燦若群星的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室探索與發(fā)現(xiàn) <p class="ql-block"> 卡文迪什實(shí)驗(yàn)室是一棟古色古香的3層樓房，前身是英國劍橋大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室，建于1873～1874年。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室為紀(jì)念偉大的物理學(xué)家、化學(xué)家亨利·卡文迪許而命名，是近代科學(xué)史上第一個(gè)社會(huì)化和專業(yè)化的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，一直身處物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的最前沿。她鑄造了物理學(xué)的半壁江山，被稱為“世界物理學(xué)的發(fā)源地”。自1895年諾貝爾獎(jiǎng)創(chuàng)立以來，該實(shí)驗(yàn)室共有30位科學(xué)家獲獎(jiǎng)，為物理學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了豐功偉績，被稱為“諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃”。</p> <p class="ql-block"> 1874年～1879年由著名物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋擔(dān)任第一任主任。在他的主持下，實(shí)驗(yàn)室開展了教學(xué)和科學(xué)研究，形成了使用自制儀器的傳統(tǒng)。1879年～1884年由瑞利繼任實(shí)驗(yàn)室主任。1884年～1919年由湯姆遜擔(dān)任主任，在此期間，實(shí)驗(yàn)室取得了多項(xiàng)重大成果，包括電子的發(fā)現(xiàn)、α和β射線的發(fā)現(xiàn)、質(zhì)譜儀的發(fā)明等。1919年～1937年由歐內(nèi)斯特·盧瑟福擔(dān)任主任，他主持實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了中子、發(fā)明了靜電加速器等。1937年之后，實(shí)驗(yàn)室的研究方向逐漸擴(kuò)展到分子生物學(xué)等領(lǐng)域。</p> <p class="ql-block"> 卡文迪什本人一生致力于科學(xué)研究，他最重要的成就是完成了測量萬有引力常量的扭秤實(shí)驗(yàn)，使牛頓的萬有引力定律成為一個(gè)精確規(guī)律，同時(shí)也為它提供了最重要的實(shí)驗(yàn)佐證?？ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)室的第一任主任詹姆斯·克拉克·麥克斯韋提出的電磁理論及麥克斯韋方程組，證明了電磁波的存在，準(zhǔn)確的預(yù)測了光的速度，在物理學(xué)上具有劃時(shí)代的意義。第二任主任瑞利研究氣體密度，并從中發(fā)現(xiàn)了氬。第三代主任約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究氣體導(dǎo)電現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類首次發(fā)現(xiàn)亞原子粒子，終結(jié)了20年的原子物理大討論，導(dǎo)致了1920年代量子力學(xué)的出現(xiàn)。第四任主任歐內(nèi)斯特·盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了人造核裂變，提出了原子核的存在，證實(shí)了原子的中心存在著原子核，并建立了原子結(jié)構(gòu)模型。在盧瑟福的任期內(nèi)，弗朗西斯·阿斯頓發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素的同位素；帕特里克·布萊克特首先拍攝了人工核相互作用；詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這一發(fā)現(xiàn)完善了原子核的結(jié)構(gòu)理論；約翰·考克羅夫特和歐內(nèi)斯特·沃爾頓實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)由加速高能粒子誘導(dǎo)的受控核解體，以及首次通過實(shí)驗(yàn)證明了E=mc^2。此外，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室在計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）、X射線晶體學(xué)、DNA結(jié)構(gòu)的測定、血紅蛋白結(jié)構(gòu)的標(biāo)定、脈沖星探索等領(lǐng)域，都作出了巨大貢獻(xiàn)。從電磁到原子、從微小的DNA到廣袤的天體物理，這些具有劃時(shí)代意義的新發(fā)現(xiàn)，贏得了31位科學(xué)家30次在諾貝爾獎(jiǎng)臺上領(lǐng)獎(jiǎng)。</p> <p class="ql-block"> 這些諾貝爾獎(jiǎng)的得主和獲獎(jiǎng)項(xiàng)目是：1904年瑞利勛爵研究氣體密度，從中發(fā)現(xiàn)氬，并測定了氬氣的密度和性質(zhì)；1906年湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子；1908年歐內(nèi)斯特·盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射性的半衰期，并將放射性物質(zhì)命名為α射線和β射線；1915年威廉·勞倫斯·布拉格用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)的研究；1917年查爾斯·格洛弗·巴克拉發(fā)現(xiàn)X射線的散射現(xiàn)象；1922年弗朗西斯·阿斯頓借助質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了大量非放射性元素的同位素，并闡明了整數(shù)法則；1927年查爾斯·威耳遜發(fā)明云室，用以觀察α粒子與電子的軌跡；1927年阿瑟·康普頓發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)；1928年歐文·理查森發(fā)現(xiàn)理查森定律；1935年詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)中子；1937年喬治·湯姆孫(約瑟夫·湯姆孫之子)發(fā)現(xiàn)電子具有波的性質(zhì)；1947年愛德華·阿普爾頓發(fā)現(xiàn)高度約為241千米的電離層，即阿普爾頓層；1948年帕特里克·布萊克特使用反控制云室觀察宇宙射線；1951年約翰·考克饒夫使用粒子加速器研究原子核；1951年歐內(nèi)斯特·沃吞歷史上第一位人為分裂原子核的人，證明了原子結(jié)構(gòu)理論；1962年弗朗西斯·克里克與沃森共同發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)；1962年詹姆斯·杜威·沃森與克里克共同發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)；1962年馬克斯·佩魯茨與肯德魯共同確定了血紅素和球蛋白的分子結(jié)構(gòu)；1964年多蘿西·克勞福特·霍奇金確定了青霉素和維生素B12的結(jié)構(gòu)；1973年布賴恩·約瑟夫森預(yù)言并發(fā)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)效應(yīng)；1974年馬丁·賴爾首位獲得諾貝爾獎(jiǎng)的天文學(xué)家；1974年安東尼·休伊什發(fā)現(xiàn)脈沖星；1977年內(nèi)維爾·莫特同安德森發(fā)展出磁性和無序體系電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性理論；1977年菲利普·安德森同莫特發(fā)展出磁性和無序體系電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性理論；1978年彼得·卡皮查發(fā)現(xiàn)超流體；1979年阿蘭·麥克萊德·科馬克成功進(jìn)行X射線成像分析；1982年亞倫·克拉格使用晶體電子顯微鏡研究病毒及類似物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；1989年諾曼·拉姆齊研發(fā)超精密銫原子鐘和氫微波激射器；2017年約阿希姆·弗蘭克發(fā)展冷凍電鏡技術(shù)；2019年迪迪?！た迤潱l(fā)現(xiàn)圍繞其他類太陽恒星運(yùn)行的系外行星。</p> <p class="ql-block"> 卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的這些重大研究發(fā)現(xiàn)極大地推動(dòng)了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的發(fā)展，對人類的科學(xué)進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。從1874年至今跨越了三個(gè)世紀(jì)，如今已有十?dāng)?shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，無論是團(tuán)隊(duì)規(guī)模、實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備以及尖端科學(xué)都處于前沿水平?？梢詧?jiān)信，未來的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，將在歷史科學(xué)巨星的輝映下，顯現(xiàn)出更多光彩。</p><p class="ql-block"> 2025年5月31日</p>