“诺贝尔科学奖的孵化器”

—剑桥大学卡文迪许实验室

在英国剑桥大学校园内，有一栋古色古香的三层楼房，这就是遐迩闻名的卡文迪什实验室。它是由剑桥大学校长、第七代德文郡公爵威廉·卡文迪什私人捐款，英国物理学家麦克斯韦于1871年筹建，历时四年，至1874年建成，以英国物理学家、化学家亨利·卡文迪什的名字来命名的现代著名的科研机构。

100多年来，从卡文迪什实验室走出了一批又一批蜚声世界的科学家：麦克斯韦、瑞利、汤姆逊、卢瑟福、布拉格、莫特、皮帕德等等，先后培养了26位诺贝尔科学奖金获得者，因此被誉为“诺贝尔科学奖的孵化器”。

最富有的学者和最有学问的富翁

英国是世界上最早步入发达资本主义的国家之一。19世纪中叶，英国朝野正酝酿着一场深刻的科学改革运动。将物理实验室从以往的私人宅地扩展到众人参与的、具有研究和教学双重功能的“科学共同体”，适应了当时社会经济对科学发展的要求。随着科技的迅速发展，科研工作的规模越来越大，社会化和专业化成为科技发展的必然趋势。时任剑桥大学校长威廉·卡文迪什，他是18至19世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的大科学家亨利·卡文迪许的近亲。威廉·卡文迪什既是一位有地位的德文郡公爵，又是一位有金钱的“钢铁巨子”，但他更有远见卓识，决心以剑桥大学为基点倡建德文郡物理实验室。这个实验室属于大学中系级的物理实验研究机构，相当于剑桥大学的物理系。1871年，威廉·卡文迪什个人捐款8450英镑，除盖成了一座实验大楼外，还采购了一些仪器设备。到1874年建成时定名为“卡文迪什实验室”，以纪念威廉·卡文迪什的先辈、富有献身精神的亨利·卡文迪什。

亨利·卡文迪什1731年10月10日生于法国尼斯，他的父亲是英国贵族，也是一位杰出的科学家。卡文迪许2岁时，他的母亲就去世了。不久，他的父亲带着一家人从法国迁居到英国。少年时，卡文迪什就读于伦敦附近的一所贵族子弟学校，1749年考入英国剑桥大学彼得豪斯学院求学。1753年，他去了巴黎，在那里学习和研究物理学和数学。但不久，他又回到英国，定居伦敦。从此，他毅然抛弃了那种安逸舒适的贵族生活，全身心地投入到科学研究之中。

卡文迪什的科学成就是多方面的。在物理学方面,他被称为有史以來最伟大的实验科学家之一。他用物理实验方法测得了基本物理常数——万有引力常数，验证了牛顿于1666年发现的万有引力定律，确定了地球的平均密度。他还发现了水的成分，证明了水与空气的组成。此外，在电学、气象学、振动及化学方面均有重要建树。卡文迪什的数学和实验才能可与牛顿媲美，他是英国在牛顿之后产生的又一位科学巨人。

卡文迪什的父亲和母亲都出身于公爵世家。他40岁时，继承了父亲和姑母的两大笔巨额遗产，一夜之间成了百万富翁。法国科学家比奥曾说：“卡文迪什在一切学者中最富有，一切富翁中最有学问。”但是，卡文迪什丝毫没有当时英国的那种绅士派头。他穿着随便，不修边幅，几乎没有一件衣服是不掉扣子的；他不好交际，不善言谈，终生未婚，过着隐居式的生活。他性格古怪，为了科学研究，竟把客厅改作实验室，在卧室的床边放着许多观察仪器，以便随时观察天象。他腰缠万贯，但对财产和荣耀看得很轻。有一次，他的一个仆人因病生活窘迫，向他借钱，他毫不犹豫地开了一张一万英镑的支票，还问够不够用。卡文迪什对自己不十分满意的论文绝不发表，所以在他50多年的科学生涯中，只发表了寥寥几篇论文，且大多数是实验方面的，但正如英国科学家戴维所说：“他的名字将来会比现在更受人尊敬。”

