1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

2024年3月5日發(fā)(作者：我是貓貓)

1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1978年物理學(xué)獎(jiǎng)，由三位物理學(xué)家獲得，他們是前蘇聯(lián)的彼得·卡皮查（Peter a）（獲得獎(jiǎng)金的一半）和美國(guó)的阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert ）（分享另一半獎(jiǎng)金）。卡皮查建成了液化氮的新裝置，證實(shí)氮亞超流低溫物理學(xué)。彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了宇宙背景微波輻射。

彼得·卡皮查（Peter Leonidovich Kapitsa，1894—1984），出生于俄羅斯圣彼得堡附近的喀瑯施塔得，父親是一位軍事工程師，母親從事高等教育工作。1918年畢業(yè)于列寧格勒工學(xué)院，在列寧格勒（圣彼得堡）科技研究所電機(jī)研究室約飛領(lǐng)導(dǎo)的小組工作。1919年，對(duì)卡皮查來說是災(zāi)難之年，他的父親、妻子和兩個(gè)孩子先后在傳染病中去世，對(duì)他造成了重大打擊。1921年，在約飛的推薦下，卡皮查輾轉(zhuǎn)來到英國(guó)，爭(zhēng)取到了進(jìn)入卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行研究的寶貴機(jī)會(huì)。其間，由于他在產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)和超低溫方面的研究工作出色，被推舉為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1934年，在他一年一度回蘇聯(lián)探親后，便沒有返回英國(guó)。此后他一直留在蘇聯(lián)從事研究工作，直至1984年逝世。

1918年—1921年，卡皮查在約飛手下工作期間表現(xiàn)出色，他與謝苗諾夫（v，1956年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）合作，提出一種方法：用非均勻磁場(chǎng)干擾原子，以確定原子的磁矩。這個(gè)方法不久后在斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)中得到了進(jìn)一步完善。1923年，卡皮查在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作期間，做成1

了一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，把云室置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，觀察到了粒子受磁場(chǎng)作用徑跡發(fā)生的彎曲。1924年，卡皮查又提出一些能獲得更強(qiáng)磁場(chǎng)的方法，得到了盧瑟福的大力支持，并被任命為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室磁學(xué)研究的助理主任。卡皮查用脈沖方法獲得了高達(dá)32T的強(qiáng)磁場(chǎng)。此后他對(duì)磁致伸縮等現(xiàn)象進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，1928年，發(fā)現(xiàn)置于極強(qiáng)磁場(chǎng)中的各種金屬的電阻與磁場(chǎng)強(qiáng)度的線性關(guān)系。

接著，卡皮查把注意力轉(zhuǎn)移到低溫物理學(xué)，他對(duì)荷蘭萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室和卡末林-昂內(nèi)斯的研究進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一套高效率的氦液化器。盧瑟福非常器重卡皮查，為他創(chuàng)造盡可能好的條件。1929年，推薦他為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)第一個(gè)外籍研究員，并以英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的名義專門建立了一所研究強(qiáng)磁和低溫的實(shí)驗(yàn)室——蒙德（Mond）實(shí)驗(yàn)室，以使卡皮查能充分發(fā)揮專長(zhǎng)。卡皮查在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室成了重要的科研人員，不斷創(chuàng)造出新的成果。

卡皮查每年夏季都回蘇聯(lián)莫斯科探望母親（他唯一的至親），1934年，卡皮查又一次回到莫斯科探親并參加一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，從此便留在了蘇聯(lián)。這對(duì)盧瑟福和卡文迪什實(shí)驗(yàn)室無疑是一個(gè)意想不到的打擊，因?yàn)榈蜏睾痛艑W(xué)的研究顯然會(huì)因此受到影響。后來，當(dāng)盧瑟福得知卡皮查安然無恙，并被任命為蘇聯(lián)科學(xué)院物理研究所所長(zhǎng)時(shí)，毅然應(yīng)允把卡皮查在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室使用的全套設(shè)備運(yùn)往莫斯科，以便讓卡皮查繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)研究。蘇聯(lián)政府則相應(yīng)地給卡文迪什實(shí)驗(yàn)室一定的財(cái)政補(bǔ)償。這件事情說明了，盧瑟福沒有因?yàn)樯鐣?huì)制度不同對(duì)蘇聯(lián)采取敵視態(tài)度，而是從科學(xué)事業(yè)出發(fā)，盡可能保證2

卡皮查的科研工作不受影響，表現(xiàn)出難能可貴的人格與品質(zhì)。對(duì)此，卡皮查深為感激。

卡皮查回到莫斯科后，利用從英國(guó)運(yùn)回的設(shè)備繼續(xù)從事強(qiáng)磁場(chǎng)和低溫物理方面的研究。他最有名的工作與溫度極低的液態(tài)氦有關(guān)，這是一個(gè)首先由卡林-翁納斯提出的課題。卡皮查是研究氦Ⅱ奇異特性的科學(xué)家之一（氦Ⅱ是指在絕對(duì)零度和2.22K之間的氦）。他指出，氦氦Ⅱ的粘滯性僅為氫在常溫常壓下的千分之一（氫是粘滯性最小的氣體），因此流動(dòng)起來比氣體還順暢。1941年，卡皮查關(guān)于氦Ⅱ的論文在莫斯科發(fā)表，此后，這方面的研究工作由朗道繼續(xù)進(jìn)行。

第二次世界大戰(zhàn)期間，卡皮查曾企圖從丹麥營(yíng)救他的老朋友玻爾，可是英國(guó)人捷足先登。此后，蘇聯(lián)政府曾想讓卡皮查加入研究核武器的工作，卡皮查經(jīng)過冷靜思考后拒絕了這項(xiàng)工作。戰(zhàn)后，他非常積極地從事空間研究。20世紀(jì)50年代，卡皮查把部分精力轉(zhuǎn)移到球型閃電上。這是一種使人迷惑的現(xiàn)象，在球型閃電內(nèi)部，等離子體（一種高能氣體，其中原子和分子都已離解成帶電的碎片）維持的時(shí)間比一般設(shè)想的要長(zhǎng)得多。卡皮查的分析涉及到駐波，即互相增強(qiáng)、并能維持一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的波的序列。

1978年10月17日，瑞典皇家科學(xué)院從斯德哥爾摩致電蘇聯(lián)莫斯科物理問題研究所，電文中講到：“親愛的卡皮查院士：瑞典皇家科學(xué)院今天決定將1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分成兩部分，其中一部分頒發(fā)給您，以表彰您在低溫物理學(xué)領(lǐng)域中根本性的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。”此時(shí)，卡皮查已經(jīng)84歲高齡，而他為之獲獎(jiǎng)的工作，卻是在將近40年前做出的。諾貝爾評(píng)3

獎(jiǎng)委員會(huì)的這一舉動(dòng)，更像是一次遲來的追任，這與此前獲獎(jiǎng)的前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道的情況有些相似。于是，人們?cè)谶@一年的獲獎(jiǎng)人物和成就中，罕見地看到了在物理學(xué)上幾乎沒有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)獨(dú)立的貢獻(xiàn)。（后附：卡皮查的傳奇經(jīng)歷）

阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias，1933—），出生于德國(guó)的慕尼黑。7歲時(shí)隨父親移居美國(guó)，是1939年二戰(zhàn)爆發(fā)前最后一批逃離納粹德國(guó)的難民。中學(xué)畢業(yè)后就讀于紐約市立學(xué)院物理學(xué)專業(yè)，1954年畢業(yè)后在陸軍通訊兵團(tuán)服役。兩年后，彭齊亞斯進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)讀研究生，成為著名物理學(xué)家拉比的助手，后隨湯斯作論文，題目就是為射電天文實(shí)驗(yàn)建造微波激射放大器。1958年獲得碩士學(xué)位，1962年獲得博士學(xué)位。1961年，任職于新澤西州霍姆代爾附近的克勞福德山的貝爾電話公司，從此開始對(duì)射電天文學(xué)的研究。1964年，彭齊亞斯和同在貝爾電話公司工作的威爾遜，使用一架為早期通訊衛(wèi)星設(shè)計(jì)的天線，接收到了來自天空的均勻且不隨時(shí)間變化的訊號(hào)。1965年，他們二人在《天體物理學(xué)報(bào)》上發(fā)表了題為《在4080兆赫上額外天線溫度的測(cè)量》的論文，宣布了這個(gè)新發(fā)現(xiàn)。隨后，普林斯頓大學(xué)的狄克等人在同一雜志上解釋道，這就是宇宙背景微波輻射。宇宙背景微波輻射的發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸理論提供了有力證據(jù)。

