從私人樂園到國家力量：物理實驗室如何改變物理學的命運

十九世紀中葉以后，實驗室的建立和運行被認為是那個時代最重要、最具影響的科學創造。伴隨著科學革命的興起和發展，物理實驗室也從私人樂園演變為一種國家力量；同時，物理學家也找到了清晰的角色定位和工作模式。

撰文 | 胡升華

01

實驗室革命

19世紀的后三分之一，科學實驗室特別是物理實驗室的興起，被學者們評論為出現了一場實驗室革命。物理實驗室的創設和推廣是19世紀物理學學科建制化的重要體現。研究型大學的發展、大學研究實驗室的創設和發展推動了科學的專業化。這一時期，英國學術機構中物理實驗室的出現和激增被視為維多利亞科學的一個顯著特征。

1884年，美國《科學》雜志的一篇題為《實驗室與現代科學》的文章有這樣一段評論：“在過去的40年里，科學發現所依據的物質環境發生了徹底的變革。40年前，幾乎沒有我們今天認為勉強過得去的實驗室。現在，世界各地的每一所重要的和有鑒賞的大學都有了寬敞宏偉事實室，實驗室是我們這個時代最重要、最具影響的科學創造！”1885年開爾文勛爵在班戈大學物理實驗室揭幕典禮上的講話也指出：“物理實驗室現在已經變得相當普遍。現在沒有一所大學能生存，除非它有一個設備齊全的實驗室。”

1.1 物理實驗室的興起

19世紀60年代，物理教學實驗室在英國高校如雨后春筍般集中出現。1866 年成為實驗室建制化的標志性年份。

表格來源（胡升華：《物理實驗室的創設及其意義》）

1.2 實驗室革命是科學革命的回應

19 世紀電磁學、熱力學和能量科學的發展掀起科學革命，熱、電、磁、光的關聯性實驗否定了燃素、熱質等傳統概念，為物理世界的統一性提供了諸多證據。19世紀中期關于能量守恒與轉化的研究和發現，催生了一門為現代工業時代量身定制的強大的新科學——能量科學。而新科學離不開實驗室，實驗室革命正是科學革命的自然回應。新科學帶動了機械、通信、電力等產業的發展，產生了廣泛的物理學家的職業需求，成為機構物理實驗室興起的時代背景。

1.3 精確測量成為物理學研究的首要原則

19世紀物理學發展的特征使精確測量成為物理學研究的首要原則，多位著名物理學家對此有深刻闡述。湯姆孫說，物理科學的任何分支要取得真正進步，必須建立現象的數值計算方法，物理或化學實驗室的大部分工作必須是測量，偉大的科學發現多源于精確測量。麥克斯韋 (James Clerk Maxwell，1831—1879) 也曾指出：從數學的觀點看，任何一種現象最嚴格的方面就是可測量的問題；重要地說，實驗研究的最終目的，是測量我們已經看到的東西，以獲得某種量級的數值估計。

精確的測量實踐不僅是湯姆孫早期在格拉斯哥大學的教學與研究的特色，而且在十九世紀的后三分之一也成為了英國物理學家群體的共性。彼時經典物理學的巨大成功，使得物理學共同體中流行著一種看法，認為物理學基本原理的建構已經基本完成，所有偉大的物理常數都將得到近似估計，留給物理學工作者的唯一職業將是將這些測量工作精確到小數點的另一個位置。物理學的未來，將只有在小數點第六位后面去尋找。這種觀點最晚在1871年就已流行，因為1871年麥克斯韋在他的劍橋大學實驗物理教授就職演說中就批評了這種觀點：“這種觀點并不適合我們大學，大學與技藝精湛的工場是有區別的。精確測量的回報將會是新的科學發現”。

這一時期大學實驗室“精確測量”教學的具體內容涉及氣體力學、熱、光、電和磁的全面實用知識。教授學生使用各類儀器測定物質密度、膨脹量、比熱、折射率等物理量，掌握電學測量、光譜分析等實用技能。這種物理觀念也深刻影響了世紀之交的美國物理學家，比如，邁克爾孫、密立根和康普頓等等，從而也對一些早期在美國留學的中國物理學家產生了重大影響，如葉企孫關于普朗克常數的精確測定，胡剛復的X射線光譜實驗，吳有訓的康普頓效應實驗，趙忠堯的γ射線散射 (正負電子對的產生) 實驗等等，使中國物理學從一開始就形成了牢固的實驗物理傳統。

