14.2 实验室在物理学发展中的地位

科学家进行科学研究总要从事科学实验。实验必须具备一定的条件,除了仪器设备的条件外,作为科学研究的基本场所,实验室是进行实验必不可少的重要条件。随着科学实验的进步,实验室的建设成了科学发展的决定性因素之一。实验工作越来越复杂,分工越来越细,技术性、专业性越来越强,需要各种人才在统一的部署下互相配合,发挥集体力量。实验室的管理体制越来越严密。同时实验室也是培训人才的中心,是科学组织的基地,实验室的传统和经验成了宝贵的精神财富,实验室的历史也相应地成了科学史中很有意义的课题。

14.2.1 实验室的早期历史

最早的物理实验往往是在私人住宅中进行的,研究者经常把自己的住房的一部分当作科学研究的场所。伽利略时代已经有比较正规的实验研究,伽利略本人也做过许多物理实验,但他没有明确提到他有自己的实验室。1592—1610 年他在意大利的珀都亚曾经在自己的家里建立了一间小作坊,甚至雇用了一名技术熟练的工人在家制作他设计的“军用几何比例规”,还制作过最早的天文望远镜。据说,伽利略在《两门新科学》(1638 年出版)中描述的许多实验就是当年在这里做的。如果真是这样,伽利略的实验室可谓最早的物理实验室了。伽利略去世后,他的学生维维安尼和托里拆利在佛罗伦萨组织了西芒托学院(如图 14 – 1)。1667 年出版了《西芒托学院自然实验文集》,详细描述了磁性、真空和温度测量的实验。

图 14 – 1  1773 年的一幅木刻,描绘了西芒托学院的活动和所用的仪器

英国的玻意耳测量气体体积随压强变化的关系要用到一根长管子,如图 14 – 2。据记载,由于管子太长,室内无法周转,只好拿到住宅的楼梯上进行实验。牛顿的白光色散实验是在他剑桥大学的住房中做的。美国的富兰克林在做了风筝实验之后,又在家里立了一根绝缘的铁杆准备进行空气带电试验。他们都没有利用职位之便在所在机构建立专门的实验室。

图 14 – 2  玻意耳的气体体积变化实验

胡克也许是建立物理实验室的先驱。他当过玻意耳的助手,在玻意耳的建议下,1662 年胡克当了英国皇家学会的仪器馆长,负责设计仪器装备,每周向皇家学会的例会提供三四个有意义的实验。不过他的工作并没有得到延续,1703 年胡克去世后,皇家学会实验室也逐渐衰败。

实验室作为一个进行实验的专门场所或建筑物,并不是最先从物理学开始的。化学实验室和天文学观测站比物理实验室早得多。Laboratorium 一词在德文中原来意味着化学实验室。中世纪有炼金术和占星术的实验室,当时为了求得长生不老的药物和找到金属嬗变的秘诀,炼丹师颇为活跃。例如在巴黎卢浮宫的画廊上就有一幅名画描绘 16 世纪的一间化学实验室,其实是“炼金”实验室,这是一间豪华的地下室,地面上摆满了蒸馏器、坩埚和甑。在 18 世纪乃至 19 世纪以前,这类实验室几乎毫无例外都属于个人所有,设在私人住宅的地下室,有的甚至就设在厨房的一角。瑞典著名化学家贝采利乌斯(Berzelius)的私人实验室就设在他家的厨房里,一个人单独工作,也乐于接受学生来学习,不过每年只限一个,他还常接纳化学家的访问,有的人甚至留下来一起作实验研究,成了他的帮手。

图 14 – 3  16 世纪的化学实验室

为什么物理学会落后于化学呢?这是因为,化学更直接地为实际生活所需要,化学知识对冶金是必不可少的;另一方面,是因为化学实验的花费较少,只需要一些瓶瓶罐罐,化学试剂一般比较便宜,而物理仪器则甚为昂贵。当年空气泵、温度计和望远镜都属于高级奢侈品,平常人家是买不起的。