羅伯特·伍德羅·威爾遜（Robert Woodrow Wilson，1936—），生于得克薩斯州的休斯敦。他從小就對(duì)電子學(xué)有興趣，會(huì)裝配收音機(jī)和電視機(jī)。中學(xué)畢業(yè)后進(jìn)入賴斯大學(xué)學(xué)習(xí)，由于少年時(shí)期對(duì)電子學(xué)的愛好，他起初攻讀電機(jī)工程學(xué)，后4

來改讀物理學(xué)，成績(jī)優(yōu)秀，1957年獲得學(xué)士學(xué)位。1962年，他以射電天文學(xué)方面的論文獲得加州理工學(xué)院的哲學(xué)博士學(xué)位。次年成為射電天文學(xué)研究員，進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室，在那里開始了和彭齊亞斯的合作。當(dāng)時(shí)的貝爾實(shí)驗(yàn)室是著名的美國(guó)電報(bào)電話公司（AT&T）屬下的研究機(jī)構(gòu)，由電話的發(fā)明人、美國(guó)著名的科學(xué)家貝爾創(chuàng)建。這里擁有最先進(jìn)的儀器設(shè)備，產(chǎn)生過許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明，網(wǎng)羅了一大批一流的科學(xué)家和技術(shù)專家，先后有十多名獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家在此工作。一般企業(yè)的研究機(jī)構(gòu)只允許研究人員從事與本企業(yè)產(chǎn)品有關(guān)的研究課題，要服從企業(yè)經(jīng)營(yíng)的需要，并對(duì)外進(jìn)行技術(shù)保密。而貝爾實(shí)驗(yàn)室則截然不同，它為從事科學(xué)研究創(chuàng)造了最適宜的氛圍，努力讓科學(xué)家在沒有設(shè)定的框框下進(jìn)行研究，允許研究人員從事與企業(yè)經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目無關(guān)的研究課題，甚至是一些基礎(chǔ)科學(xué)和理論學(xué)術(shù)性的課題，為其提供大量經(jīng)費(fèi)。威爾遜后來?yè)?dān)任貝爾電話實(shí)驗(yàn)室無線電物理部的主任。該部有14個(gè)人，他們除了從事射電天文學(xué)的研究外還從事微波固體器件、集成電路方面的研究。威爾遜對(duì)通過毫米波測(cè)量星際分子來研究銀河系中的暗物質(zhì)非常感興趣。

1963年初，彭齊亞斯和威爾遜把一臺(tái)衛(wèi)星通訊接收設(shè)備改為射電望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行射電天文學(xué)的研究。原有設(shè)備是1960年為接收從“回聲”衛(wèi)星上反射回來的信號(hào)而建造的。他們改裝成的射電望遠(yuǎn)鏡主要由天線和輻射計(jì)組成。喇叭型反射天線寬約6米，由一個(gè)逐漸擴(kuò)展的方形波導(dǎo)管（相當(dāng)于喇叭）和一個(gè)扇形旋轉(zhuǎn)拋物面反射器組成。喇叭的頂點(diǎn)跟拋物面的焦點(diǎn)重合，沿著拋物面軸線傳播的平面波，聚焦到頂點(diǎn)的輻5

射計(jì)接收。測(cè)量輻射強(qiáng)度所用的輻射計(jì)安放在喇叭頂端的小室內(nèi)，以減小噪聲。他們裝備了噪聲最低的紅寶石微波激射器，因此靈敏度有了保證。在正式工作之前，必須精確測(cè)量天線本身和背景的噪聲，為此他們把天線與一個(gè)參考噪聲源相比較。他們采用液氦致冷的一段波導(dǎo)管作為參考噪聲源，能產(chǎn)生確定功率的噪聲。由于這樣的參考噪聲源的功率只由平衡熱輻射的特性決定，因此可取為噪聲的基準(zhǔn)。噪聲功率一般用等效溫度來表示。比較的結(jié)果是：總的天線溫度測(cè)量值的誤差估計(jì)是0.3K，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在天頂處所測(cè)得的總天線溫度是6.7±0.3K。根據(jù)他們第一次公布的數(shù)據(jù)，可以看到他們對(duì)天線各項(xiàng)噪聲的等效溫度作了具體分析：大氣輻射溫度為2.3±0.3K，天線和波導(dǎo)器件損耗溫度為0.8±0.14K，背瓣溫度小于0.1K。這樣算來，天線的等效噪聲溫度只有3.2±0.7K。把總的天線溫度6.7±0.3K減去上述各項(xiàng)噪聲源的溫度，得到3.5±1K。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，多余溫度值3.5K遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)誤差1K，如果找不到原因并加以消除，他們是無法進(jìn)行下一步的測(cè)量計(jì)劃的。

此后，他們用了差不多一年的時(shí)間，耐心地尋找和分析可能產(chǎn)生多余溫度的原因：會(huì)不會(huì)是銀河系外離散源與銀河系對(duì)天線產(chǎn)生了這一多余的溫度？經(jīng)過反復(fù)測(cè)試排除了這一可能性。會(huì)不會(huì)是地面來的噪聲？不會(huì)，他們以精確的實(shí)驗(yàn)證明，背瓣的噪聲值非常之低。于是他們只好把天線本身看作是多余噪聲的來源。他們清洗和準(zhǔn)直各部件之間的接頭，在喇叭的鉚接處貼上鋁帶以減小損耗，這樣做僅僅使天線溫度略有降低，不影響總的結(jié)果。甚至他們還注意到有一對(duì)鴿6

子棲息在喇叭的喉部，于是馬上趕走鴿子。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)喇叭喉部?jī)?nèi)表面有一層鴿子糞便時(shí)，他們認(rèn)為總算找到了原因。于是，1965年初，他們拆開整個(gè)設(shè)備清洗。可是，多余的天線溫度還是沒有降低多少。

彭齊亞斯與威耳遜感到非常沮喪，實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密和精確已經(jīng)達(dá)到了力所能及的極限，還找不到天線多余溫度的原因。正在這時(shí)，實(shí)驗(yàn)站附近的普林斯頓大學(xué)有一位實(shí)驗(yàn)天體物理學(xué)家迪克（）領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)小組也在開展一項(xiàng)探索性的研究。他設(shè)想是否可能存在由宇宙早期的熾熱高密度時(shí)期殘留下來的某種可觀測(cè)的輻射。迪克的猜測(cè)建立在宇宙“振蕩”理論的基礎(chǔ)上，即認(rèn)為宇宙是反復(fù)地膨脹和收縮的。他猜想宇宙在“振蕩”過程中會(huì)留下可觀測(cè)的背景輻射并建議羅爾（）和威爾金森（son）進(jìn)行觀測(cè)。羅爾和威爾金森在普林斯頓大學(xué)的帕爾末（Palmer）物理實(shí)驗(yàn)室的屋頂上，動(dòng)手建造輻射計(jì)和喇叭天線，以尋找這種宇宙背景輻射。迪克還建議皮布爾斯（s）對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行理論分析，研究宇宙背景輻射測(cè)量結(jié)果的宇宙學(xué)意義。皮布爾斯于1965年3月寫出論文。他還在約翰·霍普金斯大學(xué)作過一次演講，闡述了這種想法和推論。

