著名物理實驗室簡介（一）卡文迪許實驗室
著名物理實驗室簡介（一）卡文迪許實驗室
物理學以實驗為基礎，實驗物理髮展史是物理學史的骨架，開展實驗科研的場所通常被稱為實驗室。歷史上，最著名的大型物理實驗室往往由少數核心科研項目逐漸擴充，成為關注某些特定領域的聯合科研機構。本系列文章重點介紹三個筆者眼中對近代物理學最有影響的實驗室，並簡單介紹美國幾個活躍的大型物理實驗室。
卡文迪許實驗室建立於1871年，由當時的英國劍橋大學校長卡文迪許公爵捐贈建立，並以其親戚亨利?卡文迪許命名，隸屬於英國劍橋大學。
亨利?卡文迪許是著名的化學家和物理學家，以發現了氫氣聞名。偉大的物理學家麥克斯韋參與了實驗室建設，並成為了第一任實驗室主任，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界最重要的校內教授稱號之一，它從1871年起，一共只授予過9個學者，並且前人不退後人不上。看看這9個人都有誰，就知道卡文迪許實驗室的不平凡了。
按這9個人的簡歷，我將卡文迪許實驗室分為三個時期：原子物理黃金期（1871-1937），轉型期（1938-1953），劍橋大學物理系時期（1954- ）。這9個人分別是：
1871-1879，麥克斯韋：電磁學理論奠基人，統計物理重要的早期貢獻者；實驗物理學家兼理論物理學家。
1879-1884，瑞利：聲學奠基人，瑞利散射現象發現者，氬氣發現者，1904年諾貝爾獎獲得者；實驗物理學家兼理論物理學家。
1884-1919，湯姆遜：電子發現者，質譜儀發明者，1906年諾貝爾獎獲得者，最著名的學生盧瑟福1908年獲諾獎，兒子喬治?湯姆遜1937年獲諾獎；實驗物理學家。
1919-1937，盧瑟福：原子物理學奠基人，原子核和質子的探測者，半衰期概念提出者，1908年諾貝爾獎獲得者；《不列顛百科全書》稱其為法拉第之後最偉大的實驗物理學家。
1938-1953，布拉格：布拉格X射線衍射定律發現者，晶格結構相關知識奠基人，1915年諾貝爾獎獲得者；實驗物理學家。
1954-1971，莫特：因在磁體系與無序體系中的電子結構理論研究，獲1977年諾貝爾獎；理論物理學家。與他同時獲獎的安德森也曾工作於卡文迪許，並被認為是當今最重要的凝聚態物理學家之一。
1971-1982，派帕德：超導體相關長度概念提出者，費米面的測量者，學生約瑟夫1973年獲諾獎（約瑟夫獲諾獎的工作發表於他22、受派帕德指導時）；實驗物理學家兼理論物理學家。
1984-1995，愛德華：場論貢獻者之一。理論物理學家。
1995-今，弗倫德：有機半導體領域貢獻者之一。實驗物理學家。
（1897年，下排右一，盧瑟福；右三，湯姆遜。上排左二，威爾遜，卡文迪許實驗室人員，1927年諾獎獲得者。1895年卡文迪許實驗室允許招外校研究生，盧瑟福是最早的兩個學生之一，另一人是湯森，電子雪崩現象的發現者。）
從麥克斯韋到盧瑟福，是卡文迪許實驗室的原子物理的黃金時期，這一時期的實驗室工作奠定了我們今天對物質世界認識的基礎。麥克斯韋和瑞利建立起實驗室的框架，將科學家的個人研究轉變為單位研究，以促進科學家間的合作，從而適應現代物理所需要的專業化趨勢。可以說，從這個時候起，個人實驗室時代基本終結，擁有主流科學實驗成果的科學家們幾乎都隸屬於某個機構。
麥克斯韋強調了測量方面的訓練，瑞利進一步強調了實驗儀器的重要性。瑞利曾私人捐獻了500英鎊用以增添儀器，這是卡文迪許實驗室某一次實驗儀器擴展總費用的三分之一（我不知道這具體發生在哪一年）。從平均收入水平估算，瑞利任實驗室主任的第一年（1879年）的500英鎊等於現在的21萬英鎊，約200萬人民幣。瑞利獲諾貝爾獎後，又捐贈了5000英鎊給實驗室。
