走进实验室|从这里走出30位诺贝尔奖得主——英国剑桥大学卡文迪许实验室掠影

• 2023-07-05 05:32:04来源：科技日报

科技日报记者 刘霞

英国剑桥大学卡文迪许实验室只是一栋古色古香的3层楼房，看上去并不宏伟，但就是这样一个地方，被称为“诺贝尔奖的摇篮”，自1895年诺贝尔奖创立以来，该实验室共有30位成员获奖，为物理学的发展创造了丰功伟绩。

世界物理学“发源地”

(相关资料图)

作为近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室，自1874年成立以来，卡文迪许实验室一直身处物理学发现的最前沿。

卡文迪许实验室取名源自亨利·卡文迪许，他最重要的成就是完成了测量万有引力常量的扭秤实验，使牛顿的万有引力定律成为一个精确规律，同时也为它提供了最重要的实验佐证。其创始人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的电磁理论及麦克斯韦方程组，在物理学上具有划时代的意义。第三代主任约瑟夫·约翰·汤姆逊发现了电子，终结了20年的原子物理大讨论，导致了1920年代量子力学的出现。在汤姆逊担任主任期间，威尔逊发明了云室——最早的带电粒子径迹探测器，促进了正电子、缪子等的发现；欧内斯特·卢瑟福发现了人造核裂变，证实了原子的中心存在着原子核。这些非凡的进步开创了现代物理学。

从1874年开始，卡文迪许实验室一直在剑桥市自由学校路，1974年搬到西剑桥。照片摄于1907年。
图片来源：剑桥大学卡文迪许实验室官网 

在卢瑟福的任期内，弗朗西斯·阿斯顿发现了化学元素的同位素；帕特里克·布莱克特首先拍摄了人工核相互作用；詹姆斯·查德威克发现了中子；约翰·考克罗夫特和欧内斯特·沃尔顿实现了第一个由加速高能粒子诱导的受控核解体，以及首次通过实验证明了E=mc2。

在汤姆逊和卢瑟福这对师徒的带领下，卡文迪许实验室铸造了物理学的半壁江山，被称为“世界物理学的发源地”。此后，卡文迪许实验室在计算机断层扫描（CT）、X射线晶体学、DNA结构的测定、血红蛋白结构的标定、脉冲星探索等领域，都作出了巨大贡献。

从电磁到原子、从微小的DNA到广袤的天体物理，诸多具有划时代意义的新发现使卡文迪许实验室科学家30次登上诺贝尔奖领奖台。其中第一位获奖者是实验室第二代“掌门人”瑞利勋爵，他因测定了氩气的密度和性质而获得1904年诺贝尔物理学奖，而最新获奖者则是2019年诺贝尔物理学奖获得者迪迪埃·奎洛兹，因为“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。

注重科研精神和人才培养

为什么卡文迪许实验室能够取得如此巨大的成功？

“我觉得最重要的是注重科学精神的传承和人才的培养，剑桥大学把对学生的培养放在第一位。”中国科学技术大学上海研究院执行院长陆朝阳教授一针见血地指出。2008年，陆朝阳获英国政府奖学金和剑桥海外基金资助，负笈卡文迪许实验室。

在人才培养方面，陆朝阳说，最典型的例子是卢瑟福。卢瑟福不但自己获得了诺贝尔化学奖，其学生中更有多达11人获得了诺贝尔奖。为传承卡文迪许实验室的精神，陆朝阳本人也非常注重学生的培养，其学生中不乏青橙奖得主、全球华人物理学会优秀博士论文获得者等。

中科院物理所量子体系光电子学课题组组长许秀来教授曾在卡文迪许实验室学习10年之久，他对科技日报记者表示：“卡文迪许实验室非常重视教学，我在此学习和工作期间，凝聚态量子理论一课是当时的系主任皮特·李特尔伍德主讲，所有习题课基本都是正式职工甚至教授主讲，而且每次习题课都是小班，只有2—3人。教师的态度非常认真，我记得第一次带实验课培训，主讲老师告诉我们‘不要试图愚弄学生，你必须严阵以待’。”

重视教学一直是卡文迪许实验室的优良传统。此前，物理学意味着理论物理学，被认为是数学家的领域。而在麦克斯韦的主持下，卡文迪许实验室主张用实验方法揭示自然现象、本质及其规律，并运用数学分析建立物理理论，再通过实验检验理论。在他的课程上，不仅讲理论，还会用实验予以辅助，要求学生在上课的过程中，自己动手制造仪器，进行实验研究，以此加深对理论的印象和理解。

陆朝阳表示：“这些方式方法激发了学生们的科学探索激情，锻炼了他们的动手能力，也潜移默化地培养了他们的科学精神。”

营造自由的学术氛围

位于西剑桥的卡文迪许实验室。
图片来源：剑桥独立团体网

陆朝阳进一步指出，卡文迪许实验室营造了非常自由的学术气氛，这里鼓励奇思妙想，给予学生充分的自由去探索他们感兴趣的问题，学生也可以自由选择导师。

卡文迪许实验室的这一氛围源自麦克斯韦，在他的课上，只要学生有好想法，可以和任何人分享、交流和探讨。

许秀来对此印象深刻，他说：“卡文迪许实验室不同课题之间、同事之间的讨论相对开放，大部分时间学术讨论是自由的，学生可以直接指出老师观点的错误。”

这种良好的自由学术的氛围，使实验室碰撞出了各种各样不同形式的思想火花。

“卡文迪许实验室也鼓励学科之间的交叉，最有名的例子就是DNA分子螺旋结构的发现。”陆朝阳说。这或许可以解释，作为剑桥大学的物理学实验室，卡文迪许实验室何以涌现出那么多“跨界明星”，将化学奖和生理学或医学奖收入囊中。

纵观卡文迪许实验室这100多年的发展历程，尽管不同“掌门人”的领导风格不同，但对于一个伟大的实验室来说，能让其在时代的变迁中永远熠熠生辉的，是身处其中的人殚精竭虑探索科学奥秘、追求科学真理的热情，是严谨求实的科研作风和自由开放的学术氛围。

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