雖然今天物理學(xué)在我們的生活中舉足輕重，但在19世紀(jì)后半葉以前，“物理學(xué)家”這個(gè)職業(yè)甚至這個(gè)稱呼都還不存在。那時(shí)的物理研究不系統(tǒng)且業(yè)余。開展物理實(shí)驗(yàn)研究在當(dāng)時(shí)是一件奢侈的事情，只有具備相當(dāng)?shù)呢?cái)力才可以獲取所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，擁有自己的個(gè)人實(shí)驗(yàn)室。大學(xué)通常是教育的中心，而不是新知識(shí)的生產(chǎn)中心。

真正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在19世紀(jì)最后三分之一。公共物理教學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室的建立與普及，對(duì)物理學(xué)的“建制化”起到了決定性作用。實(shí)驗(yàn)室成為物理學(xué)家的立身之所，有實(shí)驗(yàn)室，就沒有物理學(xué)的根基。

1

物理實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)家

1.1 物理實(shí)驗(yàn)：從設(shè)想走向可重復(fù)驗(yàn)證

古代一直到中世紀(jì)，我們尚未發(fā)現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)室的記載。亞里士多德應(yīng)該是不做實(shí)驗(yàn)的，阿基米德是否做實(shí)驗(yàn)似乎沒有直接的證據(jù)。雖然阿基米德有許多機(jī)械發(fā)明，如滑輪、投射裝置、農(nóng)田灌溉機(jī)械等，但這對(duì)他而言，這“只不過是幾何學(xué)變化的游戲”，只需根據(jù)幾何原理制造就可以了，未必需要親自實(shí)驗(yàn)。

傳說阿基米德曾經(jīng)通過浮力實(shí)驗(yàn)，判斷國王的金冠是否摻了銀。但要真正操作，需要一個(gè)與王冠體積完全相等的純金對(duì)照物和一個(gè)純銀對(duì)照物，這樣的條件很難滿足也非常麻煩。由此看來，阿基米德是否真正做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)是很值得懷疑的。

到了伽利略，這一切才發(fā)生了改變。他在《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》中多處談到實(shí)驗(yàn)。比如在檢驗(yàn)勻加速運(yùn)動(dòng)物體通過的距離之比等于時(shí)間平方之比這個(gè)定律時(shí)，他設(shè)計(jì)了一個(gè)銅球從光滑斜面向下滾動(dòng)的實(shí)驗(yàn)。測(cè)量時(shí)間的方法別出心裁：他在高處放置一個(gè)大水桶，底部開一根細(xì)管，讓水在銅球下滑的時(shí)間內(nèi)流出。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，他把流出的水收集并稱重，以此精確比較時(shí)間長短。伽利略耐心地重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)百次，結(jié)果始終一致：運(yùn)動(dòng)距離與時(shí)間平方成正比。這種對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的精心描述，以及對(duì)可重復(fù)性的強(qiáng)調(diào)，標(biāo)志著近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的誕生。

▲伽利略的斜面

在伽利略之后，托里拆利和帕斯卡進(jìn)一步推進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法的成熟。我國物理學(xué)事業(yè)的開創(chuàng)者之一葉企孫高度重視物理實(shí)驗(yàn)，他一生撰述不多，卻特別為這兩位物理學(xué)家寫了紀(jì)念文字，高度評(píng)價(jià)他們的實(shí)驗(yàn)工作：“托里拆利的水銀柱實(shí)驗(yàn)，是裝置簡單而有重要意義的實(shí)驗(yàn)。它決定性地證明了大氣是有壓力的，并且建立了測(cè)量大氣壓力的基本方法。在人類研究氣體性質(zhì)與液體性質(zhì)的歷史過程中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是劃時(shí)代性的”。帕斯卡的實(shí)驗(yàn)顯示，“大氣壓隨地表高度變化，進(jìn)一步證明大氣壓強(qiáng)的存在，是物理學(xué)發(fā)展史上的一件大事”。

▲Ernest Board的油畫，托里拆利在阿爾卑斯山進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（wellcome collection）

這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置簡單，但卻已經(jīng)具備重大物理實(shí)驗(yàn)的全部要素：