麥克斯韋和瑞利的遠見是日後卡文迪許實驗室頻頻收穫突破性實驗成果的基礎。之後的湯姆遜和盧瑟福時期，實驗室發現了電子、α射線、β射線、質子、中子、元素衰變定律，發明了質譜儀、膨脹雲室，開展了核反應和同位素的研究，首次證明了愛因斯坦的質能關係。這期間的重要工作太多，許多貢獻的重要性僅從名稱上就可以明白，反而沒有詳細介紹的必要。可以說，幾乎一半的近代物理學產生於這個實驗室。
1904到1937年間，卡文迪許實驗室獲得了11次諾貝爾獎，這在現在任何一個研究機構都是不可想像的。
（原始實驗室設計草圖。）
布拉格指導下的卡文迪許實驗室經歷了轉型。轉型期的出現不僅僅是由原子物理方向的領導者盧瑟福變為了固體物理方向的領導者布拉格這麼簡單。第二次世界大戰期間，實驗室的重點由原子物理與核物理方向的基礎研究，轉到了與軍事應用有關的核武器、雷達等方向。二戰結束後，由於這些科研的敏感性，英國政府為核物理研究成立了一個實驗室，轉移走了相關的科學家，也轉移走了相關的經費。布拉格在這個背景上，將實驗室重心調整為晶體物理學、分子生物學和射電天文學，他本人在晶體物理學上貢獻良多。分子生物學和射電天文學的重要工作分別於1962年和1974年獲得諾貝爾獎。分子生物學科在卡文迪許實驗室的建立，開始了蛋白質和DNA結構的研究。順便說明，物理學科的發展是其他實用學科發展的前提，沒有物理成像技術和探測手段，包括生命科學在內的許多學科將是無源之水。儘管布拉格在職的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。
布拉格之後的卡文迪許實驗室，其實就是劍橋大學的物理系：依然非常好，可不再是獨一無二的了。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。布拉格所帶領的轉型是非常明智的。黃金時代的卡文迪許實驗室關注的是原子物理，屬於這個學科的時間是上世紀三十、四十年代。對於進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驗方向，以英國的國力很難單獨支撐起現在的大型加速器實驗。從這個角度，卡文迪許實驗室的歷史意義已經結束，從麥克斯韋到盧瑟福的主要歷史積累已經用完，它現在就只是一個頂尖大學的物理系。在卡文迪許實驗室的官方網站上，實驗室20年來無人得諾獎。最後一個諾貝爾獎出現在1989年。之前，1982年的諾獎屬於晶體學和分子生物學，歸功於布拉格時期；1979年的諾獎也屬於晶體學；1978年的諾貝爾獎獲得者卡皮察曾在卡文迪許工作，但他獲獎的科學原因是1937年時在蘇聯時發現了超流，其實與卡文迪許無關。
在卡文迪許實驗室工作過的科學家中，共有29位獲得了諾貝爾獎，包括物理、化學、醫學，平均5年一個獲獎者。單以諾貝爾獎論英雄不完全對，但是卡文迪許結束了個人實驗室時代，開啟了現代實驗物理，創造了原子物理的黃金時代，卻是毋庸質疑的事實。今日的卡文迪許實驗室實際上已經不再特別，只是劍橋大學的物理系，現在有81名教職人員。
卡文迪許實驗室黃金期之後，歷史舞台屬於貝爾實驗室。
注釋
- http://www.measuringworth.com可以提供貨幣的歷史換算。
- 二戰後取代卡文迪許實驗室核物理的國家實驗室是Atomic Energy Research Establishment （AERE）;被挖走的核物理學家中有曾經的實驗室核方向負責人John Cockroft，實驗物理學家兼工程師，他在二戰期間也是英國空防研究的負責人，對雷達技術的研究提供了幫助。
（作者：鎖相）
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