1978年诺贝尔物理学奖

2024年3月5日发(作者：我是猫猫)

1978年诺贝尔物理学奖

1978年物理学奖，由三位物理学家获得，他们是前苏联的彼得·卡皮查（Peter a）（获得奖金的一半）和美国的阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert ）（分享另一半奖金）。卡皮查建成了液化氮的新装置，证实氮亚超流低温物理学。彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景微波辐射。

彼得·卡皮查（Peter Leonidovich Kapitsa，1894—1984），出生于俄罗斯圣彼得堡附近的喀琅施塔得，父亲是一位军事工程师，母亲从事高等教育工作。1918年毕业于列宁格勒工学院，在列宁格勒（圣彼得堡）科技研究所电机研究室约飞领导的小组工作。1919年，对卡皮查来说是灾难之年，他的父亲、妻子和两个孩子先后在传染病中去世，对他造成了重大打击。1921年，在约飞的推荐下，卡皮查辗转来到英国，争取到了进入卡文迪什实验室，在卢瑟福领导下进行研究的宝贵机会。其间，由于他在产生强磁场和超低温方面的研究工作出色，被推举为英国皇家学会会员。1934年，在他一年一度回苏联探亲后，便没有返回英国。此后他一直留在苏联从事研究工作，直至1984年逝世。

1918年—1921年，卡皮查在约飞手下工作期间表现出色，他与谢苗诺夫（v，1956年诺贝尔化学奖获得者）合作，提出一种方法：用非均匀磁场干扰原子，以确定原子的磁矩。这个方法不久后在斯特恩-盖拉赫实验中得到了进一步完善。1923年，卡皮查在卡文迪什实验室工作期间，做成1

了一个重要实验，把云室置于强磁场中，观察到了粒子受磁场作用径迹发生的弯曲。1924年，卡皮查又提出一些能获得更强磁场的方法，得到了卢瑟福的大力支持，并被任命为卡文迪什实验室磁学研究的助理主任。卡皮查用脉冲方法获得了高达32T的强磁场。此后他对磁致伸缩等现象进行了开创性的研究，1928年，发现置于极强磁场中的各种金属的电阻与磁场强度的线性关系。

接着，卡皮查把注意力转移到低温物理学，他对荷兰莱顿低温实验室和卡末林-昂内斯的研究进行了分析，设计了一套高效率的氦液化器。卢瑟福非常器重卡皮查，为他创造尽可能好的条件。1929年，推荐他为英国皇家学会第一个外籍研究员，并以英国皇家学会的名义专门建立了一所研究强磁和低温的实验室——蒙德（Mond）实验室，以使卡皮查能充分发挥专长。卡皮查在卡文迪什实验室成了重要的科研人员，不断创造出新的成果。

卡皮查每年夏季都回苏联莫斯科探望母亲（他唯一的至亲），1934年，卡皮查又一次回到莫斯科探亲并参加一个学术会议，从此便留在了苏联。这对卢瑟福和卡文迪什实验室无疑是一个意想不到的打击，因为低温和磁学的研究显然会因此受到影响。后来，当卢瑟福得知卡皮查安然无恙，并被任命为苏联科学院物理研究所所长时，毅然应允把卡皮查在卡文迪什实验室使用的全套设备运往莫斯科，以便让卡皮查继续进行科学研究。苏联政府则相应地给卡文迪什实验室一定的财政补偿。这件事情说明了，卢瑟福没有因为社会制度不同对苏联采取敌视态度，而是从科学事业出发，尽可能保证2

卡皮查的科研工作不受影响，表现出难能可贵的人格与品质。对此，卡皮查深为感激。

卡皮查回到莫斯科后，利用从英国运回的设备继续从事强磁场和低温物理方面的研究。他最有名的工作与温度极低的液态氦有关，这是一个首先由卡林-翁纳斯提出的课题。卡皮查是研究氦Ⅱ奇异特性的科学家之一（氦Ⅱ是指在绝对零度和2.22K之间的氦）。他指出，氦氦Ⅱ的粘滞性仅为氢在常温常压下的千分之一（氢是粘滞性最小的气体），因此流动起来比气体还顺畅。1941年，卡皮查关于氦Ⅱ的论文在莫斯科发表，此后，这方面的研究工作由朗道继续进行。

第二次世界大战期间，卡皮查曾企图从丹麦营救他的老朋友玻尔，可是英国人捷足先登。此后，苏联政府曾想让卡皮查加入研究核武器的工作，卡皮查经过冷静思考后拒绝了这项工作。战后，他非常积极地从事空间研究。20世纪50年代，卡皮查把部分精力转移到球型闪电上。这是一种使人迷惑的现象，在球型闪电内部，等离子体（一种高能气体，其中原子和分子都已离解成带电的碎片）维持的时间比一般设想的要长得多。卡皮查的分析涉及到驻波，即互相增强、并能维持一个相当长时间的波的序列。

1978年10月17日，瑞典皇家科学院从斯德哥尔摩致电苏联莫斯科物理问题研究所，电文中讲到：“亲爱的卡皮查院士：瑞典皇家科学院今天决定将1978年的诺贝尔物理学奖分成两部分，其中一部分颁发给您，以表彰您在低温物理学领域中根本性的发现和发明。”此时，卡皮查已经84岁高龄，而他为之获奖的工作，却是在将近40年前做出的。诺贝尔评3

奖委员会的这一举动，更像是一次迟来的追任，这与此前获奖的前苏联物理学家朗道的情况有些相似。于是，人们在这一年的获奖人物和成就中，罕见地看到了在物理学上几乎没有关联的两个独立的贡献。（后附：卡皮查的传奇经历）

阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias，1933—），出生于德国的慕尼黑。7岁时随父亲移居美国，是1939年二战爆发前最后一批逃离纳粹德国的难民。中学毕业后就读于纽约市立学院物理学专业，1954年毕业后在陆军通讯兵团服役。两年后，彭齐亚斯进入哥伦比亚大学读研究生，成为著名物理学家拉比的助手，后随汤斯作论文，题目就是为射电天文实验建造微波激射放大器。1958年获得硕士学位，1962年获得博士学位。1961年，任职于新泽西州霍姆代尔附近的克劳福德山的贝尔电话公司，从此开始对射电天文学的研究。1964年，彭齐亚斯和同在贝尔电话公司工作的威尔逊，使用一架为早期通讯卫星设计的天线，接收到了来自天空的均匀且不随时间变化的讯号。1965年，他们二人在《天体物理学报》上发表了题为《在4080兆赫上额外天线温度的测量》的论文，宣布了这个新发现。随后，普林斯顿大学的狄克等人在同一杂志上解释道，这就是宇宙背景微波辐射。宇宙背景微波辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了有力证据。

罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936—），生于得克萨斯州的休斯敦。他从小就对电子学有兴趣，会装配收音机和电视机。中学毕业后进入赖斯大学学习，由于少年时期对电子学的爱好，他起初攻读电机工程学，后4

来改读物理学，成绩优秀，1957年获得学士学位。1962年，他以射电天文学方面的论文获得加州理工学院的哲学博士学位。次年成为射电天文学研究员，进入贝尔实验室，在那里开始了和彭齐亚斯的合作。当时的贝尔实验室是著名的美国电报电话公司（AT&T）属下的研究机构，由电话的发明人、美国著名的科学家贝尔创建。这里拥有最先进的仪器设备，产生过许多重要的科学发现和技术发明，网罗了一大批一流的科学家和技术专家，先后有十多名获得诺贝尔物理学奖的科学家在此工作。一般企业的研究机构只允许研究人员从事与本企业产品有关的研究课题，要服从企业经营的需要，并对外进行技术保密。而贝尔实验室则截然不同，它为从事科学研究创造了最适宜的氛围，努力让科学家在没有设定的框框下进行研究，允许研究人员从事与企业经营项目无关的研究课题，甚至是一些基础科学和理论学术性的课题，为其提供大量经费。威尔逊后来担任贝尔电话实验室无线电物理部的主任。该部有14个人，他们除了从事射电天文学的研究外还从事微波固体器件、集成电路方面的研究。威尔逊对通过毫米波测量星际分子来研究银河系中的暗物质非常感兴趣。

1963年初，彭齐亚斯和威尔逊把一台卫星通讯接收设备改为射电望远镜，进行射电天文学的研究。原有设备是1960年为接收从“回声”卫星上反射回来的信号而建造的。他们改装成的射电望远镜主要由天线和辐射计组成。喇叭型反射天线宽约6米，由一个逐渐扩展的方形波导管（相当于喇叭）和一个扇形旋转抛物面反射器组成。喇叭的顶点跟抛物面的焦点重合，沿着抛物面轴线传播的平面波，聚焦到顶点的辐5

射计接收。测量辐射强度所用的辐射计安放在喇叭顶端的小室内，以减小噪声。他们装备了噪声最低的红宝石微波激射器，因此灵敏度有了保证。在正式工作之前，必须精确测量天线本身和背景的噪声，为此他们把天线与一个参考噪声源相比较。他们采用液氦致冷的一段波导管作为参考噪声源，能产生确定功率的噪声。由于这样的参考噪声源的功率只由平衡热辐射的特性决定，因此可取为噪声的基准。噪声功率一般用等效温度来表示。比较的结果是：总的天线温度测量值的误差估计是0.3K，实验结果在天顶处所测得的总天线温度是6.7±0.3K。根据他们第一次公布的数据，可以看到他们对天线各项噪声的等效温度作了具体分析：大气辐射温度为2.3±0.3K，天线和波导器件损耗温度为0.8±0.14K，背瓣温度小于0.1K。这样算来，天线的等效噪声温度只有3.2±0.7K。把总的天线温度6.7±0.3K减去上述各项噪声源的温度，得到3.5±1K。他们惊奇地发现，多余温度值3.5K远大于实验误差1K，如果找不到原因并加以消除，他们是无法进行下一步的测量计划的。

此后，他们用了差不多一年的时间，耐心地寻找和分析可能产生多余温度的原因：会不会是银河系外离散源与银河系对天线产生了这一多余的温度？经过反复测试排除了这一可能性。会不会是地面来的噪声？不会，他们以精确的实验证明，背瓣的噪声值非常之低。于是他们只好把天线本身看作是多余噪声的来源。他们清洗和准直各部件之间的接头，在喇叭的铆接处贴上铝带以减小损耗，这样做仅仅使天线温度略有降低，不影响总的结果。甚至他们还注意到有一对鸽6

子栖息在喇叭的喉部，于是马上赶走鸽子。当他们发现喇叭喉部内表面有一层鸽子粪便时，他们认为总算找到了原因。于是，1965年初，他们拆开整个设备清洗。可是，多余的天线温度还是没有降低多少。

彭齐亚斯与威耳逊感到非常沮丧，实验的严密和精确已经达到了力所能及的极限，还找不到天线多余温度的原因。正在这时，实验站附近的普林斯顿大学有一位实验天体物理学家迪克（）领导着一个小组也在开展一项探索性的研究。他设想是否可能存在由宇宙早期的炽热高密度时期残留下来的某种可观测的辐射。迪克的猜测建立在宇宙“振荡”理论的基础上，即认为宇宙是反复地膨胀和收缩的。他猜想宇宙在“振荡”过程中会留下可观测的背景辐射并建议罗尔（）和威尔金森（son）进行观测。罗尔和威尔金森在普林斯顿大学的帕尔末（Palmer）物理实验室的屋顶上，动手建造辐射计和喇叭天线，以寻找这种宇宙背景辐射。迪克还建议皮布尔斯（s）对这个问题进行理论分析，研究宇宙背景辐射测量结果的宇宙学意义。皮布尔斯于1965年3月写出论文。他还在约翰·霍普金斯大学作过一次演讲，阐述了这种想法和推论。