近代化学的奠基人很重视实验室的建设。俄国的罗蒙诺索夫说服了俄国科学院在彼得堡于 1748 年建立了一所装备精良的实验室。在那里进行有关化学、冶金学,以至于光学和电学的研究,不过他的影响没有超出俄国。著名化学家拉瓦锡(Lavoisier)于 1776—1792 年在巴黎兵工厂建立的实验室装备优良,对科学界影响较大。富兰克林和瓦特都曾访问过这所实验室。1818 年盖-吕萨克也在那里建立了实验室,使后来李比希(J.Liebig,1803—1870)有机会做了许多化学实验。李比希原来在德国的波恩从事化学分析,对当时德国化学的分析技术很不满意,后得奖学金前往巴黎学习,在盖-吕萨克的实验室里收获极大,1824 年李比希到吉森(Giessen)大学任教,建立了一所用于研究和教学的实验室(如图 14 – 4)。他的管理方法为后人树立了样板,他自己是这样描述的:

“实验室中真正的教学只为初学者安排,由实验室助手负责。我的特殊学生(按:相当于现在的研究生)的进步则完全靠他们自己。我布置任务并且督促任务的执行,就像一个圆的半径有其公共的圆心一样。我不作具体指导,每天早晨从每个人那里收到一份报告,报告各自在前一天做了什么以及对所从事的工作的看法,我则加以肯定或作些评论。每个人都按自己的进程工作,通过相互联系、经常性的交换意见和参加其他人的工作,他们互相学习。冬季我每周两次对当时最重要的问题作些综述,把我自己的工作以及他们的工作再加上其他化学家的研究综合在一起作一报告”。[1]

图 14 – 4  吉森大学里的李比希实验室

李比希的成功主要在于得到了公众资助,使他有可能聘请实验室职员,并且有足够的经费采购实验所需的器材物品。他的实验室规模比瑞典贝采利乌斯的私人实验室要大得 多。在李比希的努力下,吉森大学的化学实验室闻名欧洲,慕名而来的学生聚集在他周 围,研究成果不断涌现。很快在杜宾根、波恩和柏林等地也按这一模式建起了类似的实验 室。其实,跟李比希相似的想法在英国也有人提出过,但因得不到支持而落空。

后来英国的阿尔伯特亲王听取了李比希的建议,在 1845 年建立了皇家化学学院,并由 李比希的学生霍夫曼(A.W.Hofmann)担任院长。这所学院进行过许多英国急需解决的重大化学研究课题,但因政府支持不力,工作开展不大顺利。20 年后合并到了皇家矿业学校。

英国另一所著名的实验基地叫英国皇家研究所(如图 14 – 5),原来也是化学实验室,由伦福德创建于 1800 年,其宗旨是进行科学知识的普及。由于戴维和法拉第的工作,这一研究所享有盛名。众所周知,在这个研究所里,法拉第以毕生精力研究了各种电化学和电磁现象,发现了电解定律、电磁感应和磁光效应。

图 14 – 5  英国的皇家研究所

14.2.2 19 世纪的物理实验室

19 世纪初,法国是实验研究的中心,例如:以精密量计著称的法国工艺学院(CNAM)早在 1793 年就已成立,开始大概是作为博物馆之类的场所,1829 年建成实验室。但即使在法国,条件也是很差的,科学家仍然是在相当艰难的情况下从事实验工作。例如:著名实验生理学家贝尔纳(C.Bernard)工作在潮湿的小地窖中,他甚至管这个地方叫“科学研究者的坟墓”。盖-吕萨克的实验室也是在地下,他为了预防自己受潮,整天穿着木底鞋。当时,这些实验室都是私人所有,要购置必要的仪器设备,没有足够的钱财是不可能的。所以,只有出身于“家产万贯”的富裕人家的子弟才能进行物理实验。物理学家往往把自己的仪器设备看得非常宝贵,有的仪器被打磨得锃亮,有的精心油漆,妥善地摆放在玻璃柜中。杜隆(Dulung)几乎把自己全部财产都花费在购置仪器;菲涅耳为了做他的实验,付出了大量资财;傅科的许多实验也是在家里做的;电流磁效应发现不久,学者们聚集在安培的住宅门前,为的是一睹通过电流后使磁针偏转的细铂丝。直到 1868 年,由于德国明显地有超过法国的趋势,才使法国政府认识到应该对科学家的工作提供必要的支持。最有名的一件事是,拿破仑三世亲自下令,给上面提到的贝尔纳专门建立一间实验室。

