令無數學生頭痛的“大物實驗”，200年前曾是富二代才玩得起的興趣愛好 | 科學八卦史（八）

雖然今天物理學在我們的生活中舉足輕重，但在19世紀后半葉以前，“物理學家”這個職業甚至這個稱呼都還不存在。那時的物理研究不系統且業余。開展物理實驗研究在當時是一件奢侈的事情，只有具備相當的財力才可以獲取所需的實驗設施，擁有自己的個人實驗室。大學通常是教育的中心，而不是新知識的生產中心。

真正的轉折點出現在19世紀最后三分之一。公共物理教學和研究實驗室的建立與普及，對物理學的“建制化”起到了決定性作用。實驗室成為物理學家的立身之所，有實驗室，就沒有物理學的根基。

1

物理實驗與物理學家

1.1 物理實驗：從設想走向可重復驗證

古代一直到中世紀，我們尚未發現有物理實驗室的記載。亞里士多德應該是不做實驗的，阿基米德是否做實驗似乎沒有直接的證據。雖然阿基米德有許多機械發明，如滑輪、投射裝置、農田灌溉機械等，但這對他而言，這“只不過是幾何學變化的游戲”，只需根據幾何原理制造就可以了，未必需要親自實驗。

傳說阿基米德曾經通過浮力實驗，判斷國王的金冠是否摻了銀。但要真正操作，需要一個與王冠體積完全相等的純金對照物和一個純銀對照物，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實驗是很值得懷疑的。

到了伽利略，這一切才發生了改變。他在《關于兩門新科學的對話》中多處談到實驗。比如在檢驗勻加速運動物體通過的距離之比等于時間平方之比這個定律時，他設計了一個銅球從光滑斜面向下滾動的實驗。測量時間的方法別出心裁：他在高處放置一個大水桶，底部開一根細管，讓水在銅球下滑的時間內流出。實驗結束后，他把流出的水收集并稱重，以此精確比較時間長短。伽利略耐心地重復實驗數百次，結果始終一致：運動距離與時間平方成正比。這種對實驗細節的精心描述，以及對可重復性的強調，標志著近代實驗科學的誕生。

▲伽利略的斜面

在伽利略之后，托里拆利和帕斯卡進一步推進了實驗方法的成熟。我國物理學事業的開創者之一葉企孫高度重視物理實驗，他一生撰述不多，卻特別為這兩位物理學家寫了紀念文字，高度評價他們的實驗工作：“托里拆利的水銀柱實驗，是裝置簡單而有重要意義的實驗。它決定性地證明了大氣是有壓力的，并且建立了測量大氣壓力的基本方法。在人類研究氣體性質與液體性質的歷史過程中，這個實驗是劃時代性的”。帕斯卡的實驗顯示，“大氣壓隨地表高度變化，進一步證明大氣壓強的存在，是物理學發展史上的一件大事”。

▲Ernest Board的油畫，托里拆利在阿爾卑斯山進行實驗（wellcome collection）

這兩個實驗裝置簡單，但卻已經具備重大物理實驗的全部要素：

(1)由物理假設或物理猜想出發，最經濟合理地設計驗證實驗，完成實驗驗證過程，證實物理假設；

(2)有實驗設施、實驗過程、實驗結果的完整記錄；

(3)實驗具有普適性，沒有時間、地域限制，可以隨時隨地重復；

(4)實驗帶來了物理觀念的重大變化，推翻了傳統的“自然憎惡真空”的觀點。

伽利略、托里拆利、帕斯卡等人拉開了近代實驗物理的大幕，建立了物理學研究的實驗方法。然而，在16、17世紀，做物理實驗是有一定風險的，一些教士們指責實驗會威脅信仰，破壞道德與精神，動搖大學的傳統。以至于英國皇家學會不得不出面為實驗正名，強調它不會對教育和大學造成傷害?？梢?，實驗方法的確立并非理所當然，而是經歷了激烈的爭議。

1.2 私人實驗室：科學探索的搖籃

19世紀以前，幾乎所有物理實驗室都是私人性質的。研究者常常把自家房間、閣樓甚至地下室改造成實驗場所。玻意耳在做氣體實驗時，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于光學的經典實驗；富蘭克林在風箏實驗之后，又在自家豎起一根絕緣鐵桿，以便隨時觀察大氣放電。