(1)由物理假設(shè)或物理猜想出發(fā)，最經(jīng)濟(jì)合理地設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，證實(shí)物理假設(shè)；

(2)有實(shí)驗(yàn)設(shè)施、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完整記錄；

(3)實(shí)驗(yàn)具有普適性，沒有時(shí)間、地域限制，可以隨時(shí)隨地重復(fù)；

(4)實(shí)驗(yàn)帶來了物理觀念的重大變化，推翻了傳統(tǒng)的“自然憎惡真空”的觀點(diǎn)。

伽利略、托里拆利、帕斯卡等人拉開了近代實(shí)驗(yàn)物理的大幕，建立了物理學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)方法。然而，在16、17世紀(jì)，做物理實(shí)驗(yàn)是有一定風(fēng)險(xiǎn)的，一些教士們指責(zé)實(shí)驗(yàn)會(huì)威脅信仰，破壞道德與精神，動(dòng)搖大學(xué)的傳統(tǒng)。以至于英國皇家學(xué)會(huì)不得不出面為實(shí)驗(yàn)正名，強(qiáng)調(diào)它不會(huì)對(duì)教育和大學(xué)造成傷害?？梢姡瑢?shí)驗(yàn)方法的確立并非理所當(dāng)然，而是經(jīng)歷了激烈的爭議。

1.2 私人實(shí)驗(yàn)室：科學(xué)探索的搖籃

19世紀(jì)以前，幾乎所有物理實(shí)驗(yàn)室都是私人性質(zhì)的。研究者常常把自家房間、閣樓甚至地下室改造成實(shí)驗(yàn)場所。玻意耳在做氣體實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用的管子太長，以至于只能搬到樓梯上去做；牛頓在劍橋的住所里完成了關(guān)于光學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；富蘭克林在風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)之后，又在自家豎起一根絕緣鐵桿，以便隨時(shí)觀察大氣放電。

▲玻意耳的氣泵（wellcome collection）

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越昂貴，只有有錢人才養(yǎng)得起一個(gè)實(shí)驗(yàn)室。柏林大學(xué)的馬格努斯(Heinrich Gustav Magnus，1802—1870)是一位猶太富商的兒子，繼承了大筆財(cái)富，他在自己住所里建立起當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)室?？藙谛匏?Rudolf Clausius，1822—1888)、亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz，1821—1894)和魏德曼(Gustav Heinrich Wiedemann，1826—1899)等著名的德國物理學(xué)家都曾在這里受益?？梢哉f，馬格努斯的家就是當(dāng)時(shí)的“物理學(xué)圣地”。

然而，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境卻遠(yuǎn)不如人意，往往設(shè)在地窖、酒窖、馬廄和倉庫這類骯臟或陰暗的地方，實(shí)驗(yàn)者需要與潮濕、寒冷以及霉味等斗爭。更重要的是，直到19世紀(jì)初，很多大學(xué)教師仍認(rèn)為大學(xué)的任務(wù)是“傳授知識(shí)”，而不是“創(chuàng)造新知”，而實(shí)驗(yàn)研究不利于學(xué)校傳授既有知識(shí)的主要任務(wù)。在這種觀念下，實(shí)驗(yàn)室在大學(xué)里幾乎沒有立足之地。

1.3 “物理學(xué)家”的產(chǎn)生

直到19世紀(jì)后半葉，在任何國家從事科學(xué)研究幾乎都不可能謀生。任何一個(gè)專業(yè)的生存和發(fā)展都取決于社會(huì)需求，19世紀(jì)科學(xué)的進(jìn)步使得社會(huì)對(duì)于獲取科學(xué)服務(wù)的需求大幅增加，催生了“科學(xué)家”職業(yè)，“自然哲學(xué)”也逐漸分裂成許多專業(yè)學(xué)科。