最早的规模较大的物理实验室要算柏林大学的物理实验室了。它是由马格努斯(H.G.Magnus,1802—1870)创建的,马格努斯原来也是化学家,1845 年成为柏林大学物理和技术教授。开始他也是在自己的住宅(图 14 – 6)里分出几间房屋当作实验室,让最优秀的学生参加研究工作,其中有来自欧美各国的年轻学者。据一位曾在那里工作过的美国学者里兹(A.R.Leeds)回忆,当他在那里学习时,同时还有三个别的学生在那里工作,一个研究声学,一个研究偏振光,还有一个检测刚刚发现的化合物晶体。赫姆霍兹和丁铎尔也出身于这个实验室。由于规模逐渐扩大,柏林大学给予适当的财政资助,于是这所私人实验室转变成了大学机构的一部分,1863 年建成新的物理实验室,是当时世界上屈指可数的一所正规物理实验室(图 14 – 7)。

图 14 – 6  马格努斯在这座住宅里建立实验室
图 14 – 7  柏林大学物理实验室

柏林大学也因此成为欧洲物理学研究中心之一。马格努斯还创造了学术讨论会(colloquium)的形式,让学生轮流报告自己新近的科学进展,也常邀请访问学者做报告,研究生院的体制由此逐渐形成。1871 年,赫姆霍兹继任物理实验室教授,他是著名的声学和生理学教授,对能量守恒与转化定律的形成有过贡献。在他的引导下,他的学生 H.赫兹做了著名的电磁波实验。

柏林大学物理实验室的成功经验吸引了英国同行的注意,也开始按德国的模式建立实验室。走在最前面的是著名物理学家 W.汤姆孙,即开尔文勋爵。1846 年,他被任命为格拉斯哥(Glasgow)大学物理学教授。在他的讲堂附近有一座废弃了的酒窖,他就利用来布置成一个实验室,后来又增加了一间没人用过的考试室。原先在英国往往只有表演实验,现在他让学生自己动手做。他邀请学生动手做实验的理由是:“有些观测工作量太重,没有两三个人一起干往往做不成”。到 1866 年,这所实验室才正式被大学承认。尽管开尔文当时已有很高的声望,也没有能够建立像柏林大学物理实验室那样的物理实验室。这也许跟开尔文的个性有关,因为他最感兴趣的还是工程方面的研究,例如:横渡大西洋的电缆工程,而对基础研究不够重视。不过他的学生对实验工作还是非常积极的,因为他常常把有关工程的课题交给学生做,学生们的实验工作大多是创造性研究。有趣的是,他的学生多半是学过哲学而又进入神学班的高年级生。开尔文在 1885 年回忆说:

“我记得有一位德国教授知道这种做法和人员使用情况后表示非常惊讶,问道:‘神学家还学物理?’我就回答:‘是的,他们都这样做,而且他们中的许多人做的是第一流的实验’。”[2]

英国当时还有几所大学建立了物理实验室,例如伦敦的大学学院和国王学院都设立了学生用的物理实验室,但未纳入正规的物理课程,也没有规定学生必须参加研究。待到19世纪后期,牛津大学建立了克拉伦敦(Clarendon)实验室,剑桥大学建立了卡文迪什实验室。这两所实验室在世界上都很有名,其中尤以卡文迪什实验室的影响最大。

14.2.3 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,卡文迪什实验室则创建于 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 8 450 英镑,除盖成一座实验室楼馆外,还采购了一些仪器设备。

图 14 – 8 20 世纪初的卡文迪什实验室

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,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。

图 14 – 9  卡文迪什实验室早期研究仪器
图 14 – 10  卡文迪什实验室早期物理教学实验

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作。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.汤姆孙爵士(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。1906 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 α,β 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。这些引人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。

图 14 – 11 1920 年汤姆孙父子参加的卡文迪什实验室教授与研究生合影(第二排:左一是查德威克,左二是 G.P.汤姆孙,左四是 J.J.汤姆孙,左五是卢瑟福,左七是康普顿)

第四任卡文迪什实验室教授为卢瑟福,任期为 1919—1937 年,他是 α 射线、β 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,查德威克因发现中子获 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巅峰之际,不幸因病于 1937 年过早地去世。