1965年春的一天，彭齐亚斯和麻省理工学院的射电天文学家伯克（）通电话，顺便谈及他们难于解释的多余噪声温度。伯克想起在卡内基研究所工作的一个同事图涅耳（）曾谈起听过皮布尔斯的演讲，于是建议彭齐亚斯与普林斯顿大学的迪克小组联系，可能他们对这架天线接收到的难以理解的结果会有一些有趣的想法。彭齐亚斯与迪7

克通了电话，迪克首先寄来了一份皮布尔斯讲演稿的预印本，接着迪克及其同事访问了克劳福德山，察看了彭齐亚斯和威耳逊的天线设备，并一起讨论了测量的结果。迪克小组相信彭齐亚斯和威耳逊的测量精度，认为他们测量到的正是要寻找的宇宙背景微波辐射。于是，双方同时在《天体物理杂志》上发表了自己的简讯。一篇是迪克小组的理论文章“宇宙黑体辐射”，另一篇是彭齐亚斯和威尔逊的实验报告。彭齐亚斯和威尔逊宣称：“有效的天顶噪声温度的测量，得出一个比预期高约3.5K的值。在我们观察的限度以内，这个多余的温度是各向同性的、非偏振的，并且没有季节的变化。”

上述两篇简讯发表以后，引起了极大的反响。人们期待进一步确认天线的多余温度就是真正来自宇宙的背景辐射。关键是要分析这一辐射的特征，看测量结果是否与预言相符。据理论分析，热平衡辐射应是各向同性的而且不同频率的辐射能量密度分布应服从普朗克定律。各向同性已基本上被彭齐亚斯和威尔逊的观测初步证实了，因此检验这种辐射在不同波长的能量密度是否符合普朗克分布定律，是对天线的多余温度问题是否涉及到宇宙起源的重要证据。

1965年12月，迪克小组的罗尔和威尔金森完成了他们在3.2cm波段的测量，结果是3.0±0.5K。不久，豪威尔（）和谢克沙夫特（haft）在20.7cm上测得2.8±0.6K，随后彭齐亚斯与威耳逊在21.1cm上测得3.2±1K。但从3K黑体分布曲线看出，辐射强度高峰在波长为0.1cm附近。而以上测量都在波长较长的范围进行，故只有取得比0.1cm更短的波长处的测量值，才能充分说明宇宙8

背景辐射是否符合普朗克分布。这个频段的实验要在高空进行，因为0.1cm处于远红外范围，大气对它的吸收强烈，因而不能在地面上观察。康涅尔大学的火箭小组和麻省理工学院的气球小组分别进行了观测，于1972年证实在远红外区域背景辐射有相当于3K的黑体分布。

1975年，伯克利加州大学伍迪（）领导的气球小组确定，从0.25cm到0.06cm波段背景辐射也处于2.99K温度的分布曲线范围内。观测数据已肯定宇宙微波背景辐射有大约3K的黑体谱。至此，3K宇宙背景辐射已得到了确认，这大大地推动了宇宙学的进展。

附：卡皮查的传奇经历

卡皮查曾说过：“人可以分成三类：一些人站在前列，把他们的能力用于推进科学、文化和人类的发展——他们是进取者。另一些人占绝大多数，他们在一旁与进步同行，没有干预也没有帮助进步。最后一类人则站在后面，踌躇不前、保守、怯懦而且没有想象力。”毫无疑问，在这种分类中，卡皮查当之无愧属于第一类人中的佼佼者。

1916年，卡皮查在《俄国物理和化学学会会刊》上发表了一篇题为“渥拉斯顿纤维的制备“的论文。他一反传统，采用电解的方法对制备的工艺进行了改进。这项工作首次展示了卡皮查在工艺方面的出众才华。除此之外，他还采用了一种异常简单的方法来制造很细的石英纤维：仅仅用一张弓把蘸了熔化石英的箭射到一块天鹅绒上，石英纤维就随之在9

空气中凝固。对此技艺，他自己非常得意，在后来经常对学生们津津乐道。

1918年，卡皮查大学毕业，留在圣彼得堡工学院物理和力学系任讲师，同时也成为约飞在该城建立的物理技术研究所中的研究人员，他与约飞的关系也愈发密切。此时，国内的经济日益困难，到秋天时，每日配给的面包只有50克，根本填不饱肚子，冬季几乎没有燃料取暖，一部分教授和讲师纷纷移居国外。就是在这样的情况下，约飞仍然设法留住了包括卡皮查在内的一批优秀弟子，并表组织和主持了一个研讨班。在研讨班上，他们讨论各种物理问题，大家毫无拘束地交流各自的观点，经常持续到深夜。其中，弗伦克耳曾详尽地介绍了英国物理学家卢瑟福（ford）在原子核研究方面的惊人发现。但此时卡皮查绝对没有想到自己未来会与这位伟人结下不解之缘。

1919年，卡皮查提出一个设想，可以用弯曲的晶体来使X光束聚焦。直到10多年后，才又有人在似乎不知道卡皮查论文的情况下，描述了同样的想法并付诸实施。1920年，卡皮查和他的同事谢苗诺夫（v，1956年诺贝尔化学奖获得者）一道提出了一个用实验方法来测量原子磁矩的设想：在原子束通过一个很强的非均匀磁场时，观察原子束的离散情况。这篇文章直到1922年才发表，但在从文章送交到发表之前的这段时间里，德国物理学家斯特恩（，后入美国籍）和格拉赫（h）也提出了本质基本相同的方法，并付诸实验。由于这一实验为空间的量子化提供了证明，1943年，斯特恩获得了诺贝尔物理学奖。尽管卡皮查的10

这些想法是领先和独创性的，但由于当时俄国国内物资极度匮乏，不仅没有必要的工具和仪器，甚至连普通的裸线都很难弄到。因此，卡皮查未能及时把这些想法变成现实也就不足为奇了。当然，这是很令人遗憾的。

