剑桥大学卡文迪许实验室印象

张 舵 莫云飞[2]

（[1]国防科技大学文理学院 湖南·长沙 410073；[2]长沙学院电子信息与电气工程学院 湖南·长沙 410022）

1 卡文迪许实验室的发展历程

卡文迪许实验室即剑桥大学物理系，其命名是为了纪念伟大的物理学家、化学家、剑桥大学校友亨利·卡文迪许，实验室组建的全部费用由身为剑桥大学校长，同时也是亨利·卡文迪许近亲的第七世德文公爵威廉·卡文迪许（William Cavendish）慷慨捐赠巨额的6300英镑负担。实验室建立之初位于剑桥市中心(New museum site)，被剑桥几大学院所包围，旁边是著名的老鹰酒吧。据说当年实验室的学生和老师在工作之余就会一起去这个酒吧，一边喝酒，一边讨论学术研究。沃森和克里克当年发现DNA分子双螺旋结构之后就是在这个酒吧宣布他们的成果的。

随着实验室的不断发展壮大，市中心的旧址不能够满足新的实验设备以及新的研究组的空间需求。在经过多年的准备之后，实验室于1987年搬到了西剑桥校区（West Cambridge Site）。该校区相当于剑桥的新城区，距离市中心有一段距离，环境优美，建筑风格均为现代风格，与古老和典雅的市中心形成了鲜明对比。

卡文迪许实验室有着辉煌的历史，自1871年成立以来，共获得30项诺贝尔奖。目前实验室已经具有很大的规模，有研究组15个且研究方向较多，包括天体物理、原子介观物理、量子传感器、原子与光学物理、生物和软系统、纳米光子、微电子、分子工程、高能物理、表面微观和断裂、量子物质、半导体物理、凝聚态物理、光电子、科学计算等。研究方向均为基础前沿性研究，几乎没有应用型研究。当然这些研究组也在不断的发生变化，2007年当时物理系的研究组主要包括：天体物理组、生物物理组、几何代数研究组、高能物理组、推理研究组、超导研究中心、低温物理组、微电子研究中心、微结构物理组、光电子组、固体物理与化学、聚合体与胶体组、量子物质组、半导体物理组、表面物理组、凝聚物质理论组。可以看到随着物理学前沿领域的发展，研究组也在不断的进行着调整和组合，有些研究组彻底消失了，有些则进行了重组。以目前生物与软系统组为例，该组是由较早的生物物理组与聚合物胶体组合并而成。整个实验室包括管理人员、教学科研人员、合同研究员、研究生、荣誉教授和访问学者、实验室助理等共700余人（2008年数据，目前估计有1000人左右）。包括四百名左右硕士和博士研究生，除了各方面维护的技术人员，全职投入科学研究的大概五百人。每个研究组的每个人，研究的东西都很不一样，所以实验室研究的领域非常广。

2 留学期间的经历及该实验室目前最重要的研究方向

实验室除了在物理方面的研究之外，在物理化学和生物方面也有颇有建树。物理化学方面，目前剑桥大学化学系的物理化学这一研究方向就是从卡文迪许实验室分离出去然后加入到化学系的。生物方面，剑桥大学著名的分子生物学实验室（MRC Laboratory of Molecular Biology）也是从卡文迪许实验室分离出去的，该实验室从成立到现在已经诞生了12位诺贝尔奖得主。目前，实验室仍在从事生物方面的研究，主要是依托BSS研究组（生物和软系统），也就是我留学时所在研究组。该组主要从事软材料、生物物理和生物力学相关研究，BSS组的成立显然是希望延续物理系发现DNA双螺旋结构的辉煌（by James Watson and Francis Crick in 1953）。本人在该组Pietro教授的指导下从事软物质和颗粒介质力学的相关研究，主要对软材料本构模型和颗粒介质流动数值模拟进行研究和学习。该组目前有4名教授，分别来自英国、俄罗斯、意大利，博士和硕士研究生同样也是来自世界各地，这说明剑桥大学具有很高的国际化程度。

