中外科学家发明家丛书:劳伦斯-第1部分

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　　　　　一位经常给有非凡之才的人作评价的学者谈到欧内斯特·劳伦斯时曾　

说：“也许这是我所认识的唯一的天才。”而当这位学者给一个成功的生意　

人做结论时，却毫不犹豫地说：“这是一位我所见到的最普通的庸才。”　

　　　　　劳伦斯在美国草原小镇出生、长大，在乡村中小学受教育。但他的成就　

在美国屈指可数。他是世界上第一个回旋加速器的制造者，38岁就获得诺贝　

尔奖金，是研制第一颗原子弹的领导者之一，开发放射性同位素在医学和工　

业上的应用的先驱。在美国大多数科学家向往欧洲的那个时期，他使他的伯　

克利辐射实验室成为各大陆物理学家“朝觐”的“圣地”。　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、勤奋好学的青少年时代　



　　　　　1901年8月8日，欧内斯特·劳伦斯诞生于美国南达科他州的一个名叫　

坎顿的小城镇。他的祖父是挪威移民，父亲卡尔·劳伦斯，毕业于威斯康星　

州立大学，先后在南达科他的州、市、县任过公共学校的督学。母亲冈达·雅　

各布森，是中学教师。　

　　　　　劳伦斯自幼就显示出他的自立与勤奋好学。当他7岁半时，他提出来要　

自己在复活节假中去衣阿华州拜访表兄托米，这之间有70英里的路程，但他　

坚持自己去。父母同意了。当他的姨妈和表兄看到他一个人到来时，简直惊　

呆了。　

　　　　　当劳伦斯将近9岁时，他对电产生了兴趣，他和小伙伴默尔收集了废电　

池，用氯化铵充电，当把这些电池连在一起时，他们得到了足以开动6伏马　

达的电流。他的家里摆满了电火花线圈、铃、蜂音器和马达等。劳伦斯天天　

从学校迫不及待地赶回家摆弄他的电气装置。13岁时，他利用一些旧无线电　

设备在家里安装了电报接收机，两年后又制成了发送机，他和他的小伙伴可　

以用无线电通讯进行联系了。随后，小镇上的人们收听到了来自战火弥漫的　

欧洲的惊人新闻，他们还听到了潜水艇和军舰上发出的嘀嘀嗒嗒声。　

　　　　　孩子们成了全城的话题，《坎顿先导》报道了家乡的孩子们不用电线而　

只用他们自己制造安装的设备给外州播送信号，其他报纸转载了这篇文章。　

　　　　　劳伦斯17岁时，遵从母亲的意愿上了圣奥拉夫学院，但当时战争狂热冲　

击校园，人们无心学习，劳伦斯的成绩也并不理想。　

　　　　　1919年秋他考入南达科他州大学，他上的是医科大学预科。当他发现学　

校没有无线电设备后，他说服电气工程学院院长刘易斯·阿克利拨款在科学　

楼阁楼上的一个地方安装了无线电设备。阿克利教授也由此发现劳伦斯是个　

人才。但他不能理解为什么一个这样急于学习和实验的人竟然不选物理课和　

电工技术课，他常常用有启发性的语言谈起物理学界的伟人。在学年结束之　

前，他再也忍不住劝劳伦斯学习物理了：“如果你在开学前到这儿来跟我一　

起度过8月份，我将使你对物理发生兴趣。如果我做不到这一点，我以后就　

再也不跟你谈这个问题了。”　