就在此时，一场灾难降临到卡皮查的头上。先是他的儿子患猩红热去世，紧接着，他的妻子和女儿双双死于正在肆虐的西班牙（起源于美国）流感。大约与此同时，他的父亲也死于流感。这一连串的打击使卡皮查悲痛俗绝，无法继续正常的工作，也彻底改变了他后来的生活道路。

1920年11月，约飞成为俄国科学院院士。在他的努力下，一个名为“苏联科学院恢复与其它国家联系委员会”的机构成立了。委员会的另一位重要成员是著名的航海工程师和应用数学家克里洛夫（）院士，他后来成了卡皮查的第二任岳父。这个机构可以自由地用外币在国外购买科学仪器，并得到据列宁专门指示而拨出的一笔专款。不过，此机构另一项不公开的任务是向国外的学者们解释在新制度下苏联的科学政策。约飞和克里洛夫都相当器重卡皮查的科学天赋，他们让卡皮查加入机构，希望到海外旅行或许能帮他摆脱痛苦。但是，当时德国、法国和荷兰等国都不愿冒险接纳一个或许是共产主义鼓动者的年轻人，所以，1921年3月，约飞只好先行到了柏林。在那里，经过一番疏通，约飞为卡皮查搞到了去英国的签证。同年5月，卡皮查终于乘船到达了他的第二故乡英国。

1921年6月初，卡皮查等到了从汉堡乘船前来伦敦的约飞，他们一同开始了在英国的科学访问。6月12日，他们访11

问在剑桥工作的物理学家卢瑟福时，受到了热烈欢迎。卢瑟福是一个名望卓著的物理学家。在他所取得的成就中，三项最重要是：提出放射性元素衰变理论、提出原子有核结构模型，以及用粒子轰击某些元素而实现人工核嬗变。当时，在卢瑟福领导下的剑桥大学卡文迪许实验室，也成为世界上实验放射性研究、原子物理学和原子核物理学研究的中心。

卡皮查自然希望能有机会在此继续深造，并一展身手。约飞对此也没有意见。关于卡皮查进入卡文迪什实验室的经过，有一种说法广泛流传：当时卢瑟福说，实验室已经过分拥挤，无法再接受卡皮查的申请。让卢瑟福惊讶的是，卡皮查机智地问了一个似乎不相干的问题：“在您的实验中误差通常是多少？”卢瑟福回答说：“大约百分之二到百分之三。”卡皮查马上指出，卡文迪什现有大约30个研究人员，再多一个人也不会被注意到，因为这是在误差范围之内！就这样，卡皮查说服卢瑟福将自己留下。一年后，当卡皮查再次问卢瑟福为什么接纳他时，卢瑟福爽朗地笑道：“我也不知道当时为什么同意，但我很高兴这样做了。”

新来卡文迪什实验室工作的人，通常要在查德威克（ch）的指导下进行一两个月的工作实践，以熟悉各种相关的技能，但由于卡皮查的刻苦勤奋和技能超群，只用了两个星期，查德威克就很满意地让他通过了课程。当然，在卡文迪许实验室，对卡皮查影响最大的还是卢瑟福本人，这一点在他从剑桥寄给母亲的信中有过十分清楚的表达。1921年8月，他写道：“……昨天我初次就一个科学研究课题和卢瑟福教授谈了话。他很和蔼，把我带到了他的房间，并12

给我看他的仪器。尽管他有时暴躁，但他肯定有某种吸引人之处。”在10月份，卡皮查写到：“……卢瑟福对我越来越亲切。他见到我时，便向我点头致意，并询问我的生活情况，但我有点害怕他。我正好在他的书房隔壁工作，这很不妙，因为我吸烟必须要小心，如果他看到我嘴里叼着烟斗，那可就糟了。不过感谢上帝，他走路脚步很重，我可以从脚步声中区分是他还是别人。”卡皮查在听卢瑟福和查德威克等人讲课的同时，在卢瑟福的建议下，于8月初就开始了对α粒子能量变化的研究。这典型地属于卢瑟福本人感兴趣的研究课题。以前人们通过对α粒子穿过磁场时的偏转来进行测量，但无法测量低能粒子。卡皮查的办法是：采用灵敏的博伊斯（Boys）辐射微热计，通过测量α粒子穿越物质时产生的热效应来研究其能量损耗。这个方案惊人迅速地获得了成功的结果。在实验室中，由于辐射微热计极其灵敏，甚至可以探测到大约二公里外一只蜡烛的火焰，对百万分之一度的升温就有反应，所以它要求使用者具有超乎寻常的技能。而卡皮查却巧妙地避免了任何会淹没实验结果的偏离效应。9个月后，他就完成了一篇论文，经卢瑟福审阅，很快发表在《皇家学会会刊》上。此时，卡皮查可以说真正成了卢瑟福学派中的一员。这篇论文的开头标明为：第一部分！然而，再没有什么第二部分问世。因为卡皮查的头脑已完全为另一个新想法所占据。这就是，通过测量α粒子在磁场中轨迹曲率的变化来研究α粒子速度沿轨道各点的变化。

问题在于，α粒子质量较大，现有的磁场不足以使其轨道充分弯曲。在用螺线管产生强磁场时，由于电磁产生的热13

效应，当电流超过一定强度，就会将螺线管烧毁，即使采用冷却的方法，技术上也有无法克服的困难。卡皮查对解决这一困难的新奇想法是，在百之几秒时间内给螺线管通很大的电流，产生强脉冲磁场，由于通电时间短，电流所生的热不会破坏线圈。卢瑟福当即对此想法产生了兴趣，并认为它会成功。于是，卡皮查用一个低容量的蓄电池作为电源，通过让其和一个螺线管短路来获得脉冲磁场。在花去了卢瑟福150磅的费用后，仅仅在1922年11月，他就已取得了满意的成果。

