在現(xiàn)代物理學的發(fā)展中，實驗室的建設(shè)具有重要的意義。以英國物理學家和化學家H.卡文迪什（Henry Cavendish）（左圖）命名的卡文迪什實驗室（Cavendish Laboratory）相當于英國劍橋大學(University of Cambridge)的物理系。

劍橋大學建于1209年，歷史悠久，與牛津大學(University of Oxford)遙相對應?？ㄎ牡鲜矊嶒炇覄?chuàng)建于1871年，1874年建成，由當時劍橋大學校長W.卡文迪什（William Cavendish）（右圖）私人捐款興建的（他是H.卡文迪什的近親），這個實驗室就取名為卡文迪什實驗室。當時用捐款建了一座實驗室樓，并配備了一些儀器設(shè)備。

英國是19世紀最發(fā)達的資本主義國家之一。物理實驗室從科學家私人住宅中擴展為研究單位，適應了19世紀后半葉工業(yè)技術(shù)對科學發(fā)展的要求，促進了科學技術(shù)的開展。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，科學研究工作的規(guī)模越來越大，社會化和專業(yè)化是必然趨勢。劍橋大學校長的這一做法是有遠見的。（右圖為十九世紀時的劍橋大學，左圖為當時的卡文迪什山谷）

著名物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）(1831-1879)負責籌建這所實驗室。1874年實驗室建成后他擔任第一任實驗室主任，直到他1879年因病去世。

在他的主持下，卡文迪什實驗室開展了教學和科學研究，工作初具規(guī)模。按照麥克斯韋的主張，物理教學在系統(tǒng)講授的同時，還輔以表演實驗，并要求學生自己動手。表演實驗要求結(jié)構(gòu)簡單，學生易于掌握。麥克斯韋說過：“這些實驗的教育價值，往往與儀器的復雜性成反比，學生用自制儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但他們卻會比用仔細調(diào)整好的儀器，學到更多的東西。學生用仔細調(diào)整好的儀器易產(chǎn)生依賴而不敢拆成零件?！睆哪菚r起，使用自制儀器就形成了卡文迪什實驗室的傳統(tǒng)。實驗室附有工作間，可以制作很精密的儀器。麥克斯韋很重視科學方法的訓練，也很注意前人的經(jīng)驗。他在整理一百年前H.卡文迪什留下的有關(guān)電學的論著之后，親自重復并改進卡文迪什做過的一些實驗。同時，卡文迪什實驗室還進行了多種實驗研究，例如：地磁、電磁波的傳播速度、電學常數(shù)的精密測量、歐姆定律、光譜、雙軸晶體等等，這些工作為后來的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1897年麥克斯韋去世后，瑞利（James William Rayleigh,1842-1919)繼任卡文迪什實驗室主任。他因在氣體密度的研究中發(fā)現(xiàn)氬而獲1904年度的諾貝爾物理獎。瑞利在聲學和電學方面很有造詣。在他的主持下，卡文迪什實驗室系統(tǒng)地開設(shè)了學生實驗。1884年，瑞利因被選為皇家學院教授而辭職。

28歲的J.J.湯姆遜（J.J.Thomson,1856-1940)繼瑞利之后任該實驗室第三任主任。他因通過氣體電傳導性的研究，測出電子的電荷與質(zhì)量的比值獲1906年度的諾貝爾物理獎。湯姆遜對卡文迪什實驗室的建設(shè)有卓越貢獻。在他的建議下，從1895年開始，卡文迪什實驗室實行吸收外校及國外的大學畢業(yè)生當研究生的制度，建立了一整套培養(yǎng)研究生的管理體制，樹立了良好的學風。一批批優(yōu)秀的年輕學者陸續(xù)來到這里，在湯姆遜的指導下進行學習和研究。他培養(yǎng)的研究生中，有許多后來成了著名科學家，例如盧瑟福、朗之萬、W.L.布拉格、C.T.R.威爾遜、里查森、巴克拉等人，其中多人獲得了諾貝爾獎，對科學的發(fā)展有重大貢獻，有的成了各重要研究機構(gòu)的學術(shù)帶頭人。

湯姆遜和盧瑟福最早證實了空氣被X射線游離。從游離現(xiàn)象推導出游離輻射 (放射線)，也就是由原子釋出能量范圍廣大的電磁波和粒子輻射。湯姆遜最負盛名的貢獻是探討陰極射線的性質(zhì)，也就是電子的性質(zhì)。他借著電場以偏轉(zhuǎn)陰極射線；在過去是用磁場使它子偏轉(zhuǎn)。他終于證實電子為帶負電的粒子。接著他又測定電子的質(zhì)量，約為氫原子核的二千分之一。在當時它子是被視為最小的粒子。