“科學(xué)家”這個(gè)詞，直到1833年才被英國學(xué)者威廉·惠威爾（William Whewell，1794—1866，中文譯作胡威立）創(chuàng)造出來。同樣，他也造出了“物理學(xué)家”這個(gè)新詞。胡威立還是一個(gè)“造詞高手”。他不僅創(chuàng)造了“科學(xué)家”“物理學(xué)家”，還造出了“ion（離子）”“cathode（陰極）”等許多專業(yè)詞匯。中國人很早就熟悉胡威立這個(gè)名字，他的《初等力學(xué)教程》(An Elementary Treatise on Mechanics)一書由英國傳教士艾約瑟和中國數(shù)學(xué)家李善蘭合譯成中文，以《重學(xué)》為書名于1859年刊行。

▲威廉·惠威爾肖像

在19世紀(jì)的大部分時(shí)間里，沒有明確地、直接地定義什么是“做”物理?，F(xiàn)在我們熟知的從中學(xué)到大學(xué)、到研究機(jī)構(gòu)，這種物理學(xué)家的職業(yè)模式還不存在。到了19世紀(jì)后半葉，物理學(xué)家終于通過電磁學(xué)、熱力學(xué)和能量科學(xué)的發(fā)展，為自己找到了角色定位：

與自然的關(guān)系：研究自然、理解自然、解釋自然，是自然的代言人；

與公眾的關(guān)系：物理學(xué)家對(duì)自然力量的理解、把握、運(yùn)用和改造，為公眾謀福利；

與國家的關(guān)系：物理學(xué)家是國家榮譽(yù)的貢獻(xiàn)者，國家力量的捍衛(wèi)者。

從此，物理學(xué)家成為一個(gè)有清晰身份的職業(yè)群體。而實(shí)驗(yàn)室，也逐漸從陰暗的角落走到前臺(tái)，進(jìn)入大學(xué)，成為現(xiàn)代科學(xué)不可或缺的配置。

2

最早的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室

我們今天熟悉的“實(shí)驗(yàn)室”一詞，其實(shí)起源于化學(xué)。德文“Laboratorium”一詞原指指化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。1819年出版的《大英百科全書》里，它被定義為：一個(gè)配有化學(xué)儀器的地方，用于進(jìn)行化學(xué)制造或?qū)嶒?yàn)研究。《牛津英語詞典》后來也指出，實(shí)驗(yàn)室起源于化學(xué)，最初服務(wù)于藥品、化學(xué)制品的制造和研究。物理實(shí)驗(yàn)室則出現(xiàn)得更晚，它和天文觀測(cè)臺(tái)又有著明顯區(qū)別。首先，實(shí)驗(yàn)室概念源于化學(xué)；其次，物理實(shí)驗(yàn)存在著實(shí)驗(yàn)者對(duì)觀測(cè)對(duì)象的人工干預(yù)。有鑒于此，天文觀測(cè)臺(tái)站不在本文討論的范圍。

隨著19世紀(jì)大學(xué)教育的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室逐漸進(jìn)入課堂。不過在最初，它們更多是為“演示實(shí)驗(yàn)”服務(wù)，真正讓學(xué)生動(dòng)手的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室還需要一些時(shí)間的孕育。

2.1 演示實(shí)驗(yàn)：從“表演”開始

19世紀(jì)初，大學(xué)的職能一般是教育，而不是科研。因此，一個(gè)人是否具備研究能力，并不是獲得自然哲學(xué)教授職位的關(guān)鍵條件。1831年，哥廷根大學(xué)空缺了一位自然哲學(xué)教授席位，高斯在給校方的建議中就寫道：最重要的是選一個(gè)可以通過演講吸引聽眾的人。在當(dāng)時(shí)，即使是偉大數(shù)學(xué)家高斯，也認(rèn)為研究能力不是大學(xué)教授的核心條件。

1799年英國皇家研究院(Royal Institution)成立時(shí)，按照發(fā)起人倫福德(BBenjamin Thompson, Count Rumford)，1753—1814)的設(shè)計(jì)，科學(xué)研究并不是其目標(biāo)，他想做的是研究和講授科學(xué)發(fā)現(xiàn)在改進(jìn)藝術(shù)和制造業(yè)方面的應(yīng)用，公開傳播有關(guān)新的有用發(fā)明的信息，并為工匠提供一所學(xué)校。19世紀(jì)20年代法拉第創(chuàng)設(shè)的“星期五演講”正體現(xiàn)了皇家研究院的宗旨。

