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          高教視點

          卡文迪許、卡文迪許實驗室和我的回憶

          發布日期:2021-05-28 發表者:陳治國 瀏覽次數:



          科學怪人卡文迪許


            每當提起卡文迪許實驗室,一般人都會介紹,這是劍橋大學校長威廉·卡文迪許為了紀念他的先輩,偉大的物理學家和化學家亨利·卡文迪許,私人捐贈6300英鎊建立起來的實驗室,卻很少有人詳細介紹亨利·卡文迪許(1731-1810)。


            亨利18歲進劍橋,因為不滿大學的宗 教考試,不到四年,就離開了劍橋,沒有取得任何學位。他父親在倫敦有幾處住所。他把其中一處改成實驗室,一處變成圖書館,對外開放。他酷愛圖書,把自己收藏的大量圖書,分門別類地編上號,管理得井井有條,即使是自己閱讀,也都毫無例外地履行登記手續。


            父親去世后,他又將實驗室搬到鄉下。他拆掉別墅內富麗堂皇的全部裝飾,將客廳變成大實驗室,樓上臥室變成觀象臺。他甚至在門前的草地上豎起一個架子,以便攀高觀測星象。50多年來,他終身在自己家里做實驗。他對科學達到癡迷瘋狂的地步,即使在七十九歲高齡逝世的前夕還做實驗。


            他在物理學上作出的最大貢獻是完成了測量萬有引力常量的扭秤實驗。他的測定方法非常精巧,在八九十年間竟無人能趕超他的測量精度,從而使牛頓的萬有引力定律不僅只是一個比例性的陳述,而成為一項精確的定量規律,同時也為它提供了最重要的實驗佐證。后人把這個實驗命名為卡文迪許實驗。這是在他將近七十歲時才完成的。


            在化學界,他是分離氫的第一人,又是把氫、氧合成水的第一人。他發現了二氧化碳、硝酸……后人稱他為“化學中的牛頓”。他還最早發現了庫侖定律和歐姆定律,電荷在導體上的分布……他被稱為繼牛頓以后最偉大的科學家之一。


            卡文迪許十分孤僻,內向,終身未娶,離群索居。他日夜埋頭在實驗室里,唯一的社會活動就是參加皇家學會兩周一次的會議。這是為了增長知識,了解動態。他從祖上繼承了大筆遺產,父親死后,所有的遺產高達130萬英鎊,曾是倫敦銀行最大的儲戶,但他對金錢始終沒有什么概念。一則趣聞這樣描述:幾十年他都只讓投資顧問買一種股票,不論漲跌。有一天顧問建議他是否能轉換成另一股票,卡文迪許以罕見的憤怒告知對方:“不要拿這些事情來煩我,否則我解雇你?!?/p>


            卡文迪許沒有寫過一本書,在漫長的50年中,發表的論文也只有18篇。人們評價他是最寡言的科學家、最富有的學者、最博學的富豪。


            他喜歡獨自沉思,甚至連和自己的仆人都很少見面。他的臥室外接了一個梯子,為的是避免與人接觸。每天準時出去散步,而且都是走在馬路中央,同樣是為了避免遇到熟人。一般在桌子上留下字條與仆人溝通,例如,今晚的菜單,常常是“一只羊腿”而已。有人曾這樣形象地描述:卡文迪許長年穿著一件褪色的天鵝絨大衣,衣服的扣子從不完整,戴一頂早不時興的三角帽。他來參加聚會,總是低著頭,彎著腰,雙手搭在背后,悄悄地走進來,然后脫下帽子,一聲不響地找個角落坐下。若有人向他打招呼,他會漲得滿臉通紅,不知所措。有一次,一位會員作實驗演示,他在講解中發現,一個穿著舊衣服、面容枯槁的老頭,緊挨在身邊認真聽講。當他看了他一眼,老頭急忙逃開,躲在他人身后。過一會兒,老頭又悄悄地擠進前面注意地聽講。這老頭正是科學怪人卡文迪許。


