科學(xué)怪人卡文迪許

　　每當(dāng)提起卡文迪許實驗室，一般人都會介紹，這是劍橋大學(xué)校長威廉·卡文迪許為了紀(jì)念他的先輩，偉大的物理學(xué)家和化學(xué)家亨利·卡文迪許，私人捐贈6300英鎊建立起來的實驗室，卻很少有人詳細(xì)介紹亨利·卡文迪許（1731-1810）。

　　亨利18歲進劍橋，因為不滿大學(xué)的宗教考試，不到四年，就離開了劍橋，沒有取得任何學(xué)位。他父親在倫敦有幾處住所。他把其中一處改成實驗室，一處變成圖書館，對外開放。他酷愛圖書，把自己收藏的大量圖書，分門別類地編上號，管理得井井有條，即使是自己閱讀，也都毫無例外地履行登記手續(xù)。

　　父親去世后，他又將實驗室搬到鄉(xiāng)下。他拆掉別墅內(nèi)富麗堂皇的全部裝飾，將客廳變成大實驗室，樓上臥室變成觀象臺。他甚至在門前的草地上豎起一個架子，以便攀高觀測星象。50多年來，他終身在自己家里做實驗。他對科學(xué)達(dá)到癡迷瘋狂的地步，即使在七十九歲高齡逝世的前夕還做實驗。

　　他在物理學(xué)上作出的最大貢獻是完成了測量萬有引力常量的扭秤實驗。他的測定方法非常精巧，在八九十年間竟無人能趕超他的測量精度，從而使牛頓的萬有引力定律不僅只是一個比例性的陳述，而成為一項精確的定量規(guī)律，同時也為它提供了最重要的實驗佐證。后人把這個實驗命名為卡文迪許實驗。這是在他將近七十歲時才完成的。

　　在化學(xué)界，他是分離氫的第一人，又是把氫、氧合成水的第一人。他發(fā)現(xiàn)了二氧化碳、硝酸……后人稱他為“化學(xué)中的牛頓”。他還最早發(fā)現(xiàn)了庫侖定律和歐姆定律，電荷在導(dǎo)體上的分布……他被稱為繼牛頓以后最偉大的科學(xué)家之一。

　　卡文迪許十分孤僻，內(nèi)向，終身未娶，離群索居。他日夜埋頭在實驗室里，唯一的社會活動就是參加皇家學(xué)會兩周一次的會議。這是為了增長知識，了解動態(tài)。他從祖上繼承了大筆遺產(chǎn)，父親死后，所有的遺產(chǎn)高達(dá)130萬英鎊，曾是倫敦銀行最大的儲戶，但他對金錢始終沒有什么概念。一則趣聞這樣描述：幾十年他都只讓投資顧問買一種股票，不論漲跌。有一天顧問建議他是否能轉(zhuǎn)換成另一股票，卡文迪許以罕見的憤怒告知對方：“不要拿這些事情來煩我，否則我解雇你?！?/P>

　　卡文迪許沒有寫過一本書，在漫長的50年中，發(fā)表的論文也只有18篇。人們評價他是最寡言的科學(xué)家、最富有的學(xué)者、最博學(xué)的富豪。

　　他喜歡獨自沉思，甚至連和自己的仆人都很少見面。他的臥室外接了一個梯子，為的是避免與人接觸。每天準(zhǔn)時出去散步，而且都是走在馬路中央，同樣是為了避免遇到熟人。一般在桌子上留下字條與仆人溝通，例如，今晚的菜單，常常是“一只羊腿”而已。有人曾這樣形象地描述：卡文迪許長年穿著一件褪色的天鵝絨大衣，衣服的扣子從不完整，戴一頂早不時興的三角帽。他來參加聚會，總是低著頭，彎著腰，雙手搭在背后，悄悄地走進來，然后脫下帽子，一聲不響地找個角落坐下。若有人向他打招呼，他會漲得滿臉通紅，不知所措。有一次，一位會員作實驗演示，他在講解中發(fā)現(xiàn)，一個穿著舊衣服、面容枯槁的老頭，緊挨在身邊認(rèn)真聽講。當(dāng)他看了他一眼，老頭急忙逃開，躲在他人身后。過一會兒，老頭又悄悄地擠進前面注意地聽講。這老頭正是科學(xué)怪人卡文迪許。

　　卡文迪許死后，人們發(fā)現(xiàn)他有20多捆筆記，大量文稿未經(jīng)公開發(fā)表。其電學(xué)部分由麥克斯韋花費了數(shù)年時間整理，在晚了將近一個世紀(jì)后，于1879年出版?；瘜W(xué)和力學(xué)部分則由愛德華·普索于1921年主編出版。