▲法拉第的圣誕節(jié)演講（Royal Institution of Great Britain）

為了提高演示實(shí)驗(yàn)的效果，表演者往往會(huì)精心構(gòu)思演示內(nèi)容，并充分利用一些演示技巧，來吸引觀眾，提高科學(xué)傳播效果。由于當(dāng)時(shí)物理學(xué)還沒有在工業(yè)文明和社會(huì)生活中充分顯示出其威力，只能靠眼花繚亂的演示來吸引觀眾，體現(xiàn)物理學(xué)家的價(jià)值，拓展生存空間。那時(shí)的實(shí)驗(yàn)室，通常就是演講廳的附屬設(shè)施，為演示實(shí)驗(yàn)提供輔助和準(zhǔn)備工作。

這一傳統(tǒng)延續(xù)很久。20世紀(jì)五六十年代，我國一些大學(xué)如清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)還把為教學(xué)服務(wù)的物理演示實(shí)驗(yàn)室直接稱為表演室。對(duì)于大型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以去表演室觀看教師的演示；對(duì)于小型實(shí)驗(yàn)，教師也可以把實(shí)驗(yàn)設(shè)備從表演室搬到教室去演示。

2.2 誰是最早的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室？

如果說化學(xué)實(shí)驗(yàn)室早早就進(jìn)入了課堂，那么物理學(xué)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室卻來得稍晚一些。1824年，德國化學(xué)家李比希(Justus von Liebig，1803—1873) 在吉森大學(xué)建立了第一個(gè)面向?qū)W生的實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生不僅聽講，還能親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。這被認(rèn)為是近代大學(xué)“實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的先聲。物理學(xué)家們很快跟進(jìn)，并且在誰是“第一個(gè)”創(chuàng)辦物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的問題上，留下了不少爭論。

▲李比希的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（lindahall）

1871年，《自然》雜志刊登了一篇文章。作者是皮克林(Edward Charles Pickering，1846—1919)，他后來成了哈佛天文臺(tái)的臺(tái)長。皮克林介紹說，他在麻省理工學(xué)院(MIT)引入了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，1869—1870年有60名學(xué)生在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。他因此自豪地宣稱，MIT是美國最早進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的機(jī)構(gòu)之一。

皮克林的文章引起了英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)士亞當(dāng)斯(William Grylls Adams，1836—1915)的注意，他不想讓美國人搶走最早進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的榮譽(yù)。他指出，牛津大學(xué)的克利夫頓教授(Robert Bellamy Clifton，1836—1920)早在1867年前就提出，物理實(shí)驗(yàn)室教學(xué)應(yīng)該成為物理學(xué)課程的組成部分。而他自己所在的國王學(xué)院也迅速行動(dòng)，于1868年建立了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。亞當(dāng)斯在文章中描述了實(shí)驗(yàn)室布置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)組織的一些細(xì)節(jié)，顯然不想讓美國人奪走這個(gè)首創(chuàng)權(quán)。

▲皮克林和亞當(dāng)斯，其中亞當(dāng)斯的哥哥便是發(fā)現(xiàn)海王星的那位約翰·柯西·亞當(dāng)斯

皮克林和亞當(dāng)斯的文章都是記述當(dāng)時(shí)發(fā)生的事情，而不是許多年前事件的歷史回顧，因此可信度是很高的。但奇怪的是，他們的文章并沒有在學(xué)界引發(fā)更廣泛關(guān)注。1908年，《自然》雜志的一篇紀(jì)念英國物理學(xué)家艾頓(William Edward Ayrton，1847—1908)的文章里，再次掀起了“首創(chuàng)之爭”。文章說，從1879年到1884年，艾頓是芬斯伯里技術(shù)學(xué)院的應(yīng)用物理學(xué)教授，他在那里創(chuàng)立了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，這種體系現(xiàn)在遍布英國的技術(shù)學(xué)院。文章顯然認(rèn)為是艾頓首創(chuàng)了物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

