卡文迪许、卡文迪许实验室和我的回忆

    科学怪人卡文迪许

    每当提起卡文迪许实验室，一般人都会介绍，这是剑桥大学校长威廉·卡文迪许为了纪念他的先辈，伟大的物理学家和化学家亨利·卡文迪许，私人捐赠6300英镑建立起来的实验室，却很少有人详细介绍亨利·卡文迪许（1731-1810）。

    亨利18岁进剑桥，因为不满大学的宗教考试，不到四年，就离开了剑桥，没有取得任何学位。他父亲在伦敦有几处住所。他把其中一处改成实验室，一处变成图书馆，对外开放。他酷爱图书，把自己收藏的大量图书，分门别类地编上号，管理得井井有条，即使是自己阅读，也都毫无例外地履行登记手续。

    父亲去世后，他又将实验室搬到乡下。他拆掉别墅内富丽堂皇的全部装饰，将客厅变成大实验室，楼上卧室变成观象台。他甚至在门前的草地上竖起一个架子，以便攀高观测星象。50多年来，他终身在自己家里做实验。他对科学达到痴迷疯狂的地步，即使在七十九岁高龄逝世的前夕还做实验。

    他在物理学上作出的最大贡献是完成了测量万有引力常量的扭秤实验。他的测定方法非常精巧，在八九十年间竟无人能赶超他的测量精度，从而使牛顿的万有引力定律不仅只是一个比例性的陈述，而成为一项精确的定量规律，同时也为它提供了最重要的实验佐证。后人把这个实验命名为卡文迪许实验。这是在他将近七十岁时才完成的。

    在化学界，他是分离氢的第一人，又是把氢、氧合成水的第一人。他发现了二氧化碳、硝酸……后人称他为“化学中的牛顿”。他还最早发现了库仑定律和欧姆定律，电荷在导体上的分布……他被称为继牛顿以后最伟大的科学家之一。

    卡文迪许十分孤僻，内向，终身未娶，离群索居。他日夜埋头在实验室里，唯一的社会活动就是参加皇家学会两周一次的会议。这是为了增长知识，了解动态。他从祖上继承了大笔遗产，父亲死后，所有的遗产高达130万英镑，曾是伦敦银行最大的储户，但他对金钱始终没有什么概念。一则趣闻这样描述：几十年他都只让投资顾问买一种股票，不论涨跌。有一天顾问建议他是否能转换成另一股票，卡文迪许以罕见的愤怒告知对方：“不要拿这些事情来烦我，否则我解雇你。”

    卡文迪许没有写过一本书，在漫长的50年中，发表的论文也只有18篇。人们评价他是最寡言的科学家、最富有的学者、最博学的富豪。

    他喜欢独自沉思，甚至连和自己的仆人都很少见面。他的卧室外接了一个梯子，为的是避免与人接触。每天准时出去散步，而且都是走在马路中央，同样是为了避免遇到熟人。一般在桌子上留下字条与仆人沟通，例如，今晚的菜单，常常是“一只羊腿”而已。有人曾这样形象地描述：卡文迪许长年穿着一件褪色的天鹅绒大衣，衣服的扣子从不完整，戴一顶早不时兴的三角帽。他来参加聚会，总是低着头，弯着腰，双手搭在背后，悄悄地走进来，然后脱下帽子，一声不响地找个角落坐下。若有人向他打招呼，他会涨得满脸通红，不知所措。有一次，一位会员作实验演示，他在讲解中发现，一个穿着旧衣服、面容枯槁的老头，紧挨在身边认真听讲。当他看了他一眼，老头急忙逃开，躲在他人身后。过一会儿，老头又悄悄地挤进前面注意地听讲。这老头正是科学怪人卡文迪许。

    卡文迪许死后，人们发现他有20多捆笔记，大量文稿未经公开发表。其电学部分由麦克斯韦花费了数年时间整理，在晚了将近一个世纪后，于1879年出版。化学和力学部分则由爱德华·普索于1921年主编出版。

    卡文迪许实验室历任主任

    卡文迪许实验室自1874年创立至今，先后产生了28位诺贝尔奖获得者。如果分子生物学那一部分没有分立出去（60年代中期），那么实验室就拥有多达39个诺贝尔奖得主，占剑桥诺贝尔奖总数的一半左右。实验室历届主任大多是诺贝尔奖获得者。

    第一任主任麦克斯韦是电磁理论奠基人，他预言了电磁波。在麦克斯韦一百周年诞辰纪念日，爱因斯坦发文道：“他是自牛顿时代以来，创造了物理学最为深刻和最为丰富成果的人。”1879年，麦克斯韦患癌症去世，享年48岁。值得一提的是，同一年爱因斯坦诞生。