1965年春的一天，彭齊亞斯和麻省理工學(xué)院的射電天文學(xué)家伯克（）通電話，順便談及他們難于解釋的多余噪聲溫度。伯克想起在卡內(nèi)基研究所工作的一個(gè)同事圖涅耳（）曾談起聽過皮布爾斯的演講，于是建議彭齊亞斯與普林斯頓大學(xué)的迪克小組聯(lián)系，可能他們對(duì)這架天線接收到的難以理解的結(jié)果會(huì)有一些有趣的想法。彭齊亞斯與迪7

克通了電話，迪克首先寄來了一份皮布爾斯講演稿的預(yù)印本，接著迪克及其同事訪問了克勞福德山，察看了彭齊亞斯和威耳遜的天線設(shè)備，并一起討論了測(cè)量的結(jié)果。迪克小組相信彭齊亞斯和威耳遜的測(cè)量精度，認(rèn)為他們測(cè)量到的正是要尋找的宇宙背景微波輻射。于是，雙方同時(shí)在《天體物理雜志》上發(fā)表了自己的簡(jiǎn)訊。一篇是迪克小組的理論文章“宇宙黑體輻射”，另一篇是彭齊亞斯和威爾遜的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。彭齊亞斯和威爾遜宣稱：“有效的天頂噪聲溫度的測(cè)量，得出一個(gè)比預(yù)期高約3.5K的值。在我們觀察的限度以內(nèi)，這個(gè)多余的溫度是各向同性的、非偏振的，并且沒有季節(jié)的變化。”

上述兩篇簡(jiǎn)訊發(fā)表以后，引起了極大的反響。人們期待進(jìn)一步確認(rèn)天線的多余溫度就是真正來自宇宙的背景輻射。關(guān)鍵是要分析這一輻射的特征，看測(cè)量結(jié)果是否與預(yù)言相符。據(jù)理論分析，熱平衡輻射應(yīng)是各向同性的而且不同頻率的輻射能量密度分布應(yīng)服從普朗克定律。各向同性已基本上被彭齊亞斯和威爾遜的觀測(cè)初步證實(shí)了，因此檢驗(yàn)這種輻射在不同波長(zhǎng)的能量密度是否符合普朗克分布定律，是對(duì)天線的多余溫度問題是否涉及到宇宙起源的重要證據(jù)。

1965年12月，迪克小組的羅爾和威爾金森完成了他們?cè)?.2cm波段的測(cè)量，結(jié)果是3.0±0.5K。不久，豪威爾（）和謝克沙夫特（haft）在20.7cm上測(cè)得2.8±0.6K，隨后彭齊亞斯與威耳遜在21.1cm上測(cè)得3.2±1K。但從3K黑體分布曲線看出，輻射強(qiáng)度高峰在波長(zhǎng)為0.1cm附近。而以上測(cè)量都在波長(zhǎng)較長(zhǎng)的范圍進(jìn)行，故只有取得比0.1cm更短的波長(zhǎng)處的測(cè)量值，才能充分說明宇宙8

背景輻射是否符合普朗克分布。這個(gè)頻段的實(shí)驗(yàn)要在高空進(jìn)行，因?yàn)?.1cm處于遠(yuǎn)紅外范圍，大氣對(duì)它的吸收強(qiáng)烈，因而不能在地面上觀察。康涅爾大學(xué)的火箭小組和麻省理工學(xué)院的氣球小組分別進(jìn)行了觀測(cè)，于1972年證實(shí)在遠(yuǎn)紅外區(qū)域背景輻射有相當(dāng)于3K的黑體分布。

1975年，伯克利加州大學(xué)伍迪（）領(lǐng)導(dǎo)的氣球小組確定，從0.25cm到0.06cm波段背景輻射也處于2.99K溫度的分布曲線范圍內(nèi)。觀測(cè)數(shù)據(jù)已肯定宇宙微波背景輻射有大約3K的黑體譜。至此，3K宇宙背景輻射已得到了確認(rèn)，這大大地推動(dòng)了宇宙學(xué)的進(jìn)展。

附：卡皮查的傳奇經(jīng)歷

卡皮查曾說過：“人可以分成三類：一些人站在前列，把他們的能力用于推進(jìn)科學(xué)、文化和人類的發(fā)展——他們是進(jìn)取者。另一些人占絕大多數(shù)，他們?cè)谝慌耘c進(jìn)步同行，沒有干預(yù)也沒有幫助進(jìn)步。最后一類人則站在后面，躊躇不前、保守、怯懦而且沒有想象力。”毫無疑問，在這種分類中，卡皮查當(dāng)之無愧屬于第一類人中的佼佼者。

1916年，卡皮查在《俄國(guó)物理和化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊》上發(fā)表了一篇題為“渥拉斯頓纖維的制備“的論文。他一反傳統(tǒng)，采用電解的方法對(duì)制備的工藝進(jìn)行了改進(jìn)。這項(xiàng)工作首次展示了卡皮查在工藝方面的出眾才華。除此之外，他還采用了一種異常簡(jiǎn)單的方法來制造很細(xì)的石英纖維：僅僅用一張弓把蘸了熔化石英的箭射到一塊天鵝絨上，石英纖維就隨之在9

空氣中凝固。對(duì)此技藝，他自己非常得意，在后來經(jīng)常對(duì)學(xué)生們津津樂道。

1918年，卡皮查大學(xué)畢業(yè)，留在圣彼得堡工學(xué)院物理和力學(xué)系任講師，同時(shí)也成為約飛在該城建立的物理技術(shù)研究所中的研究人員，他與約飛的關(guān)系也愈發(fā)密切。此時(shí)，國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)日益困難，到秋天時(shí)，每日配給的面包只有50克，根本填不飽肚子，冬季幾乎沒有燃料取暖，一部分教授和講師紛紛移居國(guó)外。就是在這樣的情況下，約飛仍然設(shè)法留住了包括卡皮查在內(nèi)的一批優(yōu)秀弟子，并表組織和主持了一個(gè)研討班。在研討班上，他們討論各種物理問題，大家毫無拘束地交流各自的觀點(diǎn)，經(jīng)常持續(xù)到深夜。其中，弗倫克耳曾詳盡地介紹了英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福（ford）在原子核研究方面的驚人發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)卡皮查絕對(duì)沒有想到自己未來會(huì)與這位偉人結(jié)下不解之緣。

1919年，卡皮查提出一個(gè)設(shè)想，可以用彎曲的晶體來使X光束聚焦。直到10多年后，才又有人在似乎不知道卡皮查論文的情況下，描述了同樣的想法并付諸實(shí)施。1920年，卡皮查和他的同事謝苗諾夫（v，1956年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者）一道提出了一個(gè)用實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)量原子磁矩的設(shè)想：在原子束通過一個(gè)很強(qiáng)的非均勻磁場(chǎng)時(shí)，觀察原子束的離散情況。這篇文章直到1922年才發(fā)表，但在從文章送交到發(fā)表之前的這段時(shí)間里，德國(guó)物理學(xué)家斯特恩（，后入美國(guó)籍）和格拉赫（h）也提出了本質(zhì)基本相同的方法，并付諸實(shí)驗(yàn)。由于這一實(shí)驗(yàn)為空間的量子化提供了證明，1943年，斯特恩獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盡管卡皮查的10

這些想法是領(lǐng)先和獨(dú)創(chuàng)性的，但由于當(dāng)時(shí)俄國(guó)國(guó)內(nèi)物資極度匱乏，不僅沒有必要的工具和儀器，甚至連普通的裸線都很難弄到。因此，卡皮查未能及時(shí)把這些想法變成現(xiàn)實(shí)也就不足為奇了。當(dāng)然，這是很令人遺憾的。

就在此時(shí)，一場(chǎng)災(zāi)難降臨到卡皮查的頭上。先是他的兒子患猩紅熱去世，緊接著，他的妻子和女兒雙雙死于正在肆虐的西班牙（起源于美國(guó)）流感。大約與此同時(shí)，他的父親也死于流感。這一連串的打擊使卡皮查悲痛俗絕，無法繼續(xù)正常的工作，也徹底改變了他后來的生活道路。

