大规模物理学

上一章中，我曾指出了物理学实验的规模是如何增加到约一百万倍的。很自然，这种增长必然使研究的本质发生深刻变化。在我们把实验的线度减小到百万分之一时，出现了惊人的结果：物理科学从经典物理学进入了量子物理学。实验设备的功率成百万倍地发生变化时，也必然会引起巨大的变革。物理学实验研究工作规模的突变本身是一种有趣的现象，这里我要略加叙述。

物理学进入大规模阶段，通常是和粒子加速器密切相关的。但也不全然如此，在加速器出现之前，就曾出现过许多未来发展所具有的那种特征：科学和工程密切相关，工作具有集体主义的特点，实验室归国际公用，实验室的专业集中于某一门技术，人员分成固定职工和访问学者等。海克·卡默林·昂内斯（1853～1926）在十九世纪末研究低温现象时所建立的实验室，就具有上述特点。

H.昂内斯（图11.1）生于荷兰的格罗宁根。他在当地求学，后又到德国的海德堡深造。他深受他那个时代的两位伟大的荷兰理论家——H.A.洛伦兹和J.D.范德瓦耳斯（J.D.van der Waals）的影响。昂内斯写过一篇关于付科摆的论文，1882年成为莱顿大学的物理学教授。后来他就一直在这所大学里工作，直到去世为止。在这里，他把毕生精力用于建立一个低温实验室。它后来在相当长的时间内，一直是世界第一流的实验室。

由于长期从事低温现象和获得低温的技术研究，卡默林·昂内斯在物理学和工程学方面都取得了许多重大成果。这个实验室一度非常活跃，以致于在这段时间内，需要办一份杂志用来报道该实验室所取得的成就。这份杂志后来就成了低温物理学家们的权威性刊物。1904年，卡默林·昂内斯就任莱顿大学校长。在他的就职演说里以及后来在他的诺贝尔奖演讲中，他都清楚地阐述了莱顿低温实验室的目标及其存在的问题。他对实验室存在的那些问题及其解决办法所持的观点，现在看来仍然是正确的，并且许多重要的国际实验室至今仍采纳他的这些意见。现在，不仅有致力于低温学的专门化国际实验室，还有许多致力于粒子加速器、强磁场生成、高通量核反应堆、天体观察和其它学科研究的专门化国际实验室。

图11.1　H.卡默林·昂内斯（1853～1926），莱顿低温实验室的奠基者。该实验室在许多年内一直是低温物理学的第一流实验室。在这个实验室里，形成了许多后来成为重要的国际实验室所具有的科学组织的特点

莱顿实验室的研究工作包括进行大量的测量工作。这些测量对于建立低温科学是非常重要的。它包括研究绝对零度附近的温标、比热、蒸汽压力和磁化率，还包括开发低温机械设备等工作。该实验室所取得的最大成就是在1908年实现了氦的液化。在对极低温度下物质性质的研究过程中，发现了许多引人注目的现象，最突出的是发现了超导性（1911年）——即在极低的温度下，水银和其它一些物质的电阻突然消失了（图11.2）。

图11.2　水银的电阻是温度的函数。在4.2°K时，由于出现了超导性，电阻突然消失了

即使卡默林·昂内斯所进行的工作确实是大规模物理学的第一个范例，但在莱顿实验室建立了许多年后才出现的加速器建造者们，对它却并不特别了解，也并未把它作为工作的楷模。