从私人乐园到国家力量：物理实验室如何改变物理学的命运

十九世纪中叶以后，实验室的建立和运行被认为是那个时代最重要、最具影响的科学创造。伴随着科学革命的兴起和发展，物理实验室也从私人乐园演变为一种国家力量；同时，物理学家也找到了清晰的角色定位和工作模式。

撰文 | 胡升华

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实验室革命

19世纪的后三分之一，科学实验室特别是物理实验室的兴起，被学者们评论为出现了一场实验室革命。物理实验室的创设和推广是19世纪物理学学科建制化的重要体现。研究型大学的发展、大学研究实验室的创设和发展推动了科学的专业化。这一时期，英国学术机构中物理实验室的出现和激增被视为维多利亚科学的一个显著特征。

1884年，美国《科学》杂志的一篇题为《实验室与现代科学》的文章有这样一段评论：“在过去的40年里，科学发现所依据的物质环境发生了彻底的变革。40年前，几乎没有我们今天认为勉强过得去的实验室。现在，世界各地的每一所重要的和有鉴赏的大学都有了宽敞宏伟事实室，实验室是我们这个时代最重要、最具影响的科学创造！”1885年开尔文勋爵在班戈大学物理实验室揭幕典礼上的讲话也指出：“物理实验室现在已经变得相当普遍。现在没有一所大学能生存，除非它有一个设备齐全的实验室。”

1.1 物理实验室的兴起

19世纪60年代，物理教学实验室在英国高校如雨后春笋般集中出现。1866 年成为实验室建制化的标志性年份。

表格来源（胡升华：《物理实验室的创设及其意义》）

1.2 实验室革命是科学革命的回应

19 世纪电磁学、热力学和能量科学的发展掀起科学革命，热、电、磁、光的关联性实验否定了燃素、热质等传统概念，为物理世界的统一性提供了诸多证据。19世纪中期关于能量守恒与转化的研究和发现，催生了一门为现代工业时代量身定制的强大的新科学——能量科学。而新科学离不开实验室，实验室革命正是科学革命的自然回应。新科学带动了机械、通信、电力等产业的发展，产生了广泛的物理学家的职业需求，成为机构物理实验室兴起的时代背景。

1.3 精确测量成为物理学研究的首要原则

19世纪物理学发展的特征使精确测量成为物理学研究的首要原则，多位著名物理学家对此有深刻阐述。汤姆孙说，物理科学的任何分支要取得真正进步，必须建立现象的数值计算方法，物理或化学实验室的大部分工作必须是测量，伟大的科学发现多源于精确测量。麦克斯韦 (James Clerk Maxwell，1831—1879) 也曾指出：从数学的观点看，任何一种现象最严格的方面就是可测量的问题；重要地说，实验研究的最终目的，是测量我们已经看到的东西，以获得某种量级的数值估计。

精确的测量实践不仅是汤姆孙早期在格拉斯哥大学的教学与研究的特色，而且在十九世纪的后三分之一也成为了英国物理学家群体的共性。彼时经典物理学的巨大成功，使得物理学共同体中流行着一种看法，认为物理学基本原理的建构已经基本完成，所有伟大的物理常数都将得到近似估计，留给物理学工作者的唯一职业将是将这些测量工作精确到小数点的另一个位置。物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找。这种观点最晚在1871年就已流行，因为1871年麦克斯韦在他的剑桥大学实验物理教授就职演说中就批评了这种观点：“这种观点并不适合我们大学，大学与技艺精湛的工场是有区别的。精确测量的回报将会是新的科学发现”。

这一时期大学实验室“精确测量”教学的具体内容涉及气体力学、热、光、电和磁的全面实用知识。教授学生使用各类仪器测定物质密度、膨胀量、比热、折射率等物理量，掌握电学测量、光谱分析等实用技能。这种物理观念也深刻影响了世纪之交的美国物理学家，比如，迈克尔孙、密立根和康普顿等等，从而也对一些早期在美国留学的中国物理学家产生了重大影响，如叶企孙关于普朗克常数的精确测定，胡刚复的X射线光谱实验，吴有训的康普顿效应实验，赵忠尧的γ射线散射 (正负电子对的产生) 实验等等，使中国物理学从一开始就形成了牢固的实验物理传统。