图 14 – 12  人们在实验室的墙上画一条鳄鱼,表示卢瑟福勇往直前的精神
图 14 – 13 1932 年,考克饶夫(右)和瓦尔顿(左)实验成功后,卢瑟福(中)向他们祝贺

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威尔,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(James Watson,1928— )及威尔金斯(Maurice 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驱性工作获得 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中所起的决定性作用。

图 14 – 14  克里克(左)和沃森在研究 DNA 模型
图 14 – 15  肯德鲁和佩鲁兹在研究蛋白质模型

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。莫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一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)和爱德华(Sir Sam 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 1 ~ 2 人、技师 1 ~ 2 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 10 ~ 30 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 1 ~ 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 20 ~ 40 人,总研究人员多达 300 ~ 400 人。

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,实验离不开封腊、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作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 年查德威克发现中子,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 年代莫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架,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、表面物理学和凝聚态物理学的基础,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,成了世界物理学家心目中的“麦加”(圣地)。

14.2.4 20 世纪世界著名实验室实例

进入 20 世纪,各类物理实验室如雨后春笋,研究工作广泛开展。可以说,实验室是科学的摇篮,是科学研究的基地。下面选取若干有代表性的,对科学发展起过或正在起重要作用的物理实验室,分别作些介绍。

第一类是建立在大学里面,附属于大学的实验室。除了英国剑桥大学的卡文迪什实验室以外,还可以举出许多,其中著名的有荷兰莱顿大学的低温实验室,美国哈佛大学的杰佛逊(Jefferson)物理实验室,伯克利加州大学的劳伦斯辐射实验室,莫斯科大学的物理实验室,英国曼彻斯特大学的物理实验室。它们大都以基础研究为主,各有特长。例如:

1.荷兰的莱顿低温实验室

19 世纪末 20 世纪初,在低温的实验研究上展开过一场世界性的角逐。在这场轰动科坛的竞赛中,领先的是地处荷兰小城——莱顿的一个物理实验室。

19 世纪后半叶,在研究气体的性质随压强和温度变化的关系上,荷兰物理学家曾作出过重要贡献。1873 年,范德瓦耳斯(Van der Waals)在他的博士论文“气态和液态的连续性”中,提出了包括气态和液态的“物态方程”,即范德瓦耳斯方程。1880 年,范德瓦耳斯又提出了“对应态定律”,进一步得到物态方程的普遍形式。在这一理论指导下,他所在的荷兰莱顿大学发展了低温实验技术,建立了低温实验室。这个实验室的创始人就是低温物理学家卡麦林-昂纳斯

图 14 – 16  莱顿低温实验室

当时低温的获得主要是采用液体蒸发和气体节流膨胀。要得到很低的温度,往往需要采用级联的办法,也就是首先把要液化的气体压缩,同时利用另一种液体的蒸发带走热量,然后再让气体作节流膨胀,气体对外做功消耗内能而降温。这个原理在物理上都已解决,没有什么新内容,但在实践上却存在许多技术问题。设计者必然要考虑到各种物理问题和解决这些问题时所需的技术装备,很多仪器都需要自己制造,甚至在开始时连电力都需要自己提供。卡麦林-昂纳斯以极大的精力改善了实验室装备,使之由初具规模发展到后来居上。但是他更重视人才培养。他创立了一所技工学校,让学生晚上学习,白天在实验室工作。他培养的玻璃技师不但满足了本国的需要,还受聘到许多国家的物理实验室工作,为发展低温物理学和真空技术作出了贡献。他为工业培养人才,对荷兰的工业发展也起了一定影响。卡麦林-昂纳斯还广招科技人员,包括来自国外的访问学者,集中在他的周围。在他的组织和领导下,莱顿低温实验室于 1894 年建立了能大量生产液氢和其他气体(包括氮气)的工厂和一栋规模甚大的实验楼馆。他以工业规模建立实验室,这在历史上还是第一次。就是从这里开始,物理学由手工业方式走向现代的大规模生产水平。

