二、在剑桥

1921 年，卡皮察来到英国，进入剑桥大学的卡文迪许实验室。这个实验

室是当时世界上最主要的物理研究中心之一，创建于 1871 年。在 1895 年以前，只有剑桥大学的大学生和毕业生才能到实验室中工作。根据第二任实验室主任汤姆逊的要求，改变了这一制度，许多毕业于大不列颠自治领地和其他国家各个大学的年轻物理学家，可以来到该实验室，在这个崭新的使人激动的核物理学领域取得经验。

实验室以亨利·卡文迪许的名字命名，卡皮察很快地了解了卡文迪许其人，他是许多人称之为“现代化学的牛顿”的人。1919 年，已经获得诺贝尔奖的卢瑟福成为实验室主任，使实验室的荣誉更加发扬光大。卡皮察把卢瑟福在核物理学方面的作用与牛顿在力学、惠更斯在光学、法拉弟在电学、麦克斯韦在电动力学方面的作用相提并论。卢瑟福多年的研究工作于 1919 年结出了丰硕卓越的新成果：卢瑟福是世界上观察到氮原子核转变为氧原子核和在这一转变过程中释放出氢核——质子的第一人。他发现了核反应过程，这一过程决定了以后核物理学的道路。

卡皮察进入卡文迪许实验室那一年，卢瑟福已经被公认为国际上这一广泛科学学派的领袖。他对自己学生的关心极有分寸，并善于培养他们对科学研究的兴趣。卡皮察又得到一位杰出的导师。

卡皮察受卢瑟福委托，研究α粒子，从此，他开始利用超强力磁场的原理来研究α粒子。卡皮察与卢瑟福工作的情况，在他写给母亲的信中可以看到：

“卢瑟福对我总是很亲切，他向我点头致意并询问我工作进行得如何。但我有些怕他，我几乎在与他的办公室并排的地方工作。这可不妙，因为抽烟时得非常小心翼翼，倘若口里叼着烟斗被他看见，那就糟透了。不过，上帝保佑，幸好他走路的脚步很重，因此我能把他的脚步声和别人的脚步声区别开来。”

“我获得的结果，已经使我的试验有希望顺利结束。卢瑟福感到满意，这是他的助手告诉我的。这影响到他对我的态度。每当他碰到我时，他总是说些祝贺的话。这个星期天，他邀我到他家里去作客，因此我对他在家里的情况注意做了一番观察。他很和蔼可亲、朴实平常。他向我询问了有关A·Ф·约飞的情况，但是，⋯⋯当他不满意时，你只能忍耐克制，这般粗野地大骂，简直难以相信。但是，他的头脑惊人地聪明！这完全是一种特殊的才智：了不起的辨别力和洞察力。他讲的课和做的各种报告，我都听，他把主题叙述得很清晰。他确实是一个出类拔萃的物理学家和与众不同的人物⋯⋯”

“⋯⋯工作和以前一样很愉快。听了卢瑟福本人讲的一次课，是讲镭实验中的最新成就。他讲得妙不可言，我很欣赏他对待事物和分析事物的方法。很快就要放假了，实验室也要关闭两个星期。我要求‘鳄鱼’允许我工作，但他宣称，他希望我能休息，因为每个人都需要休息。他对我的态度令人吃惊地变好了。现在我在单独一间房子里工作，这可是一种莫大的荣誉。有些可笑的事应给描述一番，这就是卡文迪许物理协会同行们午餐会的事。出席午餐会的有 30—35 人，他们围坐在Π形桌旁，担任主席的是一个年轻的物理学家，酒喝得并不特别多，但英国人很快就醉了。这从他们的脸上立刻就可

以看得出来，他们开始变得好动和活跃了，那种呆板的表情一扫而光。总之，坐在桌子旁边想干什么都可以：尖声说话、大喊大叫等等。所有这一切都是一些相当疯狂的画面。祝酒之后，全都站到凳子上，互相交叉拉着手唱起歌来，歌里回忆所有的朋友。看着诸如汤姆逊和卢瑟福这样举世闻名的科学泰斗，站在凳子上扯开嗓子放声大唱，真是滑稽可笑之极。”

卡皮察在这封信里称卢瑟福为“鳄鱼”。原因在于卢瑟福的嗓门很高，而他自己又不善于掌握它。老师在走廊里遇到了某个人时说话的高嗓门等于预先告诉那些在实验室的人，他来了。