    卡文迪許實驗室歷任主任

　　卡文迪許實驗室自1874年創(chuàng)立至今，先后產(chǎn)生了28位諾貝爾獎獲得者。如果分子生物學(xué)那一部分沒有分立出去（60年代中期），那么實驗室就擁有多達(dá)39個諾貝爾獎得主，占劍橋諾貝爾獎總數(shù)的一半左右。實驗室歷屆主任大多是諾貝爾獎獲得者。

　　第一任主任麥克斯韋是電磁理論奠基人，他預(yù)言了電磁波。在麥克斯韋一百周年誕辰紀(jì)念日，愛因斯坦發(fā)文道：“他是自牛頓時代以來，創(chuàng)造了物理學(xué)最為深刻和最為豐富成果的人?！?879年，麥克斯韋患癌癥去世，享年48歲。值得一提的是，同一年愛因斯坦誕生。

　　瑞利出身貴族，1865年從劍橋大學(xué)畢業(yè)時，名列最優(yōu)。同時他又繼承家業(yè)，是英國著名的農(nóng)場主。他經(jīng)營奶制品，有遍布英國的產(chǎn)業(yè)鏈。麥克斯韋突然去世，瑞利匆忙接任主任。他與拉姆塞精誠合作，歷經(jīng)了10年之久，發(fā)現(xiàn)了氬、氦、氖、氬、氪和氙等整族惰性氣體元素。他又是聲學(xué)的奠基人。瑞利散射定理解釋了天空為什么是藍(lán)色的。瑞利和拉姆賽終身一起合作，1904年同得諾貝爾獎，而瑞利得物理學(xué)獎，拉姆賽得化學(xué)獎。他將全部諾貝爾獎金捐出，用于卡文迪許實驗室擴建和補充設(shè)備。卡文迪許實驗室一百周年建匾紀(jì)念時，還特別提及此事。

　　1884年，28歲的約瑟夫·湯姆遜接替瑞利，被選為第三任主任。在長達(dá)34年的任職期間，實驗室培養(yǎng)出7位諾貝爾獎獲得者，27人取得英國皇家學(xué)會會員資格，55人成為教授。1918年他辭去卡文迪許實驗室教授職位，推薦他的學(xué)生盧瑟福繼任。他的最重要貢獻是發(fā)現(xiàn)了第一個基本粒子——電子。有趣的是，他的兒子喬治·湯姆孫后來因證實電子也是一種波，第一次證明了波粒二象性，而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

　　盧瑟福出身于新西蘭納爾遜的農(nóng)民家庭，放學(xué)后幫助父親操持農(nóng)活。1895年他考取大英博覽會獎學(xué)金，進劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室學(xué)習(xí)。據(jù)說，那天他正在田里挖土豆，得知考上獎學(xué)金時，馬上將手中的鐵鍬丟掉，說道：“這是我此生挖的最后一顆土豆”。1918年，盧瑟福擔(dān)任第四任主任。20年期間，他的實驗室培養(yǎng)了10位諾貝爾獎獲得者。他自己最重要的貢獻是發(fā)現(xiàn)原子的核結(jié)構(gòu)，他首先提出放射性半衰期的概念；發(fā)現(xiàn)了α射線、β射線和γ射線……1908年他獲諾貝爾化學(xué)獎。奇怪的是，他并不很高興，緣于他自認(rèn)為是物理學(xué)家，而非化學(xué)家。他的一句名言是：“科學(xué)只有物理一個學(xué)科，其他不過相當(dāng)于集郵活動而已。”

　　勞倫斯·布拉格，1938年繼盧瑟福后成為第五任主任，直至1953年。他帶領(lǐng)實驗室開拓了兩個新的研究方向，一是注重X射線晶體結(jié)構(gòu)學(xué)，將它用于分子生物學(xué)。他積極支持克拉克和沃森的研究，導(dǎo)致1953年DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。二是與雷達(dá)技術(shù)有關(guān)的射電天文學(xué)。在他離任時，卡文迪許實驗室已成為這兩門學(xué)科的世界中心，獲得多項諾貝爾獎。布拉格發(fā)現(xiàn)了X射線衍射理論和測定晶體點陣常數(shù)，年僅25歲的他與他父親亨利·布拉格同享1915年的諾貝爾獎，成為有史以來最年輕的獲獎?wù)摺?/P>