卡麦林-昂纳斯从 1882 年起担任莱顿大学实验物理学教授。他在就职时发表了著名的就职演说,题为“定量测量在物理学中的重要性”。他说道:“物理学能创造获得新的物质的手段,并且对我们的实验哲学思维有着巨大的影响,但只有当物理学通过测量和实验去夺取新的疆土时,它才会在我们今天社会的思维和工作中占有重要的地位”,“我喜欢把‘通过测量获得知识’这个座右铭贴在每个物理实验室的大门上”。他以这种精神在实验物理学的研究中取得了卓越的成就。他建立了低温实验室,使氦的温度降低到 0.9 K 以下,结果获得了前所未有的最接近于绝对零度的低温。正是这些低温研究使卡麦林-昂纳斯发现了超导电性。

莱顿低温实验室赢得了日益重大的国际声誉。有许多外国科学家曾来到莱顿大学,在这个实验室短期或较长期地工作。他们之中不仅有卡麦林-昂纳斯的合作者,还有其他来自世界各地的学者和技师,到莱顿研究或学习的主要课题是低温学。实验室的其他研究项目包括热力学、放射性规律、光学及电磁现象的观察,例如荧光和磷光现象,在磁场中偏振面的转动,磁场中晶体的吸收光谱,以及霍尔效应,介电常数,特别是金属的电阻。从 1901 年起就创办的培训仪器制造工人和玻璃吹制工的学校,也为卡麦林-昂纳斯和他的实验室赢得了声誉。20 世纪初,莱顿低温实验室成了世界闻名的低温研究中心。

2.美国伯克利加州大学的劳伦斯辐射实验室

它是电子直线加速器的发源地,创建于 20 世纪 30 年代,当时正值经济萧条时期,创建人劳伦斯以其特有的组织才能,充分发掘美国的人力、物力和财力,建起了第一批加速器。在他的领导组织下,实验室成员开展了广泛的科学研究,发现了一系列超重元素,开辟了放射性同位素、重离子科学等研究方向。它是美国一系列著名实验室:Livermore,Los Alamos,Brookhaven 等实验室的先驱,也是世界上成百所加速器实验室的楷模。一台现代化的加速器相当于一座规模庞大的工厂,需要大量工程技术人员、实验家和理论家协同工作。正如劳伦斯在他的诺贝尔物理学奖(1939 年)领奖词中说的:“从工作一开始就要靠许多实验室中的众多能干而积极的合作者的集体努力”,“各方面的人才都参加到这项工作中来,不论从哪个方面来衡量,取得的成功都依赖于密切和有效的合作”。

第二类实验室属于国家机构,有的甚至是国际机构,由好几个国家联合承办。它们大多从事于基本计量、高精尖项目、超大型的研究课题和国防军事任务。例如:

3.德国的帝国技术物理研究所(简称 PTR)

帝国技术物理研究所建于 1884 年,相当于德国的国家计量局,以精密测量热辐射著称。19 世纪末该研究所的研究人员致力于黑体辐射的研究,导致了普朗克发现作用量子。可以说这个实验室是量子论的发源地。

4.英国国家物理实验室(简称 NPL)

英国的国家物理实验室,是英国历史悠久的计量基准研究中心,创建于 1900 年。1981 年分 6 个部:即电气科学、材料应用、力学与光学计量、数值分析与计算机科学、量子计量、辐射科学与声学。

作为高度工业化国家的计量中心,与全国工业、政府各部门、商业机构有着广泛的日常联系,对外则作为国家代表机构,与各国际组织、各国计量中心联系。它还对环境保护,例如噪声、电磁辐射、大气污染等方面向政府提供建议。英国国家物理实验室共有科技人员约1 000 人,1969 年最高达 1 800 人。

5.欧洲核子研究中心(简称CERN)

欧洲核子研究中心创立于 1954 年,是规模最大的一个国际性的实验组织。它的创建、方针、组织、选题、经费和研究计划的执行,都很有特点。1983 年在这里发现 W± 和 Z0 粒子,次年该中心两位物理学家鲁比亚和范德梅尔获诺贝尔物理学奖

