卡文迪许实验室

  卡文迪许实验室也译为卡文迪什实验室(Cavendish Laboratory),即是剑桥大学的物理系,是世界著名的实验室之一。研究领域包括了天体物理学、粒子物理学、固体物理学、生物物理学。由著名的英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1871年创立,1874年建成实验室,以英国物理学家和化学家亨利·卡文迪许的名字命名。 

历史介绍

卡文迪许实验室旧址的入口处
卡文迪许实验室旧址的入口处
  卡文迪许实验室是英国剑桥大学的物理实验室,实际上就是它的物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,与牛律大学同为英国的最高学府。
  英国是19世纪最发达的资本主义国家之一。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。卡文迪许实验室是近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室。它的建立标志着实验室已不再约束于科学家私家住宅中的地下室和阁楼。
  剑桥大学的卡文迪许实验室建于187l~1874年间,是当时剑桥大学的一位校长威廉·卡文迪许私人捐款兴建的。他是十八~十九世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家亨利·卡文迪许的近亲。这个实验室就取名卡文迪许实验室,当时用了捐款8450英镑,除去盖成一栋实验楼馆,还买了一些仪器设备。
  英国是十九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出来,成为一个研究单位,这种做法顺应了十九世纪后半叶工业技术对科学发展的要求,为科学研究的开展起了很好的促进作用。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的趋势。卡文迪许实验室后来几十年的历史,证明剑桥大学这位校长是有远见的。
  负责创建卡文迪许实验室的是著名物理学家、电磁场理论的奠基人麦克斯韦。他还担任了第一届卡文迪许实验物理学教授,实际上就是实验室主任或物理系主任,直至1879年因病去世(年仅四十八岁)。在他的主持下,卡文迪许实验室开展了教学和多项科学研究,按照麦克斯韦的主张,在系统地讲授物理学的同时,还辅以表演实验。表演实验则要求结构简单,学生易于掌握。他说:“这些实验的教育价值,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,但他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。”从那个时候起,使用自制仪器就形成了卡文迪许实验室的传统。
  实验室附有工厂,可以制作很精密的仪器,麦克斯韦很重视科学方法的训练,特别是科学史的研究。例如:他用了几年的时间整理一百年前H.卡文迪许有关电学实验的论著,并带领大家重复和改进卡文迪许做过的一些实验。有人不理解他的想法,但是后来证明麦克斯韦是有远见的。同时,卡文迪许实验室还进行了多项研究,例如:地磁、电磁波速度、电气常数的精密测量、欧姆定律实验、光谱实验、双轴晶体等等,这些工作起了为后人开辟道路的作用。
  麦克斯韦的继任者是斯特技特即瑞利第三。他在声学和电学方面很有造诣。在他主持下,卡文迪许实验室系统地开设了学生实验。1884年,瑞利因被选为皇家学院教授而辞职,由二十八岁的J.J.汤姆逊继任。
  J.J.汤姆逊对卡文迪许实验室有卓越贡献,在他的建议下,从1895年开始,卡文迪许实验室实行吸收外校(包括国外)毕业生当研究生的制度,一批批的优秀青年陆续来到这里,在J.J.扬姆逊的指导下进行学习与研究。在他任职的三十五年间,卡文迪许实验室的工作人员开展了如下工作:进行了气体导电的研究,从而导致了电子的发现;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;对基本电荷进行测量,不断改进方法,为以后的油淌实验奠定了基础;膨胀云室的发明,为基本粒子的研究提供了有力武器;电磁波和热电子的研究导致了真空二极管和三极管的发明,促进了无线电电子学的发展和应用。其他如X射线,放射性以及α、β射线的研究都处于世界领先地位。
  卡文迪许实验室在J.J.汤姆逊的领导下,建立了一整套研究生培养制度和良好的学风。他培养的研究生当中,著名的有卢瑟福、朗之万、汤森德、麦克勒伦、 W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、H.A.威尔逊、里查森、巴克拉等等,这些人都有重大建树,其中有多人得诺贝尔奖,有的后来调到其他大学主持物理系工作,成为科学研究的中坚力量。
  1919年,J.J.汤姆逊让位于他的学生卢瑟福。卢瑟福是一位成绩卓著的实验物理学家,是原子核物理学的开创者。卢瑟福更重视对青年人的培养。在他的带领下,查德威克发现了中子,考克拉夫特和瓦尔顿发明静电加速器,布拉凯特观察到核反应,奥利法特发现氰,卡皮查在高电压技术和低温研究取得硕果,另外还有电离层的研究,空气动力学和磁学的研究等等。
  1937年,卢瑟福去世后,由W.L.布拉格继任第五届教授,以后是莫特和皮帕德。
  二十世纪70年代以后,古老的卡文迪什实验室已经大大扩建,研究的领域包括天体物理学、粒子物理学、固体物理以及生物物理等等。卡文迪什实验室在近代物理学的发展中做出了杰出的贡献,近百年来培养出的诺贝尔奖金获得者已达20余人,卡文迪什至今仍不失为世界著名的实验室之一。

