作者 高关中（德国汉堡）2026/7/18

卡文迪什（1731-1810）和汤姆孙（1856-1940）是物理学史上两位泰斗级人物。卡文迪什以高超的测量精度精准测出了万有引力常量与地球质量；汤姆孙则通过精妙的阴极射线实验发现了电子，开启了人类对原子内部结构的探索。把他们两人联系到一起的是卡文迪什实验室。这个实验室因卡文迪什而得名，并享誉世界；而汤姆孙是在该实验室担任领导最久的科学家，他不仅是一位伟大的实验物理学家，更是培养了众多诺贝尔奖得主的科学导师。

“最先称量地球的人”卡文迪什

卡文迪什是剑桥大学哺育出的杰出科学家。他一生埋头于科学研究，成果累累。是他，用实验确定了引力常数和地球的平均密度，被称为“最先称量地球的人”。是他，首先揭示出水和空气的化学组成，做出化学史上划时代的发现。

亨利·卡文迪什（Henry Cavendish，又译卡文迪许）1731年10月10日生于法国尼斯。他父母都是英国贵族，正在尼斯疗养度假。1749年卡文迪什考入剑桥大学，1753年尚未毕业就去法国游学，后回伦敦定居。父亲死后，他继承了大笔遗产，成为英国屈指可数的巨富。虽然出身富贵，但他很少参加科学以外的社会活动，而将精力全部集中于科学研究，把伦敦和乡间的宅邸都改为实验室，从事物理和化学方面的实验研究达50年之久。

他的研究领域非常广泛，在地球物理、化学、电学、热学等多方面进行了成功的实验研究。1760年卡文迪什被选为英国皇家学会会员。1803年当选为法国科学院外国院土。但他的成就很少发表，一生中发表的科学论文还不到20篇。

卡文迪什在物理学领域有着重大的贡献。他于1798年进行了著名的“卡文迪什实验”，通过精确测量两个铅球之间的引力，首次计算出了地球的密度。

这个实验又称扭秤实验。扭秤是一种专门用来测量极微小力（例如静电力或万有引力）的精密实验装置，灵敏度很高。它由一根悬挂的细丝（如石英丝或金属丝）连着一根水平横木杆组成。卡文迪什给其悬线系统上附加了一面小镜子，木秆的两端有两个小金属球，再用两个大球分别去吸引扭称上的金属球，在万有引力的作用下扭称会发生一个微小的扭转。用一束光去照射镜子，记录扭转前后、光束反射到远点的位置变化（起放大作用）。由此计算出两个金属球的引力，由计算得到的引力再推算出地球的密度和质量。他算出的地球密度为水密度的5.481倍（地球密度的现代数值为5.517克／立方厘米，误差仅0.65%）。这个实验的巧妙之处在于：卡文迪什利用镜子和光斑将悬丝的微小扭转角度放大，从而高精度地测量出了引力的大小。这一实验的构思、设计与操作都十分精巧，“开创了弱力测量的新时代”。

我们知道，牛顿发现了万有引力定律，这个定律表示：两个物体之间的相互吸引力的大小与各个物体的质量成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。具体计算时需要一个常数，称为万有引力常数。由于地球上的物体之间的引力太过微弱，牛顿并没能给出万有引力常数的值，而由“扭称实验”的结果可推算出万有引力常量的数值为6.754（现代值前四位数为6.672），这是一个相当精确的结果。

化学方面，卡文迪什更是成果累累。在1766年发表的第一篇论文就是“关于空气的实验”，此文获得了皇家学会最高荣誉科普利奖章。

在研究空气的实验中，卡文迪什发现了氢气和二氧化碳。他最为人知的贡献之一便是氢气的发现。氢气在空气中含量极少，因为它最轻，容易逃逸到太空中，其化学性质活泼，易形成化合物。1766年，卡文迪什通过实验发现了一种新的气体，后来被称为氢气。他在实验中将酸与金属反应，生成了这种轻于空气的气体，并称之为“可燃空气”。他详细研究了氢气的性质并测定氢气的密度，他的这一发现为后来的化学发展奠定了基础。他还研究了二氧化碳的性质。

稍后，氧气被瑞典科学家舍勒等人发现，卡文迪什闻风而动，制出了纯氧。氧气可以助燃。1781年他把氢在空气中燃烧，与氧气发生剧烈的氧化反应，而产生气态水，降温后即凝结成液态水，因而证明水不是单质元素而是化合物。水的组成成分为氢气和氧气。他还进一步发现氢气与氧气生成水的反应时的体积比为2.02：1。今天我们知道理论值为2：1。卡文迪什能在200多年前极度精确地测定水的氢氧元素比例，令人赞叹，难怪他被称为“化学中的牛顿”。

