劍橋大學卡文迪許實驗室印象

張 舵 莫云飛[2]

（[1]國防科技大學文理學院 湖南·長沙 410073；[2]長沙學院電子信息與電氣工程學院 湖南·長沙 410022）

1 卡文迪許實驗室的發展歷程

卡文迪許實驗室即劍橋大學物理系，其命名是為了紀念偉大的物理學家、化學家、劍橋大學校友亨利·卡文迪許，實驗室組建的全部費用由身為劍橋大學校長，同時也是亨利·卡文迪許近親的第七世德文公爵威廉·卡文迪許（William Cavendish）慷慨捐贈巨額的6300英鎊負擔。實驗室建立之初位于劍橋市中心(New museum site)，被劍橋幾大學院所包圍，旁邊是著名的老鷹酒吧。據說當年實驗室的學生和老師在工作之余就會一起去這個酒吧，一邊喝酒，一邊討論學術研究。沃森和克里克當年發現DNA分子雙螺旋結構之后就是在這個酒吧宣布他們的成果的。

隨著實驗室的不斷發展壯大，市中心的舊址不能夠滿足新的實驗設備以及新的研究組的空間需求。在經過多年的準備之后，實驗室于1987年搬到了西劍橋校區（West Cambridge Site）。該校區相當于劍橋的新城區，距離市中心有一段距離，環境優美，建筑風格均為現代風格，與古老和典雅的市中心形成了鮮明對比。

卡文迪許實驗室有著輝煌的歷史，自1871年成立以來，共獲得30項諾貝爾獎。目前實驗室已經具有很大的規模，有研究組15個且研究方向較多，包括天體物理、原子介觀物理、量子傳感器、原子與光學物理、生物和軟系統、納米光子、微電子、分子工程、高能物理、表面微觀和斷裂、量子物質、半導體物理、凝聚態物理、光電子、科學計算等。研究方向均為基礎前沿性研究，幾乎沒有應用型研究。當然這些研究組也在不斷的發生變化，2007年當時物理系的研究組主要包括：天體物理組、生物物理組、幾何代數研究組、高能物理組、推理研究組、超導研究中心、低溫物理組、微電子研究中心、微結構物理組、光電子組、固體物理與化學、聚合體與膠體組、量子物質組、半導體物理組、表面物理組、凝聚物質理論組。可以看到隨著物理學前沿領域的發展，研究組也在不斷的進行著調整和組合，有些研究組徹底消失了，有些則進行了重組。以目前生物與軟系統組為例，該組是由較早的生物物理組與聚合物膠體組合并而成。整個實驗室包括管理人員、教學科研人員、合同研究員、研究生、榮譽教授和訪問學者、實驗室助理等共700余人（2008年數據，目前估計有1000人左右）。包括四百名左右碩士和博士研究生，除了各方面維護的技術人員，全職投入科學研究的大概五百人。每個研究組的每個人，研究的東西都很不一樣，所以實驗室研究的領域非常廣。

2 留學期間的經歷及該實驗室目前最重要的研究方向

實驗室除了在物理方面的研究之外，在物理化學和生物方面也有頗有建樹。物理化學方面，目前劍橋大學化學系的物理化學這一研究方向就是從卡文迪許實驗室分離出去然后加入到化學系的。生物方面，劍橋大學著名的分子生物學實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）也是從卡文迪許實驗室分離出去的，該實驗室從成立到現在已經誕生了12位諾貝爾獎得主。目前，實驗室仍在從事生物方面的研究，主要是依托BSS研究組（生物和軟系統），也就是我留學時所在研究組。該組主要從事軟材料、生物物理和生物力學相關研究，BSS組的成立顯然是希望延續物理系發現DNA雙螺旋結構的輝煌（by James Watson and Francis Crick in 1953）。本人在該組Pietro教授的指導下從事軟物質和顆粒介質力學的相關研究，主要對軟材料本構模型和顆粒介質流動數值模擬進行研究和學習。該組目前有4名教授，分別來自英國、俄羅斯、意大利，博士和碩士研究生同樣也是來自世界各地，這說明劍橋大學具有很高的國際化程度。