            卡文迪許死后,人們發現他有20多捆筆記,大量文稿未經公開發表。其電學部分由麥克斯韋花費了數年時間整理,在晚了將近一個世紀后,于1879年出版?;瘜W和力學部分則由愛德華·普索于1921年主編出版。


          卡文迪許實驗室歷任主任


            卡文迪許實驗室自1874年創立至今,先后產生了28位諾貝爾獎獲得者。如果分子生物學那一部分沒有分立出去(60年代中期),那么實驗室就擁有多達39個諾貝爾獎得主,占劍橋諾貝爾獎總數的一半左右。實驗室歷屆主任大多是諾貝爾獎獲得者。


            第一任主任麥克斯韋是電磁理論奠基人,他預言了電磁波。在麥克斯韋一百周年誕辰紀念日,愛因斯坦發文道:“他是自牛頓時代以來,創造了物理學最為深刻和最為豐富成果的人?!?879年,麥克斯韋患癌癥去世,享年48歲。值得一提的是,同一年愛因斯坦誕生。


            瑞利出身貴族,1865年從劍橋大學畢業時,名列最優。同時他又繼承家業,是英國著名的農場主。他經營奶制品,有遍布英國的產業鏈。麥克斯韋突然去世,瑞利匆忙接任主任。他與拉姆塞精誠合作,歷經了10年之久,發現了氬、氦、氖、氬、氪和氙等整族惰性氣體元素。他又是聲學的奠基人。瑞利散射定理解釋了天空為什么是藍色的。瑞利和拉姆賽終身一起合作,1904年同得諾貝爾獎,而瑞利得物理學獎,拉姆賽得化學獎。他將全部諾貝爾獎金捐出,用于卡文迪許實驗室擴建和補充設備??ㄎ牡显S實驗室一百周年建匾紀念時,還特別提及此事。


            1884年,28歲的約瑟夫·湯姆遜接替瑞利,被選為第三任主任。在長達34年的任職期間,實驗室培養出7位諾貝爾獎獲得者,27人取得英國皇家學會會員資格,55人成為教授。1918年他辭去卡文迪許實驗室教授職位,推薦他的學生盧瑟福繼任。他的最重要貢獻是發現了第一個基本粒子——電子。有趣的是,他的兒子喬治·湯姆孫后來因證實電子也是一種波,第一次證明了波粒二象性,而獲得諾貝爾物理學獎。


            盧瑟福出身于新西蘭納爾遜的農民家庭,放學后幫助父親操持農活。1895年他考取大英博覽會獎學金,進劍橋大學卡文迪許實驗室學習。據說,那天他正在田里挖土豆,得知考上獎學金時,馬上將手中的鐵鍬丟掉,說道:“這是我此生挖的最后一顆土豆”。1918年,盧瑟福擔任第四任主任。20年期間,他的實驗室培養了10位諾貝爾獎獲得者。他自己最重要的貢獻是發現原子的核結構,他首先提出放射性半衰期的概念;發現了α射線、β射線和γ射線……1908年他獲諾貝爾化學獎。奇怪的是,他并不很高興,緣于他自認為是物理學家,而非化學家。他的一句名言是:“科學只有物理一個學科,其他不過相當于集郵活動而已?!?/p>


            勞倫斯·布拉格,1938年繼盧瑟福后成為第五任主任,直至1953年。他帶領實驗室開拓了兩個新的研究方向,一是注重X射線晶體結構學,將它用于分子生物學。他積極支持克拉克和沃森的研究,導致1953年DNA的雙螺旋結構的發現。二是與雷達技術有關的射電天文學。在他離任時,卡文迪許實驗室已成為這兩門學科的世界中心,獲得多項諾貝爾獎。布拉格發現了X射線衍射理論和測定晶體點陣常數,年僅25歲的他與他父親亨利·布拉格同享1915年的諾貝爾獎,成為有史以來最年輕的獲獎者。