    瑞利出身贵族，1865年从剑桥大学毕业时，名列最优。同时他又继承家业，是英国著名的农场主。他经营奶制品，有遍布英国的产业链。麦克斯韦突然去世，瑞利匆忙接任主任。他与拉姆塞精诚合作，历经了10年之久，发现了氩、氦、氖、氩、氪和氙等整族惰性气体元素。他又是声学的奠基人。瑞利散射定理解释了天空为什么是蓝色的。瑞利和拉姆赛终身一起合作，1904年同得诺贝尔奖，而瑞利得物理学奖，拉姆赛得化学奖。他将全部诺贝尔奖金捐出，用于卡文迪许实验室扩建和补充设备。卡文迪许实验室一百周年建匾纪念时，还特别提及此事。

    1884年，28岁的约瑟夫·汤姆逊接替瑞利，被选为第三任主任。在长达34年的任职期间，实验室培养出7位诺贝尔奖获得者，27人取得英国皇家学会会员资格，55人成为教授。1918年他辞去卡文迪许实验室教授职位，推荐他的学生卢瑟福继任。他的最重要贡献是发现了第一个基本粒子——电子。有趣的是，他的儿子乔治·汤姆孙后来因证实电子也是一种波，第一次证明了波粒二象性，而获得诺贝尔物理学奖。

    卢瑟福出身于新西兰纳尔逊的农民家庭，放学后帮助父亲操持农活。1895年他考取大英博览会奖学金，进剑桥大学卡文迪许实验室学习。据说，那天他正在田里挖土豆，得知考上奖学金时，马上将手中的铁锹丢掉，说道：“这是我此生挖的最后一颗土豆”。1918年，卢瑟福担任第四任主任。20年期间，他的实验室培养了10位诺贝尔奖获得者。他自己最重要的贡献是发现原子的核结构，他首先提出放射性半衰期的概念；发现了α射线、β射线和γ射线……1908年他获诺贝尔化学奖。奇怪的是，他并不很高兴，缘于他自认为是物理学家，而非化学家。他的一句名言是：“科学只有物理一个学科，其他不过相当于集邮活动而已。”

    劳伦斯·布拉格，1938年继卢瑟福后成为第五任主任，直至1953年。他带领实验室开拓了两个新的研究方向，一是注重X射线晶体结构学，将它用于分子生物学。他积极支持克拉克和沃森的研究，导致1953年DNA的双螺旋结构的发现。二是与雷达技术有关的射电天文学。在他离任时，卡文迪许实验室已成为这两门学科的世界中心，获得多项诺贝尔奖。布拉格发现了X射线衍射理论和测定晶体点阵常数，年仅25岁的他与他父亲亨利·布拉格同享1915年的诺贝尔奖，成为有史以来最年轻的获奖者。

    莫特因在磁体系与无序体系中的电子结构理论研究获1977年诺贝尔奖，是非晶态物质学科的奠基人。他1953年到1970年任第六届主任。

    皮帕德提出超导体相干长度概念、超导费米面。1971年到1984年任第七任主任。在他任内完成了从旧实验室到新实验室的迁移工作。

    一百多年来，世界上无数学者来访卡文迪许实验室。

    苏联的彼得·卡皮查自1921年到1934年在卡文迪许实验室工作。他在强磁场、低温物理等方面作出了卓越贡献。1934年，回国探亲时苏联政府就再也不让他返回了。卢瑟福命令将他整个实验室的设备搬到莫斯科。他手下的考克劳夫特（1951年诺贝尔物理奖获得者）则承担这个重任，包括把巨大的发电机运往莫斯科，还将他原来的两个助手送到苏联工作一年，帮助他尽快重建实验室，并为他培训日后的助手。这则科学无疆界的佳话被广为流传。卡皮查还在老卡文迪许实验室的莫德楼的墙上雕了一条大鳄鱼，它象征了卢瑟福勇往直前、不怕困难的精神。至今这条鳄鱼还在，成了老卡文迪许实验室的标志。

    七十年代，卡文迪许实验室搬到了剑桥西郊。走进大楼，底层中间呈现一块四方空间，豁然敞亮，向上直贯顶楼，抬眼可见天花板。各层四周环以回廊，一楼为实验室，二楼有办公室、图书馆、博物馆……

    我在卡文迪许的难忘经历

    我在钱临照先生和伍小平教授的推荐下，自1982年1月至1984年7月，受卡文迪许实验室之聘，有幸在这里工作了两年半。这是我一生的宝贵经历。30多年前的场景依然历历在目，终生难忘。