1920年11月，約飛成為俄國(guó)科學(xué)院院士。在他的努力下，一個(gè)名為“蘇聯(lián)科學(xué)院恢復(fù)與其它國(guó)家聯(lián)系委員會(huì)”的機(jī)構(gòu)成立了。委員會(huì)的另一位重要成員是著名的航海工程師和應(yīng)用數(shù)學(xué)家克里洛夫（）院士，他后來成了卡皮查的第二任岳父。這個(gè)機(jī)構(gòu)可以自由地用外幣在國(guó)外購(gòu)買科學(xué)儀器，并得到據(jù)列寧專門指示而撥出的一筆專款。不過，此機(jī)構(gòu)另一項(xiàng)不公開的任務(wù)是向國(guó)外的學(xué)者們解釋在新制度下蘇聯(lián)的科學(xué)政策。約飛和克里洛夫都相當(dāng)器重卡皮查的科學(xué)天賦，他們讓卡皮查加入機(jī)構(gòu)，希望到海外旅行或許能幫他擺脫痛苦。但是，當(dāng)時(shí)德國(guó)、法國(guó)和荷蘭等國(guó)都不愿冒險(xiǎn)接納一個(gè)或許是共產(chǎn)主義鼓動(dòng)者的年輕人，所以，1921年3月，約飛只好先行到了柏林。在那里，經(jīng)過一番疏通，約飛為卡皮查搞到了去英國(guó)的簽證。同年5月，卡皮查終于乘船到達(dá)了他的第二故鄉(xiāng)英國(guó)。

1921年6月初，卡皮查等到了從漢堡乘船前來倫敦的約飛，他們一同開始了在英國(guó)的科學(xué)訪問。6月12日，他們?cè)L11

問在劍橋工作的物理學(xué)家盧瑟福時(shí)，受到了熱烈歡迎。盧瑟福是一個(gè)名望卓著的物理學(xué)家。在他所取得的成就中，三項(xiàng)最重要是：提出放射性元素衰變理論、提出原子有核結(jié)構(gòu)模型，以及用粒子轟擊某些元素而實(shí)現(xiàn)人工核嬗變。當(dāng)時(shí)，在盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)下的劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，也成為世界上實(shí)驗(yàn)放射性研究、原子物理學(xué)和原子核物理學(xué)研究的中心。

卡皮查自然希望能有機(jī)會(huì)在此繼續(xù)深造，并一展身手。約飛對(duì)此也沒有意見。關(guān)于卡皮查進(jìn)入卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)過，有一種說法廣泛流傳：當(dāng)時(shí)盧瑟福說，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)過分擁擠，無法再接受卡皮查的申請(qǐng)。讓盧瑟福驚訝的是，卡皮查機(jī)智地問了一個(gè)似乎不相干的問題：“在您的實(shí)驗(yàn)中誤差通常是多少？”盧瑟福回答說：“大約百分之二到百分之三。”卡皮查馬上指出，卡文迪什現(xiàn)有大約30個(gè)研究人員，再多一個(gè)人也不會(huì)被注意到，因?yàn)檫@是在誤差范圍之內(nèi)！就這樣，卡皮查說服盧瑟福將自己留下。一年后，當(dāng)卡皮查再次問盧瑟福為什么接納他時(shí)，盧瑟福爽朗地笑道：“我也不知道當(dāng)時(shí)為什么同意，但我很高興這樣做了。”

新來卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的人，通常要在查德威克（ch）的指導(dǎo)下進(jìn)行一兩個(gè)月的工作實(shí)踐，以熟悉各種相關(guān)的技能，但由于卡皮查的刻苦勤奮和技能超群，只用了兩個(gè)星期，查德威克就很滿意地讓他通過了課程。當(dāng)然，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，對(duì)卡皮查影響最大的還是盧瑟福本人，這一點(diǎn)在他從劍橋寄給母親的信中有過十分清楚的表達(dá)。1921年8月，他寫道：“……昨天我初次就一個(gè)科學(xué)研究課題和盧瑟福教授談了話。他很和藹，把我?guī)У搅怂姆块g，并12

給我看他的儀器。盡管他有時(shí)暴躁，但他肯定有某種吸引人之處。”在10月份，卡皮查寫到：“……盧瑟福對(duì)我越來越親切。他見到我時(shí)，便向我點(diǎn)頭致意，并詢問我的生活情況，但我有點(diǎn)害怕他。我正好在他的書房隔壁工作，這很不妙，因?yàn)槲椅鼰煴仨氁⌒模绻吹轿易炖锏鹬鵁煻罚强删驮懔恕２贿^感謝上帝，他走路腳步很重，我可以從腳步聲中區(qū)分是他還是別人。”卡皮查在聽盧瑟福和查德威克等人講課的同時(shí)，在盧瑟福的建議下，于8月初就開始了對(duì)α粒子能量變化的研究。這典型地屬于盧瑟福本人感興趣的研究課題。以前人們通過對(duì)α粒子穿過磁場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)來進(jìn)行測(cè)量，但無法測(cè)量低能粒子。卡皮查的辦法是：采用靈敏的博伊斯（Boys）輻射微熱計(jì)，通過測(cè)量α粒子穿越物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)來研究其能量損耗。這個(gè)方案驚人迅速地獲得了成功的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)室中，由于輻射微熱計(jì)極其靈敏，甚至可以探測(cè)到大約二公里外一只蠟燭的火焰，對(duì)百萬(wàn)分之一度的升溫就有反應(yīng)，所以它要求使用者具有超乎尋常的技能。而卡皮查卻巧妙地避免了任何會(huì)淹沒實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏離效應(yīng)。9個(gè)月后，他就完成了一篇論文，經(jīng)盧瑟福審閱，很快發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊》上。此時(shí)，卡皮查可以說真正成了盧瑟福學(xué)派中的一員。這篇論文的開頭標(biāo)明為：第一部分！然而，再?zèng)]有什么第二部分問世。因?yàn)榭ㄆげ榈念^腦已完全為另一個(gè)新想法所占據(jù)。這就是，通過測(cè)量α粒子在磁場(chǎng)中軌跡曲率的變化來研究α粒子速度沿軌道各點(diǎn)的變化。

問題在于，α粒子質(zhì)量較大，現(xiàn)有的磁場(chǎng)不足以使其軌道充分彎曲。在用螺線管產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，由于電磁產(chǎn)生的熱13

效應(yīng)，當(dāng)電流超過一定強(qiáng)度，就會(huì)將螺線管燒毀，即使采用冷卻的方法，技術(shù)上也有無法克服的困難。卡皮查對(duì)解決這一困難的新奇想法是，在百之幾秒時(shí)間內(nèi)給螺線管通很大的電流，產(chǎn)生強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，由于通電時(shí)間短，電流所生的熱不會(huì)破壞線圈。盧瑟福當(dāng)即對(duì)此想法產(chǎn)生了興趣，并認(rèn)為它會(huì)成功。于是，卡皮查用一個(gè)低容量的蓄電池作為電源，通過讓其和一個(gè)螺線管短路來獲得脈沖磁場(chǎng)。在花去了盧瑟福150磅的費(fèi)用后，僅僅在1922年11月，他就已取得了滿意的成果。

一張有三條曲線的照片擺在面前，這三條曲線就是α粒子在磁場(chǎng)中的軌跡。盧瑟福對(duì)這三條曲線異常欣喜，實(shí)驗(yàn)室的許多其他人也來參觀照片，贊不絕口。由于這項(xiàng)出色的工作，卡皮查在劍橋的地位得到鞏固。1923年1月，他被正式認(rèn)可為攻讀博士的研究生，時(shí)間從1921年10月算起，考慮到他在俄國(guó)的工作，又減免了一年的學(xué)習(xí)期限。這樣，在1923年6月14日，卡皮查以題為《α粒子在物質(zhì)中的穿越和產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法》的論文獲得博士學(xué)位。不過，這也是他最后一項(xiàng)在盧瑟福專長(zhǎng)的原子核物理學(xué)領(lǐng)域的研究工作了。他在寫給母親的信中講：“遇到盧瑟福時(shí)，我問道：‘盧瑟福教授，你不認(rèn)為我看上去更聰明些了嗎？’這一有些不同尋常的問話引起了盧瑟福的興趣：‘為什么你應(yīng)該看上去更聰明些了呢？’我回答道：‘我剛剛變成了博士。’盧瑟福立即向我祝賀，并說：‘是的，你的確顯得更聰明了，加上你又理了發(fā)。’說完后隨即大笑起來。在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，敢于對(duì)盧瑟福如此放肆的也許只有卡皮查一個(gè)人。但盧瑟福非但毫不介意，14

