§14.5 物理实验室的典范——卡文迪什实验室

在现代物理学的发展中，实验室的建设更具有重要意义。卡文迪什实验室作为 20 世纪物理学的发源地之一，它的经验具有特殊的意义。

卡文迪什实验室相当于英国剑桥大学的物理系。剑桥大学建于 1209

年，历史悠久，与牛津大学遥相对应。卡文迪什实验室创建于 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 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

① W.Thomson,Nature,31（1895）p.411

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，但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：他在整理一百年前 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、双轴晶体等等，这些工作为后来的发展奠定了基础。

麦克斯韦去世后，瑞利（即 J.W.斯特拉特）继任卡文迪什实验室主任。瑞利在声学和电学方面很有造诣。在他的主持下，卡文迪什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 28 岁的 J.J.汤姆生继任。

J.J.汤姆生对卡文迪什实验室的建设有卓越贡献。在他的建议下， 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 J.J.汤姆生的指导下进行学习和研究。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。他培养的研究生中，有许多后来成了著名科学家，例如卢瑟福、朗之万、W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、里查森、巴克拉等人，其中多人获得了诺贝尔奖，对科学的发展有重大贡献，有的成了各研究机构的学术带头人。

J.J.汤姆生领导的 35 年中间，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导致了真空管的发明和改善，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。

1919 年 J.J.汤姆生的职位由卢瑟福继任。卢瑟福更重视对年轻人的培养。在他的带领下，查德威克发现了中子；考克拉夫特和沃尔顿发明了静电加速器；布拉开特观测到核反应；奥里法特发现氚；卡皮查在高电压技术、强磁场和低温等方面取得硕果。

1937 年卢瑟福去世，由 W.L.布拉格继任卡文迪什实验室教授。在他的领导下，卡文迪什实验室的主攻方向由核物理改为晶体物理学、生物物理学和天体物理学，在新的形势下实现了战略转折。以后是固体物理学家莫特和皮帕德（A.B.Pippard）主持。70 年代以后，古老的卡文迪什实验室大大扩建，仍不失为世界著名实验室之一。