卡文迪什實驗室

2019-11-22 00:11:29
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名稱: 卡文迪什實驗室

編者按:物理學是一門以實驗為基礎的科學。在物理學的發展過程中,實驗起到了非常重要的作用。要進行物理學研究就離不開實驗,要進行物理實驗就必須具備實驗的基本條件,作為物理學研究的基本場所--實驗室,自然是進行物理實驗的必備條件。截止目前,世界上涌現出了不少令人矚目的實驗室,從這些實驗室走出了很多科學精英,創造了許多科學成果。基于此,本欄目將陸續推出有關著名物理實驗室的系列介紹,旨在使廣大物理教師了解這些實驗室的發展歷程、主要成果以及所培養的科學精英,與此同時,也可為諸位老師提供必要的備課資源。

一、物理實驗室的典范--卡文迪什實驗室

卡文迪什實驗室相當于英國劍橋大學物理系。劍橋大學建于1209年,歷史悠久,卡文迪什實驗室則始建于1871年,1874年建成,是當時劍橋大學校長W.卡文迪什(William Cavendish)私人捐款興建的(他是H.卡文迪什的近親),這個實驗室就取名為卡文迪什實驗室.當時用了捐款8450英鎊,除蓋成一座實驗室樓館外,還采購了一些儀器設備。

英國是19世紀最發達的資本主義國家之一。把物理實驗室從科學家私人住宅中擴展為研究單位,適應了19世紀后半葉工業技術對科學發展的要求,促進了科學技術的開展。隨著科學技術的發展,科學研究工作的規模越來越大,社會化和專業化是必然趨勢。劍橋大學校長的這一做法是有遠見的。

當時委任著名物理學家麥克斯韋負責籌建這所實驗室。1874年建成后他當了第一任實驗室主任,直到他1879年因病去世。在他的主持下,卡文迪什實驗室開展了教學和科學研究,工作初具規模.按照麥克斯韋的主張,物理教學在系統講授的同時,還輔以表演實驗,并要求學生自己動手。表演實驗要求結構簡單,學生易于掌握。麥克斯韋說過:“這些實驗的價值,往往與儀器的復雜性成反比,學生用自制儀器,雖然經常出毛病,他們卻會比用仔細調整好的儀器學到更多的東西。仔細調整好的儀器學生易于依賴,而不敢拆成零件”。從那時起,使用自制儀器就形成了卡文迪什實驗室的傳統。實驗室附有工場間,可以制作很精密的儀器。麥克斯韋很重視科學方法的訓練,也很注意前人的經驗。例如:他在整理100年前H.卡文迪什留下的有關電學的論著之后,親自重復并改進卡文迪什做過的一些實驗。同時,卡文迪什實驗室還進行了多種實驗研究,例如,地磁、電磁波的傳播速度、電學常數的精密測量、歐姆定律、光譜、雙軸晶體等,這些工作為后來的發展奠定了基礎。

1879年麥克斯韋去世后由瑞利勛爵(1842 -1919)繼任,任期為1880-1884年,瑞利是近代聲學理論的奠基人,在任期內研究方向為精測電流、電阻和電壓標準,在教學中發展了實驗室教學,建立了正常的規章制度。1904年諾貝爾物理學獎授予瑞利勛爵,以表彰他在研究最重要的一些氣體的密度及在這些研究中發現了氬。他是卡文迪什實驗室第一位諾貝爾獎獲得者。不過,瑞利獲得諾貝爾物理學獎時,早已轉到英國皇家研究所工做。盡管如此,瑞利還是和卡文迪什實驗室保持著密切的聯系,后來瑞利將全部諾貝爾獎金捐獻給了卡文迪什實驗室,以供擴建和添置儀器之用。他為卡文迪什實驗室建立的各種制度一直是后人遵循的規范。