一张有三条曲线的照片摆在面前，这三条曲线就是α粒子在磁场中的轨迹。卢瑟福对这三条曲线异常欣喜，实验室的许多其他人也来参观照片，赞不绝口。由于这项出色的工作，卡皮查在剑桥的地位得到巩固。1923年1月，他被正式认可为攻读博士的研究生，时间从1921年10月算起，考虑到他在俄国的工作，又减免了一年的学习期限。这样，在1923年6月14日，卡皮查以题为《α粒子在物质中的穿越和产生磁场的方法》的论文获得博士学位。不过，这也是他最后一项在卢瑟福专长的原子核物理学领域的研究工作了。他在写给母亲的信中讲：“遇到卢瑟福时，我问道：‘卢瑟福教授，你不认为我看上去更聪明些了吗？’这一有些不同寻常的问话引起了卢瑟福的兴趣：‘为什么你应该看上去更聪明些了呢？’我回答道：‘我刚刚变成了博士。’卢瑟福立即向我祝贺，并说：‘是的，你的确显得更聪明了，加上你又理了发。’说完后随即大笑起来。在卡文迪许实验室，敢于对卢瑟福如此放肆的也许只有卡皮查一个人。但卢瑟福非但毫不介意，14

反而接着又推荐他获得了为期三年的麦克斯韦奖学金，尽管他已取得了博士学位。

接下来，卡皮查又对他的实验装置进行了改进，用一台特殊设计的发电机代替了蓄电池。用此装置，可以在2立方厘米的体积中获得高达32万奥斯特的脉冲强磁场，这个磁场强度远远高于普通磁体所能达到的场强。后来，回到莫斯科后，他又用这台设备将场强记录提高到50万奥斯特。虽然脉冲磁场只持续大约百分之一秒，但这段时间对于研究α粒子已经绰绰有余了。卡皮查自己喜欢讲两个与此有关的小笑话。一个笑话是说，如果知道怎样利用，百分之一秒就是很长的时间。另一个笑话是说，他是科学界被付给薪水最高的人，因为他一年总共只工作几秒钟。

致力于产生强磁场装置的工作，标志着卡皮查科学生涯的一个重要转折点，同时也是剑桥的物理学研究从设备简单的实验走向利用大型、复杂的现代化设备的一个重要转折点。卡皮查随后将他的研究方向转向了固体物理。利用这套装置，他测量了各种金属在磁场中电阻的变化。他发现，金属的电阻率随场强的增加是线性增加的，这一现象被称为“卡皮查线性定律”。直到20世纪60年代，随着金属理论的发展，才对此现象有了较好的理论解释。

照理说，用此装置可以用替换材料的方法把实验无限地做下去，不断地出成果，但卡皮查却不是这样的人。他后来在给卢瑟福的一封信中，在评价苏联物理学家瓦维洛夫（v）时，就曾这样批评说，瓦维洛夫一生就靠一套装置，只变换实验材料和实验条件，却满足于自己在做科15

学工作。卡皮查为了进一步研究金属在低温下的性质，在20世纪30年代初，把注意力转向另一个极端的领域——低温物理学。

第一步是建造氢液化器。为了克服在不纯的氢气中冷却时杂质会堵塞管道的困难，他聪明地采取了这样一种措施：只在一个封闭的循环系统中使用少量极纯的氢气，用它来冷却大量的商品氢，并让杂质沉淀到热交换器的底部，以避免堵塞。这台氢液化器只要20分钟就可以启动。

接下来，是建造氦液化器。当时，在世界上其他几处能液化氦的实验室中，都是采用液氢进行预冷。但氢气易于爆炸，很不安全，而且用这种方法液化氦程序复杂，耗费时间。人们虽然早就知道，可以利用焦耳-汤姆逊效应，采用绝热膨胀的办法直接液化氦，但因为在很低的温度下，所有的润滑剂都将凝固，活塞的润滑问题一直无法解决。面对这一难题，卡皮查又一次匠心独具地从没有办法的地方想出办法：既然润滑刘不行，干脆就不用润滑剂！他只是简单地让活塞周围留下百分之几毫米的缝隙，当压缩活塞时，从缝隙中逸出的氦气自身便起到了润滑作用。在卡皮查的努力下，1934年，第一台依据这种想法制造的氦液化器终于在剑桥诞生了。这台液化器一直工作了十多年。后来，人们称这种类型的液化器为卡皮查液化器。它为美国人柯林斯（s）在1947年设计商用氦液化器奠定了重要基础。从此，膨胀机在氦液化器中的应用得以展开。

多年后，卡皮查在一篇纪念爱因斯坦的文章中说，对于爱因斯坦，他最为赞赏的是有关光电效应的工作，因为它给16

出了发射电子的能量与普朗克常数之间极其简单的关系。卡皮查也喜欢乌克兰哲学家斯考沃罗达（oda）的一句名言：“我们必须感谢上帝，因为他以这样的方式创造世界，使每一件简单的事物都是真的，而每一件复杂的事物都是假的。”在卡皮查自己的工作中，不论是在工程工艺方面，还是在纯科学方面，也同样体现了这种对简单性的追求。当然，在他每一项简单而又有独创性的想法中，都闪耀着智慧的火花。

由于在科研方面硕果累累，卡皮查在剑桥的地位越来越高。1924年，他成为卡文迪什实验室的磁学研究助理主任，1925年成为剑桥大学三一学院的研究员。1929年，卡皮查当选为英国皇家学会的会员，这在当时对一个外国人来说，是很少能获得的殊荣。1930年，卢瑟福说服皇家学会，从蒙德（）的遗赠中拿取了15000英磅，专门为卡皮查建造了一个从事强场和低温研究的实验室，取名为蒙德实验室，由卡皮查担任实验室主任。实际上，早在1922年，卢瑟福就对卡皮查讲过：“如果我有可能为你建立一个专门的实验室，让你可以和你自己的学生在里面工作的话，我将非常高兴。”当蒙德实验室在1932年正式落成时，人们看到，门口的墙上有一幅鳄鱼的浮雕，实验室里面又有一幅卢瑟福的浮雕。这是卡皮查在以他独特的方式向卢瑟福表示敬意。其实，卡皮查早就在他给母亲的信中把卢瑟福称为“鳄鱼”了。至于为什么起了这样一个绰号，有过种种不同的说法，其中最有说服力的也许还是卡皮查自己的解释：“在俄国，鳄鱼是一家之父的象征，令人赞赏和敬畏，因为它有直挺挺的脖子，无法17

