J.J.汤姆逊：促成卡文迪什学派崛起的先驱者（上）
程民治 朱仁义 王向贤
安徽巢湖学院物理与电子科学系
众所周知，创建于1871年而竣工于1874年的卡文迪什实验室，是20世纪世界著名的物理学研究中心。经过100多年的发展，以它为基地，孕育和兴起了一个现代物理学史上最具影响力的研究学派之一——卡文迪什学派。在推动着20世纪科学的突飞猛进的同时，这个实验室相继走出了25位诺贝尔奖金荣膺者。因此，100多年来，卡文迪什实验室不仅成了世界各国物理学家心目中的“麦加”（圣地），而且还成了全球科学史家们密切关注的焦点。从1885到1919年在汤姆逊任职期间，一个以卡文迪什为名的研究学派，第一次登上了历史的舞台。
一、因司图华特的影响献身物理学
汤姆逊于1856年12月8日生于英格兰曼彻斯特郊区齐山姆的一个出版商的家庭。14岁进入欧文学院学习。不久父亲病逝，仅靠微薄的奖学金维持学业。求学期间，因受该校一位颇有才气的物理学教授司图华特的影响，使他放弃了做一个工程师的打算，立志献身于物理学。1874年，年方18岁的汤姆逊，也正是在司图华特的指导下，完成了第一篇科学论文《绝缘体之间接触电的实验研究》。1876年，经考试合格并获得一份奖学金，汤姆逊成为剑桥大学三一学院的数学研究生。此后，他便在剑桥度过了一生。
1880年，他取得数学荣誉学位考试的第2名，次年便成为三一学院的研究员。由于对完全不可压缩流体中两个闭合旋涡相互作用的研究成果，1883年他荣获亚当斯奖金，因而当年就晋升为讲师。1884年春被选为英国皇家学会会员，随后转入卡文迪什实验室工作。
1884年12月22日，汤姆逊被剑桥大学评审委员会评为卡文迪什实验室教授，接替瑞利的主任职位。这一结果令所有人大为震惊，因为当时的汤姆逊年仅28岁，并且其他候选人绝大多数都是他在曼彻斯特或剑桥的老师。他之所以能够力敌群芳，在竞争中取胜，其主要原因包括：其一，他早期的研究路线主要集中于三个方面：亚当斯奖所要求的研究主题；麦克斯韦电动力学的数学发展；拉格朗日公式的动力学运用。其二，1884年12月他完成了精确测定电量的静电单位与电磁单位两数值之比（结果为2.997´1010cm/s）等实验研究。其三，评审者认为他是更加典型的剑桥风格的物理学家，因为在1880~1884年期间，他发表的10篇论文中绝大多数是数学物理学领域中的理论性文章。
1905年，汤姆逊又接替了瑞利担任皇家学院自然哲学教授，1906年，因对气体导电的理论和实验所作出的杰出贡献而荣获诺贝尔物理学奖；1915~1920年任英国皇家学会会长。1918年起担任三一学院院长，1919年他辞去卡文迪什实验室教授的职位，推荐他的学生卢瑟福作为继任者，而自己留在实验室，一如既往地从事研究工作，长达21年。1940年8月30日他在剑桥逝世，享年84岁。为了表彰他的卓越贡献，汤姆逊谢世后，他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大的科学家的骨灰安放在一起。
汤姆逊一生中最主要的贡献，除了精确地测定了电子的质荷比即发现了电子之外，还发明了研究极隧射线时发展起来的质谱方法。与此同时，他在担任卡文迪什实验室教授期间，还为实验室的进一步发展奠定了最厚实的基础。其中一个没有引起人们高度重视乃至疏忽的卓著业绩，就是他在主持实验室期间，逐步酝酿培育形成了一个卡文迪什学派。
汤姆孙以他超群的才干征服了剑桥大学的评审委员会，入主卡文迪什实验室的。这对他而言，既是一种莫大的荣誉，又是一种巨大的压力。为了继承和发展卡文迪什实验室的事业，他必须以他的二位前任麦克斯韦和瑞利勋爵为楷模，并针对自己在实验、教学和管理等方面所存在的缺陷，重新调整自己的角色。
卡文迪许实验室
首先汤姆逊实现了从数学家向实验物理学家的角色转变。汤姆逊的这种角色转换过程，是以他对卡文迪什实验室宗旨的继承，并力图对麦克斯韦电磁理论进行实验证明的研究开始的。他在经反复实验准确地测定了如上所述的关于电量的静电单位与电磁单位两数值之比的基础上，又于1886年同纽沃尔一起，试图通过实验研究介质中的替代电流的连续性问题,证明麦克斯韦电磁理论。虽然他们的研究被赫兹1887年的实验结果（电磁波的传播速度与光速有相同的数量级）所中断，使其丧失了在剑桥证明麦克斯韦理论的机会，但赫兹的结论在卡文迪什依然受到欢迎。
在1890年前后，训练有素并已经积累了大量的实验研究经验的汤姆逊，开始将探索的目光转向了气体导电，并将这一研究课题作为他和实验室当时的主攻方向。此后，汤姆逊就逐步地成长为一名合格的理论和实验物理学家。
