驗室允許招外校研究生，盧瑟福是最早的兩個學(xué)生之一，另一人是湯森，電子雪崩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者。

從麥克斯韋到盧瑟福，是卡文迪許實(shí)驗室的原子物理的黃金時期，這一時期的實(shí)驗室工作奠定了我們今天對物質(zhì)世界認(rèn)識的基礎(chǔ)。麥克斯韋和瑞利建立起實(shí)驗 室的框架，將科學(xué)家的個人研究轉(zhuǎn)變?yōu)閱挝谎芯浚源龠M(jìn)科學(xué)家間的合作，從而適應(yīng)現(xiàn)代物理所需要的專業(yè)化趨勢。可以說，從這個時候起，個人實(shí)驗室時代基本終結(jié)，擁有主流科學(xué)實(shí)驗成果的科學(xué)家們幾乎都隸屬于某個機(jī)構(gòu)。

麥克斯韋強(qiáng)調(diào)了測量方面的訓(xùn)練，瑞利進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗儀器的重要性。瑞利曾私人捐獻(xiàn)了500英鎊用以增添儀器，這是卡文迪許實(shí)驗室某一次實(shí)驗儀器擴(kuò) 展總費(fèi)用的三分之一（我不知道這具體發(fā)生在哪一年）。從平均收入水平估算，瑞利任實(shí)驗室主任的第一年（1879年）的500英鎊等于現(xiàn)在的21萬英鎊，約 200萬人民幣。瑞利獲諾貝爾獎后，又捐贈了5000英鎊給實(shí)驗室。

麥克斯韋和瑞利的遠(yuǎn)見是日后卡文迪許實(shí)驗室頻頻收獲突破性實(shí)驗成果的基礎(chǔ)。之后的湯姆遜和盧瑟福時期，實(shí)驗室發(fā)現(xiàn)了電子、α射線、β射線、質(zhì)子、中 子、元素衰變定律，發(fā)明了質(zhì)譜儀、膨脹云室，開展了核反應(yīng)和同位素的研究，首次證明了愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系。這期間的重要工作太多，許多貢獻(xiàn)的重要性僅從名 稱上就可以明白，反而沒有詳細(xì)介紹的必要。可以說，幾乎一半的近代物理學(xué)產(chǎn)生于這個實(shí)驗室。

1904到1937年間，卡文迪許實(shí)驗室獲得了11次諾貝爾獎，這在現(xiàn)在任何一個研究機(jī)構(gòu)都是不可想象的。

原始實(shí)驗室設(shè)計草圖

布拉格指導(dǎo)下的卡文迪許實(shí)驗室經(jīng)歷了轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)型期的出現(xiàn)不僅僅是由原子物理方向的領(lǐng)導(dǎo)者盧瑟福變?yōu)榱斯腆w物理方向的領(lǐng)導(dǎo)者布拉格這么簡單。第二次世 界大戰(zhàn)期間，實(shí)驗室的重點(diǎn)由原子物理與核物理方向的基礎(chǔ)研究，轉(zhuǎn)到了與軍事應(yīng)用有關(guān)的核武器、雷達(dá)等方向。二戰(zhàn)結(jié)束后，由于這些科研的敏感性，英國政府為 核物理研究成立了一個實(shí)驗室，轉(zhuǎn)移走了相關(guān)的科學(xué)家，也轉(zhuǎn)移走了相關(guān)的經(jīng)費(fèi)。布拉格在這個背景上，將實(shí)驗室重心調(diào)整為晶體物理學(xué)、分子生物學(xué)和射電天文 學(xué)，他本人在晶體物理學(xué)上貢獻(xiàn)良多。分子生物學(xué)和射電天文學(xué)的重要工作分別于1962年和1974年獲得諾貝爾獎。分子生物學(xué)科在卡文迪許實(shí)驗室的建立， 開始了蛋白質(zhì)和DNA結(jié)構(gòu)的研究。順便說明，物理學(xué)科的發(fā)展是其他實(shí)用學(xué)科發(fā)展的前提，沒有物理成像技術(shù)和探測手段，包括生命科學(xué)在內(nèi)的許多學(xué)科將是無源 之水。盡管布拉格在職的15年間，卡文迪許出獲得了4個諾貝爾獎，這4項獲獎的工作均是盧瑟福在職期間完成的。

布拉格之后的卡文迪許實(shí)驗室，其實(shí)就是劍橋大學(xué)的物理系：依然非常好，可不再是獨(dú)一無二的了。在2012年的一個物理排行榜上，前五名依次是麻省理 工、哈佛、斯坦福、牛津、劍橋。布拉格所帶領(lǐng)的轉(zhuǎn)型是非常明智的。黃金時代的卡文迪許實(shí)驗室關(guān)注的是原子物理，屬于這個學(xué)科的時間是上世紀(jì)三十、四十年 代。對于進(jìn)一步的高能物理研究，大型加速器是必要的工具，這是一個極端耗錢耗能源的實(shí)驗方向，以英國的國力很難單獨(dú)支撐起現(xiàn)在的大型加速器實(shí)驗。從這個角 度，卡文迪許實(shí)驗室的歷史意義已經(jīng)結(jié)束，從麥克斯韋到盧瑟福的主要?dú)v史積累已經(jīng)用完，它現(xiàn)在就只是一個頂尖大學(xué)的物理系。在卡文迪許實(shí)驗室的官方網(wǎng)站上， 實(shí)驗室20年來無人得諾獎。最后一個諾貝爾獎出現(xiàn)在1989年。之前，1982年的諾獎屬于晶體學(xué)和分子生物學(xué)，歸功于布拉格時期；1979年的諾獎也屬 于晶體學(xué)；1978年的諾貝爾獎獲得者卡皮察曾在卡文迪許工作，但他獲獎的科學(xué)原因是1937年時在蘇聯(lián)時發(fā)現(xiàn)了超流，其實(shí)與卡文迪許無關(guān)。

在卡文迪許實(shí)驗室工作過的科學(xué)家中，共有29位獲得了諾貝爾獎，包括物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)，平均5年一個獲獎?wù)摺我灾Z貝爾獎?wù)撚⑿鄄煌耆珜Γ强ㄎ?迪許結(jié)束了個人實(shí)驗室時代，開啟了現(xiàn)代實(shí)驗物理，創(chuàng)造了原子物理的黃金時代，卻是毋庸質(zhì)疑的事實(shí)。今日的卡文迪許實(shí)驗室實(shí)際上已經(jīng)不再特別，只是劍橋大學(xué)的物理系，現(xiàn)在有81名教職人員。

注釋

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二戰(zhàn)后取代卡文迪許實(shí)驗室核物理的國家實(shí)驗室是Atomic Energy Research Establishment （AERE）;被挖走的核物理學(xué)家中有曾經(jīng)的實(shí)驗室核方向負(fù)責(zé)人John Cockroft，實(shí)驗物理學(xué)家兼工程師，他在二戰(zhàn)期間也是英國空防研究的負(fù)責(zé)人，對雷達(dá)技術(shù)的研究提供了幫助。