            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,是非晶態物質學科的奠基人。他1953年到1970年任第六屆主任。


            皮帕德提出超導體相干長度概念、超導費米面。1971年到1984年任第七任主任。在他任內完成了從舊實驗室到新實驗室的遷移工作。


            一百多年來,世界上無數學者來訪卡文迪許實驗室。


            蘇聯的彼得·卡皮查自1921年到1934年在卡文迪許實驗室工作。他在強磁場、低溫物理等方面作出了卓越貢獻。1934年,回國探親時蘇聯政府就再也不讓他返回了。盧瑟福命令將他整個實驗室的設備搬到莫斯科。他手下的考克勞夫特(1951年諾貝爾物理獎獲得者)則承擔這個重任,包括把巨大的發電機運往莫斯科,還將他原來的兩個助手送到蘇聯工作一年,幫助他盡快重建實驗室,并為他培訓日后的助手。這則科學無疆界的佳話被廣為流傳??ㄆげ檫€在老卡文迪許實驗室的莫德樓的墻上雕了一條大鱷魚,它象征了盧瑟福勇往直前、不怕困難的精神。至今這條鱷魚還在,成了老卡文迪許實驗室的標志。


            七十年代,卡文迪許實驗室搬到了劍橋西郊。走進大樓,底層中間呈現一塊四方空間,豁然敞亮,向上直貫頂樓,抬眼可見天花板。各層四周環以回廊,一樓為實驗室,二樓有辦公室、圖書館、博物館……


          我在卡文迪許的難忘經歷


            我在錢臨照先生和伍小平教授的推薦下,自1982年1月至1984年7月,受卡文迪許實驗室之聘,有幸在這里工作了兩年半。這是我一生的寶貴經歷。30多年前的場景依然歷歷在目,終生難忘。


            那時,皮帕德的辦公室就在我的辦公室斜對面,每天都能碰到他。如果他不是太忙,有空我們還會聊聊天,對中國這個遙遠的國度他充滿了好奇,那時大陸來的學者非常罕見。他問我:在中國是怎么做研究的?有什么樣的條件和設備?達到什么樣的水平?與這里有什么不同?……真是一個非常謙卑、慈祥的老教授。


            從十九世紀末至今,卡文迪許實驗室每年都會照一張全體人員參加的“全家?!闭掌瑨煸陂L廊里。1984年,皮帕德剛剛退休,他正忙著做試驗,請他入座,他揮揮手,說道:“不去了,沒我什么事了?!蓖诵莺?,他想研究重力加速度G的變化和精度問題,在天花板頂端,裝了一個單擺,懸至地面之上。65歲高齡的他每天都要爬上足有三層樓高的梯子,調整、記錄任何細微的變化,旁若無人,專心致志,這種執著的治學態度出自對科學的熱愛,也就是卡文迪許精神。單擺就在我辦公室旁邊,每天見他吃力地爬樓梯,我真為他擔心。因為西方人的關節退行性病變一般50歲左右就會發生,于是向他建議:“皮帕德教授,我比你年輕,我來幫你做,一定仔細、認真,請放心?!彼哪貙ξ艺f:“那以后寫論文我就要加上你的名字了?!蔽艺f:“不,不,如果試驗失敗了,都怪我,如果成功了,那都是你的?!蔽覀z哈哈大笑。


            約瑟夫森是皮帕德的研究生。當他還是個本科生時,就顯露出非凡的天賦。老師說,物理學對他來說,就像切黃油那么簡單。同時老師也感到不小的壓力,課堂上講的問題若有漏洞,下課后他就來講給你聽。1960年起,他師從皮帕德讀博士。1962年,年僅22歲的他提出了超導隧道效應——約瑟夫森效應,并因此獲得1973年諾貝爾物理學獎。而皮帕德絕對無意“沾他的光”。無獨有偶,同是實驗室的研究生貝爾(Bell)于1967年發現了脈沖星,而1974年的諾貝爾獎卻給了她的導師休伊什,這就是著名的“沒有貝爾的諾貝爾獎”(NoBellNobelPrize)丑聞。