其次汤姆逊实现了从单一的研究型学者向集教学与管理于一身的角色的转变。曾担任卡文迪什实验室主任的麦克斯韦，始终坚持实验室教学与实验相结合的研究。汤姆逊为了弥补上任之初缺乏教学经验的劣势，在教学中勇于挑重担。他不但给研究生讲专业课，还给本科生开设基础物理课。在1884~1895年连续11个春秋中，他坚持每学年给学生讲授四到七门课。其教学工作量既远远超过了当时剑桥“每两学期中至少开一门课”的规定，也大大超出了两位前任每学年只分别上两至三门课的任务。因为在汤姆逊看来，“讲课对于一个研究人员极为有益，可促使自己重新考查基本概念。”同时，“他讲课时既热情，又严格，思维敏捷并富有启发性。”不仅如此，“他常以改进大学和中学的物理教学而自娱”。他对卡文迪什实验室的课程设置进行了一定的改革。将以往的学位考试课程一分为二，分别增设了针对物理专业学生的数学课以及数学学位考试中的实验演示内容，起到了十分良好的教学效果。
1895年，汤姆逊在系统地总结了他多年的“电磁学”和“物理专业学生的数学”授课经验的基础上，出版了一本专著《电磁学的数学理论基础》。后又与他的密友坡印廷合作，写了好几部出色的教科书。
特别值得一提的是，随着教师队伍的不断壮大和实验演示人员数量的日趋增加，教材的需求量问题变得十分突出。为了使卡文迪什的实验传统（麦克斯韦倡导的精确测量的传统）得到进一步的加强，并形成自己的特色。在汤姆逊的领导尤其是在他的身传言教下，各种物理实验教材层出不穷，有些甚至不断再版。这些教材所编排的实验具有鲜明的典型性和代表性，可操作性和应用性也极强。不仅可以直接在课堂上帮助老师和学生们进行教学活动，而且还可使学生得到良好的系统训练。
在汤姆逊入主卡文迪什实验室之初，由于改变了招生对象，该实验室不再是过去那种数学学位考试一等及格者云集的中心，从而使1884~1895年间生源结构发生了很大的变化（倾向实验研究的学生大幅度增多，而最具潜力的学生却不断减少），这就直接导致了实验室在此期间没有形成一种占支配地位的核心研究计划。即便是这样，由此却引起了另一个值得关注的变化，即学生在汤姆逊指点、启发与辅导下的研究论文数量在增加，很多发表的论文中都提到“汤姆孙教授的建议”。
尽管汤姆逊此时已经完成了向教师角色的转换，但在卡文迪什实验室的管理方面，所遇到的各种各样的困难，则是他无法回避和一时难以应付的。令汤姆逊深感幸运的是，事情出现了一个非常好的转机：他的前辈格拉茨布鲁克和老师肖，这两位曾经协助过瑞利参与实验室的管理工作的著名学者，在汤姆逊正式当选后，他俩也先后都被安排到合适的岗位上，并且各自很快调整好了原先落选时的低落情绪（其中格拉茨布鲁克情绪更沮丧），依然一如既往地对卡文迪什实验室的研究工作尤其是在管理方面进行了必要的指导。更为关键的是他俩凭借自己在剑桥的资历、地位和良好的人际关系，与汤姆逊并肩共同捍卫了卡文迪什实验室的利益。例如，剑桥1896年6月召开的校务委员会的一个重要讨论会，汤姆逊当时没有资格参会，正是肖为卡文迪什实验室的扩建而进行了积极的争取。
此时的汤姆逊虽然完成了由数学家向实验物理学家的角色转变，但与卡文迪什实验室的要求相比较，他的实验才能还显得有些不足。据此，他聘请了一位私人助手埃文雷特。在他的整个任期内，埃文雷特在其所有的研究中，都给予了汤姆逊“最有价值和富有能力的帮助”。汤姆逊在实验室的人事安排、资金的筹措、仪器设备的生产与配备，以及如何奖励那些做出突出贡献的研究人员和极具天赋的学生等方面，均采取了一些卓有成效的措施，藉以确保课程改革的顺利实施和卡文迪什实验室的健康、稳步地向前发展。
为了保证卡文迪什实验室的非智力因素的长盛不衰，汤姆逊竭尽全力、想方设法，营造了一个极其活跃而又生动活泼的学术氛围和软环境。首先在他的提议下，该实验室成立了“卡文迪什物理学会”，围绕着当时物理学前沿的最新进展进行讨论，任何人都可以对自己感兴趣的问题发表见解，他们也可以把自己即将发表的论文拿出来与他人共同商讨。其次是采纳了汤姆逊夫人的建议，从1895年起，在学会开始讨论之前，由她安排和主持“茶时”聚谈。由于采取了这种相互切磋的自由方式，既可以使研究者达到彼此之间充分的互动，又可以使他们与外来的访问学者相互熟悉。在汤姆逊的以身作则和率领下，麦克斯韦所倡导的第三个传统——在实验室推行民主学风，也得到了进一步的发扬光大。
截至1894年止，肩负重任、承受着巨大压力的汤姆逊，终于历时10年，逐步完成了自己的角色转换。这种复合型学者的形成，不仅是他与卡文迪什实验室同步发展的客观要求和必然结果，更为一个可以称之为学派的研究集体的出现，奠定了坚实的基础。（未完待续）
本文选自《现代物理知识》2010年第5期 时光摘编
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