“今天和卢瑟福谈了一次话⋯⋯你不会相信，他有一副多么富有表情的脸庞，简直是妙不可言。他把我叫到他办公室里，我们都坐下了。我看着他那张凶狠的面孔，不知怎么觉得很可笑，因此我开始微微笑了。你瞧，‘鳄鱼’的脸也开始微笑了，因此我都已经准备哈哈大笑了。但想到，应该保持尊敬态度，就开始说正事了⋯⋯后来，看见他情绪很好我就把自己的一个想法告诉了他。这一想法和δ—射线有关，这方面的理论还不清楚。我提出了自己的解释，相当复杂的数字计算很好地证明了这一想法，并对一系列实验和现象给以解释。迄今为止，无论我向谁说了这一点，全都认为我的建议太勇敢了，因此对建议都很怀疑。‘鳄鱼’以他特有的利爪抓住了我想法的实质，并赞许这一想法。他是一个直性子的人，如果他不喜欢什么，他就会骂得你一塌糊涂。然而这时，他却非常夸奖我的想法，并建议我尽快着手进行根据理论推导他的实验。他的鉴别力真是了不起。”

“这里经常干一些按其构思来说是很荒诞的工作，因而简直被我们大家嘲笑个没完。当我了解到，为什么会想出这些工作时，才发现，这无非是一些年轻人的构想，然而，‘鳄鱼’对此却很为重视。为了让每个人能表现自己，他不仅允许研究自己的选题，而且鼓励和力求给这些有时很荒诞的想法注入一些理智。缺乏批评是‘鳄鱼’学派的特征之一。无疑，批评会挫伤个性，而在 A·Ф·约飞那里又太多了。第二个因素，这是由于力求获得成果。卢瑟福担心的是一个人毫无成果地工作。因为他知道，这会挫伤一个人工作的愿望。因此，他不喜欢给人出难题。如果他给出了难题，那无非表明，他想摆脱这个人。在他的实验室里不可能让我用 3 年的时间只干一件工作。要和极大的困难作斗争⋯⋯。”

年轻的俄国科学家认识了卢瑟福及其周围环境，卡皮察在 1937 年 12 月

《化学成就》杂志上发表了一篇回忆卢瑟福的文章，在这篇最初发表的回忆文章中，他塑造了一位德高望重的英国物理学家美好的形象。

卡皮察在听课的同时，还要通过物理实习科目，这是所有在卡文迪许实验室开始工作的人所必修的。指导这一科目的是杰姆斯·查德威克。实习科目规定为两年，但卡皮察却使大家都大吃一惊，他在两个月的时间内通过了所有考试。这件事立即在实验室的工作人员中传开了，包括卢瑟福本人在内。卡皮察到剑桥之后不久就组织了讨论会，这也使他出人头地，名声远扬。这种讨论会被人称为“卡皮察俱乐部”，会上，大学生和年轻教师们了解到各种有趣的科学问题，讨论自己的研究成果，有时还对各种各样的广泛问题进行自由辩论。卡皮察作为小组会议的发起人，做得非常成功。他把俄国的传统带到英国土地上来了。很多人每周一次到他这里聚会，这种集会把卢瑟福实验室中最积极的人组成了一个紧密的小组，学到许多新东西的同时，人们也向卡皮察学到某些俄国的东西。

卡皮察成为从国外来卡文迪许实验室工作的年轻物理学家中最引人注目的人之一。他的想象力和工程物理学家的才干赢得了卢瑟福的称赞。卢瑟福和卡皮察之间尽管有时不可避免地会产生剧烈的冲突，但自始至终相互间充满着深深的爱。

α粒子是卢瑟福心爱的粒子，卡皮察应当测出α粒子的脉冲。他提出了一个在维尔逊暗室中疾速飞行的α粒子束在强磁场条件下偏离的方法。α粒子本身，是卢瑟福用放射性辐射在磁场中偏离的方法发现的。这样，实验证明，放射性辐射系由α—、δ—和γ—粒子束组成，它们在磁场中偏离的角度各不相同。

为了顺利地完成测量α—粒子脉冲的实验，卡皮察需要一个强磁场。α

—粒子质量大，因此为使它们偏离，需要磁场强度很大。它们不能从当时使用的电磁铁中获得。卢瑟福在发现放射性辐射组成中有α—粒子时，其所用磁场的强度大大低于卡皮察实验所需磁场的强度。