卡文迪什不仅研究水的化学成分，还最早精确测定空气的成分。1785年他通过向空气中通入过量氧气并利用放电法使氮气和氧气反应生成一氧化氮，测得氧气占空气的体积约20.83%，而79.17%为氮气。后来他经过更精确的实验证明，空气中还有几乎不与任何物质发生反应的浊气，这是人类第一次发现稀有气体的存在，为后来惰性气体的发现开了路。今天的数据，空气中氧气约占21%，氮气约占78%，剩余的1%，主要是稀有气体（如氩气）、二氧化碳和水蒸气等。

电学方面成就也不少，例如卡文迪什推导得出电荷之间的作用力与距离的平方成反比，与它们电荷量的乘积成正比，今称库仑定律。实际上卡文迪什以实验证明了库仑定律的时间比法国物理学家库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736-1806）本人还早30年。但是卡文迪什没有发表这个定律，结果让库仑占先。过了一个世纪后，麦克斯韦整理卡文迪什的实验论文，并于1879年出版了名为《尊敬的亨利·卡文迪什的电学研究》一书，此后人们才知道卡文迪什做了许多电学实验。

热学方面，卡文迪什应用潜热理论精确测定了水银、硫酸、硝酸等液体的凝固点。这为后来的低温物理学奠定了坚实基础。

卡文迪什性格孤僻，很少与外界来往，终身未娶。一生在自己的实验室中工作，被称为“最富有的学者，最有学问的富翁”。他搞科研，不为名不为利，而是处于好奇心。1810年2月24日卡文迪什逝于伦敦，享年79岁。

作为对他永恒的纪念，1871年，剑桥大学筹建一座物理实验室，取名“卡文迪什实验室”，卡文迪什家族为此捐赠了一大笔资金。由电磁学巨匠麦克斯韦担任第一代主任。1879年，由瑞利（Third Baron Rayleigh，1904年诺奖得主，1842-1919）接任。1884年汤姆孙受命成为第三代主任。

电子发现者汤姆孙

约瑟夫·汤姆孙（Joseph John Thomson）是电子发现者，开创了人类认识基本粒子的先河，打破了原子不可分割的传统观念，推动了原子结构知识的革命，为原子物理学的主要奠基人之一，对20世纪的科学产生了深远的影响。他还在担任卡文迪什实验室主任期间，创立了现代意义上的研究生制度

汤姆孙1856年12月18日生于曼彻斯特北郊奇特姆山（Cheetham Hill）。父亲是一名书商。年少有为的汤姆孙年仅14岁就被欧文斯学院（现今曼彻斯特大学的一部分）录取。不久父亲病逝，他靠微薄的奖学金维持学业。幸运的是，与当时大多数院校相比，欧文斯学院提供为数不多的一些实验物理课程。1874年，他年方18岁，便完成了第一篇科学论文。1876年考试合格，踏入剑桥大学三一学院深造，此后便在剑桥度过一生。1880年取得数学学位考试第2名，次年便成为三一学院研究员。1884年春被选为英国皇家学会会员，接着转进卡文迪什实验室工作。聘为教授，当上这家现代科研中心的主任。当时风华正茂，年方28岁，他一直干了35年，是任职最久的一位。1919年汤姆孙辞去卡文迪什实验室主任的职位，推荐他的学生卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）继任，而自己留在实验室继续进行研究工作，又长达21年，直到1940年8月30日在剑桥逝世。享年84岁。他的骨灰被安葬伦敦威斯敏斯特教堂的“科学家角”。其墓碑紧邻牛顿和卢瑟福。

汤姆孙在物理学上最重要的贡献是发现了电子的存在。

早在1858年德国物理学家普吕克尔（Julius Plücker，1801-1868）利用真空玻璃管进行气体放电实验，当高压电流通过低压稀薄气体时，会从阴极（负极）飞向阳极（正极），让玻璃发出神秘的亮光，这就是阴极射线(cathode ray)。这种玻璃管也称为阴极射线管。

关于阴极射线。当时的科学家分成两派，争论阴极射线是属于光波还是粒子。不少科学家之所以认为它是光波，是因为它能直线传播并在管壁产生荧光。但汤姆孙发现，当在阴极射线管外放置一块磁铁时，射线会发生弯曲。如果它是普通的光波，磁场是绝对无法让它偏转的。因此汤姆孙认为阴极射线是属于带电微粒。为了测试粒子的特性，汤姆孙在阴极射线周围放置了两个带相反电荷的电板。阴极射线管从负电荷电板向正电荷板偏转。这表明阴极射线管是由负电荷粒子组成的。