回头。它只是张着嘴，勇往直前——就象科学、就象卢瑟福一样。”

在剑桥，卡皮查经常在一些讲座中介绍自己的研究工作。这些讲座也是独具特色的。例如，他在黑板上写的内容往往与口中讲的不一样。有一次，休恩伯格（erg）在课后请他澄清一下自己听到的和笔记中记录的矛盾之处，卡皮查却说：“如果我把一切都讲清楚，没有任何矛盾，那就没有留给你去思考的东西了。”在一次通俗性的演讲中，他曾这样讲：“我将试图这样来表述，让95%的人听懂5%的内容，让5%的人听懂95%的内容！”卡皮查还把俄国的传统带到了剑桥，成功地组织了一个讨论班，人称“卡皮查俱乐部”，卡皮查自然是永久的主席。他对自己在剑桥留下的这个印迹十分自豪。讨论班从1922年10月17日开始第一次会议，参加者缺席两次便被除名，而且只有在参加者自己作了报告之后，才能成为永久成员。“卡皮查俱乐部”对推动剑桥物理学的发展起到不小的作用。象玻尔、埃伦菲斯特、弗兰克、海森堡、考克罗夫特等人，更是讨论班中作报告的主角。有时讨论的内容会超出物理学之外。1934年8月21日，举行了卡皮查在任的最后一次会议——第377次会议！随着卡皮查的离去，讨论班由考克罗夫特继续负责主持，又坚持了许多年。

也是在剑桥期间，卡皮查可以经常去法国、德国、比利时与荷兰等国参加各种物理学会议，其中包括两次出席在布鲁塞尔召开的索尔维会议。1927年4月，他在巴黎结识了克里洛夫的女儿安娜·阿列克谢耶芙娜（Anna Alexeevna），两人当即坠入情网，很快就回剑桥结了婚。1929年，第一个儿18

子谢尔盖（Sergei）出生，他后来成为一个出色的物理学家和苏联电视台通俗科学节目的主持人。1931年，小儿子安德烈（Andre）出生，他后来成为一个地理学家，曾数次参加南极考察工作，并当选为苏联科学院通讯院士，成为这个家族中的第四代院士。这是一个幸福的家庭，尤其是安娜，一位友人曾评价说：“有些女人生来是妻子，有些女人生来是母亲，而安娜既是母亲，又是妻子”。

这一切似乎还不够，卡皮查追求的还要更多。1931年卢瑟福被封为贵族爵位，这件事对卡皮查触动很深。他甚至曾向一位朋友询问：“一个外国人可以成为上议院的议员吗？”这话也许是在开玩笑，不过可见他当时的想法，既想保留自己国籍（前苏联），又想融入英国的上流社会之中。

卡皮查正值春风得意之时，他多么希望这种一帆风顺的生活永远继续下去！但就在这时，命运突然和他开了一个不小的玩笑。

1921年，当卡皮查初到剑桥时，他只打算呆过冬季，然而一转眼，13年过去了。不过他始终保留着苏联的国籍。1929年，他当选为英国皇家学会会员时，苏联也把他选为苏联科学院的通讯院士。从1926年起，卡皮查几乎每年夏天都要回国一次，看望母亲、讲学，以及在高加索山区或克里米亚半岛度假。他成了一位具有特殊身份的苏联公民，可以自由地来往于英国和苏联之间。从1926年到1931年，几次邀请分别来自托洛斯基（）、加米涅夫（v）和布哈林（in）。1929年，加米涅夫曾邀请他担任在哈尔科夫建造的乌克兰物理技术研究所的顾问，卡皮查虽对此建19

议有兴趣，但他对加米涅夫讲，苏联的条件不适合他工作，他在国外工作会对苏联更有帮助，他可以在夏季回国访问期间对研究所的工作提出建议。于是，在苏联政府的许可之下，卡皮查继续保持着他的特殊身份。

1934年8月，卡皮查象往常一些偕夫人回国，先是在列宁格勒参加了门捷列夫大会，又在哈尔科夫讲学。10月初，当他与安娜将要返回剑桥时，却被苏联政府告知说，以往的特许不再有效，卡皮查必须留在苏联。几天后，安娜得到允许，一人回到英国去照看孩子，并将这一消息带到了英国。

关于卡皮查被留在苏联的原因，人们众说纷纭。卢瑟福认为是由于卡皮查曾向朋友夸下海口，说他能改变这个时代电子工业的整个面貌，而苏联人对纯科学与应用技术的关系并不十分了解，想留下他为发展苏联工业而工作。休恩伯格提出了另外两个可能的原因，一是苏联理论物理学家伽莫夫（）出访西方时没有回国，因此苏联采取了这一针锋相对的举动进行报复。另一原因是苏联的第二个五年计划要迅速发展科学，需要大量出色的科学家在国内参加工作。美国科学史家贝达什（）还谈到，更可信的是因为苏联人怀疑卡皮查在为英国政府进行军事研究，从而宁愿他回国工作。而且，有文献证据表明（尽管不是广为人知），他的确曾从事过这种工作。

卡皮查无法返回的消息传来后，在英国这一方，卢瑟福马上开始频繁的多方活动，试图帮助卡皮查重返剑桥。为了保全苏联政府的面子和不引起政府间的纠纷，一开始活动是在私下进行的。卢瑟福曾写信给苏联大使麦斯基（），20