02

物理實驗室的崛起

物理實驗室的創設和發展并非是同一種模式，不同實驗室的主旨和功能定位也有差異。通過幾類實驗室的比較，對早期實驗室的發展情況進行更全面地描述。

2.1 皇家研究院的實驗室

皇家研究院成立于1799年，它并不隸屬于皇室，也不是一個官方機構，以社會捐贈和科學活動收益維持研究院的運轉，是一種社會捐贈、基金會管理模式。“科學家”這個職業尚未形成、專業科研機構和公共物理實驗室還沒有先例的時代，它的歷史為我們提供了一個觀察窗口，幫助我們了解科學家如何慢慢爭取到自己合適的社會角色，以及專業科學研究機構和實驗室如何確立其社會合法性的過程。

1838年，皇家研究院的外墻（Linda Hall Library）

早期皇家研究院的核心功能是通過科學演示傳播知識，同時借助教學、學術咨詢和商業服務拓展財源。院內實驗室主要為講演所需的演示實驗提供支持。由于研究院一直處于財政困難的狀況中，維持日常運轉已屬不易。在這種情況下，科學研究主要是教授的業余行為。為了研究院的生存，在1820—1840年，物理學家法拉第不得不花費大量時間為客戶做水質分析，以彌補經費不足。

專業科學家與科研實驗室在皇家研究院的地位的確立，得益于三大關鍵因素：星期五晚間講座和圣誕節系列講座的巨大成功，提升了研究院的社會地位與科學家話語權；戴維、法拉第等知名教授的科研成果為研究院與國家贏得聲譽，證明了科研的投資價值；19 世紀下半葉科學對工業文明和社會進步的推動，為科學家與實驗室提供了穩固的發展空間。

19世紀中葉皇家研究院法拉第的實驗室（Linda Hall Library）

19 世紀后半葉，皇家研究院完成關鍵轉型，將無功利目的的 “純粹” 研究確立為首要目標，調整后的《招股說明書》明確該機構的宗旨：先促進科學研究，再教授科學原理并展示其實際應用。皇家研究院從一個通過教學促進有用知識傳播的機構，變成了一個通過實驗促進科學進步的機構。從此，它從知識傳播機構轉變為通過實驗推動科學進步的核心平臺。

2.2 威廉·湯姆孫的實驗室

1850年，湯姆孫將格拉斯哥大學一間廢棄酒窖改造為研究實驗室，把熱與電磁現象的定性分析轉變為精確測量，在熱力學理論和利用方法上做出了重要貢獻。而跨大西洋電纜信號傳輸問題的解決，是其實驗室工作風格的典型體現，也讓他贏得 “國家英雄” 般的聲譽。

威廉·湯姆孫的實驗室是另一類實驗室的代表——開始是教授個人的實驗室，隨著實驗室的重要性得到公認，被收編成大學官方機構，演變為機構實驗室，在英國實驗室建制化進程中發揮了關鍵作用。

這一實驗室極具特色，兼具后來企業實驗室的功能，在溫度計、靜電計、電流計等儀器生產及專利獲取上成果斐然。這種獨特性與湯姆孫的成長環境和他的科學理念密切相關。19世紀二三十年代，湯姆孫所生活的城市格拉斯哥已經是商業、棉紡、造船中心，他與同道志在實踐工業和科學的結合。他認為：科學的生命和靈魂是它的實際應用……在物理科學中，從世界之初到現在所取得的許多偉大進步都是受一種精誠的愿望所驅動——用掌握的物質特性知識造福人類。湯姆孫在精確測量中追求理論、實踐和經濟利益的深度滲透，他善于把數學思維與物理原理結合，把物理特性變成可以測量的物理量，自己開發測量儀器，通過精確測量，把握物理特性，指導工業實踐。