            我在劍橋期間,約瑟夫森也經常來實驗室。他一頭卷發,邊幅不修,邋里邋遢,個子不高,步履迅速,搖搖晃晃。這是典型的劍橋人的風度。他們要么文質彬彬,要么舉止怪異,凝聚了學人百態。我們在同一層樓工作,實驗室相距不遠,經常碰到,笑笑,打聲招呼。誰也沒有把他視為人物,大家相處融洽。有關他的一則佳話是:約翰·巴丁,美國物理學家,是兩次因半導體和超導理論贏得諾貝爾物理學獎、如日中天的大師。他反對約瑟夫森的工作,認為“沒有這種超流體”。分歧導致了在第八屆低溫物理國際會議上的一場著名的辯論。當巴丁開始說話時,約瑟夫森當時還只是一位大學生,站起來打斷了巴丁的演講,闡述并堅持自己的觀點。


            約瑟夫森在六十年代后期對心理哲學感興趣,他認為心靈感應等可能是真實的??梢岳昧孔游锢淼乃枷?,特別是貝爾定理和量子糾纏,來探索諸如超距作用、透視、預知、遠程觀察和心理功能的問題。1996年,他在卡文迪許實驗室設立了心智統一項目,以探索自然界的智能過程。約瑟夫森最近還說,他在超心理學方面的研究成果遠遠超過他在物理學上的貢獻。這是風馬牛不相及的兩個領域,真令人贊嘆不已!


            值得一提的是實驗室有個工作車間,很多大型儀器和配件都可以自行設計和制造。研究人員根據實驗需要給出圖紙或想法,車間的技師們幫助你做實物,任何材料都可以采用,只要你想得出,車間就會盡量幫你做成。這使得無數新奇的實驗成為可能。我剛去不久,就遇到了難題,要新建一個激光實驗室,需要防震臺、激光器、各種透光鏡、反光鏡、棱鏡,還需要十分精密的調節儀,三維且精度要求達到一微米(千分之一毫米),正反方向轉動,不能有間隙。我去車間尋求幫助,技師們十分熱心。我問,是否需要畫圖紙說明,他們爽快地說,不用,三天后來拿。當我按時拿到那個精準、小巧的調節儀時,驚呆了。這些技師們太了不起了,實驗室的后備支持太強大了!


            說個小插曲,離開劍橋前兩個月,自行車的鋼圈斷了。我不想再花錢買車,于是扛起車子到車間,技師們問我想怎么辦?我說,把鋼圈焊起來,只要能堅持兩個月就行,并問能否讓我自己試試(我在安徽農場鍛煉時,做了一年電焊工,技術不錯)。他們都極有興趣,幫我將生銹的鋼圈卸下來,用夾具架好,保證是圓形。我先用電焊點定幾處固定住,再用乙炔氣焊將斷層一點一點焊起來。師傅們幫我打磨,最后裝好,還都騎騎、試試,一片歡呼聲、尖叫聲響徹整個車間。個個翹起大拇指說:“太棒了!”我想大概從來沒有人想出這種“餿主意”!車壞成這樣,還不換一個?我花了10英鎊買來的二手藍翎車,為我服務了兩年半,直至最后一天。這事要在美國就不行,必須要有焊接執照。


            實驗室總是給研究人員很大的自主權,讓他們自由發展,鼓勵“想入非非,胡思亂想”。研究生的課題都是自己決定的,導師很少出頭,也很少過問,有問題同學們討論討論,幫著出主意。幾百個人做的題目都不一樣。當然,教學雙方都有風險,學生能不能通過學術鑒定,只有到最后才知道。每天做什么,甚至來不來,都沒人管。我記得當時游戲機剛剛問世,人人都手把著鍵盤不停地打,看誰的積分高。中午休息時,我也喜歡跟他們比,有時打幾個鐘頭也沒人干涉。學生們互相惡作劇的大有人在,花樣百出,非常有創意。但是一有什么新想法,通宵達旦在實驗室工作。夏季是劍橋最美麗的季節,只要有太陽,實驗室人員傾巢而出,都在外面曬太陽,也無人過問。實驗室有兩次喝茶時間,上午11點,下午3點。許多講座是跨領域的,從外面請來主講人,也有自己實驗室的講,大家都積極參與。