他还利用电场和磁场来测量这种带电粒子流的偏转程度，以推测粒子的重量。粒子愈重，愈不易被偏折，磁场愈强，粒子被偏折愈厉害。通过实验，汤姆孙估算出阴极射线的质量，确定了阴极射线管粒子的电荷质量比（荷质比），即带电粒子的电荷量与其质量的比值。结果发现：每个粒子的质量远远小于任何已知原子。汤姆孙重复了他的实验，使用不同的金属作为电极材料，并发现无论什么阴极材料，阴极射线的性质保持不变。根据这一证据，汤姆孙在1897年发表《论阴极射线》的文章，得出了以下结论：

阴极射线由以前未知的带负电粒子组成，这种粒子比原子小得多（称亚原子粒子），它的质量只有氢原子的1/1840，且具有非常大的电荷质量比（荷质比）。所有元素的原子中都含有这种小粒子。他把这些粒子称为“微粒”（corpuscle），后来，这个伟大的发现被正式定名为电子（electron）。汤姆孙认为这些微粒（电子）来自于阴极射线管中微量气体的原子。他由此得出结论，原子是可以被分割的，微粒（电子）是它们的组成部分。

由此，汤姆孙发现了电子并揭示了阴极射线的本质。这是第一种被发现的亚原子粒子。也是第一种被发现的基本粒子（亚原子粒子包括基本粒子和复合粒子）。他打破了原子不可分的成见。从此汤姆孙开启了通往“粒子物理世界”的大门。电子是原子家族的第一个成员。

汤姆孙可以被称为“第一次分裂原子的人”，考虑到电子的大小和数量，用“切碎”来形容也许更为恰当，因为电子的总质量从未超过原子的1/1000。

汤姆孙因气体导电的实验研究和发现电子，荣获1906年的诺贝尔物理学奖。卡文迪什实验室也成了“电子的发源地”。电子的发现及电子学的一系列成就，是现代文明的基础。天上的卫星，地上的电车，电视、雷达等，无一不是靠电子的工作。

电子的发现标志着人类对物质结构的认识进入了一个新层次。以此掀起了原子结构知识革命。从此，向原子内部探索和“分裂原子”就成了20世纪初期物理领域中最振奋人心的口号。

电子的发现反驳了道尔顿原子理论中假定原子是不可分割的部分。为了解释电子的存在，需要一个全新的原子模型。汤姆孙在这方面也进行了尝试。

汤姆孙的另一个贡献发明了研究阳极射线（即正射线或极隧射线）时发展起来的质谱方法。他的方法经过学生阿斯顿（Francis Aston，诺奖得主，1877-1945）的改进和完善，发展成今天的质谱仪。质谱仪的用途越来越广，可用来发现新的同位素，还成为分离、分析和研究各种化合物及其反应机理的现代科学工具了。

汤姆孙还是第一位发现元素具有同位素的人，他在1913年发现了稳定（非放射性）元素同位素（即质子数相同但中子数不同的同一种元素）的第一个证据，成功地从氖-20中分离出氖-22，这是他在探索阳极射线的过程中的成果之一。

除了在物理研究中的巨大贡献，汤姆孙是一位杰出的教师，作为卡文迪什实验室的主任，他首创现代研究生制：他打破了当时大学只招收本土或内部优秀毕业生的传统，抛出橄榄枝，允许其他高校或国家的优秀毕业生直接进入实验室攻读学位、从事独立科研。这种模式成为了现代高等教育研究生培养的雏形。这种创新的研究生制度就像现代学徒制，学生不再只是听课，而是直接进入科学的最前沿，在导师的指导下自己动手做实验、找课题，极大地加快了科学发现的步伐。

他在教学中充分激发他人潜能，许多学生或在他手下共事的人都获得了教授头衔，这些人中的一部分更是囊括了多达七项诺贝尔奖。例如，1910年，卢瑟福与汤姆孙合作时，通过研究对原子内部结构有了现代的认识。在这个过程中，卢瑟福原子模型取代了汤姆孙模型，可谓长江后浪推前浪。此外，乔治·汤姆孙(George Paget Thomson，1892-1975) 因电子衍射实验，证实了电子具有波动行为，获得1937年诺贝尔物理学奖。在同一个实验室，父子俩专注于电子的研究，先后获得诺奖，是为科学史上的一段佳话。