1850年，湯姆孫將格拉斯哥大學一間廢棄酒窖改造為研究實驗室，把熱與電磁現象的定性分析轉變為精確測量，在熱力學理論和利用方法上做出了重要貢獻。而跨大西洋電纜信號傳輸問題的解決，是其實驗室工作風格的典型體現，也讓他贏得 “國家英雄” 般的聲譽。

當年廢棄酒窖位置（格拉斯哥大學）

在2000 多英里的距離上電報信號傳播的時間延遲如何測算、有哪些影響因素？1858 年第一條大西洋電纜的失敗就在于沒有科學地解決這些問題。湯姆孫通過數學推導得出信號在電纜傳輸時間延遲的公式，發現延遲與電纜電阻、電容及長度平方成正比。他還基于熱功等效原理，發明了通過 “產熱量” 度量 “絕對” 電阻的新方法。從這個關系式，湯姆孫意識到銅線品質、均勻性對發熱的關鍵影響。最終提出銅線要足夠粗，銅材料要足夠純，銅線要保持均勻，不能混用不同廠家的電纜的解決方案。湯姆孫的理論推導和精確測量方法最終戰勝了電報公司工程師的經驗方法。

1858年湯姆孫發明的跨大西洋電報鏡面檢流計（science museum group）

電報是第二次工業革命的一個標志，也是帝國勢力擴張的有力工具。1858 年第一條大西洋電纜的失敗， 以及1866 年第二條電纜的成功，有巨大的廣告效應：給湯姆孫及其所代表的物理實驗室和精確測量理念帶來了巨大的影響力和市場。1866 年湯姆孫因其巨大貢獻，被授予開爾文爵士頭銜，其實驗室也告別簡陋酒窖和私人作坊模式，成為大學正式機構。1866年由此成為實驗室發展一個標志性年份，大學物理實驗室建制化拉開序幕，隨后很快出現了物理實驗室建設的熱潮，并波及全球。

1884 年，美國《科學》雜志文章像是一曲實驗室頌歌：現有的實驗室有兩個功能，一是為學生提供教育，二是為研究人員提供機會。實驗室的倍增和擴大源于人們日益清晰地認識到一個真理，第一手知識才是唯一真正的知識。學生們不能滿足于被告知， 而必須親自觀察，翻譯成一條教學法就是：教科學，要有一個實驗室；學科學，要去實驗室。實驗室的創設解釋了目前科學進步的速度為何如此飛快。

2.3 卡文迪什實驗室

到19世紀末，劍橋大學卡文迪什實驗室已成為實驗物理學的代名詞，是教學與研究領域最成功的實驗室之一。然而，物理實驗室和實驗教學在劍橋大學這個古老的機構中占據一席之地絕非易事，它與劍橋大學的傳統是有一定距離的。

直到19世紀中葉，劍橋大學一直保持著學究和貴族特權階層的堡壘角色。圍繞數學榮譽學位考試 (Tripos考試)，劍橋形成一種精英文化，通過嚴苛的數學訓練，培養服務教會或參與國家治理的人才。早期 Tripos 考試涵蓋數學、力學、天文學等學科的理論知識，1849 年校方甚至建議將電、磁、熱的數學理論排除在考試范圍之外，可見實驗物理在當時的邊緣化地位。

早期的卡文迪什實驗室外墻（《卡文迪什實驗室》）

然而，1866年以后，時代潮流推動劍橋大學轉變態度。1868年6月2日，大學理事會批準將熱學、電學和磁學納入數學Tripos榮譽考試，校方隨后成立委員會調查實驗物理教學與研究的引入事宜。委員會于1869年2月提交的報告重點討論了如何提供熱學、電學和磁學的課程指導問題，建議專門設立實驗物理教授席位，相應地新建物理實驗室，還給出了詳細經費預算，但 6300 英鎊的建設費用引發諸多阻力。為了化解校內保守勢力的抵制，時任劍橋大學校長的德文郡七世公爵威廉·卡文迪什 (William Cavendish，1808—1891) 宣布，愿意自己個人出資，資助實驗室項目。他的慷慨解囊使卡文迪什實驗室建設項目得以立即實施，實際上僅實驗室大樓就花費了8450英鎊，遠遠超過了預算。公爵不僅支付了這筆費用，還繼續為實驗室提供儀器，在實驗室開辦三年后，首任實驗室主任麥克斯韋報告說“它具備了當前科學研究所所需的所有儀器”。