物理系系統開展生物與軟材料相結合的研究應該是從愛德華茲任卡文迪許教授（Sam Edwards，1984～1995）的時代開始的。1972年愛德華茲來到劍橋大學卡文迪許實驗室工作，并在1984年成為實驗室的首席教授。從1992年開始到1995年還兼任劍橋大學副校長，1995年退休。愛德華茲是世界著名的凝聚態理論物理學家，早在1958年就開始研究凝聚態物理學，并且35年來一直從事復雜材料的理論研究，在渦流、高分子物理、非有序磁性系統、液態金屬等領域都有很深的建樹。他發表論文250余篇，學術專著2部。愛德華茲在學生培養方面也取得了驕人成就，其學生目前分布在世界各地著名高校，很多已經成為相關領域的頂級科學家，具有代表性的優秀學生有MikeCates，目前擔任劍橋大學應用數學和理論物理系首席教授。其關門女弟子 Jasna Brujic教授目前也在領導紐約大學Jamming and Biophysics實驗室。

1995至今，Cavendish實驗室的首席教授由弗蘭德擔任（Richard Friend），他目前也擔任劍橋大學Maxwell中心的主任，Maxwell中心目前扮演劍橋大學物理相關研究的交叉研究中心的角色，旨在促進尖端技術和物理前沿的結合，并進一步推動相關成果的產業化。弗蘭德教授是使用特殊塑料代替半導體材料做電子芯片的先驅。2004年，美國著名的《新聞周刊》雜志評選出了影響未來的十大發明，弗蘭德的塑料芯片名列第八。二十世紀八十年代末，弗蘭德發現塑料可以用于制造基本電子元件，還成功研制出有機發光二極管。弗蘭德成立了兩個高科技公司，探索科研與產業相結合的道路。這兩個高科技公司為劍橋顯示科技公司（Cambridge Display Technology）和塑料邏輯公司（Plastic Logic），從事相關技術和運用的研究，這也是劍橋科學技術產業化非常成功的一個典范。

物理系科研與產業相結合的另一個例子就是日立劍橋實驗室（Hitachi Cambridge Laboratory），該實驗室是日本日立公司和Cavendish實驗室微電子研究中心合作建立的實驗室，從事尖端微電子技術的研究。在進入二十一世紀以后，Cavendish實驗室與其他系合作，加強了在納米技術、物理醫學等諸多領域的研究。

在二十世紀七八十年代，實驗室幾乎每兩三年就要出一個諾貝爾獎，2019年，實驗室天體物理學教授迪迪埃·奎洛茲因為發現系外行星獲得諾貝爾物理獎，成為實驗室第30位諾獎得主。

實驗室的教授在各自領域都是世界頂級的，其教授和講師的職位也是面向全球進行招聘。本人也觀摩了一次物理系高能物理組的lectureship招聘會，來自美國和歐洲的一些年輕科學家通過學術報告的方式展示自己的科研能力，而物理系高能物理組的成員則對每一個應聘科學家進行提問和打分，確保招聘到能力和研究前景俱佳的頂級科學家。在卡文迪許實驗室，就是這個被稱為“諾貝爾獎搖籃”的地方，可以感受到大家內心的平靜和對科學研究的熱愛。這里優美的自然環境和良好的人文環境，吸引著世界上最好的學生和學者，也不斷的用自己獨有的氣質在熏陶著來到這里的人。

3 成功的辦學經驗

劍橋大學國際化程度很高，據劍橋大學官方數據顯示，2019-2020年度新入學的學生中，28.44%的本科生以及63.01%的研究生為國際生。目前中國留學生已經成為這里人數最多的少數族裔學生（占總學生比6.26%）。作者在這邊的工作和生活，得到了他們的熱情和無私幫助。隨處可見的中國留學生面孔說明我們國家派出了大量留學生來到這所著名的大學，這一方面體現了國家的富裕，也體現了國家對于人才培養的重視。

一個好的大學和一個好的實驗室既需要歷史沉淀下來的輝煌，也需要不斷發展求新，不斷吸引世界上最優秀的學生和教師。希望不久的將來在中國也能夠誕生像卡文迪許這樣的實驗室，以及像劍橋大學那樣能夠吸引世界范圍類優秀人才的著名大學，幫助提升我們國家的科研實力和文化吸引力。