汤姆孙在任卡文迪什实验室主任的35年间，表现出卓越的领导才能。他固执地奉行“自己动手”的原则。据说他当主任以后，经他手批准的扩展实验室、更新实验设备的费用只有一万多英镑，和世界上其他著名实验室相比，真是一个微不足道的数字。他从来不图形式，非常强调实用，积极鼓励研究人员自己设计制作或加工改造实验仪器。他认为这样做既省钱，又得心应手，还可以培养和锻炼人才。由于汤姆孙处处“抠门”，同事们给他起了“吝啬鬼”的绰号。不过大家都很佩服他，因为他以身作则，是“抠门”的模范。他发现电子的实验所用的主要仪器气体导电仪，就是他利用废旧材料，自己敲敲打打制成的。这就难怪这位“吝啬鬼”培养出了像卢瑟福、阿斯顿等一大批出类拔萃的物理学家。

汤姆孙属于“经典物理学”向“现代物理学”过渡的先驱者。他促成了卡文迪什学派的崛起。1909年，他被任命为英国科学促进协会主席。

剑桥城区的卡文迪什实验室旧址，街道旁竖立了一块牌子：汤姆孙爵士于1897年在此发现电子。他的伟大发现，标志着人类对物质微观结构认识的革命性突破。这一基础物理学的重大发现，迅速跨越了理论藩篱，对科学、技术和工业的实际应用产生了颠覆性与深远的影响。

卡文迪什实验室

赫赫有名的剑桥是老牌的综合性大学，各科实力都很雄厚。然而剑大最出色的还是自然科学。国际上最有声望的物理学研究和教育中心设在这里。它，就是卡文迪什实验室，它也是剑桥大学的物理系。

说到这个实验室，也许有人会把它想象成几间房子几个人的实验机构，其实不然。卡文迪什实验室1871年成立，早先设在城区，地方确实比较小。但1970年代已搬迁，成为一个巨大的研究中心，一个研究基地，简直是一个小小的科学城。它设在剑桥西区，有供高能物理和天体物理用的卢瑟福楼，有供固体物理研究用的莫脱楼，有包括图书馆，工厂和学生实验室在内的布喇格楼，还有一个庞大的计算机中心。不算工人和实验员，这里仅研究人员就有100多人，还有大约150个研究生；每年经费多达好几百万英镑。实验设备世界一流，其中不少是该实验室的独创。

主持这个实验室的都是成就辉煌，赫赫有名的现代物理学大师。它的第一任主任是电磁理论科学家麦克斯韦。领导过这个实验室的还有现代声学和光学的奠基人、氩气发现者瑞利，电子的发现者汤姆孙，现代原子核物理学之父卢瑟福（第四任），以组织多学科研究见长的晶体学专家布喇格（第五任，William Lawrence Bragg，1890-1971），现代固体物理的先驱莫特（第六任，Nevill Mott，1905-1996）等大科学家。

一百多年来，卡文迪什实验室汇集了大批科学精英，冲刺在物理学的最前沿，对这门科学的发展作出了卓越的贡献。在这里，卢瑟福打开了原子核的大门，查德威克（James Chadwick，1891-1974）发现了中子，考克饶夫（John Cockcroft，1897-1967）实现了第一个由人工加速的粒子束引起的核反应。第二次世界大战中，这个实验室在研制雷达，发展电信方面立过大功。战后。它又把物理学用于射电天文学和分子生物学，开拓了全新的研究领域。赖尔（Martin Ryle，1918-1984）在这里改进了射电望远镜。克里克（Francis Crick，1916-2004）等人在这里揭开DNA（脱氧核糖核酸）的结构链，找到了解读遗传密码的钥匙。这一成就被人们誉为“20世纪生物科学最重大的突破”。他们都获得了诺奖。

这个实验室不仅出成果，也出人才，前后培养出诺贝尔奖金得主近30人，成为“天才的苗圃”。中国高能物理学家张文裕（1910-1992）曾在此从事科研并获博士学位。

科学技术是生产力，关键在于推广应用。在卡文迪什实验室主任莫特教授的倡议下，剑桥兴办了“科学园”，以便加强大学和企业的结合，促进科研成果向市场和商业转移。科学园设在牛顿的母校——剑大三一学院的一块土地上。园内兴建了许多高科技企业，涉及生物化学、计算机、电子通信、医药、激光等许多领域。人们把这种高科技企业依托高校蓬勃发展，欣欣向荣的新气象，称为“剑桥现象”。至今科学园已有60多家公司，同时又为剑桥吸引来几百家高科技公司，使剑桥与邻近城镇彼得伯勒连接成为长达50公里的“高技术走廊”。昔日工业寥寥的剑桥已迈步跨入高科技城市的行列。

目前，第三座卡文迪什实验室（Ray Dolby Centre，因前校友杜比捐赠而得名）已经建好。该中心坐落于剑桥西区创新区（Cambridge West Innovation District），耗资约3亿英镑。工程于2024年5月竣工交接，并在2025年5月举行了正式启用仪式，全面投入了使用。规模远超过前者，蓄势待发准备持续擦亮这块科学史上的金字招牌。

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