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卡文迪許實驗室與亨利.卡文迪許

劍橋大學現正新建第三座卡文迪許實驗室,準備持續擦亮這塊招牌。

還在當學生的年代,閱讀過陳之藩教授《劍河倒影》散文集,其中有一篇描述了劍橋大學的卡文迪許(Cavendish)實驗室,內文講述了該實驗室的科學成就,以及歷任實驗室主任是如何帶領同儕開拓新的領域。卡文迪許實驗室是劍橋大學物理系實驗物理的大本營,成立於1871年,李國鼎資政年輕時曾在此研習低溫物理。舉凡近代物理中,電子、中子的發現、原子核模型的提出,到解開人類遺傳基因的雙螺旋結構,甚至於天文物理中子星(pulsar)的發現,都來自於卡文迪許實驗室。

該實驗室的師生,總共榮獲29座諾貝爾獎,是全球得獎最多的學術及研究單位,同時也是最具有研究多樣性的單位。雖然是實驗物理的重鎮,但其中卻有6座是化學獎、3座醫學獎。眾所周知提出原子核模型的拉瑟福爵士(Ernest Rutherford),於1908年因元素蛻變的研究獲獎,但是所榮獲的卻是化學獎。所以在頒獎典禮的晚宴上,他提到自己所經歷最快的蛻變,是原先自己認為是位物理學家,現在卻變成了化學家。

1897年JJ湯姆森爵士(Joseph John Thomson)在陰極射線的實驗中,發現了電子,這是人類所發現的第一個基本粒子。而他的兒子GP湯姆森(George Paget Thomson),卻在1937年電子繞射實驗中,證實了電子具有波動行為。在同一個實驗室,父子倆人專注於電子的研究,先後獲得了諾貝爾獎,是科學史上的一段佳話。

10多年前利用一次到劍橋大學開會的機會,造訪了這座嚮往已久的科學聖地。首先來到位於城區的卡文迪許實驗室舊址,街道旁豎立了一塊牌子:湯姆森爵士於1897年在此發現電子。接著來到位於城郊七十年代所建實驗室的現址,在入口處,懸掛了一個牌子,上面引用聖經詩文中的一段話:「the works of Lord are great, sought out of all them that have pleasure therein.」一個解開物質的本質以及人類遺傳密碼的實驗室,卻在入口處如此地讚美造物主。

此原由來自於實驗室第一位主任馬克斯威爾(James Clerk Maxwell),他本人在電磁學有卓著的貢獻,也是位虔誠的教徒,因此在舊實驗室的入口,引用了聖經的這段話,而新址也沿襲了傳統。事實上為數不少傑出的科學家,對於宗教都有著虔誠的信仰。

卡文迪許實驗室是如何建立的?這牽連到卡文迪許家族的2位成員。從十八世紀開始,劍橋校園內諸多的科學實驗,如牛頓的力學實驗、楊氏的光學干涉實驗,都是在各自的學院內完成。到了十九世紀的中期,校方認為有必要成立一實驗中心,提供資源給各學院的需求。當時劍橋大學的校長(chancellor,為政治任命,並不參與校務運作)威廉.卡文迪許公爵(William Cavendish),個人出資成立此實驗室。而家族中另一位較年長成員亨利.卡文迪許(Henry Cavendish),是英國著名的科學家,因此就以亨利.卡文迪許的名字命名。

亨利.卡文迪許最令人稱道的貢獻就是測量出地球的質量,完成於1798年,其所依據的理論基礎就是牛頓的萬有引力定律。由於2個物質之間的引力是非常微弱,卡文迪許利用對稱架構及精巧的設計,以及隔絕的環境中,由旋轉的力矩計算出2個物體之間的引力,再加上物質的重量,綜合這些數據就可以得知地球的重量,進而計算出在地表的重力加速度以及萬有引力常數。

亨利.卡文迪許是位嚴謹的科學家,若是沒有完整的研究成果,不會輕易發表。馬克斯威爾晚年整理其未發表的研究手稿,發現他在電學上也有傑出的貢獻。卡文迪許提出了電位的觀念,也得到了電流與電位的關係,比歐姆定律整整早了50年。此外他也比庫倫更早提出,電荷之間的作用力與距離的平方成反比的關係,只可惜這些研究成果卡文迪許在世時都沒有發表。

卡文迪許實驗室上一回拿諾貝爾獎,已經是30多年前的1989年。劍橋大學現正新建第三座卡文迪許實驗室(Ray Dolby Center),規模遠超過前者,蓄勢待發準備持續擦亮這塊招牌。事實上英國的科技實力一直不可小覷,最近的一項調查顯示,英國是僅次於美國的科技大國,勝於日本及德國,而第五名是以色列。有朝一日,我必定會去造訪第三座卡文迪許實驗室。

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。