物理系系统开展生物与软材料相结合的研究应该是从爱德华兹任卡文迪许教授（Sam Edwards，1984～1995）的时代开始的。1972年爱德华兹来到剑桥大学卡文迪许实验室工作，并在1984年成为实验室的首席教授。从1992年开始到1995年还兼任剑桥大学副校长，1995年退休。爱德华兹是世界著名的凝聚态理论物理学家，早在1958年就开始研究凝聚态物理学，并且35年来一直从事复杂材料的理论研究，在涡流、高分子物理、非有序磁性系统、液态金属等领域都有很深的建树。他发表论文250余篇，学术专著2部。爱德华兹在学生培养方面也取得了骄人成就，其学生目前分布在世界各地著名高校，很多已经成为相关领域的顶级科学家，具有代表性的优秀学生有MikeCates，目前担任剑桥大学应用数学和理论物理系首席教授。其关门女弟子 Jasna Brujic教授目前也在领导纽约大学Jamming and Biophysics实验室。

1995至今，Cavendish实验室的首席教授由弗兰德担任（Richard Friend），他目前也担任剑桥大学Maxwell中心的主任，Maxwell中心目前扮演剑桥大学物理相关研究的交叉研究中心的角色，旨在促进尖端技术和物理前沿的结合，并进一步推动相关成果的产业化。弗兰德教授是使用特殊塑料代替半导体材料做电子芯片的先驱。2004年，美国著名的《新闻周刊》杂志评选出了影响未来的十大发明，弗兰德的塑料芯片名列第八。二十世纪八十年代末，弗兰德发现塑料可以用于制造基本电子元件，还成功研制出有机发光二极管。弗兰德成立了两个高科技公司，探索科研与产业相结合的道路。这两个高科技公司为剑桥显示科技公司（Cambridge Display Technology）和塑料逻辑公司（Plastic Logic），从事相关技术和运用的研究，这也是剑桥科学技术产业化非常成功的一个典范。

物理系科研与产业相结合的另一个例子就是日立剑桥实验室（Hitachi Cambridge Laboratory），该实验室是日本日立公司和Cavendish实验室微电子研究中心合作建立的实验室，从事尖端微电子技术的研究。在进入二十一世纪以后，Cavendish实验室与其他系合作，加强了在纳米技术、物理医学等诸多领域的研究。

在二十世纪七八十年代，实验室几乎每两三年就要出一个诺贝尔奖，2019年，实验室天体物理学教授迪迪埃·奎洛兹因为发现系外行星获得诺贝尔物理奖，成为实验室第30位诺奖得主。

实验室的教授在各自领域都是世界顶级的，其教授和讲师的职位也是面向全球进行招聘。本人也观摩了一次物理系高能物理组的lectureship招聘会，来自美国和欧洲的一些年轻科学家通过学术报告的方式展示自己的科研能力，而物理系高能物理组的成员则对每一个应聘科学家进行提问和打分，确保招聘到能力和研究前景俱佳的顶级科学家。在卡文迪许实验室，就是这个被称为“诺贝尔奖摇篮”的地方，可以感受到大家内心的平静和对科学研究的热爱。这里优美的自然环境和良好的人文环境，吸引着世界上最好的学生和学者，也不断的用自己独有的气质在熏陶着来到这里的人。

3 成功的办学经验

剑桥大学国际化程度很高，据剑桥大学官方数据显示，2019-2020年度新入学的学生中，28.44%的本科生以及63.01%的研究生为国际生。目前中国留学生已经成为这里人数最多的少数族裔学生（占总学生比6.26%）。作者在这边的工作和生活，得到了他们的热情和无私帮助。随处可见的中国留学生面孔说明我们国家派出了大量留学生来到这所著名的大学，这一方面体现了国家的富裕，也体现了国家对于人才培养的重视。

一个好的大学和一个好的实验室既需要历史沉淀下来的辉煌，也需要不断发展求新，不断吸引世界上最优秀的学生和教师。希望不久的将来在中国也能够诞生像卡文迪许这样的实验室，以及像剑桥大学那样能够吸引世界范围类优秀人才的著名大学，帮助提升我们国家的科研实力和文化吸引力。