電子是屬于次原子級的粒子，湯姆遜是證明次原子級粒子存在的第一位，從此打開了次原子級的門戶。后來湯姆遜證實電子和物質(zhì)相互作用的結(jié)果會產(chǎn)生X射線，而X射線和物質(zhì)相互作用的結(jié)果卻會產(chǎn)生電子。

第一個原子模型也要歸功于湯姆遜，也就是聞名的「葡萄干布丁模型」。他繪出原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數(shù)目的負電荷(電子)。湯姆遜因在電子和氣體導電兩方面的卓越成就，獲得1906年度的諾貝爾物理獎。

湯姆遜領(lǐng)導的35年中間，卡文迪什實驗室的研究工作取得了如下成果：進行了氣體導電的研究，從而導致了電子的發(fā)現(xiàn)；放射性的研究，導致了α、β射線的發(fā)現(xiàn)；進行了正射線的研究，發(fā)明了質(zhì)譜儀，從而導致了同位素的研究；膨脹云室的發(fā)明，為核物理和基本粒子的研究準備了條件；電磁波和熱電子的研究導致了真空管的發(fā)明和改善，促進了無線電電子學的發(fā)展和應用。這些引人注目的成就使卡文迪什實驗室成了物理學的圣地，世界各地的物理學家紛紛來訪，把這里的經(jīng)驗帶回去，對各地實驗室的建設(shè)起了很好的指導作用。

1919年，湯姆遜的職位由他的學生盧瑟福（Ernest Rutherford）(1871-1937)繼任。盧瑟福是一位成績卓著的實驗物理學家，是原子核物理學的開創(chuàng)者。他因在揭示原子奧秘方面做出的卓越貢獻獲1908年度的諾貝爾化學獎。

盧瑟福更重視對年輕人的培養(yǎng)。在他的帶領(lǐng)下，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子；考克拉夫特和沃爾頓發(fā)明了靜電加速器；布拉凱特觀測到核反應；奧里法特發(fā)現(xiàn)氚；卡皮查在高電壓技術(shù)、強磁場和低溫等方面取得碩果，另外還有電離層的研究，空氣動力學和磁學的研究等等。

1937年盧瑟福去世，由W.L.布拉格（William Lawrence Bragg）繼任實驗室第五任主任。W.L.布拉格與其父W.H.布拉格（William Henry Bragg）因在X線衍射分析晶體結(jié)構(gòu)方面的成就共獲1915年度的諾貝爾物理獎。

在二次世界大戰(zhàn)的時候，實驗室的主攻方向由主要從事原子物理和核物理基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)走_、核武器的軍事研究。二戰(zhàn)結(jié)束以后，鑒于從科學研究和對于國家安全的重要性出發(fā)，英國政府覺得核物理研究不應該在大學的一個實驗室里進行，就專門成立了一個國家實驗室。所以從事核物理研究的科學家就轉(zhuǎn)移到國家實驗室去了，錢也轉(zhuǎn)移過去了。這樣，實驗室不僅經(jīng)費短缺，研究方向也失去了。

在新的形勢下，實驗室在布拉格的領(lǐng)導下，將主攻方向由核物理改為晶體物理學、生物物理學和天體物理學，實現(xiàn)了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。他本人和他父親在實驗室進行X光晶體分析技術(shù)進行生物大分子結(jié)構(gòu)的跨學科研究。由于沒有研究經(jīng)費，布拉格一方面支持他的兩個部下萊爾（Ryle）和Ratcliff領(lǐng)導的小組收集軍隊廢棄的雷達組裝成原始的射電望遠鏡，開啟了本世紀宇宙天文的研究。他又從醫(yī)學研究委員會爭取到一筆經(jīng)費。當時柯立克（Crick）和華生（Watson）在實驗室工作，他們對DNA有濃厚的共同興趣，加入了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析小組，最終發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，建立了正確的DNA分子結(jié)構(gòu)模型。這個重大的科學發(fā)現(xiàn)被評為二十世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)。

布拉格的遠見，在困難的條件下保證了實驗室在這兩個新興學科上作出了輝煌的成果，發(fā)現(xiàn)了類星體、脈沖星、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，確定了血紅蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)等，造就了一大批諾貝爾獎獲得者，為戰(zhàn)后英國的科學爭得了極高的榮譽。