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物理实验室的崛起

物理实验室的创设和发展并非是同一种模式，不同实验室的主旨和功能定位也有差异。通过几类实验室的比较，对早期实验室的发展情况进行更全面地描述。

2.1 皇家研究院的实验室

皇家研究院成立于1799年，它并不隶属于皇室，也不是一个官方机构，以社会捐赠和科学活动收益维持研究院的运转，是一种社会捐赠、基金会管理模式。“科学家”这个职业尚未形成、专业科研机构和公共物理实验室还没有先例的时代，它的历史为我们提供了一个观察窗口，帮助我们了解科学家如何慢慢争取到自己合适的社会角色，以及专业科学研究机构和实验室如何确立其社会合法性的过程。

1838年，皇家研究院的外墙（Linda Hall Library）

早期皇家研究院的核心功能是通过科学演示传播知识，同时借助教学、学术咨询和商业服务拓展财源。院内实验室主要为讲演所需的演示实验提供支持。由于研究院一直处于财政困难的状况中，维持日常运转已属不易。在这种情况下，科学研究主要是教授的业余行为。为了研究院的生存，在1820—1840年，物理学家法拉第不得不花费大量时间为客户做水质分析，以弥补经费不足。

专业科学家与科研实验室在皇家研究院的地位的确立，得益于三大关键因素：星期五晚间讲座和圣诞节系列讲座的巨大成功，提升了研究院的社会地位与科学家话语权；戴维、法拉第等知名教授的科研成果为研究院与国家赢得声誉，证明了科研的投资价值；19 世纪下半叶科学对工业文明和社会进步的推动，为科学家与实验室提供了稳固的发展空间。

19世纪中叶皇家研究院法拉第的实验室（Linda Hall Library）

19 世纪后半叶，皇家研究院完成关键转型，将无功利目的的 “纯粹” 研究确立为首要目标，调整后的《招股说明书》明确该机构的宗旨：先促进科学研究，再教授科学原理并展示其实际应用。皇家研究院从一个通过教学促进有用知识传播的机构，变成了一个通过实验促进科学进步的机构。从此，它从知识传播机构转变为通过实验推动科学进步的核心平台。

2.2 威廉·汤姆孙的实验室

1850年，汤姆孙将格拉斯哥大学一间废弃酒窖改造为研究实验室，把热与电磁现象的定性分析转变为精确测量，在热力学理论和利用方法上做出了重要贡献。而跨大西洋电缆信号传输问题的解决，是其实验室工作风格的典型体现，也让他赢得 “国家英雄” 般的声誉。

威廉·汤姆孙的实验室是另一类实验室的代表——开始是教授个人的实验室，随着实验室的重要性得到公认，被收编成大学官方机构，演变为机构实验室，在英国实验室建制化进程中发挥了关键作用。

这一实验室极具特色，兼具后来企业实验室的功能，在温度计、静电计、电流计等仪器生产及专利获取上成果斐然。这种独特性与汤姆孙的成长环境和他的科学理念密切相关。19世纪二三十年代，汤姆孙所生活的城市格拉斯哥已经是商业、棉纺、造船中心，他与同道志在实践工业和科学的结合。他认为：科学的生命和灵魂是它的实际应用……在物理科学中，从世界之初到现在所取得的许多伟大进步都是受一种精诚的愿望所驱动——用掌握的物质特性知识造福人类。汤姆孙在精确测量中追求理论、实践和经济利益的深度渗透，他善于把数学思维与物理原理结合，把物理特性变成可以测量的物理量，自己开发测量仪器，通过精确测量，把握物理特性，指导工业实践。