第一位卡文迪什教授

卡文迪什实验室实行的是教授负责制，卡文迪什实验室教授常常被人们简称为“卡文迪什教授”，也就是实验室主任，是由大学评议委员会在第一流物理学家中选举产生，规定任期5年，连选得连任。选拔卡文迪什实验室主任的标准遵循如下三条原则：科学上成就卓著并能够使卡文迪什实验室高效运转，在国际上声誉卓著并具有崇高的威望，对剑桥大学的决策能起重要的影响作用。几经选拔，最终初露头角的革新派科学家、著名电磁理论创始人麦克斯韦成了第一位“卡文迪什教授”。

麦克斯韦1831年6月13日出生于苏格兰爱丁堡一个叫邓佛里希尔的农庄。早年在爱丁堡大学和剑桥大学学习。1864年，他发表了《电磁场动力学理论》论文，建立了著名的电磁场结构方程组，首次提出了电磁理论。爱因斯坦曾经高度评价说：“自牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。正是电磁理论预言了电磁波的存在，为后来无线电通信作出了科学的预言；他还证明光是一种电磁波，从而结束了过去将光、电与磁分隔开来认为无关系的历史。

麦克斯韦作为牛顿之后和爱因斯坦之前最伟大的理论物理学家，他完全可以沿着理论物理学道路进一步发挥他的才能。但是他颇有远见地认识到，如果说近代物理重视数学物理或理论物理，那么现代物理学的本质却是实验的。新兴的热学、电学和磁学只有以实验为基础才能健康发展，而面临欧洲大陆的物理发展的竞争，英国需要的是物理实验的大发展。因此，他在41岁正当壮年时，毅然接受了剑桥大学实验物理教授的聘请，承担了建立英国第一个物理实验室的任务，把他的余生献身于物理实验研究和教学。这个转变对于一个理论物理学家来说犹如做了第一个吃螃蟹的人。

卡文迪什实验室成立伊始，麦克斯韦就从基督教教义中吸收了有益的启示，他让工匠将《圣诗101》的第二行拉丁文原文：Magna Opera Domini exquisite in Omnes Voluntates ejus（意为“主的作为，精深博大，凡乐求者，皆有掘发” ）雕刻在实验室的橡木大门上，以此警句作为建室的宗旨，显示卡文迪什实验室研究范围的广博和研究人员的自由。

实验室的优良传统

在麦克斯韦主持下，卡文迪什实验室的主要研究手段是物理实验，专门用实验方法揭示自然现象、本质及其规律，并运用数学分析建立物理理论，再通过实验检验理论。例如，麦克斯韦对100年前亨利·卡文迪什留下的大量充满了智慧和心血的电学笔记进行了仔细研究和整理，不由大惊失色，连声叹服说：“卡文迪许也许是有史以来最伟大的实验物理学家，他几乎预料到电学上的所有伟大事实”。麦克斯韦随即重复并改进了卡文迪什所做过的一些实验。正是这一工作使得生前发表论文并不多的卡文迪许的伟大成就和光辉思想流传至今。

卡文迪什实验室一方面验证他人的实验，另一方面开展了各种实验研究，其中有电学常数的精密测量、地磁、电量的电磁单位与静电电位之比、欧姆定律和库仑定律的验证、光谱、双轴晶体研究等等。这些工作为后来的科学发展奠定了厚实的基础。

麦克斯韦将科学研究精神注入科学教育之中，注重对学生科学方法的培养。他认为，科学人才应该具有“目光敏锐，耳朵机警，舌头流利，手指灵巧”。在他的带领和影响下，形成了严谨求实的科学态度和集体协作的献身精神。麦克斯韦讨厌“粉笔物理学”，他认为“物理教学需要比黑板更大的面积，比教室更大的空间”。他主张物理教学在系统讲授的同时，还辅以演示实验，并要求学生自己动手。卡文迪什实验室建立当初，就附设了专门的车间制造精密的仪器设备。从那时起，自己动手制造仪器开展研究和教学就成了卡文迪什实验室的一大传统。