    那时，皮帕德的办公室就在我的办公室斜对面，每天都能碰到他。如果他不是太忙，有空我们还会聊聊天，对中国这个遥远的国度他充满了好奇，那时大陆来的学者非常罕见。他问我：在中国是怎么做研究的？有什么样的条件和设备？达到什么样的水平？与这里有什么不同？……真是一个非常谦卑、慈祥的老教授。

    从十九世纪末至今，卡文迪许实验室每年都会照一张全体人员参加的“全家福”照片挂在长廊里。1984年，皮帕德刚刚退休，他正忙着做试验，请他入座，他挥挥手，说道：“不去了，没我什么事了。”退休后，他想研究重力加速度G的变化和精度问题，在天花板顶端，装了一个单摆，悬至地面之上。65岁高龄的他每天都要爬上足有三层楼高的梯子，调整、记录任何细微的变化，旁若无人，专心致志，这种执着的治学态度出自对科学的热爱，也就是卡文迪许精神。单摆就在我办公室旁边，每天见他吃力地爬楼梯，我真为他担心。因为西方人的关节退行性病变一般50岁左右就会发生，于是向他建议：“皮帕德教授，我比你年轻，我来帮你做，一定仔细、认真，请放心。”他幽默地对我说：“那以后写论文我就要加上你的名字了。”我说：“不，不，如果试验失败了，都怪我，如果成功了，那都是你的。”我俩哈哈大笑。

    约瑟夫森是皮帕德的研究生。当他还是个本科生时，就显露出非凡的天赋。老师说，物理学对他来说，就像切黄油那么简单。同时老师也感到不小的压力，课堂上讲的问题若有漏洞，下课后他就来讲给你听。1960年起，他师从皮帕德读博士。1962年，年仅22岁的他提出了超导隧道效应——约瑟夫森效应，并因此获得1973年诺贝尔物理学奖。而皮帕德绝对无意“沾他的光”。无独有偶，同是实验室的研究生贝尔（Bell)于1967年发现了脉冲星，而1974年的诺贝尔奖却给了她的导师休伊什，这就是著名的“没有贝尔的诺贝尔奖”（NoBellNobelPrize)丑闻。

    我在剑桥期间，约瑟夫森也经常来实验室。他一头卷发，边幅不修，邋里邋遢，个子不高，步履迅速，摇摇晃晃。这是典型的剑桥人的风度。他们要么文质彬彬，要么举止怪异，凝聚了学人百态。我们在同一层楼工作，实验室相距不远，经常碰到，笑笑，打声招呼。谁也没有把他视为人物，大家相处融洽。有关他的一则佳话是：约翰·巴丁，美国物理学家，是两次因半导体和超导理论赢得诺贝尔物理学奖、如日中天的大师。他反对约瑟夫森的工作，认为“没有这种超流体”。分歧导致了在第八届低温物理国际会议上的一场著名的辩论。当巴丁开始说话时，约瑟夫森当时还只是一位大学生，站起来打断了巴丁的演讲，阐述并坚持自己的观点。

    约瑟夫森在六十年代后期对心理哲学感兴趣，他认为心灵感应等可能是真实的。可以利用量子物理的思想，特别是贝尔定理和量子纠缠，来探索诸如超距作用、透视、预知、远程观察和心理功能的问题。1996年，他在卡文迪许实验室设立了心智统一项目，以探索自然界的智能过程。约瑟夫森最近还说，他在超心理学方面的研究成果远远超过他在物理学上的贡献。这是风马牛不相及的两个领域，真令人赞叹不已！

    值得一提的是实验室有个工作车间，很多大型仪器和配件都可以自行设计和制造。研究人员根据实验需要给出图纸或想法，车间的技师们帮助你做实物，任何材料都可以采用，只要你想得出，车间就会尽量帮你做成。这使得无数新奇的实验成为可能。我刚去不久，就遇到了难题，要新建一个激光实验室，需要防震台、激光器、各种透光镜、反光镜、棱镜，还需要十分精密的调节仪，三维且精度要求达到一微米（千分之一毫米），正反方向转动，不能有间隙。我去车间寻求帮助，技师们十分热心。我问，是否需要画图纸说明，他们爽快地说，不用，三天后来拿。当我按时拿到那个精准、小巧的调节仪时，惊呆了。这些技师们太了不起了，实验室的后备支持太强大了！

    说个小插曲，离开剑桥前两个月，自行车的钢圈断了。我不想再花钱买车，于是扛起车子到车间，技师们问我想怎么办？我说，把钢圈焊起来，只要能坚持两个月就行，并问能否让我自己试试（我在安徽农场锻炼时，做了一年电焊工，技术不错）。他们都极有兴趣，帮我将生锈的钢圈卸下来，用夹具架好，保证是圆形。我先用电焊点定几处固定住，再用乙炔气焊将断层一点一点焊起来。师傅们帮我打磨，最后装好，还都骑骑、试试，一片欢呼声、尖叫声响彻整个车间。个个翘起大拇指说：“太棒了！”我想大概从来没有人想出这种“馊主意”！车坏成这样，还不换一个？我花了10英镑买来的二手蓝翎车，为我服务了两年半，直至最后一天。这事要在美国就不行，必须要有焊接执照。