第三任實驗室主任為J.J.湯姆孫爵寸:(1856-1940),任期從1885到1919年,長達35年。他是電子的發現者和氣體導電理論的奠基人。1908年由于對氣體導電的理論和實驗所作的貢獻,榮獲諾貝爾物理學獎。他接任瑞利當卡文迪什實驗室主任時年方28歲。J.J湯姆孫對卡文迪什實驗室的建設有卓越貢獻。在他的主持下,卡文迪什實驗室的研究方向由電磁精密測量轉移到氣體放電現象,由此引向微觀世界的實驗探索,從而奠定了卡文迪什實驗室在原子物理和原子核物理研究上的領先地位。在J.J.湯姆孫的建議下,從1895年開始,卡文迪什實驗室實行吸收外校及國外的大學畢業生當研究生的制度,一批批優秀的年輕學者陸續來到這里,在他的指導下進行學習和研究。從他開始,卡文迪什實驗室建立了一整套培養研究生的管理體制,樹立了良好的學風。在他的倡議下,卡文迪什實驗室率先實行了對女學生開放的制度。他培養的研究生中,有許多后來成了著名科學家,對科學的發展作出了重大貢獻,有的成了各研究機構的學術帶頭人。其中,盧瑟福因放射性研究獲得1908年諾貝爾化學獎,亨利·布拉格和他的兒子勞倫斯·布拉格因X射線分析晶體結構和提出布拉格公式獲得1915年諾貝爾物理學獎,巴克拉因發現各種元素的標識X輻射獲得1917年諾貝爾物理學獎,阿斯頓因發明質譜儀獲得1922年諾貝爾化學獎,C.T.R威爾遜因發明記錄帶電粒子徑跡的云室方法獲得1927年諾貝爾物理學獎,O.W.里查孫因發現熱電子發射定律獲得1928年諾貝爾物理學獎。在J.J.湯姆孫領導的35年中,卡文迪什實驗室的研究工作取得了如下成果:進行了氣體導電的研究,從而導致了電子的發現;放射性的研究,導致了射線的發現;進行了正射線的研究,發明了質譜儀,從而導致了同位素的研究;膨脹云室的發明,為核物理和基本粒子的研究準備了條件;電磁波和熱電子的研究促進了無線電電子學的發展和應用。這些引入注目的成就使卡文迪什實驗室成了物理學的圣地,世界各地的物理學家紛紛來訪,把這里的經驗帶回去,對各地實驗室的建設起了很好的指導作用。

第四任卡文迪什實驗室教授為盧瑟福,任期為1919-1937年,他是射線,射線、元素衰變定律、原子核和人工元素蛻變的發現者。中子的發現和他的理論預見分不開,粒子高壓加速器的發明和運用也是他努力的結果,他不愧為核物理學的奠基人。盧瑟福是著名科研組織家和培養人才的巨匠,也是小科學向大科學轉變的倡導者。由于在他任職期間所做的工作,查德威克因發現中于獲1935年諾貝爾物理學獎,G.P湯姆孫因為用實驗演示電子衍射獲1937年諾貝爾物理學獎,阿普頓因為研究電離層和發現阿普頓層而獲1947年諾貝爾物理學獎,布萊克特因為核物理和宇宙輻射領域的一些發現而獲1948年諾貝爾物理學獎,考克饒夫和瓦爾頓因為發明粒子加速器并使原子核發生人工蛻變而獲1951年諾貝爾物理學獎。盧瑟福把卡文迪什實驗室發展成世界主要的物理中心和培養優秀物理人才的苗圃。遺憾的是正當盧瑟福處于科學顛峰之際,不幸因病于1937年過早地去世。