1850年，汤姆孙将格拉斯哥大学一间废弃酒窖改造为研究实验室，把热与电磁现象的定性分析转变为精确测量，在热力学理论和利用方法上做出了重要贡献。而跨大西洋电缆信号传输问题的解决，是其实验室工作风格的典型体现，也让他赢得 “国家英雄” 般的声誉。

当年废弃酒窖位置（格拉斯哥大学）

在2000 多英里的距离上电报信号传播的时间延迟如何测算、有哪些影响因素？1858 年第一条大西洋电缆的失败就在于没有科学地解决这些问题。汤姆孙通过数学推导得出信号在电缆传输时间延迟的公式，发现延迟与电缆电阻、电容及长度平方成正比。他还基于热功等效原理，发明了通过 “产热量” 度量 “绝对” 电阻的新方法。从这个关系式，汤姆孙意识到铜线品质、均匀性对发热的关键影响。最终提出铜线要足够粗，铜材料要足够纯，铜线要保持均匀，不能混用不同厂家的电缆的解决方案。汤姆孙的理论推导和精确测量方法最终战胜了电报公司工程师的经验方法。

1858年汤姆孙发明的跨大西洋电报镜面检流计（science museum group）

电报是第二次工业革命的一个标志，也是帝国势力扩张的有力工具。1858 年第一条大西洋电缆的失败， 以及1866 年第二条电缆的成功，有巨大的广告效应：给汤姆孙及其所代表的物理实验室和精确测量理念带来了巨大的影响力和市场。1866 年汤姆孙因其巨大贡献，被授予开尔文爵士头衔，其实验室也告别简陋酒窖和私人作坊模式，成为大学正式机构。1866年由此成为实验室发展一个标志性年份，大学物理实验室建制化拉开序幕，随后很快出现了物理实验室建设的热潮，并波及全球。

1884 年，美国《科学》杂志文章像是一曲实验室颂歌：现有的实验室有两个功能，一是为学生提供教育，二是为研究人员提供机会。实验室的倍增和扩大源于人们日益清晰地认识到一个真理，第一手知识才是唯一真正的知识。学生们不能满足于被告知， 而必须亲自观察，翻译成一条教学法就是：教科学，要有一个实验室；学科学，要去实验室。实验室的创设解释了目前科学进步的速度为何如此飞快。

2.3 卡文迪什实验室

到19世纪末，剑桥大学卡文迪什实验室已成为实验物理学的代名词，是教学与研究领域最成功的实验室之一。然而，物理实验室和实验教学在剑桥大学这个古老的机构中占据一席之地绝非易事，它与剑桥大学的传统是有一定距离的。

直到19世纪中叶，剑桥大学一直保持着学究和贵族特权阶层的堡垒角色。围绕数学荣誉学位考试 (Tripos考试)，剑桥形成一种精英文化，通过严苛的数学训练，培养服务教会或参与国家治理的人才。早期 Tripos 考试涵盖数学、力学、天文学等学科的理论知识，1849 年校方甚至建议将电、磁、热的数学理论排除在考试范围之外，可见实验物理在当时的边缘化地位。

早期的卡文迪什实验室外墙（《卡文迪什实验室》）

然而，1866年以后，时代潮流推动剑桥大学转变态度。1868年6月2日，大学理事会批准将热学、电学和磁学纳入数学Tripos荣誉考试，校方随后成立委员会调查实验物理教学与研究的引入事宜。委员会于1869年2月提交的报告重点讨论了如何提供热学、电学和磁学的课程指导问题，建议专门设立实验物理教授席位，相应地新建物理实验室，还给出了详细经费预算，但 6300 英镑的建设费用引发诸多阻力。为了化解校内保守势力的抵制，时任剑桥大学校长的德文郡七世公爵威廉·卡文迪什 (William Cavendish，1808—1891) 宣布，愿意自己个人出资，资助实验室项目。他的慷慨解囊使卡文迪什实验室建设项目得以立即实施，实际上仅实验室大楼就花费了8450英镑，远远超过了预算。公爵不仅支付了这笔费用，还继续为实验室提供仪器，在实验室开办三年后，首任实验室主任麦克斯韦报告说“它具备了当前科学研究所所需的所有仪器”。

