物理学以实验为基础,实验物理学史是物理学史的支柱,进行实验研究的场所通常称为实验室。历史上最著名的大型物理实验室往往从几个核心研究项目逐渐扩展成为专注于某些特定领域的联合研究机构。
卡文迪什实验室于1871年由时任剑桥大学校长卡文迪什公爵捐资建立,以其亲戚亨利·卡文迪什的名字命名,隶属于剑桥大学。
卡文迪什实验室
亨利·卡文迪许是著名的化学家、物理学家,因发现氢而闻名。大物理学家麦克斯韦参与了实验室的建设,并成为实验室首任主任,还被授予卡文迪许物理学教授称号。卡文迪许物理学教授称号是物理学领域最重要的校内教授称号之一,自1871年起只授予过9位学者,继任者不断晋升。看看这九个人是谁,就知道卡文迪许实验室的非凡之处。
根据这九个人的履历网校头条,我把卡文迪什实验室分为三个时期:原子物理黄金时代(1871-1937)、过渡时期(1938-1953)、剑桥大学物理系时期(1954-)。这九个人分别是:
1871-1879年,麦克斯韦:电磁理论的创始人约费 苏联物理学家,统计物理学早期的重要贡献者;实验物理学家和理论物理学家。
1879—1884年,瑞利:声学创始人、瑞利散射现象的发现者、氩的发现者、1904年诺贝尔奖获得者;实验物理学家、理论物理学家。
1884—1919年,汤姆逊:电子的发现者,质谱仪的发明者,1906年诺贝尔奖获得者,他最著名的学生卢瑟福于1908年获得诺贝尔奖,他的儿子乔治·汤姆逊于1937年获得诺贝尔奖;实验物理学家。
1919—1937年,卢瑟福:原子物理学的创始人,原子核和质子的探测器,半衰期概念的提出者,1908年诺贝尔奖获得者;大英百科全书称他为法拉第之后最伟大的实验物理学家。
1938年至1953年,布拉格:X射线衍射布拉格定律的发现者、晶格结构知识的创始人、1915年诺贝尔奖获得者;实验物理学家。
1954-1971年,莫特:因在磁性和无序系统电子结构方面的理论研究而获得1977年诺贝尔奖;理论物理学家。与他一起获奖的安德森也曾在卡文迪什工作,被认为是当今最重要的凝聚态物理学家之一。
1971—1982年,帕帕德:提出超导体关联长度概念,测量了费米面,他的学生约瑟夫于1973年获得诺贝尔奖(约瑟夫获得诺贝尔奖的工作就是在他22岁、在帕帕德指导下发表的);实验物理学家、理论物理学家。
1984年至1995年,爱德华:场论贡献者之一,理论物理学家。
1995年-至今,弗罗因德:有机半导体领域的贡献者之一,实验物理学家。
1897年,卢瑟福(下排右一)与汤姆逊(右三)。威尔逊(上排左二)是卡文迪什实验室成员,1927年诺贝尔奖得主。1895年,卡文迪什实验室允许招收其他学校的研究生,卢瑟福是首批两名学生之一,另一位就是电子雪崩现象的发现者汤姆逊。
从麦克斯韦到卢瑟福,卡文迪什实验室是原子物理学的黄金时代。这一时期的实验室工作奠定了我们今天对物质世界的认识。麦克斯韦和瑞利建立了实验室框架,将科学家的个人研究转变为单位研究,以促进科学家之间的合作,从而适应了现代物理学所要求的专业化趋势。可以说从这个时候开始,个人实验室的时代基本结束,拥有主流科学实验成果的科学家几乎都隶属于某个机构。
麦克斯韦强调测量的训练,瑞利则进一步强调实验仪器的重要性。瑞利曾捐献500英镑用于增添仪器,这笔钱是卡文迪什实验室扩建实验仪器总费用的三分之一(具体是哪一年我不知道)。以平均收入水平计算,瑞利担任实验室主任第一年(1879年)的500英镑相当于今天的21万英镑,约合200万元人民币。瑞利获得诺贝尔奖后,又给实验室捐了5000英镑。
麦克斯韦和瑞利的远见卓识,为卡文迪什实验室频频取得突破性实验成果奠定了基础。在其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,发现了元素衰变规律,发明了质谱仪和膨胀云室,进行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。这一时期的重要工作非常多,很多贡献从名字就能看出来其重要性,无需详细介绍。可以说,现代物理学几乎有一半是在这个实验室产生的。
1904年至1937年间,卡文迪什实验室共获得11项诺贝尔奖,这对于今天的任何研究机构来说都是难以想象的。
原始实验室设计草图
布拉格主导下的卡文迪什实验室经历了转型。转型期的出现,并不是原子物理学领军人物卢瑟福转变为固体物理学领军人物布拉格那么简单。二战期间,实验室的重点从原子物理和核物理的基础研究转向核武器、雷达等与军事应用有关的领域。二战结束后,由于这些科学研究的敏感性,英国政府成立了核物理研究实验室,调动了相关的科学家和相关经费。在此背景下,布拉格将实验室的重点调整到晶体物理、分子生物学和射电天文学,他本人对晶体物理学也做出了不少贡献。分子生物学和射电天文学方面的重要工作分别获得了1962年和1974年的诺贝尔奖。卡文迪什实验室分子生物学部门的建立,开始了蛋白质和DNA结构的研究。顺便说一句,物理学的发展是其他实用学科发展的前提。如果没有物理成像技术和检测手段,包括生命科学在内的很多学科都将是一潭无源之水。卡文迪什虽然在任15年间获得了4次诺贝尔奖约费 苏联物理学家,但这些获奖工作全部是在卢瑟福任职期间完成的。
布拉格之后的卡文迪什实验室其实就是剑桥大学物理系:依然很优秀,但不再独一无二。在2012年的一份物理学排名中,前五名分别是麻省理工学院、哈佛大学、斯坦福大学、牛津大学、剑桥大学。布拉格引领的这次转型非常明智。黄金时代的卡文迪什实验室专注于原子物理,这是上世纪三四十年代的学科。要进一步研究高能物理,大型加速器是必备工具。这是一个极其昂贵和耗能的实验方向,英国很难独自支撑现在的大型加速器实验。从这个角度看,卡文迪什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了,现在只不过是一所顶级大学的物理系。在卡文迪什实验室的官网上,20年来实验室里没有一个人获得过诺贝尔奖。上一次诺贝尔奖颁给卡文迪什是在1989年。此前,1982年的诺贝尔奖颁给了晶体学和分子生物学,归功于布拉格时期;1979年的诺贝尔奖也颁给了晶体学;1978年的诺贝尔奖得主卡皮察曾经为卡文迪什工作,但他获奖的科学原因是1937年苏联发现超流体,其实和卡文迪什毫无关系。
在卡文迪什实验室工作的科学家中,共有29人获得诺贝尔奖,包括物理学、化学和医学,平均每五年就有一人获奖。仅以诺贝尔奖来评判一个人的成就并不完全正确,但卡文迪什结束了个人实验室时代,开启了现代实验物理学,创造了原子物理学的黄金时代,却是不争的事实。如今,卡文迪什实验室其实已经不再特殊,而只是剑桥大学物理系,现在拥有81名教职员工。
笔记
可以提供货币的历史换算。
二战后取代卡文迪什实验室的国家核物理实验室是英国原子能研究与开发研究所(AERE);被挖走的核物理学家中,有约翰,他是该实验室核方向的前负责人,实验物理学家、工程师,二战期间还担任英国防空研究负责人,在雷达技术研究方面提供协助。