威廉·卡文迪什

卡文迪什實驗室的建設開辟了個人資助大學科學研究工作的新模式，同時卡文迪什實驗室也與以往的實驗室有重要的區別。以往實驗室往往具有個人領地的屬性，注重滿足個人的研究興趣，規模也不大；而卡文迪什實驗室則是要建設成為一個具有相當規模的“制造”科學發現的工廠，這是研究成果的新的產出模式。

1874 年實驗室建成后，麥克斯韋無意在新建的卡文迪什實驗室里做自己的原創實驗研究，他大部分時間都花在整理亨利·卡文迪什 (Henry Cavendish，1731—1810) 逝世后遺留下來的20多大箱手稿上。去實驗室的學生不多，也沒有本科生實驗教學。按照麥克斯韋的觀點，卡文迪什實驗室是“一個通過了數學Tripos考試的人可以來的地方，他們在接受精確測量方面的短期培訓后，就可以做一些原創性的研究”。

學生在麥克斯韋設計的實驗室中工作（《A History of the Cavendish Laboratory》）

實驗室建成5年后，麥克斯韋就去世了，繼任者瑞利 (John William Strutt, Lord Rayleigh, 1842—1919) 對實驗室建設有雄心勃勃的計劃。他要把卡文迪什實驗室打造成團隊協作的研究中心，而不是展示個人實驗技巧的地方。他選擇的大項目是建立一個確定電氣標準的研究中心。瑞利還啟動了本科生實驗教學，在他任期間，實驗室人數快速增長。

1884 年，J. J. 湯姆孫接任第三任主任。他任期內的1895年，是實驗室歷史上很重要的一年，實驗室開始對國內外大學畢業生開放，錄取 “研究生”，優秀研究者可獲劍橋碩士學位，幾年后又改為博士學位。這個政策吸引了來自世界各地的年輕學子，如新西蘭的盧瑟福、愛爾蘭的湯姆森等，使卡文迪什實驗室變成了一個國際化的實驗室。20世紀30年代卡文迪什實驗室也是我國中英庚款留學生的一個熱門選擇，張文裕、李國鼎等通過中英庚款留學考試后，就去了卡文迪什實驗室。

卡文迪什實驗室為大學實驗室創造了一種成功的創設和運作模式，麥克斯韋貫徹劍橋大學的學術傳統，為實驗室奠定了學術厚度；瑞利強調實驗室工作的組織性、系統性和計劃性，強化了可持續發展的基礎；J. J. 湯姆孫使實驗室成為國際化高端人才的培養基地，同時形成了一套優秀成果穩定的產出模式。這三位杰出的物理學家利用自身的學識和學校的有利條件，把實驗室帶到一個令人敬仰的高度。

2.4 柏林帝國技術物理研究所

隨著工業革命的深入，實驗室的重要性日益顯現，使更大規模、更有競爭力、更具目的性的國家實驗室應運而生。19 世紀末，科學對技術的支撐作用受重視，歐洲列強在政治、經濟、軍事多領域競爭，讓國家實驗室的建設運營成為國家科技政策的重要部分。

19世紀70年代開始，德國物理學家持續游說政府建立國家物理研究機構，視其為保障工業優勢的關鍵。德國物理學家和工業巨頭西門子對推進國家實驗室的建設不遺余力，他認為當時德國實驗室多為科學家個人活動，與國家建構關聯薄弱。為了化解英國、法國和美國在科學教育與科學研究方面給德國帶來的挑戰，他提出需要一個兼顧基礎科學研究與工業科技難題解決的國家科研機構。西門子強調，我們需要一個向所有杰出的德國科學家開放的工作場所，而不是幾個人的內部小團體。物理研究需要昂貴的儀器和實驗室，只有靠國家長期投資。1887年，經過15年的謀劃，柏林帝國技術物理研究所（PTR）宜告成立，首任主任是亥姆霍茲 (Hermann von Helmholtz, 1821—1894)，他此前曾拒絕過卡文迪什實驗室主任的聘約。