威廉·卡文迪什

卡文迪什实验室的建设开辟了个人资助大学科学研究工作的新模式，同时卡文迪什实验室也与以往的实验室有重要的区别。以往实验室往往具有个人领地的属性，注重满足个人的研究兴趣，规模也不大；而卡文迪什实验室则是要建设成为一个具有相当规模的“制造”科学发现的工厂，这是研究成果的新的产出模式。

1874 年实验室建成后，麦克斯韦无意在新建的卡文迪什实验室里做自己的原创实验研究，他大部分时间都花在整理亨利·卡文迪什 (Henry Cavendish，1731—1810) 逝世后遗留下来的20多大箱手稿上。去实验室的学生不多，也没有本科生实验教学。按照麦克斯韦的观点，卡文迪什实验室是“一个通过了数学Tripos考试的人可以来的地方，他们在接受精确测量方面的短期培训后，就可以做一些原创性的研究”。

学生在麦克斯韦设计的实验室中工作（《A History of the Cavendish Laboratory》）

实验室建成5年后，麦克斯韦就去世了，继任者瑞利 (John William Strutt, Lord Rayleigh, 1842—1919) 对实验室建设有雄心勃勃的计划。他要把卡文迪什实验室打造成团队协作的研究中心，而不是展示个人实验技巧的地方。他选择的大项目是建立一个确定电气标准的研究中心。瑞利还启动了本科生实验教学，在他任期间，实验室人数快速增长。

1884 年，J. J. 汤姆孙接任第三任主任。他任期内的1895年，是实验室历史上很重要的一年，实验室开始对国内外大学毕业生开放，录取 “研究生”，优秀研究者可获剑桥硕士学位，几年后又改为博士学位。这个政策吸引了来自世界各地的年轻学子，如新西兰的卢瑟福、爱尔兰的汤姆森等，使卡文迪什实验室变成了一个国际化的实验室。20世纪30年代卡文迪什实验室也是我国中英庚款留学生的一个热门选择，张文裕、李国鼎等通过中英庚款留学考试后，就去了卡文迪什实验室。

卡文迪什实验室为大学实验室创造了一种成功的创设和运作模式，麦克斯韦贯彻剑桥大学的学术传统，为实验室奠定了学术厚度；瑞利强调实验室工作的组织性、系统性和计划性，强化了可持续发展的基础；J. J. 汤姆孙使实验室成为国际化高端人才的培养基地，同时形成了一套优秀成果稳定的产出模式。这三位杰出的物理学家利用自身的学识和学校的有利条件，把实验室带到一个令人敬仰的高度。

2.4 柏林帝国技术物理研究所

随着工业革命的深入，实验室的重要性日益显现，使更大规模、更有竞争力、更具目的性的国家实验室应运而生。19 世纪末，科学对技术的支撑作用受重视，欧洲列强在政治、经济、军事多领域竞争，让国家实验室的建设运营成为国家科技政策的重要部分。

19世纪70年代开始，德国物理学家持续游说政府建立国家物理研究机构，视其为保障工业优势的关键。德国物理学家和工业巨头西门子对推进国家实验室的建设不遗余力，他认为当时德国实验室多为科学家个人活动，与国家建构关联薄弱。为了化解英国、法国和美国在科学教育与科学研究方面给德国带来的挑战，他提出需要一个兼顾基础科学研究与工业科技难题解决的国家科研机构。西门子强调，我们需要一个向所有杰出的德国科学家开放的工作场所，而不是几个人的内部小团体。物理研究需要昂贵的仪器和实验室，只有靠国家长期投资。1887年，经过15年的谋划，柏林帝国技术物理研究所（PTR）宜告成立，首任主任是亥姆霍兹 (Hermann von Helmholtz, 1821—1894)，他此前曾拒绝过卡文迪什实验室主任的聘约。