1923 年在剑桥进行博士论文答辩的题目是《α—粒子通过物质及获得磁场的方法》。

这一年，卡皮察被授予剑桥大学哲学博士学位。此后不久，他获得了麦克斯韦奖学金。奖学金的获得很有趣。在卡皮察的信中说：

“昨天被授予哲学博士学位⋯⋯这一时刻对我来说竟如此珍贵，以至我几乎都囊空如洗，身无分文了。幸好‘鳄鱼’借给我钱，我才能去休假。今年麦克斯韦奖学金有空额，它每 3 年发放一次，奖给实验室工作中的优秀者，获得这种奖金被认为是莫大的光荣。星期一，是呈交申请的最后一天，‘鳄鱼’把我叫到他那里并问我，为什么我不申请奖学金。我回答说，我认为自己现在所得到的，已经完全足够了，作为一个外国客人，应该俭朴些。他对我说，我的外国人身份丝毫不影响获得奖学金，对于我这个似同候鸟似的人来说，这不起任何作用。但显然，‘鳄鱼’未能理解我的心情，因此我们不欢而散。我的拒绝，当然使他很难堪，也把他得罪了，尽管这样，我仍觉得我做得对。但是，我内心总有些对不起的感觉，觉得我委屈了‘鳄鱼’，他对我无比友好。”

“在他动身前（他外出休息一个月），我在走廊里遇到了他。我刚刚在授予学位的仪式结束后返回，我直截了当地问：‘卢瑟福教授，您有没有发现，我显得聪明些了？’‘为什么您会显得聪明些呢？’他对这个有些不寻常的提问大感兴趣。‘我刚刚被授予博士学位，’我回答说。他立刻祝贺我，并说：‘对，对！您看上去聪明多了，何况您还理了发。’他说完就哈哈大笑起来。”

“在‘鳄鱼’面前这种狂妄行为，一般来说是很冒险的，因为在大多数情况下，他毫不客气地就让你滚蛋，而在全实验室中，好像只有我一个人敢冒险在他面前这么胆大妄为。但是一切都平安过去了，这表明，我们之间的关系一切顺利。总之，我大概不止一次使得他措手不及，他起初茫然失措，但后来立刻让你滚蛋。年轻人对他的这种态度，一定使他很不习惯。而我，当然无数次得到他诸如‘傻瓜’、‘蠢驴’等等之类的恭维话。但是现在他已经稍稍习惯了。虽说大多数在实验室工作的人仍然迷惑不解，这种玩笑怎么可能呢？但是，当‘鳄鱼’猛然间被窘住，一时间连话都说不出来时，我就觉得特别好笑⋯⋯”

“‘鳄鱼’向我重提那件奖学金的事⋯⋯我投降了，并呈交了申请书⋯⋯

这笔奖金对我正是时候。”

卡皮察就这样得到了克列克·麦克斯韦奖学金，同时，也得到了许多祝贺。

当卡皮察开始着手实现自己测定α—粒子磁矩的计划时，利用线圈和铁心组成的电磁铁获得了强磁场。强度极限为 5 万奥斯特。由于铁心的电磁饱和现象，强度不能再高于这个数值了。达到饱和极限之后，无论通过电磁铁的电流怎样加大，磁场强度并不增加。

卡皮察走的是另一条路子。他采用了螺线管，即没有铁心的线圈。解决的方法是一种很新颖奇特的想法——不用恒量磁场，即长期存在的磁场。卡皮察的设想是获得一个力量极强的短时间的脉冲场。磁场强度增长的极限很快就达到了。在电流强度增加时，螺线管开始熔化。卡皮察制成的螺线管线圈能承受几万千瓦的电力，但是只在百分之一秒的时间之内，在这极短的瞬间，线圈烧热到 100 度。如果试验持续进行一秒钟，那么线圈将热到一万度而熔化了。在百分之一秒的时间内，可以观察到在静磁场中发生的一切现象。为了记录这些现象，需要有比人的感觉器官灵敏得多的专门装置，但在当时却没有这种设备。因此，当卡皮察从事测定α—粒子脉冲时，就显得很奇怪了。

在第一批实验中，卡皮察利用他制作的小容量蓄电池作电源，在几分钟时间内可以给其充电，而后经过螺线管短时间闭路。在短路瞬间，电流强度达 7000 安培，而在直径约为 2 厘米的螺线管容积中，磁场强度 10 万奥斯特。但是用蓄电池无法获得高得多的电流强度。因此，在以后的实验中，用高功率发电机取代了蓄电池。这台脉冲型发电机也是由卡皮察参与设计的。即使在现代，在一些专门领域，主要是在试验强大的高压开关方面仍然得到运用。