反而接著又推薦他獲得了為期三年的麥克斯韋獎(jiǎng)學(xué)金，盡管他已取得了博士學(xué)位。

接下來，卡皮查又對(duì)他的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，用一臺(tái)特殊設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)代替了蓄電池。用此裝置，可以在2立方厘米的體積中獲得高達(dá)32萬(wàn)奧斯特的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通磁體所能達(dá)到的場(chǎng)強(qiáng)。后來，回到莫斯科后，他又用這臺(tái)設(shè)備將場(chǎng)強(qiáng)記錄提高到50萬(wàn)奧斯特。雖然脈沖磁場(chǎng)只持續(xù)大約百分之一秒，但這段時(shí)間對(duì)于研究α粒子已經(jīng)綽綽有余了。卡皮查自己喜歡講兩個(gè)與此有關(guān)的小笑話。一個(gè)笑話是說，如果知道怎樣利用，百分之一秒就是很長(zhǎng)的時(shí)間。另一個(gè)笑話是說，他是科學(xué)界被付給薪水最高的人，因?yàn)樗荒昕偣仓还ぷ鲙酌腌姟?

致力于產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的工作，標(biāo)志著卡皮查科學(xué)生涯的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)也是劍橋的物理學(xué)研究從設(shè)備簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)走向利用大型、復(fù)雜的現(xiàn)代化設(shè)備的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。卡皮查隨后將他的研究方向轉(zhuǎn)向了固體物理。利用這套裝置，他測(cè)量了各種金屬在磁場(chǎng)中電阻的變化。他發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻率隨場(chǎng)強(qiáng)的增加是線性增加的，這一現(xiàn)象被稱為“卡皮查線性定律”。直到20世紀(jì)60年代，隨著金屬理論的發(fā)展，才對(duì)此現(xiàn)象有了較好的理論解釋。

照理說，用此裝置可以用替換材料的方法把實(shí)驗(yàn)無限地做下去，不斷地出成果，但卡皮查卻不是這樣的人。他后來在給盧瑟福的一封信中，在評(píng)價(jià)蘇聯(lián)物理學(xué)家瓦維洛夫（v）時(shí)，就曾這樣批評(píng)說，瓦維洛夫一生就靠一套裝置，只變換實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)條件，卻滿足于自己在做科15

學(xué)工作。卡皮查為了進(jìn)一步研究金屬在低溫下的性質(zhì)，在20世紀(jì)30年代初，把注意力轉(zhuǎn)向另一個(gè)極端的領(lǐng)域——低溫物理學(xué)。

第一步是建造氫液化器。為了克服在不純的氫氣中冷卻時(shí)雜質(zhì)會(huì)堵塞管道的困難，他聰明地采取了這樣一種措施：只在一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)中使用少量極純的氫氣，用它來冷卻大量的商品氫，并讓雜質(zhì)沉淀到熱交換器的底部，以避免堵塞。這臺(tái)氫液化器只要20分鐘就可以啟動(dòng)。

接下來，是建造氦液化器。當(dāng)時(shí)，在世界上其他幾處能液化氦的實(shí)驗(yàn)室中，都是采用液氫進(jìn)行預(yù)冷。但氫氣易于爆炸，很不安全，而且用這種方法液化氦程序復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間。人們雖然早就知道，可以利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)，采用絕熱膨脹的辦法直接液化氦，但因?yàn)樵诤艿偷臏囟认拢械臐?rùn)滑劑都將凝固，活塞的潤(rùn)滑問題一直無法解決。面對(duì)這一難題，卡皮查又一次匠心獨(dú)具地從沒有辦法的地方想出辦法：既然潤(rùn)滑劉不行，干脆就不用潤(rùn)滑劑！他只是簡(jiǎn)單地讓活塞周圍留下百分之幾毫米的縫隙，當(dāng)壓縮活塞時(shí)，從縫隙中逸出的氦氣自身便起到了潤(rùn)滑作用。在卡皮查的努力下，1934年，第一臺(tái)依據(jù)這種想法制造的氦液化器終于在劍橋誕生了。這臺(tái)液化器一直工作了十多年。后來，人們稱這種類型的液化器為卡皮查液化器。它為美國(guó)人柯林斯（s）在1947年設(shè)計(jì)商用氦液化器奠定了重要基礎(chǔ)。從此，膨脹機(jī)在氦液化器中的應(yīng)用得以展開。

多年后，卡皮查在一篇紀(jì)念愛因斯坦的文章中說，對(duì)于愛因斯坦，他最為贊賞的是有關(guān)光電效應(yīng)的工作，因?yàn)樗o16

出了發(fā)射電子的能量與普朗克常數(shù)之間極其簡(jiǎn)單的關(guān)系。卡皮查也喜歡烏克蘭哲學(xué)家斯考沃羅達(dá)（oda）的一句名言：“我們必須感謝上帝，因?yàn)樗赃@樣的方式創(chuàng)造世界，使每一件簡(jiǎn)單的事物都是真的，而每一件復(fù)雜的事物都是假的。”在卡皮查自己的工作中，不論是在工程工藝方面，還是在純科學(xué)方面，也同樣體現(xiàn)了這種對(duì)簡(jiǎn)單性的追求。當(dāng)然，在他每一項(xiàng)簡(jiǎn)單而又有獨(dú)創(chuàng)性的想法中，都閃耀著智慧的火花。

由于在科研方面碩果累累，卡皮查在劍橋的地位越來越高。1924年，他成為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的磁學(xué)研究助理主任，1925年成為劍橋大學(xué)三一學(xué)院的研究員。1929年，卡皮查當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員，這在當(dāng)時(shí)對(duì)一個(gè)外國(guó)人來說，是很少能獲得的殊榮。1930年，盧瑟福說服皇家學(xué)會(huì)，從蒙德（）的遺贈(zèng)中拿取了15000英磅，專門為卡皮查建造了一個(gè)從事強(qiáng)場(chǎng)和低溫研究的實(shí)驗(yàn)室，取名為蒙德實(shí)驗(yàn)室，由卡皮查擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室主任。實(shí)際上，早在1922年，盧瑟福就對(duì)卡皮查講過：“如果我有可能為你建立一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)室，讓你可以和你自己的學(xué)生在里面工作的話，我將非常高興。”當(dāng)蒙德實(shí)驗(yàn)室在1932年正式落成時(shí)，人們看到，門口的墻上有一幅鱷魚的浮雕，實(shí)驗(yàn)室里面又有一幅盧瑟福的浮雕。這是卡皮查在以他獨(dú)特的方式向盧瑟福表示敬意。其實(shí)，卡皮查早就在他給母親的信中把盧瑟福稱為“鱷魚”了。至于為什么起了這樣一個(gè)綽號(hào)，有過種種不同的說法，其中最有說服力的也許還是卡皮查自己的解釋：“在俄國(guó)，鱷魚是一家之父的象征，令人贊賞和敬畏，因?yàn)樗兄蓖νΦ牟弊樱瑹o法17

回頭。它只是張著嘴，勇往直前——就象科學(xué)、就象盧瑟福一樣。”