1897年的PTR

研究所分技术和科学两大部门，技术部门含 5 个子部门，科学部门下设热学、电磁学、光学三大实验室，分别聚焦测温与热机优化、电气标准制定、光学仪器标准建立，电磁学实验室还与卡文迪什实验室形成竞争。西门子与亥姆霍兹认为，基础科学是国家竞争力核心，需国家投入保障物理学发展，进而服务帝国工业、捍卫国家荣誉。

受帝国技术物理研究所的刺激，英国在19世纪末也成立了国家物理研究所(NPL)，NPL的首任主任格拉斯布鲁克 (Richard Glazebrook, 1854-1935)曾就职卡文迪什实验室。格拉斯布鲁克认为，为了挽回英国正在失去的制造业和商业领域的霸主地位，必须在英国推广德国的做法。国家物理实验室由此而成立，其核心思想也是要维护英国在商业和制造业的霸权，使科学为国家服务。

NPL内景

两个研究所都深度卷入了第一次世界大战，成为国家战争力量的重要支撑。英国物理学家参与了飞机制造、潜艇探测、炸药等方面的工作；德国柏林帝国技术物理研究半数人员直接从事战争工作，留在研究所的人员也大都涉及与战争相关的测试和技术改进工作。以至于有学者认为，第一次世界大战某种程度上是一场物理学家的战争。

经过一些著名物理学家的努力，至19世纪末，物理学建制化宣告成型，通过第一次世界大战，各国政府对物理学在战争中所起的作用有了非常深刻的认识，物理学某种程度上变成了国家的事业，物理学发展的路越来越宽广，这也为20世纪成为物理学的世纪奠定了物质基础。

结语

在19世纪的大部分时间里，物理学家对自己的角色定位和工作模式并没有清晰的认识。但开尔文、亥姆霍兹那一代物理学家把握住了时代的机遇，利用实验室的精确测量手段，把热力学、电磁学、能量科学的研究引向深入，并将研究成果应用于工业社会，成为第二次工业革命的推手，使物理学家的社会形象也得以改变，从过去离群索居的思考者、卖弄技巧的表演者、达官贵人的门客，一跃而成为大自然的代言人、工业财富的开拓者、物质生活进步的推动者，乃至国家力量的捍卫者。

随着实验室的推广和物理学研究成果社会效用的扩大，物理学家也建立了稳固的职业结构，形成了工程师、物理教师、实验室研究人员等一整套职业体系和自己的职业文化，具备了清晰的教学环境、研究环境、交流环境和应用环境。

由于物理学已成为国家竞争实力的组成部分，成就卓著的物理学家，如法国的拉普拉斯、英国的开尔文和德国的亥姆霍兹等，几乎与政治家和英雄卫国的战士一样，被视为民族栋梁。这方面的一个典型例子是1907年在威斯敏斯特大教堂举行的开尔文葬礼，王公贵族、各国使节、各大社会机构和学术机关首脑悉数到场，备极哀荣。

回顾19世纪物理学建制化的过程可以明显地看到，物理学家起初是用一套功利化的语言和行为争取社会资源，建设友好社会环境，以拓展学术发展空间和职业空间。即便是对于纯学理性研究，科学家也会从应用前景角度赋予其社会合理性。亥姆霍兹在游说成立柏林帝国技术物理研究所时便指出，理论研究与实际应用二者不矛盾：“最终，每一项严肃的科学工作都会在人们以前意想不到的地方产生其实用应用”。到了20世纪，物理学家在社会资源和社会环境不再成为严重制约因素的文化背景下，回归“纯学术”声音经常会响起，给科技政策的制订带来一些问题：现代社会里，纯科学是否需要重新定义、是否可以实现目标导向与自由探索的有机结合，等等。随着科技与社会关系的进一步复杂化，以及国际竞争格局的变化，这些问题可能会反复出现。

本文经授权转载自微信公众号“墨子沙龙”。

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