▲玻意耳的氣泵（wellcome collection）

物理實驗設備越來越昂貴，只有有錢人才養得起一個實驗室。柏林大學的馬格努斯(Heinrich Gustav Magnus，1802—1870)是一位猶太富商的兒子，繼承了大筆財富，他在自己住所里建立起當時世界上最先進的物理實驗室?？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家都曾在這里受益。可以說，馬格努斯的家就是當時的“物理學圣地”。

然而，大多數實驗室環境卻遠不如人意，往往設在地窖、酒窖、馬廄和倉庫這類骯臟或陰暗的地方，實驗者需要與潮濕、寒冷以及霉味等斗爭。更重要的是，直到19世紀初，很多大學教師仍認為大學的任務是“傳授知識”，而不是“創造新知”，而實驗研究不利于學校傳授既有知識的主要任務。在這種觀念下，實驗室在大學里幾乎沒有立足之地。

1.3 “物理學家”的產生

直到19世紀后半葉，在任何國家從事科學研究幾乎都不可能謀生。任何一個專業的生存和發展都取決于社會需求，19世紀科學的進步使得社會對于獲取科學服務的需求大幅增加，催生了“科學家”職業，“自然哲學”也逐漸分裂成許多專業學科。

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

▲威廉·惠威爾肖像

在19世紀的大部分時間里，沒有明確地、直接地定義什么是“做”物理?，F在我們熟知的從中學到大學、到研究機構，這種物理學家的職業模式還不存在。到了19世紀后半葉，物理學家終于通過電磁學、熱力學和能量科學的發展，為自己找到了角色定位：

與自然的關系：研究自然、理解自然、解釋自然，是自然的代言人；

與公眾的關系：物理學家對自然力量的理解、把握、運用和改造，為公眾謀福利；

與國家的關系：物理學家是國家榮譽的貢獻者，國家力量的捍衛者。

從此，物理學家成為一個有清晰身份的職業群體。而實驗室，也逐漸從陰暗的角落走到前臺，進入大學，成為現代科學不可或缺的配置。

2

最早的物理教學實驗室

我們今天熟悉的“實驗室”一詞，其實起源于化學。德文“Laboratorium”一詞原指指化學實驗室。1819年出版的《大英百科全書》里，它被定義為：一個配有化學儀器的地方，用于進行化學制造或實驗研究。《牛津英語詞典》后來也指出，實驗室起源于化學，最初服務于藥品、化學制品的制造和研究。物理實驗室則出現得更晚，它和天文觀測臺又有著明顯區別。首先，實驗室概念源于化學；其次，物理實驗存在著實驗者對觀測對象的人工干預。有鑒于此，天文觀測臺站不在本文討論的范圍。

隨著19世紀大學教育的發展，實驗室逐漸進入課堂。不過在最初，它們更多是為“演示實驗”服務，真正讓學生動手的教學實驗室還需要一些時間的孕育。

2.1 演示實驗：從“表演”開始

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

1799年英國皇家研究院(Royal Institution)成立時，按照發起人倫福德(BBenjamin Thompson, Count Rumford)，1753—1814)的設計，科學研究并不是其目標，他想做的是研究和講授科學發現在改進藝術和制造業方面的應用，公開傳播有關新的有用發明的信息，并為工匠提供一所學校。19世紀20年代法拉第創設的“星期五演講”正體現了皇家研究院的宗旨。

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

為了提高演示實驗的效果，表演者往往會精心構思演示內容，并充分利用一些演示技巧，來吸引觀眾，提高科學傳播效果。由于當時物理學還沒有在工業文明和社會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，體現物理學家的價值，拓展生存空間。那時的實驗室，通常就是演講廳的附屬設施，為演示實驗提供輔助和準備工作。

這一傳統延續很久。20世紀五六十年代，我國一些大學如清華大學、中國科學技術大學還把為教學服務的物理演示實驗室直接稱為表演室。對于大型實驗，學生可以去表演室觀看教師的演示；對于小型實驗，教師也可以把實驗設備從表演室搬到教室去演示。

2.2 誰是最早的物理教學實驗室？

如果說化學實驗室早早就進入了課堂，那么物理學的教學實驗室卻來得稍晚一些。1824年，德國化學家李比希(Justus von Liebig，1803—1873) 在吉森大學建立了第一個面向學生的實驗室，讓學生不僅聽講，還能親自動手實驗。這被認為是近代大學“實驗教學”的先聲。物理學家們很快跟進，并且在誰是“第一個”創辦物理教學實驗室的問題上，留下了不少爭論。

