卡文迪什实验室

实验室名称: 卡文迪什实验室
所在地区: 国外

编者按:物理学是一门以实验为基础的科学。在物理学的发展过程中,实验起到了非常重要的作用。要进行物理学研究就离不开实验,要进行物理实验就必须具备实验的基本条件,作为物理学研究的基本场所--实验室,自然是进行物理实验的必备条件。截止目前,世界上涌现出了不少令人瞩目的实验室,从这些实验室走出了很多科学精英,创造了许多科学成果。基于此,本栏目将陆续推出有关著名物理实验室的系列介绍,旨在使广大物理教师了解这些实验室的发展历程、主要成果以及所培养的科学精英,与此同时,也可为诸位老师提供必要的备课资源。

一、物理实验室的典范--卡文迪什实验室

卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,卡文迪什实验室则始建于1871年,1874年建成,是当时剑桥大学校长W.卡文迪什(William Cavendish)私人捐款兴建的(他是H.卡文迪什的近亲),这个实验室就取名为卡文迪什实验室.当时用了捐款8450英镑,除盖成一座实验室楼馆外,还采购了一些仪器设备。

英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。把物理实验室从科学家私人住宅中扩展为研究单位,适应了19世纪后半叶工业技术对科学发展的要求,促进了科学技术的开展。随着科学技术的发展,科学研究工作的规模越来越大,社会化和专业化是必然趋势。剑桥大学校长的这一做法是有远见的。

当时委任著名物理学家麦克斯韦负责筹建这所实验室。1874年建成后他当了第一任实验室主任,直到他1879年因病去世。在他的主持下,卡文迪什实验室开展了教学和科学研究,工作初具规模.按照麦克斯韦的主张,物理教学在系统讲授的同时,还辅以表演实验,并要求学生自己动手。表演实验要求结构简单,学生易于掌握。麦克斯韦说过:“这些实验的价值,往往与仪器的复杂性成反比,学生用自制仪器,虽然经常出毛病,他们却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整好的仪器学生易于依赖,而不敢拆成零件”。从那时起,使用自制仪器就形成了卡文迪什实验室的传统。实验室附有工场间,可以制作很精密的仪器。麦克斯韦很重视科学方法的训练,也很注意前人的经验。例如:他在整理100年前H.卡文迪什留下的有关电学的论著之后,亲自重复并改进卡文迪什做过的一些实验。同时,卡文迪什实验室还进行了多种实验研究,例如,地磁、电磁波的传播速度、电学常数的精密测量、欧姆定律、光谱、双轴晶体等,这些工作为后来的发展奠定了基础。

1879年麦克斯韦去世后由瑞利勋爵(1842 -1919)继任,任期为1880-1884年,瑞利是近代声学理论的奠基人,在任期内研究方向为精测电流、电阻和电压标准,在教学中发展了实验室教学,建立了正常的规章制度。1904年诺贝尔物理学奖授予瑞利勋爵,以表彰他在研究最重要的一些气体的密度及在这些研究中发现了氩。他是卡文迪什实验室第一位诺贝尔奖获得者。不过,瑞利获得诺贝尔物理学奖时,早已转到英国皇家研究所工做。尽管如此,瑞利还是和卡文迪什实验室保持着密切的联系,后来瑞利将全部诺贝尔奖金捐献给了卡文迪什实验室,以供扩建和添置仪器之用。他为卡文迪什实验室建立的各种制度一直是后人遵循的规范。

第三任实验室主任为J.J.汤姆孙爵寸:(1856-1940),任期从1885到1919年,长达35年。他是电子的发现者和气体导电理论的奠基人。1908年由于对气体导电的理论和实验所作的贡献,荣获诺贝尔物理学奖。他接任瑞利当卡文迪什实验室主任时年方28岁。J.J汤姆孙对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。在他的主持下,卡文迪什实验室的研究方向由电磁精密测量转移到气体放电现象,由此引向微观世界的实验探索,从而奠定了卡文迪什实验室在原子物理和原子核物理研究上的领先地位。在J.J.汤姆孙的建议下,从1895年开始,卡文迪什实验室实行吸收外校及国外的大学毕业生当研究生的制度,一批批优秀的年轻学者陆续来到这里,在他的指导下进行学习和研究。从他开始,卡文迪什实验室建立了一整套培养研究生的管理体制,树立了良好的学风。在他的倡议下,卡文迪什实验室率先实行了对女学生开放的制度。他培养的研究生中,有许多后来成了著名科学家,对科学的发展作出了重大贡献,有的成了各研究机构的学术带头人。其中,卢瑟福因放射性研究获得1908年诺贝尔化学奖,亨利·布拉格和他的儿子劳伦斯·布拉格因X射线分析晶体结构和提出布拉格公式获得1915年诺贝尔物理学奖,巴克拉因发现各种元素的标识X辐射获得1917年诺贝尔物理学奖,阿斯顿因发明质谱仪获得1922年诺贝尔化学奖,C.T.R威尔逊因发明记录带电粒子径迹的云室方法获得1927年诺贝尔物理学奖,O.W.里查孙因发现热电子发射定律获得1928年诺贝尔物理学奖。在J.J.汤姆孙领导的35年中,卡文迪什实验室的研究工作取得了如下成果:进行了气体导电的研究,从而导致了电子的发现;放射性的研究,导致了射线的发现;进行了正射线的研究,发明了质谱仪,从而导致了同位素的研究;膨胀云室的发明,为核物理和基本粒子的研究准备了条件;电磁波和热电子的研究促进了无线电电子学的发展和应用。这些引入注目的成就使卡文迪什实验室成了物理学的圣地,世界各地的物理学家纷纷来访,把这里的经验带回去,对各地实验室的建设起了很好的指导作用。