在劍橋，卡皮查經(jīng)常在一些講座中介紹自己的研究工作。這些講座也是獨(dú)具特色的。例如，他在黑板上寫的內(nèi)容往往與口中講的不一樣。有一次，休恩伯格（erg）在課后請(qǐng)他澄清一下自己聽到的和筆記中記錄的矛盾之處，卡皮查卻說：“如果我把一切都講清楚，沒有任何矛盾，那就沒有留給你去思考的東西了。”在一次通俗性的演講中，他曾這樣講：“我將試圖這樣來表述，讓95%的人聽懂5%的內(nèi)容，讓5%的人聽懂95%的內(nèi)容！”卡皮查還把俄國(guó)的傳統(tǒng)帶到了劍橋，成功地組織了一個(gè)討論班，人稱“卡皮查俱樂部”，卡皮查自然是永久的主席。他對(duì)自己在劍橋留下的這個(gè)印跡十分自豪。討論班從1922年10月17日開始第一次會(huì)議，參加者缺席兩次便被除名，而且只有在參加者自己作了報(bào)告之后，才能成為永久成員。“卡皮查俱樂部”對(duì)推動(dòng)劍橋物理學(xué)的發(fā)展起到不小的作用。象玻爾、埃倫菲斯特、弗蘭克、海森堡、考克羅夫特等人，更是討論班中作報(bào)告的主角。有時(shí)討論的內(nèi)容會(huì)超出物理學(xué)之外。1934年8月21日，舉行了卡皮查在任的最后一次會(huì)議——第377次會(huì)議！隨著卡皮查的離去，討論班由考克羅夫特繼續(xù)負(fù)責(zé)主持，又堅(jiān)持了許多年。

也是在劍橋期間，卡皮查可以經(jīng)常去法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)與荷蘭等國(guó)參加各種物理學(xué)會(huì)議，其中包括兩次出席在布魯塞爾召開的索爾維會(huì)議。1927年4月，他在巴黎結(jié)識(shí)了克里洛夫的女兒安娜·阿列克謝耶芙娜（Anna Alexeevna），兩人當(dāng)即墜入情網(wǎng)，很快就回劍橋結(jié)了婚。1929年，第一個(gè)兒18

子謝爾蓋（Sergei）出生，他后來成為一個(gè)出色的物理學(xué)家和蘇聯(lián)電視臺(tái)通俗科學(xué)節(jié)目的主持人。1931年，小兒子安德烈（Andre）出生，他后來成為一個(gè)地理學(xué)家，曾數(shù)次參加南極考察工作，并當(dāng)選為蘇聯(lián)科學(xué)院通訊院士，成為這個(gè)家族中的第四代院士。這是一個(gè)幸福的家庭，尤其是安娜，一位友人曾評(píng)價(jià)說：“有些女人生來是妻子，有些女人生來是母親，而安娜既是母親，又是妻子”。

這一切似乎還不夠，卡皮查追求的還要更多。1931年盧瑟福被封為貴族爵位，這件事對(duì)卡皮查觸動(dòng)很深。他甚至曾向一位朋友詢問：“一個(gè)外國(guó)人可以成為上議院的議員嗎？”這話也許是在開玩笑，不過可見他當(dāng)時(shí)的想法，既想保留自己國(guó)籍（前蘇聯(lián)），又想融入英國(guó)的上流社會(huì)之中。

卡皮查正值春風(fēng)得意之時(shí)，他多么希望這種一帆風(fēng)順的生活永遠(yuǎn)繼續(xù)下去！但就在這時(shí)，命運(yùn)突然和他開了一個(gè)不小的玩笑。

1921年，當(dāng)卡皮查初到劍橋時(shí)，他只打算呆過冬季，然而一轉(zhuǎn)眼，13年過去了。不過他始終保留著蘇聯(lián)的國(guó)籍。1929年，他當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員時(shí)，蘇聯(lián)也把他選為蘇聯(lián)科學(xué)院的通訊院士。從1926年起，卡皮查幾乎每年夏天都要回國(guó)一次，看望母親、講學(xué)，以及在高加索山區(qū)或克里米亞半島度假。他成了一位具有特殊身份的蘇聯(lián)公民，可以自由地來往于英國(guó)和蘇聯(lián)之間。從1926年到1931年，幾次邀請(qǐng)分別來自托洛斯基（）、加米涅夫（v）和布哈林（in）。1929年，加米涅夫曾邀請(qǐng)他擔(dān)任在哈爾科夫建造的烏克蘭物理技術(shù)研究所的顧問，卡皮查雖對(duì)此建19

議有興趣，但他對(duì)加米涅夫講，蘇聯(lián)的條件不適合他工作，他在國(guó)外工作會(huì)對(duì)蘇聯(lián)更有幫助，他可以在夏季回國(guó)訪問期間對(duì)研究所的工作提出建議。于是，在蘇聯(lián)政府的許可之下，卡皮查繼續(xù)保持著他的特殊身份。

1934年8月，卡皮查象往常一些偕夫人回國(guó)，先是在列寧格勒參加了門捷列夫大會(huì)，又在哈爾科夫講學(xué)。10月初，當(dāng)他與安娜將要返回劍橋時(shí)，卻被蘇聯(lián)政府告知說，以往的特許不再有效，卡皮查必須留在蘇聯(lián)。幾天后，安娜得到允許，一人回到英國(guó)去照看孩子，并將這一消息帶到了英國(guó)。

關(guān)于卡皮查被留在蘇聯(lián)的原因，人們眾說紛紜。盧瑟福認(rèn)為是由于卡皮查曾向朋友夸下海口，說他能改變這個(gè)時(shí)代電子工業(yè)的整個(gè)面貌，而蘇聯(lián)人對(duì)純科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系并不十分了解，想留下他為發(fā)展蘇聯(lián)工業(yè)而工作。休恩伯格提出了另外兩個(gè)可能的原因，一是蘇聯(lián)理論物理學(xué)家伽莫夫（）出訪西方時(shí)沒有回國(guó)，因此蘇聯(lián)采取了這一針鋒相對(duì)的舉動(dòng)進(jìn)行報(bào)復(fù)。另一原因是蘇聯(lián)的第二個(gè)五年計(jì)劃要迅速發(fā)展科學(xué)，需要大量出色的科學(xué)家在國(guó)內(nèi)參加工作。美國(guó)科學(xué)史家貝達(dá)什（）還談到，更可信的是因?yàn)樘K聯(lián)人懷疑卡皮查在為英國(guó)政府進(jìn)行軍事研究，從而寧愿他回國(guó)工作。而且，有文獻(xiàn)證據(jù)表明（盡管不是廣為人知），他的確曾從事過這種工作。

卡皮查無法返回的消息傳來后，在英國(guó)這一方，盧瑟福馬上開始頻繁的多方活動(dòng)，試圖幫助卡皮查重返劍橋。為了保全蘇聯(lián)政府的面子和不引起政府間的糾紛，一開始活動(dòng)是在私下進(jìn)行的。盧瑟福曾寫信給蘇聯(lián)大使麥斯基（），20

希望蘇聯(lián)政府改變這一決定，但麥斯基回絕了他。盧瑟福也曾寫信給英國(guó)首相鮑德溫等，同樣沒有得到實(shí)質(zhì)性的幫助。這樣，卡皮查就留在了蘇聯(lián)國(guó)內(nèi)，政府專門成立了一個(gè)研究機(jī)構(gòu)：莫斯科物理問題研究所，讓他擔(dān)任所長(zhǎng)，繼續(xù)開展研究工作。當(dāng)盧瑟福得知蘇聯(lián)政府并沒有剝奪卡皮查的研究權(quán)利后，也莫認(rèn)了這種局面，不再試圖讓他回歸。為了支持卡皮查的研究工作，盧瑟福還做了一件令科學(xué)界津津樂道的好事，他通過外交途徑，把卡皮查在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的重要設(shè)備全部運(yùn)往蘇聯(lián)，繼續(xù)供卡皮查使用。為此，蘇聯(lián)政府在資金上給予了相應(yīng)補(bǔ)償。但可以相信，這不是盧瑟福最為看重的，他看重的是卡皮查的科學(xué)才華，不想這些才華在蘇聯(lián)國(guó)內(nèi)被白白浪費(fèi)。