▲李比希的化學實驗室（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的臺長。皮克林介紹說，他在麻省理工學院(MIT)引入了物理實驗教學，1869—1870年有60名學生在同一個實驗室進行物理實驗。他因此自豪地宣稱，MIT是美國最早進行物理實驗教學的機構之一。

皮克林的文章引起了英國皇家學會會士亞當斯(William Grylls Adams，1836—1915)的注意，他不想讓美國人搶走最早進行物理實驗室教學的榮譽。他指出，牛津大學的克利夫頓教授(Robert Bellamy Clifton，1836—1920)早在1867年前就提出，物理實驗室教學應該成為物理學課程的組成部分。而他自己所在的國王學院也迅速行動，于1868年建立了教學實驗室。亞當斯在文章中描述了實驗室布置、實驗內容和實驗組織的一些細節，顯然不想讓美國人奪走這個首創權。

▲皮克林和亞當斯，其中亞當斯的哥哥便是發現海王星的那位約翰·柯西·亞當斯

皮克林和亞當斯的文章都是記述當時發生的事情，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界引發更廣泛關注。1908年，《自然》雜志的一篇紀念英國物理學家艾頓(William Edward Ayrton，1847—1908)的文章里，再次掀起了“首創之爭”。文章說，從1879年到1884年，艾頓是芬斯伯里技術學院的應用物理學教授，他在那里創立了一個全新的實驗教學體系，這種體系現在遍布英國的技術學院。文章顯然認為是艾頓首創了物理教學實驗室。

這篇紀念艾頓的文章立即受到質疑，時任伯明翰大學校長的洛奇(Oliver Lodge，1851—1940)馬上撰文反駁：“如果不提出抗議，我認為倫敦大學學院(UCL)和國王學院的學生物理實驗室的先驅性工作有被忽視的危險。請允許我說，1872年以前，這些大學就有學生從事物理實驗室工作?！彼€親身舉了例子：“1866年，UCL的福斯特教授(George Carey Foster，1835—1919)親自為我開設的定量實驗室教學課程具有很高的價值，與我所知的任何一個學生實驗室相比都不會黯然失色”。

▲1917年的福斯特（National Portrait Gallery）

UCL的比爾教授所著《大學學院物理天文系史1826—1975》根據校歷文字記載而不是當事人回憶，從檔案方面提供了證據：1865年，學校理事會就設立了實驗物理教授席位，福斯特受聘擔任實驗物理教授。1866年7月，理事會通過福斯特的實驗室建設計劃并撥款；同年，18名學生注冊參加了英國最早的物理實驗室課程。因此，福斯特于1866年在UCL建立了教學實驗室是可以肯定的。順便一提，20世紀30年代，我國曾有幾位物理學家在福斯特實驗室進修學習，如錢臨照、江仁壽和周如松。

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

1845年，湯姆孫被任命為格拉斯哥大學自然哲學教授，1850年，他把大學里一個廢棄的酒窖改造為實驗室，進行金屬的電動力學的實驗研究。許多實驗觀察一個人無法進行，他便邀請學生協助實驗。后來學生也開展獨立的研究。在1856年發表論文時，湯姆孫在這篇文章首頁的腳注中對至少4位學生的協助表示了感謝。這是英國關于學生參與實驗室研究工作的最早記錄。但當時湯姆孫的實驗室還具有私人實驗室的特征，尚不能算正式的教學實驗室。學生的工作旨在為教授提供幫助，同時學生也獲得一些實踐經驗，不是學校的課程要求和學位要求。

▲當年廢棄酒窖位置（格拉斯哥大學）

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)在哥廷根大學的實驗室；1846年，菲利普·馮·喬利(Philipp von Jolly，1809—1884)在海德堡大學的實驗室，以及前面提到的柏林大學馬格努斯的實驗室等等。但物理實驗室成為大學的一種制度安排也是19世紀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”呢？是MIT？是UCL？還是開爾文的酒窖？其實，這個問題的答案并不重要。重要的是，為什么在19世紀70年代之后，機構教學和研究實驗室會集中涌現（不僅是物理學領域）？這一被稱為 “實驗室革命”的現象是如何發生的、又如何一步步塑造了現代物理學的格局，那就是接下來的故事了。

節選自：胡升華.物理實驗室的創設及其意義[J].物理,2023,52(12):857-866.原文內容已作適當改編。