第四任卡文迪什实验室教授为卢瑟福,任期为1919-1937年,他是射线,射线、元素衰变定律、原子核和人工元素蜕变的发现者。中子的发现和他的理论预见分不开,粒子高压加速器的发明和运用也是他努力的结果,他不愧为核物理学的奠基人。卢瑟福是著名科研组织家和培养人才的巨匠,也是小科学向大科学转变的倡导者。由于在他任职期间所做的工作,查德威克因发现中于获1935年诺贝尔物理学奖,G.P汤姆孙因为用实验演示电子衍射获1937年诺贝尔物理学奖,阿普顿因为研究电离层和发现阿普顿层而获1947年诺贝尔物理学奖,布莱克特因为核物理和宇宙辐射领域的一些发现而获1948年诺贝尔物理学奖,考克饶夫和瓦尔顿因为发明粒子加速器并使原子核发生人工蜕变而获1951年诺贝尔物理学奖。卢瑟福把卡文迪什实验室发展成世界主要的物理中心和培养优秀物理人才的苗圃。遗憾的是正当卢瑟福处于科学颠峰之际,不幸因病于1937年过早地去世。

第五任卡文迪什实验室教授为劳伦斯·布拉格,任期在1938-1953年。他以稳健和民主风格著称。他采取了多方向发展的战略,从核物理向其他方向转变,在这一过程中大力扶持了分子生物学、射电天文学和固体物理学的发展,并根据战后扩大发展的需要建立组系制和秘书管理行政事务的体制。由于转变及时、措施得力,卡文迪什实验室在以上几个方向上继续保持其世界领先地位。结果是,由于这一阶段的基础工作,卡文迪什实验室又有多名科学家获得了诺贝尔奖。1950年诺贝尔物理学奖授予曾经是卡文迪什实验室重要成员,后来转到布利斯托尔大学的鲍戚尔,以表彰他发展了研究核过程的光学方法,和他用这一方法作出的有关介子的发现。劳伦斯·布拉格是射线晶体物理奠基人,他和他父亲亨利·布拉格创建的X射线衍射研究晶体结构的方法是人们认识微观世界的重要工具,它不仅在深度上进入了原子分子的结构层次,而且在广度上涉及到各种晶体物质,还可以从晶体的结构出发进而了解大分子物质的结构,特别是生物大分子物质的结构。了解生物大分子的空间结构,有极其重大的意义,因为由此不但可以获得丰富的信息,使我们有可能探讨蛋白质、核酸等物质的结构及这些结构与其功能之间的联系,从而增进我们对生命过程的作用机理的认识,当我们对这些结构有了充分了解后,还可以进行人工合成,并按我们的需要加以改造。在这些方面,以劳伦斯·布拉格为核心的剑桥学派走在了世界的前列。他的学生肯德鲁(John Coudery Kendrew,1917-1997)和佩鲁兹(Max Ferdinand Perutz,1914-2002)在1962年因蛋白质的研究荣获诺贝尔化学奖。同一年,克里克(Francis Crick,1916-2004)、沃森(Jame Watson,1928- )及威尔金斯(Mauricc Wilkins,1916-2004)因为发现核酸分子结构的内在联系,提出DNA双螺旋模型而共同获得诺贝尔土生理学或医学奖。此外,卡文迪什实验室还以其天体物理学和射电天文学走在国际前列。赖尔和休伊什,由于在射电天文学方面的先进性工作获得1974年诺贝尔物理学奖,赖尔是由于他的观测和发明,特别是综合孔径技术的发明,休伊什是由于他在发现脉冲星小所起的决定性作用。

第六任卡文迪什实验室主任是固体物理学家莫特(1905-1996),任期从1954年到1970年。英特在卢瑟福时期曾经从事核物理学研究。后来在布利斯托尔大学建立了影响较大的固体物理学派。在任卡文迪什教授后,果断地将分子生物学组分出去,停止建造大型高能加速器计划,将研究方向逐步转移到固体-凝聚态物理和射电天文学方面。他是非晶态半导体研究的开拓者,对卡文迪什实验室与工业界的联系起了重要作用。他本人由于对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究获1977年诺贝尔物理学奖。