　　莫特因在磁體系與無序體系中的電子結(jié)構(gòu)理論研究獲1977年諾貝爾獎，是非晶態(tài)物質(zhì)學(xué)科的奠基人。他1953年到1970年任第六屆主任。

　　皮帕德提出超導(dǎo)體相干長度概念、超導(dǎo)費米面。1971年到1984年任第七任主任。在他任內(nèi)完成了從舊實驗室到新實驗室的遷移工作。

　　一百多年來，世界上無數(shù)學(xué)者來訪卡文迪許實驗室。

　　蘇聯(lián)的彼得·卡皮查自1921年到1934年在卡文迪許實驗室工作。他在強磁場、低溫物理等方面作出了卓越貢獻。1934年，回國探親時蘇聯(lián)政府就再也不讓他返回了。盧瑟福命令將他整個實驗室的設(shè)備搬到莫斯科。他手下的考克勞夫特（1951年諾貝爾物理獎獲得者）則承擔(dān)這個重任，包括把巨大的發(fā)電機運往莫斯科，還將他原來的兩個助手送到蘇聯(lián)工作一年，幫助他盡快重建實驗室，并為他培訓(xùn)日后的助手。這則科學(xué)無疆界的佳話被廣為流傳?？ㄆげ檫€在老卡文迪許實驗室的莫德樓的墻上雕了一條大鱷魚，它象征了盧瑟福勇往直前、不怕困難的精神。至今這條鱷魚還在，成了老卡文迪許實驗室的標(biāo)志。

　　七十年代，卡文迪許實驗室搬到了劍橋西郊。走進大樓，底層中間呈現(xiàn)一塊四方空間，豁然敞亮，向上直貫頂樓，抬眼可見天花板。各層四周環(huán)以回廊，一樓為實驗室，二樓有辦公室、圖書館、博物館……

    我在卡文迪許的難忘經(jīng)歷

　　我在錢臨照先生和伍小平教授的推薦下，自1982年1月至1984年7月，受卡文迪許實驗室之聘，有幸在這里工作了兩年半。這是我一生的寶貴經(jīng)歷。30多年前的場景依然歷歷在目，終生難忘。

　　那時，皮帕德的辦公室就在我的辦公室斜對面，每天都能碰到他。如果他不是太忙，有空我們還會聊聊天，對中國這個遙遠(yuǎn)的國度他充滿了好奇，那時大陸來的學(xué)者非常罕見。他問我：在中國是怎么做研究的？有什么樣的條件和設(shè)備？達(dá)到什么樣的水平？與這里有什么不同？……真是一個非常謙卑、慈祥的老教授。

　　從十九世紀(jì)末至今，卡文迪許實驗室每年都會照一張全體人員參加的“全家福”照片掛在長廊里。1984年，皮帕德剛剛退休，他正忙著做試驗，請他入座，他揮揮手，說道：“不去了，沒我什么事了?！蓖诵莺螅胙芯恐亓铀俣菺的變化和精度問題，在天花板頂端，裝了一個單擺，懸至地面之上。65歲高齡的他每天都要爬上足有三層樓高的梯子，調(diào)整、記錄任何細(xì)微的變化，旁若無人，專心致志，這種執(zhí)著的治學(xué)態(tài)度出自對科學(xué)的熱愛，也就是卡文迪許精神。單擺就在我辦公室旁邊，每天見他吃力地爬樓梯，我真為他擔(dān)心。因為西方人的關(guān)節(jié)退行性病變一般50歲左右就會發(fā)生，于是向他建議：“皮帕德教授，我比你年輕，我來幫你做，一定仔細(xì)、認(rèn)真，請放心。”他幽默地對我說：“那以后寫論文我就要加上你的名字了。”我說：“不，不，如果試驗失敗了，都怪我，如果成功了，那都是你的?！蔽覀z哈哈大笑。

　　約瑟夫森是皮帕德的研究生。當(dāng)他還是個本科生時，就顯露出非凡的天賦。老師說，物理學(xué)對他來說，就像切黃油那么簡單。同時老師也感到不小的壓力，課堂上講的問題若有漏洞，下課后他就來講給你聽。1960年起，他師從皮帕德讀博士。1962年，年僅22歲的他提出了超導(dǎo)隧道效應(yīng)——約瑟夫森效應(yīng)，并因此獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎。而皮帕德絕對無意“沾他的光”。無獨有偶，同是實驗室的研究生貝爾（Bell)于1967年發(fā)現(xiàn)了脈沖星，而1974年的諾貝爾獎卻給了她的導(dǎo)師休伊什，這就是著名的“沒有貝爾的諾貝爾獎”（NoBellNobelPrize)丑聞。