螺线管结构的深入研究及其制造与许多巨大困难和危险密切相关，并且经历了一次次失败。最后，卡皮察开始用铜和镉的合金制作线圈，这种合金比纯铜要坚固得多。

现在，在物理问题研究所宽敞的磁厅中，还引人注目地陈列着卡皮察的装置——大功率发电机和螺线管。

强磁场实验的成功使卡皮察得出一个结论，用短时间存在的磁场进行实验是很吸引人的。用自己的装置，卡皮察获得了强度为 30 万奥斯特的磁场，

而以后在莫斯科继续进行实验时，获得的磁场强度为 50 万奥斯特，比以往任何时候用电磁铁所获得的磁场都要大一个数量级。

卡皮察在卢瑟福的关注下，实现了实验研究方法中的技术革命。大型的卡皮察装置，研究工作的原则本身，不仅对卢瑟福及其同事们，而且对访问剑桥的其他科学家产生了强烈的印象。著名美国数学家诺贝特·维纳在自己的回忆录中，写道：“在剑桥毕竟还有一个用最新技术设备装备起来的贵重实验室。我这里是指俄国物理学家卡皮察的实验室，他制造了一台专用大型发电机，能短时间短路，通过又重又大的电线，输出强电流；电线就像条发怒的大蛇，发出咝咝的声音，吱吱地响个不停，而在周围空间产生了一个极强的磁场⋯⋯卡皮察在建立有大型设备的实验室工厂方面是个开路先锋。”

1922 到 1923 年间，卡皮察先后发表了 20 余篇有关超强力磁场的论文。这是他学术研究成绩卓著的一年，卢瑟福及其他英国物理学家给予他很高的评价。1924 年，卡皮察被任命为剑桥大学卡文迪许实验室主任在磁研究方面的助手。在实验室里，卢瑟福做实验，方法简便，效果很好。卡皮察从中得

到很大启发，卢瑟福成了卡皮察的良师益友。在这以前，他已经给大学生讲课。

卡皮察多次离剑桥去法国、德国、比利时、荷兰参加有关物理学的各种国际会议和学术讨论。他参加了 1930 年和 1933 年在布鲁塞尔举行的索尔维国际大会。卡皮察作了报告，谈到了进一步研究磁性现象的实验技术发展问题，出席了《原子核的结构和特性》的专题讨论。

1926 年，卡皮察来到巴黎，认识了住在巴黎的前苏联姑娘安娜，后来安娜成了卡皮察的妻子。返回剑桥后，他告别了自己在三一学院的单身宿舍，携带妻室在斯托利兹街租了半幢房子。在这里，他们生下了大儿子谢尔盖。之后，在汉金顿路离卡文迪许实验室不远的地方，盖了一幢房子，家中又添了一个儿子安德烈。这所房子，后来赠给了前苏联科学院，成为前苏联科学工作者赴英国见习期间的住所。

卡皮察会见过许多杰出的人物，与许多物理学家保持着友谊。他和自己许多朋友都直接地共同协作过。他和保尔·狄拉克一起完成了理论性著作：

《电子对驻波的反射》，1933 年发表在《剑桥哲学》杂志上。

以后卡皮察着手制造氢液化器。为了获得“最冷的”液态氢，手头必须有液化氢。卡皮察制作的第一台氢液化器中，排除了使用纯氢作为液化原始产物的必要性，而代之以工业用氢气。氢液化器完成时，卡皮察找到了一种获得液态氦的新方法，这种方法无需用液态氢对氦进行预冷却。

接着，卡皮察决定制造一台氦膨胀时会带走热量的机器，最后，带有迅速运动活塞的液化机由卡皮察在剑桥制成了。这一工作对卡皮察在以后多年中制造其它一些液化器是一个良好的开端，这些液化器是用于最难液化的一些气体——氢、氦、氧的。

卡皮察第一台液化器的生产能力为每小时 1.7 公升液态氦，这正好是实验所必需的数量。

就这样，卡皮察选择了强磁场和低温作为自己在剑桥时进行实验工作的基本项目。他的注意力集中在制作基本上是新型的、获得高强度磁场的装置和液态氦的装置方面。这一选择证明了他的科学预见性。

1925 年，卡皮察成为名声显赫的剑桥三一学院的成员。它的成员有汤姆逊、卢瑟福、爱丁顿和其他许多卓越的物理学家、天文学家、生物学家。每逢周日晚上，这些著名学者们在一起吃饭，并讨论各种问题。

卡皮察在英国期间，曾流传过这样的一个趣闻。有一次，一家英国工厂请他去检修一部机器的发动机，当面讲好修好后付酬金 1000 英镑。他先检查了一下机器，然后叫人拿来一把榔头，他拿起榔头对准主轴承敲了一下，机器就能运转了。这时，那个英国人有点后悔了：难道只敲一下，就值 1000 英镑吗？这时，卡皮察风趣地说：“实际上敲一下，只要付一英镑就足够了，但另外付 999 英镑，是因为要知道应该敲在哪个部位上。”

1929 年，卡皮察被选为前苏联科学院通讯院士。卡皮察几乎每年都要返回故土讲课或咨询。

1934 年卡皮察回国。整个卡文迪许实验室和卢瑟福本人久久地感到缺少了一个他们大家都如此热爱的人。在以后数年中，实验室这个卓越的集体开始分崩离析了。