希望苏联政府改变这一决定，但麦斯基回绝了他。卢瑟福也曾写信给英国首相鲍德温等，同样没有得到实质性的帮助。这样，卡皮查就留在了苏联国内，政府专门成立了一个研究机构：莫斯科物理问题研究所，让他担任所长，继续开展研究工作。当卢瑟福得知苏联政府并没有剥夺卡皮查的研究权利后，也莫认了这种局面，不再试图让他回归。为了支持卡皮查的研究工作，卢瑟福还做了一件令科学界津津乐道的好事，他通过外交途径，把卡皮查在卡文迪什实验室的重要设备全部运往苏联，继续供卡皮查使用。为此，苏联政府在资金上给予了相应补偿。但可以相信，这不是卢瑟福最为看重的，他看重的是卡皮查的科学才华，不想这些才华在苏联国内被白白浪费。

1936年，荷兰物理学家开索姆（）等人又发现，在λ点之下，液氦有极高的导热性。这一发现引起了卡皮查的注意。但他却认为，这种热传递也许是由于液氦极低的粘滞性所导致的对流所造成的。为了证实自己的观点，卡皮查在1937年设计了一个简单的实验。他使用两块很光滑的玻璃片，其间留有极窄的缝隙，以观察液氦在缝隙中的流动效果。实验结果表明，在λ点之下的液氦Ⅱ的粘滞性至少要比在λ点之上的液氦小1500倍，为此，他类比金属的超导电性，把在λ点之下处于特殊状态的液氦称为“超流体”。这就是液氦超流动性的发现。事实上，这个巧妙的实验构思正好可以用他后来的一段话作为注脚：“我根据长期从事实验工作获得的经验确信，正确估价一个初学者能力的最好方法同估价一个成熟的科学家的能力一样，都可以根据他发现一个解决问21

题的简单途径的天然倾向和能力来做出。”与此同时，在剑桥蒙德实验室工作的英国物理学家艾伦（）和米森纳（r）也用毛细管的方法独立地得出了相同的实验结果。最后，这两篇重要论文一起发表在1938年的同一期《自然》杂志上。

在液氦的超流动性发现后，各国物理学家在对液氦Ⅱ的认识和了解方面纷纷取得进一步进展。在这些进展中，比较重要的包括由卡皮查随后进行的一系列实验：在液氦Ⅱ中热量的流动伴随着液体的机械流动。在此基础上，苏联理论物理学家朗道（）提出了他关于液氦的二流体理论，并预言在液氦中“第二声”的存在。为此朗道获得了1962年的诺贝尔物理学奖。

此外，卡皮查1941年还在实验中发现，当热量从固体流向液氦Ⅱ时，在界面处存在有温度的不连续，这种现象被称为“卡皮查界面效应”或“卡皮查热阻”。它成了人们在以后低温研究中多年关注的课题。顺便可以提到，卡皮查为了培养人才，每年要从莫斯科大学挑一个优秀的毕业生来物理问题研究所从事研究并完成毕业论文，我国低温物理学家管惟炎1956年曾被卡皮查挑中在物理问题研究所工作，对这一课题进行了深入的研究，并发现了“反向卡皮查热阻”。

除了纯科学的研究之外，卡皮查在低温领域的另一类工作更侧重于工程技术，主要是发展了新的、可以用于工业化大规模廉价简易液化空气的方法。1939年，他设计并建成了第一台液化空气用的膨胀透平机，用这种机器可以生产大量的商用液化氧气，这给低温技术带来了重大的变革。

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1941年，纳粹入侵苏联，迫使物理问题研究所迁至喀山。在这期间，卡皮查的工作也有了相应的变化。当时，在苏联部长会议的领导下成立了一个负责液氧生产的机构，叫氧委员会，卡皮查成为这一机构的负责人。这也是他第一次兼任政府部门的工作。他在战争期间研制出了世界上功率最大的生产液氧用的透平机，为苏联的工业提供了急需的大量氧气。直到1943年物理问题研究所迁回莫斯科时，他还在负责一所生产氧气的工厂。为这些工作他还获得了许多专利。

卡皮查在剑桥时，有两件轶事。一件是，当卡皮查刚进入卡文迪许实验室时，卢瑟福曾向他宣布了一条“禁令”：在任何情况下都不允许在实验室里进行共产主义宣传。后来当卡皮查的第一项研究成果发表时，他在送给卢瑟福的一份油印本上题词说，此文可证明他到该实验室是来搞科学研究的，而不是进行共产主义宣传。卢瑟福见后大怒，咒骂着将油印本退给卡皮查。卡皮查早已料到如此，马上把另一份已准备好的、已写上很得体题词的油印本送上。卢瑟福显然很赏识这种先见之明，于是怒气就此平息。另一件轶事是，当蒙德实验室落成时，英国首相鲍德温前来祝贺。卡皮查向他介绍实验室的各种设施，以及为预防爆炸事故而特别设计的屋顶。鲍德温问：“是这样吗？”卡皮查回答道：“噢，是的，你可以相信我。因为我不是政治家。”

然而，卡皮查并非消极地回避一切与政治有关的事情。在他一生中，多次在重大关头表现出正直与无畏。例如，1938年，在苏联的大清洗中，物理学家朗道莫须有地被指控为“德国间谍”而遭到逮捕，卡皮查在几次拯救无效后，直接上书23

斯大林和莫洛托夫，说没有朗道他的工作就无法继续下去，要么无罪释放朗道，要么他自己就辞职离开研究所。1940年春，朗道在关押了近一年后终于被无罪释放，在这当中卡皮查的作用至关重要。多年后，在卡皮查70寿辰时，朗道曾这样讲道：“……今天看来，这样的控告似乎十分可笑，但在那时这可不是笑话。我在狱中度过了一年，但显然无法再支持半年——我简直要死了。……用不着喧染什么，在那些年月，卡皮查的举动需要大勇、大德和水晶般纯洁的人格。”