    实验室总是给研究人员很大的自主权，让他们自由发展，鼓励“想入非非，胡思乱想”。研究生的课题都是自己决定的，导师很少出头，也很少过问，有问题同学们讨论讨论，帮着出主意。几百个人做的题目都不一样。当然，教学双方都有风险，学生能不能通过学术鉴定，只有到最后才知道。每天做什么，甚至来不来，都没人管。我记得当时游戏机刚刚问世，人人都手把着键盘不停地打，看谁的积分高。中午休息时，我也喜欢跟他们比，有时打几个钟头也没人干涉。学生们互相恶作剧的大有人在，花样百出，非常有创意。但是一有什么新想法，通宵达旦在实验室工作。夏季是剑桥最美丽的季节，只要有太阳，实验室人员倾巢而出，都在外面晒太阳，也无人过问。实验室有两次喝茶时间，上午11点，下午3点。许多讲座是跨领域的，从外面请来主讲人，也有自己实验室的讲，大家都积极参与。

    实验室有个摄影房，只有一位技师。一方面，他协助大家的研究工作，拍摄、冲印。另一方面，他翻拍历史的老照片。实验室有一百多年的历史，许多老照片都泛黄了。那时还没有数码技术，他一丝不苟地把旧照片重新翻拍，还做修复工作，这是系里又一个身怀绝技的人物。由于工作的缘故，我需要在市场上找到分辨率最高的胶卷和玻璃底板，以及特殊的显影液和定影液。我经常去向他请教，每次去他都非常热情，“你好，我能帮你做什么？”他总是放下手里的工作，耐心听我讲述。实验中拍出的照片，我们也经常一起讨论质量问题，如何改进。整个实验室，我是走进他的摄影房频率最高的人。最后离开时，我专门向他表达我的谢意，感谢他两年多来对我的极大帮助，这场景至今历历在目。

    实验室有个博物馆，在二楼的走廊，开放式的。麦克斯韦用过的桌子以及他的任命信，历届主任的亲笔文稿，还有许多伟大的发明、发现的古老仪器，都保存完好，一一陈列在这里，简单，生动，常有外人来访。系图书馆与博物馆比邻，抬腿即到。有时看报纸累了，我就会转到博物馆。那些如今看来极其简单的仪器都关联着划时代的发明和发现。我无数次停留在威尔逊云室这个简陋的盒子面前，遥想前人就是用这个设备发现了α射线、β射线。

    我的研究方向是光力学，任务是为系里单独组建光力学实验室，应用高速摄影和激光技术，研究微应力问题。课题组为我配备了一位助手斯图沃特。这是一位非常安静、腼腆的英国小伙子，比我小5岁。他酷爱网球，每年的温布尔顿比赛，就是他的假期，一定要去观看。我们合作非常默契，我教他光学、力学以及各种试验手段和技巧，他教我英文，介绍英国的社会、文化、历史、传统，互通有无。为了提高效率，中午我们找个休息室一起吃饭，边吃边聊，无所不谈。两年半下来，我的口语水平突飞猛进，对英国的了解也更加深入。由于我们的努力工作，写出的论文让课题组长非常满意，由此申请到国家的一笔可观的研究基金。斯图沃特也因此工资连提两级，使得他能够买得起一个属于自己的房子。课题组有一台机械的高速摄影机，每秒100万帧照片，以前在国内做研究，都是静态问题，现在要做动态，还是个很大的挑战。其中关键的问题是触发器，因为只能拍几十帧照片，要使动态瞬间与高速摄影机同步，否则什么也拍不到。经过无数次的试验，触发器的设计一次又一次改进，最后拍到了瞬间变化状态。由于激光相干性极好，全息照片的分辨率提高了许多倍。当然，后来数码相机的发明，给实验创造了更便捷的手段。

    卡文迪许实验室，就是这个被称为“诺贝尔奖摇篮”的地方，从来没有谁每天想着要得诺贝尔奖。这里有的只是一片自由的天地，还有一批真正热爱科学的人们，他们勤奋地探索着宇宙的奥秘。对于一个伟大的实验室，诺贝尔奖不是最重要的，最重要的是人们孜孜不倦追求科学真理的激情。

    卡文迪许实验室，这座学术界的圣殿，在我心中永存！