　　　　　劳伦斯答应了。自此他开始学习物理，并把自己的一生投入到物理学研　

究中。1922年7月，他以优异的成绩获得了学士学位。同时他被明尼苏达大　

学聘请为教学研究员。　

　　　　　这年秋天，他来到明尼苏达大学，他的导师是著名的斯旺教授。在斯旺　

的指导下，劳伦斯打好了电动力学和磁学的坚实基础。他认为：“物理是世　

界上最令人激动的专业。”“在世界上没有比科学研究更伟大的工作，也没　

有比物理教授更美好的职称。”劳伦斯获得了硕士学位，斯旺教授还把他的　

论文寄给自然科学学会，并在《哲学杂志》上发表。劳伦斯通过这篇论文首　

次引起外界科学家们的注意。　

　　　　　1923年秋天，劳伦斯被芝加哥大学接受做博士研究生。在此之前，斯旺　

已被芝加哥大学聘请为教授。　

　　　　　在芝加哥大学，劳伦斯开始研究钾蒸气中的光电效应。很多老师认为他　

的论文题目有些好高鹜远。劳伦斯用木头做了一个支持物，自己吹玻璃做蒸　

气喷嘴、容器及烧瓶等。他试了一种办法又一种办法，当他感到一切都很顺　

利，准备在记录数据之前进行最后一次调整时，有人从他身旁路过碰了他一　


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下，于是仪器爆炸了。　

　　　　　那是阴郁的时刻。劳伦斯不得不从头开始。他花了不少时间用各种方法　

调整装置，记录数据，并从中发现了新的有价值的材料。　

　　　　　第二年秋天，斯旺转到耶鲁大学教书，劳伦斯也申请了耶鲁的斯龙实验　

室公费研究生待遇。1924年9月，劳伦斯来到享誉世界的古老学府——耶鲁　

大学报到。　

　　　　　他继续做钾蒸气光电效应实验，然后写完了学位论文。论文再次发表，　

劳伦斯的名字开始被科学界知晓。1925年6月他获得了哲学博士学位，当时　

他还没满24岁。　

　　　　　1925年2月，斯旺教授提名劳伦斯做国家研究员。只有5％的最优秀的　

科学博士才有机会当选。　

　　　　　劳伦斯继续在耶鲁大学从事学习和各项实验。人们注意到作为一个实验　

家他之所以有能力，原因之一便是他能及时放弃一个观念，或毫不迟疑地抛　

弃那些看上去不会出成果的设计。他先通过实验设法产生速度均匀的电子　

束，发展了一种能产生大约10电子伏能量的这种束的磁分析法。他用这个电　

子束来轰击汞蒸气，结果得到了关于一个电子可能电离一个原子的几率的性　

质这个情况。随后他用电子碰撞法测量了汞原子的电离电位。正是在他取得　

学位还不到一年的这次实验，将他稳固地置于新一代物理学家的前列。　

　　　　　这次实验的消息传出去后，全国各地的教授都引起注意。加州大学的伦　

纳德·洛布教授来到纽黑文　（耶鲁大学所在地），他认为劳伦斯“正是我们　

所要的人”，他邀请劳伦斯到加州大学当副教授。他还写信给加州大学物理　

系主任埃尔默·霍尔教授介绍“东部地区一个最有才华的年轻实验物理学家　

的底细”。此后劳伦斯不断接到一些大学的邀请，华盛顿大学提出优厚的条　

件：如应聘为副教授，三年内提升他为正教授，而且答应给他搞科研的时间　

和设备。为此耶鲁大学不得不马上提升他为副教授，薪金3000美元。这是耶　

鲁第一次请没有做过讲师的人做副教授。耶鲁的优越性和名誉战胜了更高的　

工资和职衔，劳伦斯决定留在耶鲁。　

　　　　　据劳伦斯的同学、同事杰西回忆，“劳伦斯主意非常多，而且精力旺盛。”　

　“他有着使不完的精力，而且对事物有非常敏锐的洞察力。我们的实验主要　

靠他出主意；他是主要的推动力。他所做的总比他应该做的多，工作起来也　

比我快得多。他是一个出色的、全面的实验家，吹玻璃的好手，搞仪器装置　

的天才。当他不在的时候我才巴不得地得到点休息。同时他也是一个非常慷　

慨的人。他不吝啬地用自己的时间去帮别人的忙。”　

　　　　　科研对他来说是压倒一切的乐趣，但几周之后他就表示喜欢教学工作　

了。他以他素来就有的乐观情绪推测高年级学生和研究生会更“有趣”。但　

当发现有学生考试作弊时，他感到很烦恼。作弊的学生中有两人是主修物理　

的。一个不诚实的人怎么去理解自然，成功地进行实验并扩张知识疆界呢？　

在他的家庭里诚实理所当然地被视为主要道德标准。难道真理可以分等级，　

诚实可以打折扣？他始终认为，在科学研究中是不能跟真理讲价钱的。尽管　

同事们见他如此认真感到好笑，告诉他不诚实的学生总是有的，只要能通过　

考试他们什么都干得出来，但是这位年轻的副教授却无论如何也笑不出来。　

　　　　　洛布教授不断写信劝说劳伦斯去加州大学，其他一些大学也在打他的主　

意。而劳伦斯也感到耶鲁一些资格老的教授对他直接被指定为副教授感到气　

愤。劳伦斯开始考虑去加州大学。有些人认为以一个名牌大学换一个边远地　


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区的州立大学对一个如此有前途的年轻人来说是一件蠢事，但也有人告诉他　

加州大学在伯克利的物理系一点也不比耶鲁大学的差。　

　　　　　经过认真考虑后，劳伦斯接受了加州大学的邀请。他在给洛布的信中补　

充说洛布答应减轻他的课程，这对他作出这个决定也有影响，“我对探索我　

们的母亲——大自然的更多的奥秘要比把我已经了解到的情况告诉他人更感　

兴趣。”他还很高兴他能教研究生及有研究生跟他一起做实验。　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二、研制回旋加速器　