卡文迪什实验室通过对传统科学教育体制的改革，首创了研究生培养制度，招收和培养了第一批实验物理人才。麦克斯韦积极营造自由探索的氛围，每两周一次的文迪什许物理学会和每天下午4时的“喝茶时间”，气氛极其活跃。人们不分职务和级别，聚集在一起，天文地理、时事新闻无所不谈，不同的观点碰发出思想的火花，启发着发现的思路。来自世界各地的学者、学生，他们带来了各地的文化特色和治学特点，使实验室集聚了各国英才的学识和智慧，自然具有了世界水平。麦克斯韦塑造了卡文迪什实验室良好的学风和传统，为该室最终走向世界，并发展成世界物理学中心奠定了物质的和文化的基础。。

麦克斯韦从1871年筹建卡文迪什实验室，1874年建成后他当了第一任实验室主任，直到1879年因病去世。去世时年仅48岁。他的遗体被运回苏格兰的老家安葬。但是，在1931年纪念他诞辰100周年时，他的理论已经产生了巨大效果，不但相对论产生了，而且无线电报和无线电话遍布了世界，甚至电视都出现了。英国科学界为了敬重这位伟大的科学家，征得政府同意，将他的骨灰迁到伦敦西敏寺牛顿墓旁，那里是英国历史上最伟大的科学家去世后的安葬地。

实验室的辉煌时期

选拔卡文迪什实验室主任是一件十分慎重的事。每逢卡文迪什实验室主任换届时，剑桥大学便为此成立专门的委员会，研究下一届实验室主任人选和发展方向，选拔时着眼于英国甚至世界上的卓越科学家，多方听取意见和协商，提出候选人名单，逐一联系和考核，考核通过后方才任命。

麦克斯韦去世后，瑞利男爵作为声学理论奠基人被聘为卡文迪什实验室主任。为了继承麦克斯韦开创的事业，这位著名的理论物理学家和科学界仅有的男爵也毅然转向实验物理学。从1879年到1884年任职期内，瑞利研究方向是精测电流、电阻和电压标准。在教学中，他也坚持了麦克斯韦时期的传统，系统开设学生实验，发展了实验室教学。他不但编写了第一部实验物理教材，还实行了实验物理成班教学，使实验物理教学逐步走向正规化、体制化。

瑞利因测定了氩气的密度和性质而获得了1904年诺贝尔物理学奖，他是卡文迪什实验室第一位诺贝尔奖获得者。不过，瑞利获奖时，早已转到英国皇家学院工作。但是，瑞利始终和卡文迪什实验室保持着密切的联系。后来他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。瑞利在担任卡文迪什实验室主任期间为实验室建立的各种制度，一直是后人遵循的规范。自从他获诺贝尔奖以后，卡文迪什实验室就与诺贝尔奖结下了不解之缘。

1884年，瑞利因被选为皇家学院教授而辞去了卡文迪什实验室主任职务，由才华横溢的青年电磁理论学家J.J.汤姆森继任实验室主任。汤姆森1858年12月18日出生在英国曼彻斯特郊区的一个出版商兼书商家庭，早年在曼彻斯特欧文斯学院先学工程学，后学物理学，1876年进入剑桥大学深造。由于当时固体和液体电磁理论已臻于成熟，因此，28岁的汤姆森被选为卡文迪什实验室主任后，大胆地将研究方向转到气体电磁实验和理论的研究，开拓了气体放电研究新领域。

汤姆森在学风上更体现了民主协商、集体协作的精神，每日两次喝茶休息时间都用来讨论学术问题。在长达35年的任期中，建立并完善了一整套培养研究生的管理体制。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政策。他培养的研究生中，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，其中有多人获得了诺贝尔奖。比如，卢瑟福因放射性研究获得1908年诺贝尔化学奖；H.布拉格和他的儿子W.L.布拉格因X射线分析晶体结构获得1915年诺贝尔物理学奖；巴克拉因发现各种元素的标识X射线获得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；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；理查逊因发现热电子发射定律获得1928年诺贝尔物理学奖。这些引人注目的成就使卡文迪什实验室成为世界物理学家心目中的圣地。