第七任卡文迪什实验室主任是超导物理学家皮帕德(Brian Pippard,1920-),任期从1971年到1982年,1979年后曾先后延聘柯克A.Cook)和爱檀华(Sir San Edwards)任执行主任,协助工作。皮帕德早年研究低温物理,后来研究超导现象,发现金属导电性取决于结晶的费米面的几何形状和其性质与此面的面积有关,从而开拓了表面物理研究领域。他深感在英国经济衰退和人才外流情况下振兴卡文迪什实验室的重大使命,他提出将重点放在培养人才上,理论与实验之间不是谁指导谁而是对话关系和培养通过实验进行猜测的能力,以补偿理论之不足。在他的领导下,约瑟夫森因对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言,特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象,获1973年诺贝尔物理学奖。

在一百多年的发展过程中,卡文迪什实验室的科学家中共有25位获得了诺贝尔奖。卡文迪什实验室的规模随着时间的推移不断扩大,在卢瑟福任职之前,整个实验室只有一名教授,另有实验演示员142人、技师。142人、实验室和图书馆管理人员各1人、研究人员几人,自然科学优等生或研究生若干人。第一次世界大战之后,专职研究人员增至十几人,招收研究生10430人。第二次世界大战之后,科研和教学任务大大增加,除一位卡文迪什教授之外,另设教授l~2人,包括流动研究人员在内总研究人员数增加到30余人,研究生达130余人。1950-1970年,教授由4人增至6人,专职研究人员20440人,总研究人员多达300~400人。

卡文迪什实验室新

1930年后,由于加速器的建设和高压电与低温物理实验室的建立,所需工作人员人数 增多,机构逐渐增大,管理工作复杂,为此卢瑟福曾在1921年特设了主任助理,并于30年代初再分设四个专业组和另建一个分实验室--蒙德实验室。这时仍然实行卡文迪什教授集中领导的体制。到了1948年,由于人数过于庞大,专业分工大大加强。注重民主管理的劳伦斯·布拉格教授设立专门负责行政事务的专职秘书,建立大组系统,每个大组单独设立实验室、车间和秘书,自成体系,从而形成组系管理制。这样就保证实验室主任能把主要精力用于科研和教学管理,从而促进了实验室的科学研究和教学任务的开展。

一百多年来,卡文迪什实验室完成了从小科学向大科学的转变,它也就成了大科学产 生的摇篮。1895年之前,科学研究的形式是以个人研究为中心,实验室不开封腊、悬丝、玻璃这三件必备的器材,这实际上是手工业方式。随着电气化的发展和精密仪器的出现,以 电磁仪器为主的实验条件决定了研究规模从个人单干向小组合作发展,出现小科学研究时代。从1930年起,由于加速器的研制和使用,需几个组的各类人员合作,这样就使小科学时代发展到大科学时代。

一百多年来,卡文迪什实验室在现代科学发展中发挥了特殊的重要作用。如果从麦克斯韦算起,他在这里完成了他的名著《热理论》和《电磁学通论》(前一本书于1872年出版,后一本书于1873年出版)。若干年后,1881年J.J.汤姆孙在这里发表了他有关电磁质量的著名论文,1893年出版了他的重要著作《电磁理论新近研究》,奠定气体导电理论,1897年发现了电子,打开了揭示原子结构的大门,从而开始了原子物理学的研究。此后的一百年里,卡文迪什实验室的有关人员做出了许多对现代科学有重要意义的发现和发明,其中影响全局的有1911年卢瑟福发现原子的核结构、1919年发现人工元素蜕变、1924年证实核势垒,1913年布拉格父子发现X射线晶体衍射公式和测定晶体点阵常数,1932年查德威克发现中于,1933年布莱克特验证正电子,1933年奥利芬特验证质能等价定律,1953年克里克和沃森发现DNA双螺旋结构,1967年赖尔发现射电天体和休伊什发现脉冲星。在凝聚态物理学上,1959年皮帕德提出超导费米面,20世纪60年代英特提出非晶态半导体理论,1962年约瑟夫森提出超导体隧道效应理论等。这些重大发现不但冲破了经典原子论框染,改变了人类两千多年的物质观,而且将观念的变革扩大到生命物质的遗传机理,奠定了电磁理论、气体导电理论、物质电结构理论、X射线晶体物理学,原子物理学、核物理学、分子生物学、射电天文学、表面物理学和凝聚志物理学的基础,因此大多具有划时代意义。这些成就显示了卡文迪什实验室在现代科学革命和发展中起到了何等重要的关键性作用。

一百多年来,卡文迪什实验室吸引了世界各国大量优秀青年物理学家,造就了许多科学精英,成了世界物理学心目中的“麦加”(圣地)。

来自《物理学史》郭亦玲 沈慧君 清华大学出版社2002

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医疗在资本国家都是姓公,这是有深层次的原因的。

没有竞争,就没有发展。计划经济头脑。保基本(性公),其它没什么关糸。谁服务好,老百姓信任谁。

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