欧洲核子研究中心是在联合国教科文组织的倡导下,由欧洲 11 个国家从 1951 年开始筹划,现已有 13 个成员国。经费由各成员国分摊,所长由理事会任命,任期 5 年。下设管理委员会、研究委员会和实验委员会,组织精干,管理完善。人员共达 6 000 人,多为招聘制。五十余年来,先后建成质子同步回旋加速器、质子同步加速器、交叉储存环(ISR)、超质子同步加速器(SPS)、大型正负电子对撞机(LEP),并拥有世界上最大的氢气泡室(BEBL)。欧洲核子研究中心作为国际性实验机构,拥有雄厚的财力、物力和技术力量。由于工作涉及许多国家和组织,在建设和研究中难免会出现种种矛盾和摩擦,但经过协商和合作,工作进行顺利,庞大计划都能按时兑现,接连不断取得举世瞩目的成就。

图 14 – 17  1959 年 4 月 CERN 鸟瞰图

第三类实验室直接归属于工业企业部门,为工业技术的开发与研究服务。其中最著名的实例是贝尔实验室。

6.贝尔实验室

贝尔实验室原名贝尔电话实验室,成立于 1925 年 1 月 1 日,隶属于美国电话电报公司(AT&T)及其子公司西方电器公司,其主要宗旨是进行通信科学的研究,由电话的发明者贝尔创建。1996 年起转为美国朗讯科技(LucentTechnologies)公司的研究单位,专注新产品的开发。

贝尔实验室从成立至今,一直是世界上最大的科技研发机构,发展成为“全美最大的制造发明工厂”,职工人数由开始时的 3 600 人到 1995 年的 29 000 人,其中主要是研究人员,1998 年的研究经费达 37 亿美元,其中 10% 用于基础研究。这个实验室下属 6 个研究部,共 14 个分部,56 个分实验室,除了无线电电子学以外,在固体物理学(其中包括磁学、半导体、表面物理学)、天体物理学、量子物理学和核物理学等方面都有很高水平。它是世界最大的由企业经办的科学实验室之一,科学研究和新技术创新实力雄厚。世在许多基础学科和通信科技方面,诸如固体物理、半导体和凝聚态、高分子化学和信息科学等领域一直居于世界领先地位,成果累累、人才辈出,它不但奠定了信息论和系统工程的基础,而且成为微电子、光通信和集成光学的重要发源地。在新技术的发明创造上,历年来,发明了有声电影(1926 年)、电动计算机(1937 年)、微波雷达、晶体管(1947 年)、激光器(1960 年)、人造通信卫星、光纤和光通信、光子计算机、C++ 和 phenix 计算机语言、数字电子交换系统、电视电话,发现了电子衍射(1927 年)、宇宙微波背景辐射(1965 年)和分数量子霍尔效应(1982 年),发展了激光冷却方法以及蜂窝移动电话及多种通信软件与网络。贝尔实验室成了微电子技术革命和光子技术革命的发祥地,为人类进入信息时代起到了火车头的作用。

图 14 – 18  美国内华达州伊利城的贝尔实验室建筑上的一幅壁画

这个研究机构中拥有大批高水平的科研人员,其中有 13 人荣获诺贝尔物理学奖,他们是发现电子衍射的戴维森(1937 年获奖),发明晶体管的肖克利、巴丁和布拉顿(1956 年获奖),发明激光器的汤斯(1964 年获奖)和肖洛(1981 年获奖),理论物理学家P.W.安德森(1977 年获奖),射电天文学家彭齐亚斯和 R.威尔逊(1978 年获奖),凝聚态物理理论家劳克林、实验家崔琦和施特默(1998 年获奖)。发展激光冷却和原子俘获方法的华裔美籍物理学家朱棣文(1997 年获奖)正是在这所实验室工作时作出了关键性的贡献。

半个多世纪以来,贝尔实验室的成功经验引起广泛注意。工业企业对科学研究,特别是对基础研究的重视,开发和研究二位一体,领导有远见有魄力,善于抓住有前途的新课题,这些都是有益的经验。

贝尔实验室视基础研究为战略需要,把创新看成是生命线,基础研究面向实际应用,为技术创新服务和发展新技术紧密结合,使支持它的企业以技术领先在世界上立于不败之地。正是在这一方针指导下,贝尔实验室与其联体的企业以旺盛的生命力双双领先于世界高新技术发展的前沿。


[1] 转引自:Phillips M.Am.J.Phys.,1983,51:497。

[2] ThomsonW.Nature,1895,31:411

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