1897年的PTR

研究所分技術和科學兩大部門，技術部門含 5 個子部門，科學部門下設熱學、電磁學、光學三大實驗室，分別聚焦測溫與熱機優化、電氣標準制定、光學儀器標準建立，電磁學實驗室還與卡文迪什實驗室形成競爭。西門子與亥姆霍茲認為，基礎科學是國家競爭力核心，需國家投入保障物理學發展，進而服務帝國工業、捍衛國家榮譽。

受帝國技術物理研究所的刺激，英國在19世紀末也成立了國家物理研究所(NPL)，NPL的首任主任格拉斯布魯克 (Richard Glazebrook, 1854-1935)曾就職卡文迪什實驗室。格拉斯布魯克認為，為了挽回英國正在失去的制造業和商業領域的霸主地位，必須在英國推廣德國的做法。國家物理實驗室由此而成立，其核心思想也是要維護英國在商業和制造業的霸權，使科學為國家服務。

NPL內景

兩個研究所都深度卷入了第一次世界大戰，成為國家戰爭力量的重要支撐。英國物理學家參與了飛機制造、潛艇探測、炸藥等方面的工作；德國柏林帝國技術物理研究半數人員直接從事戰爭工作，留在研究所的人員也大都涉及與戰爭相關的測試和技術改進工作。以至于有學者認為，第一次世界大戰某種程度上是一場物理學家的戰爭。

經過一些著名物理學家的努力，至19世紀末，物理學建制化宣告成型，通過第一次世界大戰，各國政府對物理學在戰爭中所起的作用有了非常深刻的認識，物理學某種程度上變成了國家的事業，物理學發展的路越來越寬廣，這也為20世紀成為物理學的世紀奠定了物質基礎。

結語

在19世紀的大部分時間里，物理學家對自己的角色定位和工作模式并沒有清晰的認識。但開爾文、亥姆霍茲那一代物理學家把握住了時代的機遇，利用實驗室的精確測量手段，把熱力學、電磁學、能量科學的研究引向深入，并將研究成果應用于工業社會，成為第二次工業革命的推手，使物理學家的社會形象也得以改變，從過去離群索居的思考者、賣弄技巧的表演者、達官貴人的門客，一躍而成為大自然的代言人、工業財富的開拓者、物質生活進步的推動者，乃至國家力量的捍衛者。

隨著實驗室的推廣和物理學研究成果社會效用的擴大，物理學家也建立了穩固的職業結構，形成了工程師、物理教師、實驗室研究人員等一整套職業體系和自己的職業文化，具備了清晰的教學環境、研究環境、交流環境和應用環境。

由于物理學已成為國家競爭實力的組成部分，成就卓著的物理學家，如法國的拉普拉斯、英國的開爾文和德國的亥姆霍茲等，幾乎與政治家和英雄衛國的戰士一樣，被視為民族棟梁。這方面的一個典型例子是1907年在威斯敏斯特大教堂舉行的開爾文葬禮，王公貴族、各國使節、各大社會機構和學術機關首腦悉數到場，備極哀榮。

回顧19世紀物理學建制化的過程可以明顯地看到，物理學家起初是用一套功利化的語言和行為爭取社會資源，建設友好社會環境，以拓展學術發展空間和職業空間。即便是對于純學理性研究，科學家也會從應用前景角度賦予其社會合理性。亥姆霍茲在游說成立柏林帝國技術物理研究所時便指出，理論研究與實際應用二者不矛盾：“最終，每一項嚴肅的科學工作都會在人們以前意想不到的地方產生其實用應用”。到了20世紀，物理學家在社會資源和社會環境不再成為嚴重制約因素的文化背景下，回歸“純學術”聲音經常會響起，給科技政策的制訂帶來一些問題：現代社會里，純科學是否需要重新定義、是否可以實現目標導向與自由探索的有機結合，等等。隨著科技與社會關系的進一步復雜化，以及國際競爭格局的變化，這些問題可能會反復出現。

本文經授權轉載自微信公眾號“墨子沙龍”。

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