　　我在劍橋期間，約瑟夫森也經(jīng)常來實驗室。他一頭卷發(fā)，邊幅不修，邋里邋遢，個子不高，步履迅速，搖搖晃晃。這是典型的劍橋人的風(fēng)度。他們要么文質(zhì)彬彬，要么舉止怪異，凝聚了學(xué)人百態(tài)。我們在同一層樓工作，實驗室相距不遠(yuǎn)，經(jīng)常碰到，笑笑，打聲招呼。誰也沒有把他視為人物，大家相處融洽。有關(guān)他的一則佳話是：約翰·巴丁，美國物理學(xué)家，是兩次因半導(dǎo)體和超導(dǎo)理論贏得諾貝爾物理學(xué)獎、如日中天的大師。他反對約瑟夫森的工作，認(rèn)為“沒有這種超流體”。分歧導(dǎo)致了在第八屆低溫物理國際會議上的一場著名的辯論。當(dāng)巴丁開始說話時，約瑟夫森當(dāng)時還只是一位大學(xué)生，站起來打斷了巴丁的演講，闡述并堅持自己的觀點。

　　約瑟夫森在六十年代后期對心理哲學(xué)感興趣，他認(rèn)為心靈感應(yīng)等可能是真實的。可以利用量子物理的思想，特別是貝爾定理和量子糾纏，來探索諸如超距作用、透視、預(yù)知、遠(yuǎn)程觀察和心理功能的問題。1996年，他在卡文迪許實驗室設(shè)立了心智統(tǒng)一項目，以探索自然界的智能過程。約瑟夫森最近還說，他在超心理學(xué)方面的研究成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他在物理學(xué)上的貢獻。這是風(fēng)馬牛不相及的兩個領(lǐng)域，真令人贊嘆不已！

　　值得一提的是實驗室有個工作車間，很多大型儀器和配件都可以自行設(shè)計和制造。研究人員根據(jù)實驗需要給出圖紙或想法，車間的技師們幫助你做實物，任何材料都可以采用，只要你想得出，車間就會盡量幫你做成。這使得無數(shù)新奇的實驗成為可能。我剛?cè)ゲ痪?，就遇到了難題，要新建一個激光實驗室，需要防震臺、激光器、各種透光鏡、反光鏡、棱鏡，還需要十分精密的調(diào)節(jié)儀，三維且精度要求達(dá)到一微米（千分之一毫米），正反方向轉(zhuǎn)動，不能有間隙。我去車間尋求幫助，技師們十分熱心。我問，是否需要畫圖紙說明，他們爽快地說，不用，三天后來拿。當(dāng)我按時拿到那個精準(zhǔn)、小巧的調(diào)節(jié)儀時，驚呆了。這些技師們太了不起了，實驗室的后備支持太強大了！

　　說個小插曲，離開劍橋前兩個月，自行車的鋼圈斷了。我不想再花錢買車，于是扛起車子到車間，技師們問我想怎么辦？我說，把鋼圈焊起來，只要能堅持兩個月就行，并問能否讓我自己試試（我在安徽農(nóng)場鍛煉時，做了一年電焊工，技術(shù)不錯）。他們都極有興趣，幫我將生銹的鋼圈卸下來，用夾具架好，保證是圓形。我先用電焊點定幾處固定住，再用乙炔氣焊將斷層一點一點焊起來。師傅們幫我打磨，最后裝好，還都騎騎、試試，一片歡呼聲、尖叫聲響徹整個車間。個個翹起大拇指說：“太棒了！”我想大概從來沒有人想出這種“餿主意”！車壞成這樣，還不換一個？我花了10英鎊買來的二手藍(lán)翎車，為我服務(wù)了兩年半，直至最后一天。這事要在美國就不行，必須要有焊接執(zhí)照。

　　實驗室總是給研究人員很大的自主權(quán)，讓他們自由發(fā)展，鼓勵“想入非非，胡思亂想”。研究生的課題都是自己決定的，導(dǎo)師很少出頭，也很少過問，有問題同學(xué)們討論討論，幫著出主意。幾百個人做的題目都不一樣。當(dāng)然，教學(xué)雙方都有風(fēng)險，學(xué)生能不能通過學(xué)術(shù)鑒定，只有到最后才知道。每天做什么，甚至來不來，都沒人管。我記得當(dāng)時游戲機剛剛問世，人人都手把著鍵盤不停地打，看誰的積分高。中午休息時，我也喜歡跟他們比，有時打幾個鐘頭也沒人干涉。學(xué)生們互相惡作劇的大有人在，花樣百出，非常有創(chuàng)意。但是一有什么新想法，通宵達(dá)旦在實驗室工作。夏季是劍橋最美麗的季節(jié)，只要有太陽，實驗室人員傾巢而出，都在外面曬太陽，也無人過問。實驗室有兩次喝茶時間，上午11點，下午3點。許多講座是跨領(lǐng)域的，從外面請來主講人，也有自己實驗室的講，大家都積極參與。