1936年，荷蘭物理學(xué)家開索姆（）等人又發(fā)現(xiàn)，在λ點(diǎn)之下，液氦有極高的導(dǎo)熱性。這一發(fā)現(xiàn)引起了卡皮查的注意。但他卻認(rèn)為，這種熱傳遞也許是由于液氦極低的粘滯性所導(dǎo)致的對(duì)流所造成的。為了證實(shí)自己的觀點(diǎn)，卡皮查在1937年設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。他使用兩塊很光滑的玻璃片，其間留有極窄的縫隙，以觀察液氦在縫隙中的流動(dòng)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在λ點(diǎn)之下的液氦Ⅱ的粘滯性至少要比在λ點(diǎn)之上的液氦小1500倍，為此，他類比金屬的超導(dǎo)電性，把在λ點(diǎn)之下處于特殊狀態(tài)的液氦稱為“超流體”。這就是液氦超流動(dòng)性的發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，這個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思正好可以用他后來的一段話作為注腳：“我根據(jù)長(zhǎng)期從事實(shí)驗(yàn)工作獲得的經(jīng)驗(yàn)確信，正確估價(jià)一個(gè)初學(xué)者能力的最好方法同估價(jià)一個(gè)成熟的科學(xué)家的能力一樣，都可以根據(jù)他發(fā)現(xiàn)一個(gè)解決問21

題的簡(jiǎn)單途徑的天然傾向和能力來做出。”與此同時(shí)，在劍橋蒙德實(shí)驗(yàn)室工作的英國(guó)物理學(xué)家艾倫（）和米森納（r）也用毛細(xì)管的方法獨(dú)立地得出了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，這兩篇重要論文一起發(fā)表在1938年的同一期《自然》雜志上。

在液氦的超流動(dòng)性發(fā)現(xiàn)后，各國(guó)物理學(xué)家在對(duì)液氦Ⅱ的認(rèn)識(shí)和了解方面紛紛取得進(jìn)一步進(jìn)展。在這些進(jìn)展中，比較重要的包括由卡皮查隨后進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)：在液氦Ⅱ中熱量的流動(dòng)伴隨著液體的機(jī)械流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，蘇聯(lián)理論物理學(xué)家朗道（）提出了他關(guān)于液氦的二流體理論，并預(yù)言在液氦中“第二聲”的存在。為此朗道獲得了1962年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此外，卡皮查1941年還在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱量從固體流向液氦Ⅱ時(shí)，在界面處存在有溫度的不連續(xù)，這種現(xiàn)象被稱為“卡皮查界面效應(yīng)”或“卡皮查熱阻”。它成了人們?cè)谝院蟮蜏匮芯恐卸嗄觋P(guān)注的課題。順便可以提到，卡皮查為了培養(yǎng)人才，每年要從莫斯科大學(xué)挑一個(gè)優(yōu)秀的畢業(yè)生來物理問題研究所從事研究并完成畢業(yè)論文，我國(guó)低溫物理學(xué)家管惟炎1956年曾被卡皮查挑中在物理問題研究所工作，對(duì)這一課題進(jìn)行了深入的研究，并發(fā)現(xiàn)了“反向卡皮查熱阻”。

除了純科學(xué)的研究之外，卡皮查在低溫領(lǐng)域的另一類工作更側(cè)重于工程技術(shù)，主要是發(fā)展了新的、可以用于工業(yè)化大規(guī)模廉價(jià)簡(jiǎn)易液化空氣的方法。1939年，他設(shè)計(jì)并建成了第一臺(tái)液化空氣用的膨脹透平機(jī)，用這種機(jī)器可以生產(chǎn)大量的商用液化氧氣，這給低溫技術(shù)帶來了重大的變革。

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1941年，納粹入侵蘇聯(lián)，迫使物理問題研究所遷至喀山。在這期間，卡皮查的工作也有了相應(yīng)的變化。當(dāng)時(shí)，在蘇聯(lián)部長(zhǎng)會(huì)議的領(lǐng)導(dǎo)下成立了一個(gè)負(fù)責(zé)液氧生產(chǎn)的機(jī)構(gòu)，叫氧委員會(huì)，卡皮查成為這一機(jī)構(gòu)的負(fù)責(zé)人。這也是他第一次兼任政府部門的工作。他在戰(zhàn)爭(zhēng)期間研制出了世界上功率最大的生產(chǎn)液氧用的透平機(jī)，為蘇聯(lián)的工業(yè)提供了急需的大量氧氣。直到1943年物理問題研究所遷回莫斯科時(shí)，他還在負(fù)責(zé)一所生產(chǎn)氧氣的工廠。為這些工作他還獲得了許多專利。

卡皮查在劍橋時(shí)，有兩件軼事。一件是，當(dāng)卡皮查剛進(jìn)入卡文迪許實(shí)驗(yàn)室時(shí)，盧瑟福曾向他宣布了一條“禁令”：在任何情況下都不允許在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行共產(chǎn)主義宣傳。后來當(dāng)卡皮查的第一項(xiàng)研究成果發(fā)表時(shí)，他在送給盧瑟福的一份油印本上題詞說，此文可證明他到該實(shí)驗(yàn)室是來搞科學(xué)研究的，而不是進(jìn)行共產(chǎn)主義宣傳。盧瑟福見后大怒，咒罵著將油印本退給卡皮查。卡皮查早已料到如此，馬上把另一份已準(zhǔn)備好的、已寫上很得體題詞的油印本送上。盧瑟福顯然很賞識(shí)這種先見之明，于是怒氣就此平息。另一件軼事是，當(dāng)蒙德實(shí)驗(yàn)室落成時(shí)，英國(guó)首相鮑德溫前來祝賀。卡皮查向他介紹實(shí)驗(yàn)室的各種設(shè)施，以及為預(yù)防爆炸事故而特別設(shè)計(jì)的屋頂。鮑德溫問：“是這樣嗎？”卡皮查回答道：“噢，是的，你可以相信我。因?yàn)槲也皇钦渭摇！?

然而，卡皮查并非消極地回避一切與政治有關(guān)的事情。在他一生中，多次在重大關(guān)頭表現(xiàn)出正直與無畏。例如，1938年，在蘇聯(lián)的大清洗中，物理學(xué)家朗道莫須有地被指控為“德國(guó)間諜”而遭到逮捕，卡皮查在幾次拯救無效后，直接上書23

斯大林和莫洛托夫，說沒有朗道他的工作就無法繼續(xù)下去，要么無罪釋放朗道，要么他自己就辭職離開研究所。1940年春，朗道在關(guān)押了近一年后終于被無罪釋放，在這當(dāng)中卡皮查的作用至關(guān)重要。多年后，在卡皮查70壽辰時(shí)，朗道曾這樣講道：“……今天看來，這樣的控告似乎十分可笑，但在那時(shí)這可不是笑話。我在獄中度過了一年，但顯然無法再支持半年——我簡(jiǎn)直要死了。……用不著喧染什么，在那些年月，卡皮查的舉動(dòng)需要大勇、大德和水晶般純潔的人格。”

象這樣的事例并非唯一。卡皮查曾公開站出來反對(duì)反猶太主義，曾為“持不同政見”的遺傳學(xué)家麥德維杰夫（ev）辯護(hù)。當(dāng)李森科（o）在蘇聯(lián)科學(xué)界占統(tǒng)治地位，排斥摩爾根遺傳學(xué)，對(duì)持有不同觀點(diǎn)的科學(xué)家橫加迫害時(shí)，他曾在物理問題研究所的討論班上公開抨擊李森科的觀點(diǎn)。1966年，在蘇共第23次黨代會(huì)之前，卡皮查與蘇聯(lián)物理學(xué)家薩哈羅夫（ov）、塔姆（）及其他各界24位知名人士簽署了一份請(qǐng)?jiān)笗粲觞h不要恢復(fù)斯大林的名譽(yù)，因?yàn)椤澳菍⑹且粓?chǎng)災(zāi)難”。1973年，當(dāng)薩哈羅夫因在蘇聯(lián)捍衛(wèi)人權(quán)而受到官方迫害時(shí)，5位出席普格瓦什會(huì)議的蘇聯(lián)科學(xué)院院士中有4位聯(lián)名簽署了一份譴責(zé)薩哈羅夫的宣言，唯獨(dú)卡皮查沒有簽名。他強(qiáng)烈反對(duì)要把薩哈羅夫驅(qū)逐出蘇聯(lián)科學(xué)院的做法，并提醒說，除了納粹曾把愛因斯坦趕出普魯士科學(xué)院之外，再?zèng)]有人這樣做過。卡皮查還曾對(duì)那些不懂裝懂的哲學(xué)家在自然科學(xué)領(lǐng)域里的工作提出尖銳批評(píng)，認(rèn)為“哲學(xué)家本來應(yīng)預(yù)見到自然科學(xué)的發(fā)展，而不是死守已過去的階段”，“在自然科學(xué)領(lǐng)域中運(yùn)用辯證法要有24