固體物理學家莫特（Nevill Mott,1905—1996)1954年起任實驗室第六任主任，直到1971年退休。

莫特1905年9月30日出生于英國利茲，1927年在劍橋大學獲碩士學位。莫特早期研究原子碰撞理論，并與馬塞（H.S.W.Massey）在1933年聯(lián)名出版了權(quán)威的《原子碰撞理論》一書，書中討論了帶電粒子的“莫特散射”。后來莫特轉(zhuǎn)入固體物理學的研究，在金屬導體、離子晶體、半導體等方面，作出了許多有影響的工作。1936年莫特和瓊斯（H.Jones）合著了《金屬與合金性質(zhì)的理論》，1940年和格尼（R.W.Gurney）合著了《離子晶體中電子過程》，對現(xiàn)代固體物理學的形成和發(fā)展有重要的影響。第二次世界大戰(zhàn)后，莫特等人研究了晶體缺陷及其對力學性質(zhì)的影響。二十世紀60年代起，莫特致力于發(fā)展無序體系及非晶態(tài)物質(zhì)的電子理論研究，有力地推進了非晶態(tài)物質(zhì)研究的進展。1971年莫特和戴維斯（B.A.Davis）合著了《非晶態(tài)物質(zhì)的電子過程》。莫特因?qū)Υ判耘c不規(guī)則系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)所作研究的貢獻，于1977年與其他兩位科學家共獲諾貝爾物理學獎。

1971年超導物理學家派帕德（A.Brian Pippard，1920－）任實驗室第七任主任(右圖中左一)。派帕德1953年根據(jù)在一系列超導體上所作的微波表面阻抗的測量結(jié)果，提出了相干長度的概念。

1960年發(fā)表了利用相對論研究穆斯堡爾效應的論文。1961年派帕德收約瑟夫森（Brian D.Josephson）為研究生,指導他做實驗和理論研究。約瑟夫森研究超導隧道效應，寫出了論文初稿，派帕德請正在劍橋大學訪問的安德森(Philip W.Anderson)教授幫助審閱，他們?nèi)诉M行了討論。在安德森的幫助下，約瑟夫森1962年在歐洲的《物理通訊》上他發(fā)表了劃時代的論文《在超導隧道中可能的新效應》，從理論上預言了以后以他名字命名的約瑟夫森超導隧道效應，此時他只有22歲。第二年有多人的實驗證實了約瑟夫森的預言。約瑟夫森因此項工作而獲1973年度諾貝爾物理獎，而支持約瑟夫森研究的派帕德由于在論文上沒有署名，失去了諾貝爾獎提名的機會。

國際著名的理論凝聚態(tài)物理學家愛德華茲（Samuel Frederick Edwards，1928－），1983-1995年擔任卡文迪什實驗室第八任主任。他1949年畢業(yè)于英國劍橋大學，獲碩士學位，后赴美留學，1951年獲得哈佛大學博士學位。1953年到普林斯頓高級研究院工作，次年回國，在伯明罕大學任教，1958-1972年在曼徹斯大學物理系任理論物理教授。1972年到卡文迪什實驗室任教授。1992-1995年任劍橋大學副校長。

愛德華茲早期從事電動力學和量子場論研究，后將量子場論的概念和方法應用到固體物理和化學物理的各種問題上，包括液態(tài)金屬、渦流、高分子物理及非有序磁性系統(tǒng)。最新研究領(lǐng)域包括粉末材料及玻璃的流動、拉脹性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞等。他在理論高分子物理方面的成就尤為突出，其標志便是國際公認的愛德華茲哈密頓量的問世。他發(fā)表論文250余篇，專著2部以及若干有關(guān)科學技術(shù)的政策性論著和報告。

1995年起擔任實驗室第九任主任的弗倫德(Richard H.Friend，1953－)是位實驗物理學家。弗倫德在實驗中發(fā)現(xiàn)，有機聚合物在電場中可以發(fā)光，這個將電轉(zhuǎn)化成光的新途徑為有機聚合物的應用開辟了廣闊的前景。由于有機材料的特點，可以很容易地調(diào)節(jié)半導體的能隙和功函數(shù)，提高發(fā)光效率，改變光的顏色。現(xiàn)在，用有機材料制造的電致發(fā)光、象素顯示、信息存儲等方面的產(chǎn)品已進入市場。

二十世紀70年代以后，古老的卡文迪什實驗室已經(jīng)大大擴建，研究的領(lǐng)域包括天體物理學、粒子物理學、固體物理以及生物物理等等?？ㄎ牡鲜矊嶒炇以诮锢韺W的發(fā)展中做出了杰出的貢獻，近百年來培養(yǎng)出的諾貝爾獎金獲得者已達20余人，卡文迪什至今仍不失為世界著名的實驗室之一。

高能所科研處制作 內(nèi)容摘自《物理故事叢書—中學物理課本中的科學家》、中國科普博覽網(wǎng)等