            實驗室有個攝影房,只有一位技師。一方面,他協助大家的研究工作,拍攝、沖印。另一方面,他翻拍歷史的老照片。實驗室有一百多年的歷史,許多老照片都泛黃了。那時還沒有數碼技術,他一絲不茍地把舊照片重新翻拍,還做修復工作,這是系里又一個身懷絕技的人物。由于工作的緣故,我需要在市場上找到分辨率最高的膠卷和玻璃底板,以及特殊的顯影液和定影液。我經常去向他請教,每次去他都非常熱情,“你好,我能幫你做什么?”他總是放下手里的工作,耐心聽我講述。實驗中拍出的照片,我們也經常一起討論質量問題,如何改進。整個實驗室,我是走進他的攝影房頻率最高的人。最后離開時,我專門向他表達我的謝意,感謝他兩年多來對我的極大幫助,這場景至今歷歷在目。


            實驗室有個博物館,在二樓的走廊,開放式的。麥克斯韋用過的桌子以及他的任命信,歷屆主任的親筆文稿,還有許多偉大的發明、發現的古老儀器,都保存完好,一一陳列在這里,簡單,生動,常有外人來訪。系圖書館與博物館比鄰,抬腿即到。有時看報紙累了,我就會轉到博物館。那些如今看來極其簡單的儀器都關聯著劃時代的發明和發現。我無數次停留在威爾遜云室這個簡陋的盒子面前,遙想前人就是用這個設備發現了α射線、β射線。


            我的研究方向是光力學,任務是為系里單獨組建光力學實驗室,應用高速攝影和激光技術,研究微應力問題。課題組為我配備了一位助手斯圖沃特。這是一位非常安靜、靦腆的英國小伙子,比我小5歲。他酷愛網球,每年的溫布爾頓比賽,就是他的假期,一定要去觀看。我們合作非常默契,我教他光學、力學以及各種試驗手段和技巧,他教我英文,介紹英國的社會、文化、歷史、傳統,互通有無。為了提高效率,中午我們找個休息室一起吃飯,邊吃邊聊,無所不談。兩年半下來,我的口語水平突飛猛進,對英國的了解也更加深入。由于我們的努力工作,寫出的論文讓課題組長非常滿意,由此申請到國家的一筆可觀的研究基金。斯圖沃特也因此工資連提兩級,使得他能夠買得起一個屬于自己的房子。課題組有一臺機械的高速攝影機,每秒100萬幀照片,以前在國內做研究,都是靜態問題,現在要做動態,還是個很大的挑戰。其中關鍵的問題是觸發器,因為只能拍幾十幀照片,要使動態瞬間與高速攝影機同步,否則什么也拍不到。經過無數次的試驗,觸發器的設計一次又一次改進,最后拍到了瞬間變化狀態。由于激光相干性極好,全息照片的分辨率提高了許多倍。當然,后來數碼相機的發明,給實驗創造了更便捷的手段。


            卡文迪許實驗室,就是這個被稱為“諾貝爾獎搖籃”的地方,從來沒有誰每天想著要得諾貝爾獎。這里有的只是一片自由的天地,還有一批真正熱愛科學的人們,他們勤奮地探索著宇宙的奧秘。對于一個偉大的實驗室,諾貝爾獎不是最重要的,最重要的是人們孜孜不倦追求科學真理的激情。


            卡文迪許實驗室,這座學術界的圣殿,在我心中永存!


          原文鏈接:https://epaper.gmw.cn/zhdsb/html/2017-01/18/nw.D110000zhdsb_20170118_1-16.htm

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