1919年，J.J.汤姆森的职位由卢瑟福继任。卢瑟福1871年8月30日出生于新西兰纳尔逊附近的乡村地区，早年在新西兰坎特伯雷学院求学。1895年，24岁的卢瑟福来到剑桥大学卡文迪什实验室深造，1907年被聘为曼彻斯特大学物理学教授。1917年，卢瑟福首次发现α粒子将氢原子核从氢和氢原子中轰击出来，发现了质子，并使原子核分裂了。1919年，他出任卡文迪什实验室主任，将主攻方向转到了核物理学。

卢瑟福同样十分重视年轻人的培养，采取了一系列有利于年轻人脱颖而出的措施。由于在他任职期间的出色工作，查德威克因发现中子获得1935年诺贝尔物理学家；G.P.汤姆逊因为用实验演示电子衍射获得1937年诺贝尔物理学奖；阿普尔顿因为研究电离层和发现阿普尔顿效应而获得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得1948年诺贝尔物理学奖；考克绕夫和瓦尔顿因为发明粒子加速器并使原子核发生人工锐变而获得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，他培养出来的第一代核物理家有史以来第一次揭开了牛顿说的“连上帝也打不破的原子”的奥秘，开拓了原子内部微观物质组成研究的新领域，人类从此进入了核时代。  

卡文迪什实验室在卢瑟福掌门期间达到了鼎盛时期。遗憾的是，正当卢瑟福处于科学颠峰之际，不幸因病于1937年病逝。由于他卓越的成就，他死后被安葬在牛顿、达尔文和麦克斯韦墓旁。至今人们依然记得卢瑟福说过的话：

一个科研组织领导人不但他本人要成就卓著，而且具备能够激励并指导他人沿着有成果的路线前进的卓越能力，这样的人是极少的，但是对研究组织来说是本质的。

我国著名科学家张文裕当年在卡文迪什实验室作卢瑟福的研究生，他深有感触地说：“一个研究单位的好坏，不在于出一两个人才，而在于建立一个优良的科学传统和学术环境”。

实验室的战略转变

卢瑟福去世后，他的几位核物理学骨干分子大多到其他大学任教，卡文迪什实验室一时陷入群龙无首的境地。在理论核物理上，卢瑟福的弟子、丹麦理论物理学家玻尔建立起了自己的哥本哈根学派；在实验核物理上，美国的劳伦斯在加利福尼亚大学发明了回旋加速器并建立了辐射实验室；意大利的费米在罗马大学发现了慢中子核嬗变。尽管卢瑟福生前对他们都给予过热情支持和无私帮助，但在卢瑟福死后实际上也留下了激烈的核物理竞争局面。剑桥核物理优势随着卢瑟福的去世而开始走下坡路，英国经济的衰退又迫使剑桥物理主攻目标向应用性强的固体物理转移，基于这种情形，剑桥大学决定邀请既有剑桥传统又颇有声望的晶体结构专家W.L.布拉格前来接任卡文迪什实验室主任。

布拉格以稳健谨慎和民主风格著称，他首先注意到，随着物理实验规模的不断扩大，科学研究组织应向集团化发展。1938年，布拉格将整个实验室按课题分组，形成一些有确定研究方面的工作集团。这种科学研究的组织管理形式，为以后的许多研究机构所仿效。在他的指导下，卡文迪什实验室采取了多方位发展并将人力、物力、财力向优势项目倾斜的策略。在这一过程中，重点扶持了分子生物学、射电天文学和固体物理学的发展。二战后，卡文迪什实验室研究人员一度为战前的三倍多，达到400多人。根据这种实际情况和战后的具体需求，实施了科研体制的改革，设立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。

由于转变及时，措施得力，卡文迪什实验室在X射线测定晶体结构、天体物理学、低温物理、超导等方面继续一路领先。比如，由于佩鲁兹运用量子力学的理论研究蛋白质晶体结构，采用的X射线晶体衍射法正是布拉格的本行，他与肯德鲁分别研究的血红蛋白质和肌红蛋白质结构得到了布拉格的大力支持。1948年之后，克里克与沃森携手合作，终于在1953年发现了脱氧核糖核酸（DNA）双螺旋结构，拉开了分子生物学的序幕，吹响了现代生命科学革命的号角。1962年，上述四人分别获得了诺贝尔化学奖和生理学医学奖，他们的工作成果在世界上影响巨大，被视为20世纪科学史上最伟大的成就之一。此外，卡文迪什实验室在天体物理学和射电天文学方面的研究也走在了世界前列。赖尔和休伊什由于发现了大量的类星体和脉冲星而获得了1974年诺贝尔物理学奖，他们的先驱性工作大大推进了射电天文学的发展。