历任实验室主任

剑桥大学
剑桥大学
  1871年 - 1879年:詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
  1879年 - 1884年:约翰·斯特拉斯,第三代瑞利男爵
  1884年 - 1919年:约瑟夫·汤姆孙
  1919年 - 1937年:欧内斯特·卢瑟福
  1938年 - 1953年:威廉·劳伦斯·布拉格
  1954年 - 1971年:内维尔·莫特
  1971年 - 1982年:派帕德(A.Brian Pippard,1920- )
  1983年 - 1995年:萨姆·爱德华(Sam Edwards)
  1995年 - 今:里查德·弗伦德(Richard H.Friend,1953- ) 

重要的研究成果

  1897年,约瑟夫·汤姆孙研究阴极射线时发现电子
  1935年,詹姆斯·查德威克发现中子
  1937年,乔治·汤姆孙进行电子衍射实验,证明波粒二象性。
  1953年,詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克发现脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构,1962年获得诺贝尔生理学或医学奖(另一位获奖者威尔金斯属于伦敦大学国王学院)。
  1974年,乔丝琳·贝尔及其导师安东尼·休伊什发现脉冲星。
  实验室建立以来,已有28名研究人员获得诺贝尔奖。  

诺贝尔奖得主

  卡文迪许实验室从1874年至1989年一共产生了28位诺贝尔奖得主。
  约翰·斯特拉斯,第三代瑞利男爵(物理, 1904)
  约瑟夫·汤姆孙 (物理, 1906) 欧内斯特·卢瑟福 (化学, 1908)
  威廉·劳伦斯·布拉格 (物理, 1915)
  查尔斯·格洛弗·巴克拉 (物理, 1917)
  弗朗西斯·阿斯顿 (化学, 1922)
  查尔斯·威耳逊 (物理, 1927)
  阿瑟·康普顿 (物理, 1927)
  欧文·理查森 (物理, 1928)
  詹姆斯·查德威克 (物理, 1935)
  乔治·汤姆孙 (物理, 1937)
  爱德华·维克托·阿普尔顿 (物理, 1947)
  帕特里克·布莱克特 (物理, 1948)
  约翰·考克饶夫 (物理, 1951)
  欧内斯特·沃吞 (物理, 1951)
  弗朗西斯·克里克 (生理学或医学, 1962)
  詹姆斯·杜威·沃森 (生理学或医学, 1962)
  马克斯·佩鲁茨 (化学, 1962)
  约翰·肯德鲁 (化学, 1962)
  多萝西·克劳福特·霍奇金 (化学, 1964)
  布赖恩·戴维·约瑟夫森 (物理, 1973)
  马丁·赖尔 (物理, 1974)
  安东尼·休伊什 (物理, 1974)
  内维尔·莫特 (物理, 1977)
  菲利普·沃伦·安德森 (物理, 1977)
  彼得·卡皮查 (物理, 1978)
  阿兰·麦克莱德·科马克 (生理学或医学, 1979)
  亚伦·克拉格 (化学, 1982)
  诺曼·福斯特·拉姆齐 (物理, 1989)