這篇紀(jì)念艾頓的文章立即受到質(zhì)疑，時(shí)任伯明翰大學(xué)校長的洛奇(Oliver Lodge，1851—1940)馬上撰文反駁：“如果不提出抗議，我認(rèn)為倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和國王學(xué)院的學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)室的先驅(qū)性工作有被忽視的危險(xiǎn)。請(qǐng)?jiān)试S我說，1872年以前，這些大學(xué)就有學(xué)生從事物理實(shí)驗(yàn)室工作?！彼€親身舉了例子：“1866年，UCL的福斯特教授(George Carey Foster，1835—1919)親自為我開設(shè)的定量實(shí)驗(yàn)室教學(xué)課程具有很高的價(jià)值，與我所知的任何一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室相比都不會(huì)黯然失色”。

▲1917年的福斯特（National Portrait Gallery）

UCL的比爾教授所著《大學(xué)學(xué)院物理天文系史1826—1975》根據(jù)校歷文字記載而不是當(dāng)事人回憶，從檔案方面提供了證據(jù)：1865年，學(xué)校理事會(huì)就設(shè)立了實(shí)驗(yàn)物理教授席位，福斯特受聘擔(dān)任實(shí)驗(yàn)物理教授。1866年7月，理事會(huì)通過福斯特的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃并撥款；同年，18名學(xué)生注冊(cè)參加了英國最早的物理實(shí)驗(yàn)室課程。因此，福斯特于1866年在UCL建立了教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是可以肯定的。順便一提，20世紀(jì)30年代，我國曾有幾位物理學(xué)家在福斯特實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修學(xué)習(xí)，如錢臨照、江仁壽和周如松。

當(dāng)然，也有人把目光投向蘇格蘭。1885年，威廉·湯姆孫（即開爾文勛爵）在威爾士班戈大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室揭幕典禮上的講話上自豪地說：“我相信，格拉斯哥大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)在遍地都是的物理實(shí)驗(yàn)室的鼻祖”。

1845年，湯姆孫被任命為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，1850年，他把大學(xué)里一個(gè)廢棄的酒窖改造為實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行金屬的電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。許多實(shí)驗(yàn)觀察一個(gè)人無法進(jìn)行，他便邀請(qǐng)學(xué)生協(xié)助實(shí)驗(yàn)。后來學(xué)生也開展獨(dú)立的研究。在1856年發(fā)表論文時(shí)，湯姆孫在這篇文章首頁的腳注中對(duì)至少4位學(xué)生的協(xié)助表示了感謝。這是英國關(guān)于學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室研究工作的最早記錄。但當(dāng)時(shí)湯姆孫的實(shí)驗(yàn)室還具有私人實(shí)驗(yàn)室的特征，尚不能算正式的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生的工作旨在為教授提供幫助，同時(shí)學(xué)生也獲得一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不是學(xué)校的課程要求和學(xué)位要求。

▲當(dāng)年廢棄酒窖位置（格拉斯哥大學(xué)）

類似的情況在德國也存在。比如1833年或1834年，威廉·韋伯(Wilhelm Weber，1804—1891)在哥廷根大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室；1846年，菲利普·馮·喬利(Philipp von Jolly，1809—1884)在海德堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，以及前面提到的柏林大學(xué)馬格努斯的實(shí)驗(yàn)室等等。但物理實(shí)驗(yàn)室成為大學(xué)的一種制度安排也是19世紀(jì)70年代以后的事，與英國的情形并無很大差異。

那么，誰才是“第一個(gè)”呢？是MIT？是UCL？還是開爾文的酒窖？其實(shí)，這個(gè)問題的答案并不重要。重要的是，為什么在19世紀(jì)70年代之后，機(jī)構(gòu)教學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室會(huì)集中涌現(xiàn)（不僅是物理學(xué)領(lǐng)域）？這一被稱為 “實(shí)驗(yàn)室革命”的現(xiàn)象是如何發(fā)生的、又如何一步步塑造了現(xiàn)代物理學(xué)的格局，那就是接下來的故事了。

節(jié)選自：胡升華.物理實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)設(shè)及其意義[J].物理,2023,52(12):857-866.原文內(nèi)容已作適當(dāng)改編。