与剑桥大学一样享誉世界

20世纪40年代末，半导体研究的突破导致美国的贝尔实验室发明了晶体管，揭开了微电子技术革命和信息时代的序幕，基础科学研究向应用科学和技术领域倾斜已经成为时代的要求，经济实力日益衰退的英国需要找到科学与技术和经济增长的衔接点，自然向半导体和超导体研究寻找出路。这些情况决定了剑桥大学评议会作出卡文迪什实验室向半导体和超导体发展的决定，并聘请在剑桥出身和已经在布里斯托尔大学形成强大固体物理学派的首领莫特任该室的主任。

1954年，莫特担任卡文迪什实验室主任后，首先把建造大型加速器的计划停止，此后又把日益壮大的分子生物学组分离出去，成立了剑桥的分子生物学实验室，在保持核物理和射电天文学研究前提下，大力发展半导体和超导体物理研究，并成为该室的主要发展方向。莫特的另一重大措施是内展外联和与企业界加强联系，扶持超导体研究和加强半导体研究力量。他一方面请贝尔实验室固体理论物理学家安德森作客座教授，导致研究生约瑟夫森在1962年提出超导体隧道效应理论，并于1973年获得诺贝尔奖；另一方面他又与安德森合作，终于在1965年至1968年间提出非晶半导体理论，开拓了半导体研究的新领域，两人因而获得了1977年诺贝尔物理学奖。

莫特之后的卡文迪什实验室主任是超导物理学家皮帕德。他自1962年后成为莫特改革的主要助手，负责新方向和新室址的设计和筹划。1971年，皮帕德出任卡文迪什实验室主任和负责新室址的建成和搬迁。为了使卡文迪什实验室在建室百年以后实现振兴，他主张和实行重视培养新型高素质人才的教育计划，继承、发扬和发展该室多年形成的优良传统和学风，请剑桥大学物理学出身、哈佛大学的物理博士、凝聚态物理学家爱德华兹来室，并提升他为教授，开拓了凝聚态物理领域的研究。在皮帕德的主持下，卡文迪什实验室经过多次扩建，到了80年代，建筑面积达16000平方米，在剑桥西部由三栋连在一起的大楼组成，工作人员220人，教授讲师50多人，研究生160多人，本科生700多人，它仍是世界上第一流的实验室之一。

1984年爱德华兹出任卡文迪什实验室主任之后，凝聚态物理组发展成该室最大的团队，成为该室研究的主方向。1995年，年富力强的光电学家弗伦德接替爱德华兹担任卡文迪什实验室主任。弗伦德在有机聚合物光电功能、电激发光和其他受激发光的研究上成果累累，领导发明了有机聚合物发光二极管和光电池。在这些研究成果基础上，卡文迪什实验室在剑桥科学园成立了显像技术公司，由弗伦德亲自兼任顾问。这表明英国科学威望最高的卡文迪什教授由象牙之塔开始步入企业的科技研发，标志着英国科学在产业界激发了新的活力。

但总体来看，二战之后世界物理学的发展尤其是在比较活跃的核物理和粒子生物学方面，要求庞大机构和设施并非一个卡文迪什实验室所能胜任，其次，随着世界科学中心转向美国和英国经济实力的衰退，在近几十年中，卡文迪什实验室的成就似乎没有20世纪40年代那么显赫。

卡文迪什实验室虽然只是一个实验室，但是100多年来长盛不衰，它向世界贡献了26位诺贝尔科学奖获得者和各领域一系列重大成就，以其独特的魅力，吸引了世界各地一代又一代优秀的青年科学家，造就了一批又一批科学精英，成为名符其实地是“科学的殿堂，人才的摇篮”。卡文迪什实验室虽然隶属于剑桥大学，但作为英国科学研究皇冠上一颗璀璨的明珠，却毫无愧色地与剑桥大学一样享誉世界！