　　實驗室有個攝影房，只有一位技師。一方面，他協(xié)助大家的研究工作，拍攝、沖印。另一方面，他翻拍歷史的老照片。實驗室有一百多年的歷史，許多老照片都泛黃了。那時還沒有數(shù)碼技術(shù)，他一絲不茍地把舊照片重新翻拍，還做修復(fù)工作，這是系里又一個身懷絕技的人物。由于工作的緣故，我需要在市場上找到分辨率最高的膠卷和玻璃底板，以及特殊的顯影液和定影液。我經(jīng)常去向他請教，每次去他都非常熱情，“你好，我能幫你做什么？”他總是放下手里的工作，耐心聽我講述。實驗中拍出的照片，我們也經(jīng)常一起討論質(zhì)量問題，如何改進。整個實驗室，我是走進他的攝影房頻率最高的人。最后離開時，我專門向他表達(dá)我的謝意，感謝他兩年多來對我的極大幫助，這場景至今歷歷在目。

　　實驗室有個博物館，在二樓的走廊，開放式的。麥克斯韋用過的桌子以及他的任命信，歷屆主任的親筆文稿，還有許多偉大的發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的古老儀器，都保存完好，一一陳列在這里，簡單，生動，常有外人來訪。系圖書館與博物館比鄰，抬腿即到。有時看報紙累了，我就會轉(zhuǎn)到博物館。那些如今看來極其簡單的儀器都關(guān)聯(lián)著劃時代的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)。我無數(shù)次停留在威爾遜云室這個簡陋的盒子面前，遙想前人就是用這個設(shè)備發(fā)現(xiàn)了α射線、β射線。

　　我的研究方向是光力學(xué)，任務(wù)是為系里單獨組建光力學(xué)實驗室，應(yīng)用高速攝影和激光技術(shù)，研究微應(yīng)力問題。課題組為我配備了一位助手斯圖沃特。這是一位非常安靜、靦腆的英國小伙子，比我小5歲。他酷愛網(wǎng)球，每年的溫布爾頓比賽，就是他的假期，一定要去觀看。我們合作非常默契，我教他光學(xué)、力學(xué)以及各種試驗手段和技巧，他教我英文，介紹英國的社會、文化、歷史、傳統(tǒng)，互通有無。為了提高效率，中午我們找個休息室一起吃飯，邊吃邊聊，無所不談。兩年半下來，我的口語水平突飛猛進，對英國的了解也更加深入。由于我們的努力工作，寫出的論文讓課題組長非常滿意，由此申請到國家的一筆可觀的研究基金。斯圖沃特也因此工資連提兩級，使得他能夠買得起一個屬于自己的房子。課題組有一臺機械的高速攝影機，每秒100萬幀照片，以前在國內(nèi)做研究，都是靜態(tài)問題，現(xiàn)在要做動態(tài)，還是個很大的挑戰(zhàn)。其中關(guān)鍵的問題是觸發(fā)器，因為只能拍幾十幀照片，要使動態(tài)瞬間與高速攝影機同步，否則什么也拍不到。經(jīng)過無數(shù)次的試驗，觸發(fā)器的設(shè)計一次又一次改進，最后拍到了瞬間變化狀態(tài)。由于激光相干性極好，全息照片的分辨率提高了許多倍。當(dāng)然，后來數(shù)碼相機的發(fā)明，給實驗創(chuàng)造了更便捷的手段。

　　卡文迪許實驗室，就是這個被稱為“諾貝爾獎?chuàng)u籃”的地方，從來沒有誰每天想著要得諾貝爾獎。這里有的只是一片自由的天地，還有一批真正熱愛科學(xué)的人們，他們勤奮地探索著宇宙的奧秘。對于一個偉大的實驗室，諾貝爾獎不是最重要的，最重要的是人們孜孜不倦追求科學(xué)真理的激情。

　　卡文迪許實驗室，這座學(xué)術(shù)界的圣殿，在我心中永存！