【物理史中的六月】1874 年 6 月 16 日:卡文迪西實驗室(Cavendish Laboratory)啟用

1874 年 6 月 16 日:卡文迪西實驗室(Cavendish Laboratory)啟用

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2020 年 6 月)

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威廉‧卡文迪西(William Cavendish)

舉世聞名的劍橋大學卡文迪西實驗室一直是許多知名的科學家和影響深遠的突破性進展的大本營,成立至今已獲得 30 個諾貝爾獎。實驗室於 1874 年 6 月 16 日正式啟用,為了紀念 18 世紀的物理和化學家卡文迪西(Henry Cavendish),以他的名字命名。

1731 年 10 月,卡文迪西(Henry Cavendish)出生在極富貴家庭,他的貴族血統可追溯到諾曼年代。卡文迪西的父親查爾斯‧卡文迪西是爵士,母親安妮在他 2 歲時即過世。卡文迪西小時候上倫敦近郊的一所私立小學,大學則讀劍橋聖彼得學院,但是他讀 3 年就輟學,從未取得正式的學位。之後,他搬去倫敦和父親同住,並在家設立他自己的實驗室。

卡文迪西在父親的引薦下去參加了皇家學會的會議,並於 1760 年被選為學會會員。他參加許多委員會,1766 年發表了第一篇論文。卡文迪西很受尊敬,但也是一位無可救藥的害羞男士,一次只能和一個人說話,大都完全避免和女性接觸。(他對女僕人有指示時會留字條。)

卡文迪西最知名的貢獻也許是他發現了氫,他稱之為「可燃空氣」,可以在特定的金屬中加入某些酸而產生。其他著名的科學家,例如波以耳(Robert boyle)也製造出氫,但知道氫是一種元素的是卡文迪西。他還正確地確認二氧化碳是呼出(或「固定」)氣體,並在實驗室和其他氣體一起製造出來。卡文迪西因他 1778 年的論文〈酸的概論〉(General Considerations on Acids)獲得了皇家學會科普利獎章(Copley Medal)。

卡文迪西在父親過世後,將他的時間分配在倫敦的屋子,以及位於可拉普黑公地(Clapham Common),他用以置放科學儀器、做大部分實驗的家。鄰居們都告訴他們的小孩說他的屋子是「秤地球重量的地方」,因為那是卡文迪西最有名的實驗。卡文迪西使用改良自地質學家米切爾(John Michell)所建造的扭秤來測定地球的密度,於 1798 年發表結果。他的實驗非常準確,所得到的數值和現今的數值相差不到 1%。

類似卡文迪西的家庭實驗室在科學史上行之有好幾個世紀,除了做為知名科學家見習生之用外,並無教育學生的架構。知名的數學家托德杭特(Isaac Todhunter)總結了當時盛行的看法說:「學生不需要學實驗,學生應該只接受老師所說的內容」。

19 世紀中葉,當湯普森(William Thompson,克耳文男爵)為他的學生在一老舊的酒窖設立物理實驗室時,人們的看法開始改變,雖然在正式教導方面來說仍少之又少。1869 年,牛津大學開始設立克拉侖敦實驗室(Clarendon Laboratory),而劍橋一個委員會也發布一份報告,呼籲設立類似的物理實驗室。

很不幸的是,由於缺乏經費,無法實現委員會所提出包括「設立特殊教授職位,提供教授資源,使其教學有實效,換句話說,提供教課老師、上課教室、實驗室、以及幾個教室可置放足夠儀器」的願景。

終於有一位富有的大學名譽校長,威廉‧卡文迪西,第七代德文郡公爵捐出款項,而那時不甚有名的年輕物理學家馬克士威(James Clerk Maxwell)被選為第一位實驗物理教授。

卡文迪西於 1810 年過世,生前從未發表他大量的科學發現。但馬克士威於 1879 年著手出版卡文迪西在電學實驗方面論文的工作,是距他開始做這些實驗的 100 年之後。卡文迪西曾預期如電位(雖然他稱之為「帶電的程度」)、歐姆定律、庫倫定律、芮氏互比定律等的主要概念,以及物質的介電常數概念,還有一些歸功於其他科學家的其他發現。

卡文迪西甚至還起草一份手寫稿,說明他的熱力學理論,預示了現代熱力學。馬克士威對他的研究非常欽佩,所以重新命名此實驗室為卡文迪西,名字非常恰當,因為創辦的第七代德文郡公爵,威廉‧卡文迪西,是同家族的一個成員。

馬克士威 48 歲早逝,來不及完全說明清楚他在電學、磁學、以及統計物理學方面革命性的研究。(當劍橋一位東道主告訴愛因斯坦說,他是站在牛頓的肩膀上成就了大的志業,愛因斯坦回答說:「我是站在馬克士威的肩膀上」。)繼承馬克士威的是另一位傑出的物理學家湯木生(J. J. Thomson),他發現了電子。

接著拉塞福(Ernest Rutherford)繼承了湯木生,就在他的領導下,查兌克(James Chadwick)於 1932 年發現了中子,而他的學生柯克勞夫(John Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)則分裂了原子。當布拉格(Lawrence Bragg)接任後,他致力於X射線結晶學,他的研究,以及後來富蘭克林(Rosalind Franklin)結晶學的研究終於導致 1953 年克里克(Francis Crick)和華生(James Watson)DNA 結構的發現。

卡文迪西實驗室起先座落在劍橋市中心,但它擴展得太快,以致於過份擁擠,所以在 1970 年代搬遷到劍橋西區,目前第三個場址已動工。現在研究重心集中在這些領域如奈米技術、冷原子、和超低溫物理,毫無疑問地,實驗室的未來將會有更多開創性的突破。

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亨利‧卡文迪西(Henry Cavendish)
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