對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)及其理論概括的十分深刻的知識(shí)。沒有這個(gè)，辯證法本身不能給出問題的答案。”為此，他受到蘇聯(lián)哲學(xué)界一些人的指責(zé)。然而，在所有這些言行中，對(duì)卡皮查自身影響最大的還是他拒絕在貝利亞（）的領(lǐng)導(dǎo)下為蘇聯(lián)研制原子彈而工作。對(duì)此，赫魯曉夫曾在他的回憶錄《最后的遺言》中這樣寫到：“我們要求卡皮查真正去做資產(chǎn)階級(jí)報(bào)紙說他曾經(jīng)做過的事：我們要求他為我們的核彈計(jì)劃工作。……問題在于，他拒絕接觸任何軍事科研工作。他甚至要說服我，說他出于某種道德信念，不能從事軍事科研。”

也許正是由于這一點(diǎn)，1946年夏天，卡皮查被解除了物理問題研究所所長(zhǎng)的職務(wù)，而當(dāng)時(shí)官方的說法卻是因?yàn)樗皩?duì)蘇聯(lián)和國(guó)外制氧技術(shù)傲慢的態(tài)度”和“未能按計(jì)劃日期使冶金工業(yè)采用新的裝置”。在此情況下，卡皮查不得不離開研究所，到他在尼科利納山的“別墅”隱居起來。在那段隱居生活中，卡皮查仍然沒有停止科研工作。他一方面進(jìn)行一些純理論性的研究，例如象“論風(fēng)對(duì)海浪形成之作用的問題”、“懸掛點(diǎn)振動(dòng)的擺的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性”、“貝塞爾函數(shù)根負(fù)偶次冪的和的估計(jì)值”等等。這些工作顯示出他在理論方面的素養(yǎng)，既抓住了問題的本質(zhì)，又機(jī)智地簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)的分析。另一方面，他開始在小木屋中裝備自己的實(shí)驗(yàn)室，自己動(dòng)手去做一切必要的實(shí)驗(yàn)裝置。他對(duì)球形閃電提出了自己獨(dú)特的見解，并付諸實(shí)驗(yàn)。在此方面，卡皮查開始在另一個(gè)新的方向：“大功率電子學(xué)”上的研究。特別是，他設(shè)計(jì)并制成了一種線性的磁控管——“尼科管”，這是以尼科利納山來命名的。它可以產(chǎn)生和聚集幾千瓦分米波段的電磁輻射，在幾25

秒鐘內(nèi)就可以產(chǎn)生讓石英熔化的溫度。隨后，卡皮查將尼科管用于研究熱核過程，開始了在等離子體方面的實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)陋的條件并沒能完全束縛住卡皮查，相反，卻在另一個(gè)極端的領(lǐng)域激發(fā)了他的創(chuàng)造靈感。

直到1954年，卡皮查的隱居生活才告結(jié)束。他把親手建成的家庭實(shí)驗(yàn)室移交給物理問題研究所。1955年，卡皮查被重新任命為物理問題研究所所長(zhǎng)。此后，在科學(xué)工作上，卡皮查主要從事等離子體方面的研究，這是從他被貶職時(shí)開始出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向。他相信這方面的研究也許會(huì)為未來的能源問題找到解決之路。1969年發(fā)表的消息表明，他已觀察到在束狀高頻高壓放電中形成的高溫等離子體。進(jìn)一步地，卡皮查繼續(xù)努力在更大規(guī)模上進(jìn)行等離子體實(shí)驗(yàn)。

卡皮查晚年，發(fā)表的科學(xué)論文逐漸減少，但他在另外一些領(lǐng)域中卻更加活躍。從1965年起，在蘇聯(lián)定居了30多年后，隨著赫魯曉夫的下臺(tái)，卡皮查終于獲得了出國(guó)的許可。他先后到了丹麥、英國(guó)、南斯拉夫、波蘭、荷蘭、印度、加拿大、美國(guó)、瑞士和意大利等國(guó)，有時(shí)是接受各種榮譽(yù)稱號(hào)和獎(jiǎng)?wù)拢袝r(shí)是進(jìn)行訪問、講學(xué)和出席學(xué)術(shù)會(huì)議。與此同時(shí)，他不斷撰寫文章，進(jìn)行演講，討論科學(xué)組織工作、杰出科學(xué)家在科學(xué)中的作用、科學(xué)思想及教育等諸方面的問題。但是，卡皮查更為關(guān)注全球性的問題，他明確指出：“在我們這個(gè)世紀(jì)，對(duì)許多問題的解決已經(jīng)超出了任何單一國(guó)家的能力范圍，只有靠全球規(guī)模的努力才能達(dá)到。在原子彈和核戰(zhàn)爭(zhēng)的威脅面前，人們才首次覺醒，認(rèn)識(shí)到人與自然之間的關(guān)系所具有的全球性特征。人們已普遍接受的看法是，在世界任何一處26

爆發(fā)這種戰(zhàn)爭(zhēng)，都會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)污染整個(gè)地球，并把人類推向末日。著眼于這種威脅，人類必須放棄使用核武器。”卡皮查認(rèn)為，全球性問題的三個(gè)主要方面是：技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面，涉及到自然資源的枯竭；生態(tài)方面，指人類和人類賴以生存的自然之間的平衡問題；社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面。卡皮查認(rèn)為與這些問題相關(guān)過程的動(dòng)力學(xué)可以用指數(shù)函數(shù)來描述——其進(jìn)程最終會(huì)導(dǎo)致爆發(fā)式的突變。因此，“在國(guó)際范圍內(nèi)解決全球性問題的需要將促進(jìn)人類努力走向和平共存和裁軍。……人們將感到自己是近鄰，面對(duì)著全球性危機(jī)這個(gè)迫在眉睫的共同敵人，這種危機(jī)將使人們齊心協(xié)力地去共同奮斗。”

如此做為，卡皮查在純科學(xué)之外的許多論述引起了人們相當(dāng)?shù)淖⒁狻?980年，著名的美國(guó)波士頓科學(xué)哲學(xué)研究叢書專門為卡皮查出版了一本文集：《實(shí)驗(yàn)、理論、實(shí)踐》。這也是首位蘇聯(lián)科學(xué)家在此套叢書中系統(tǒng)地闡述自己的觀點(diǎn)。后來，在為反映25年波士頓科學(xué)哲學(xué)討論會(huì)情況而出版的《二十五年的素描》一書中，共收錄19篇論文，其中就包括卡皮查的“復(fù)雜的科學(xué)問題”一文。

1984年，當(dāng)人們正準(zhǔn)備為卡皮查慶祝90大壽之際，3月底，卡皮查因患嚴(yán)重的中風(fēng)住進(jìn)了醫(yī)院，4月8日就溘然長(zhǎng)逝。此時(shí)，距他90歲生日只差3個(gè)月時(shí)間。在走過如此奇特的生命旅程，為科學(xué)的發(fā)展和人類的進(jìn)步做出如此眾多的重要貢獻(xiàn)后，卡皮查可以說是死而無憾了，他的名字將鐫刻在科學(xué)的冊(cè)史上。

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