第五任卡文迪什實驗室教授為勞倫斯·布拉格,任期在1938-1953年。他以穩健和民主風格著稱。他采取了多方向發展的戰略,從核物理向其他方向轉變,在這一過程中大力扶持了分子生物學、射電天文學和固體物理學的發展,并根據戰后擴大發展的需要建立組系制和秘書管理行政事務的體制。由于轉變及時、措施得力,卡文迪什實驗室在以上幾個方向上繼續保持其世界領先地位。結果是,由于這一階段的基礎工作,卡文迪什實驗室又有多名科學家獲得了諾貝爾獎。1950年諾貝爾物理學獎授予曾經是卡文迪什實驗室重要成員,后來轉到布利斯托爾大學的鮑戚爾,以表彰他發展了研究核過程的光學方法,和他用這一方法作出的有關介子的發現。勞倫斯·布拉格是射線晶體物理奠基人,他和他父親亨利·布拉格創建的X射線衍射研究晶體結構的方法是人們認識微觀世界的重要工具,它不僅在深度上進入了原子分子的結構層次,而且在廣度上涉及到各種晶體物質,還可以從晶體的結構出發進而了解大分子物質的結構,特別是生物大分子物質的結構。了解生物大分子的空間結構,有極其重大的意義,因為由此不但可以獲得豐富的信息,使我們有可能探討蛋白質、核酸等物質的結構及這些結構與其功能之間的聯系,從而增進我們對生命過程的作用機理的認識,當我們對這些結構有了充分了解后,還可以進行人工合成,并按我們的需要加以改造。在這些方面,以勞倫斯·布拉格為核心的劍橋學派走在了世界的前列。他的學生肯德魯(John Coudery Kendrew,1917-1997)和佩魯茲(Max Ferdinand Perutz,1914-2002)在1962年因蛋白質的研究榮獲諾貝爾化學獎。同一年,克里克(Francis Crick,1916-2004)、沃森(Jame Watson,1928- )及威爾金斯(Mauricc Wilkins,1916-2004)因為發現核酸分子結構的內在聯系,提出DNA雙螺旋模型而共同獲得諾貝爾土生理學或醫學獎。此外,卡文迪什實驗室還以其天體物理學和射電天文學走在國際前列。賴爾和休伊什,由于在射電天文學方面的先進性工作獲得1974年諾貝爾物理學獎,賴爾是由于他的觀測和發明,特別是綜合孔徑技術的發明,休伊什是由于他在發現脈沖星小所起的決定性作用。

第六任卡文迪什實驗室主任是固體物理學家莫特(1905-1996),任期從1954年到1970年。英特在盧瑟福時期曾經從事核物理學研究。后來在布利斯托爾大學建立了影響較大的固體物理學派。在任卡文迪什教授后,果斷地將分子生物學組分出去,停止建造大型高能加速器計劃,將研究方向逐步轉移到固體-凝聚態物理和射電天文學方面。他是非晶態半導體研究的開拓者,對卡文迪什實驗室與工業界的聯系起了重要作用。他本人由于對磁性和無序系統的電子結構所作的基礎理論研究獲1977年諾貝爾物理學獎。

第七任卡文迪什實驗室主任是超導物理學家皮帕德(Brian Pippard,1920-),任期從1971年到1982年,1979年后曾先后延聘柯克A.Cook)和愛檀華(Sir San Edwards)任執行主任,協助工作。皮帕德早年研究低溫物理,后來研究超導現象,發現金屬導電性取決于結晶的費米面的幾何形狀和其性質與此面的面積有關,從而開拓了表面物理研究領域。他深感在英國經濟衰退和人才外流情況下振興卡文迪什實驗室的重大使命,他提出將重點放在培養人才上,理論與實驗之間不是誰指導誰而是對話關系和培養通過實驗進行猜測的能力,以補償理論之不足。在他的領導下,約瑟夫森因對穿過隧道壁壘的超導電流所作的理論預言,特別是關于普遍稱為約瑟夫森效應的那些現象,獲1973年諾貝爾物理學獎。