　　　　　1928年8月，劳伦斯来到建在伯克利山的斜坡上的加州大学。他受到热　

烈的欢迎和极高的礼遇。他感到这里的教师是一群出色的、有多方面才能的　

人，这里的设施与耶鲁的斯龙实验室相比只好不坏。在头一学期他每周教5　

节课。他还是电学和磁学博士考试委员会的主席。“我一点也不想耶鲁大学　

　（真是奇事），我在这儿占着相对重要的地位，这在耶鲁大学是多少年也达　

不到的。”他写道。不论是物理学家还是化学家全都怀着热切的心情来参观　

他的实验并点头称赞。他后来说：“耶鲁大学的态度是他们能恩赐于我什么，　

而在这里似乎是我能为加州大学做贡献。”　

　　　　　劳伦斯以极大的热情和充沛的精力投入教学和实验，他帮助一些研究生　

做实验，这些实验的情况发表了，里面没有他的名字。“他给人的印象是他　

从指头尖一直到全身都充满了活力，走到哪儿就把激动的气氛带到哪儿。当　

然也带来了和平。”他的一位同事评价道。　

　　　　　这个新来者这么年轻就当上副教授，这么快就能引起教员和学生们的密　

切注意，系里年长一些的人多少有些羡慕和忌妒，然而从来没有人指责他不　

努力工作或工作时间短。他如果不在实验室就准在图书馆聚精会神地看当代　

的物理文献，或在办公室计算什么问题。即使这样他还能抽出时间每周打三　

次网球。他也能找到时间参加社交活动，人们说他好像不怎么需要睡觉。　

　　　　　在所有的寻求知识的探索中，甚至包括宇宙空间的探险在内，最激动人　

心的，最重要的是小小的原子这一微观世界。原子比头发的直径要小100万　

倍，然而它却类似于一个宇宙，电子像行星一样围着核子转，这个核子比小　

小的原子本身小10万倍却含有原子质量的绝大部分。也许对原子的探索能使　

生命本身的秘密被揭晓。英国的原子核物理学家卢瑟福已经让人们看到几世　

纪以来原子是不可分割的最小单元这个概念站不住脚，并用镭的辐射将一种　

基本元素变成了另一种基本元素，但当时又有谁知道足以分裂每种元素的原　

子的可控能量可建立何等的丰功伟绩呢？但是劳伦斯感到若是没有产生这种　

能量的实际的方法，并设计出能装载它而不会被它所破坏的管子，对小小的　

原子进行的进攻是难以用人工的方法去完成的。从他在明尼苏达时开始，他　

就对能够而且最终将会设计出的某种方法感兴趣了。　

　　　　　全世界各个实验室都接受了这一挑战。有3个德国物理学家曾企图在山　

顶峰之间拉一根700米长的链子吸引闪电加以利用。其中一人遭电击身亡。　

表上已记录了数百万电子伏，但是放电管经不住这样大的电压。怎样才能击　

中并研究原子呢？劳伦斯认识到只有采用当时还没有做到的、连续不断的、　

强度大的带电粒子流才能收到效果。　

　　　　　1929年4月1日左右，当劳伦斯正在图书馆与约翰逊阅读科学杂志时，　

发现了挪威工程师罗尔夫·怀德洛在《电工学文献》上发表的一篇文章。文　

章论述的是钾离子的加速问题。他几乎没有看本文，而是激动地研究了文章　

的插图。怀德洛把两个管子　（电极）排成一条线，用衰减高频振荡电压将钾　

离子注射到第一个管子中去，当离子行进到两个管子之间时以同样的电压升　

压一次，与第一次同步。因此当离子从第二个管子中出来时比进第一个管子　

时能量大了一倍。那么采用几个管子，以增加其长度来连续不断地升压而增　

大离子的速度，为什么不能将最初的电位和再加上去的电位提高几倍，从而　

增加能量，使其达到最初输入能量的许多倍呢？在合适的时间重复施加低　


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的、很容易控制的电压，会使能量比单独一次使用巨大的高压还要高，正如　

儿童打秋千，需要不断地推才能越来越高，而不是一次就能推得很高。　

　　　　　劳伦斯很快地计算了一下，这一串管子中后一个应该比前一个长多少，　

他意识到要想得到高能质子就需要一个相当长的管子，这对许多实验来说都　

是过于笨重的装置，然而若是达到百万电子伏重离子，其装置不一定要太长。　

他马上着手计算如何减少必须的长度。如果能将这些管子重复使用，结果会　

怎样呢？这就得把管子变成一个圆圈。他立刻就产生一个想法，即用磁场把　

离子限制在一个圆圈里。因为离子在磁场里的角速度是不变的，与其速度无　

关。那么，从理论上说，如果电极是在磁场之中，每当离子沿着直径方向通　

过将它们分离开来的小空隙时都给以重复加速的话，那么，人们是可以在空　

的半圆形电极中使离子不断循环的。　

　　　　　劳伦斯怀着发