象这样的事例并非唯一。卡皮查曾公开站出来反对反犹太主义，曾为“持不同政见”的遗传学家麦德维杰夫（ev）辩护。当李森科（o）在苏联科学界占统治地位，排斥摩尔根遗传学，对持有不同观点的科学家横加迫害时，他曾在物理问题研究所的讨论班上公开抨击李森科的观点。1966年，在苏共第23次党代会之前，卡皮查与苏联物理学家萨哈罗夫（ov）、塔姆（）及其他各界24位知名人士签署了一份请愿书，呼吁党不要恢复斯大林的名誉，因为“那将是一场灾难”。1973年，当萨哈罗夫因在苏联捍卫人权而受到官方迫害时，5位出席普格瓦什会议的苏联科学院院士中有4位联名签署了一份谴责萨哈罗夫的宣言，唯独卡皮查没有签名。他强烈反对要把萨哈罗夫驱逐出苏联科学院的做法，并提醒说，除了纳粹曾把爱因斯坦赶出普鲁士科学院之外，再没有人这样做过。卡皮查还曾对那些不懂装懂的哲学家在自然科学领域里的工作提出尖锐批评，认为“哲学家本来应预见到自然科学的发展，而不是死守已过去的阶段”，“在自然科学领域中运用辩证法要有24

对实验事实及其理论概括的十分深刻的知识。没有这个，辩证法本身不能给出问题的答案。”为此，他受到苏联哲学界一些人的指责。然而，在所有这些言行中，对卡皮查自身影响最大的还是他拒绝在贝利亚（）的领导下为苏联研制原子弹而工作。对此，赫鲁晓夫曾在他的回忆录《最后的遗言》中这样写到：“我们要求卡皮查真正去做资产阶级报纸说他曾经做过的事：我们要求他为我们的核弹计划工作。……问题在于，他拒绝接触任何军事科研工作。他甚至要说服我，说他出于某种道德信念，不能从事军事科研。”

也许正是由于这一点，1946年夏天，卡皮查被解除了物理问题研究所所长的职务，而当时官方的说法却是因为他“对苏联和国外制氧技术傲慢的态度”和“未能按计划日期使冶金工业采用新的装置”。在此情况下，卡皮查不得不离开研究所，到他在尼科利纳山的“别墅”隐居起来。在那段隐居生活中，卡皮查仍然没有停止科研工作。他一方面进行一些纯理论性的研究，例如象“论风对海浪形成之作用的问题”、“悬挂点振动的摆的动态稳定性”、“贝塞尔函数根负偶次幂的和的估计值”等等。这些工作显示出他在理论方面的素养，既抓住了问题的本质，又机智地简化了数学的分析。另一方面，他开始在小木屋中装备自己的实验室，自己动手去做一切必要的实验装置。他对球形闪电提出了自己独特的见解，并付诸实验。在此方面，卡皮查开始在另一个新的方向：“大功率电子学”上的研究。特别是，他设计并制成了一种线性的磁控管——“尼科管”，这是以尼科利纳山来命名的。它可以产生和聚集几千瓦分米波段的电磁辐射，在几25

秒钟内就可以产生让石英熔化的温度。随后，卡皮查将尼科管用于研究热核过程，开始了在等离子体方面的实验。简陋的条件并没能完全束缚住卡皮查，相反，却在另一个极端的领域激发了他的创造灵感。

直到1954年，卡皮查的隐居生活才告结束。他把亲手建成的家庭实验室移交给物理问题研究所。1955年，卡皮查被重新任命为物理问题研究所所长。此后，在科学工作上，卡皮查主要从事等离子体方面的研究，这是从他被贬职时开始出现的转向。他相信这方面的研究也许会为未来的能源问题找到解决之路。1969年发表的消息表明，他已观察到在束状高频高压放电中形成的高温等离子体。进一步地，卡皮查继续努力在更大规模上进行等离子体实验。

卡皮查晚年，发表的科学论文逐渐减少，但他在另外一些领域中却更加活跃。从1965年起，在苏联定居了30多年后，随着赫鲁晓夫的下台，卡皮查终于获得了出国的许可。他先后到了丹麦、英国、南斯拉夫、波兰、荷兰、印度、加拿大、美国、瑞士和意大利等国，有时是接受各种荣誉称号和奖章，有时是进行访问、讲学和出席学术会议。与此同时，他不断撰写文章，进行演讲，讨论科学组织工作、杰出科学家在科学中的作用、科学思想及教育等诸方面的问题。但是，卡皮查更为关注全球性的问题，他明确指出：“在我们这个世纪，对许多问题的解决已经超出了任何单一国家的能力范围，只有靠全球规模的努力才能达到。在原子弹和核战争的威胁面前，人们才首次觉醒，认识到人与自然之间的关系所具有的全球性特征。人们已普遍接受的看法是，在世界任何一处26

爆发这种战争，都会在几小时内污染整个地球，并把人类推向末日。着眼于这种威胁，人类必须放弃使用核武器。”卡皮查认为，全球性问题的三个主要方面是：技术与经济方面，涉及到自然资源的枯竭；生态方面，指人类和人类赖以生存的自然之间的平衡问题；社会经济方面。卡皮查认为与这些问题相关过程的动力学可以用指数函数来描述——其进程最终会导致爆发式的突变。因此，“在国际范围内解决全球性问题的需要将促进人类努力走向和平共存和裁军。……人们将感到自己是近邻，面对着全球性危机这个迫在眉睫的共同敌人，这种危机将使人们齐心协力地去共同奋斗。”

如此做为，卡皮查在纯科学之外的许多论述引起了人们相当的注意。1980年，著名的美国波士顿科学哲学研究丛书专门为卡皮查出版了一本文集：《实验、理论、实践》。这也是首位苏联科学家在此套丛书中系统地阐述自己的观点。后来，在为反映25年波士顿科学哲学讨论会情况而出版的《二十五年的素描》一书中，共收录19篇论文，其中就包括卡皮查的“复杂的科学问题”一文。

1984年，当人们正准备为卡皮查庆祝90大寿之际，3月底，卡皮查因患严重的中风住进了医院，4月8日就溘然长逝。此时，距他90岁生日只差3个月时间。在走过如此奇特的生命旅程，为科学的发展和人类的进步做出如此众多的重要贡献后，卡皮查可以说是死而无憾了，他的名字将镌刻在科学的册史上。

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