在一百多年的發展過程中,卡文迪什實驗室的科學家中共有25位獲得了諾貝爾獎。卡文迪什實驗室的規模隨著時間的推移不斷擴大,在盧瑟福任職之前,整個實驗室只有一名教授,另有實驗演示員142人、技師。142人、實驗室和圖書館管理人員各1人、研究人員幾人,自然科學優等生或研究生若干人。第一次世界大戰之后,專職研究人員增至十幾人,招收研究生10430人。第二次世界大戰之后,科研和教學任務大大增加,除一位卡文迪什教授之外,另設教授l~2人,包括流動研究人員在內總研究人員數增加到30余人,研究生達130余人。1950-1970年,教授由4人增至6人,專職研究人員20440人,總研究人員多達300~400人。

卡文迪什實驗室新

1930年后,由于加速器的建設和高壓電與低溫物理實驗室的建立,所需工作人員人數 增多,機構逐漸增大,管理工作復雜,為此盧瑟福曾在1921年特設了主任助理,并于30年代初再分設四個專業組和另建一個分實驗室--蒙德實驗室。這時仍然實行卡文迪什教授集中領導的體制。到了1948年,由于人數過于龐大,專業分工大大加強。注重民主管理的勞倫斯·布拉格教授設立專門負責行政事務的專職秘書,建立大組系統,每個大組單獨設立實驗室、車間和秘書,自成體系,從而形成組系管理制。這樣就保證實驗室主任能把主要精力用于科研和教學管理,從而促進了實驗室的科學研究和教學任務的開展。

一百多年來,卡文迪什實驗室完成了從小科學向大科學的轉變,它也就成了大科學產 生的搖籃。1895年之前,科學研究的形式是以個人研究為中心,實驗室不開封臘、懸絲、玻璃這三件必備的器材,這實際上是手工業方式。隨著電氣化的發展和精密儀器的出現,以 電磁儀器為主的實驗條件決定了研究規模從個人單干向小組合作發展,出現小科學研究時代。從1930年起,由于加速器的研制和使用,需幾個組的各類人員合作,這樣就使小科學時代發展到大科學時代。

一百多年來,卡文迪什實驗室在現代科學發展中發揮了特殊的重要作用。如果從麥克斯韋算起,他在這里完成了他的名著《熱理論》和《電磁學通論》(前一本書于1872年出版,后一本書于1873年出版)。若干年后,1881年J.J.湯姆孫在這里發表了他有關電磁質量的著名論文,1893年出版了他的重要著作《電磁理論新近研究》,奠定氣體導電理論,1897年發現了電子,打開了揭示原子結構的大門,從而開始了原子物理學的研究。此后的一百年里,卡文迪什實驗室的有關人員做出了許多對現代科學有重要意義的發現和發明,其中影響全局的有1911年盧瑟福發現原子的核結構、1919年發現人工元素蛻變、1924年證實核勢壘,1913年布拉格父子發現X射線晶體衍射公式和測定晶體點陣常數,1932年查德威克發現中于,1933年布萊克特驗證正電子,1933年奧利芬特驗證質能等價定律,1953年克里克和沃森發現DNA雙螺旋結構,1967年賴爾發現射電天體和休伊什發現脈沖星。在凝聚態物理學上,1959年皮帕德提出超導費米面,20世紀60年代英特提出非晶態半導體理論,1962年約瑟夫森提出超導體隧道效應理論等。這些重大發現不但沖破了經典原子論框染,改變了人類兩千多年的物質觀,而且將觀念的變革擴大到生命物質的遺傳機理,奠定了電磁理論、氣體導電理論、物質電結構理論、X射線晶體物理學,原子物理學、核物理學、分子生物學、射電天文學、表面物理學和凝聚志物理學的基礎,因此大多具有劃時代意義。這些成就顯示了卡文迪什實驗室在現代科學革命和發展中起到了何等重要的關鍵性作用。

一百多年來,卡文迪什實驗室吸引了世界各國大量優秀青年物理學家,造就了許多科學精英,成了世界物理學心目中的“麥加”(圣地)。

來自《物理學史》郭亦玲 沈慧君 清華大學出版社2002