摘要：虽然今天物理学在我们的生活中举足轻重，但在19世纪后半叶以前，“物理学家”这个职业甚至这个称呼都还不存在。那时的物理研究不系统且业余。开展物理实验研究在当时是一件奢侈的事情，只有具备相当的财力才可以获取所需的实验设施，拥有自己的个人实验室。大学通常是教育的中心
虽然今天物理学在我们的生活中举足轻重，但在19世纪后半叶以前，“物理学家”这个职业甚至这个称呼都还不存在。那时的物理研究不系统且业余。开展物理实验研究在当时是一件奢侈的事情，只有具备相当的财力才可以获取所需的实验设施，拥有自己的个人实验室。大学通常是教育的中心，而不是新知识的生产中心。
真正的转折点出现在19世纪最后三分之一。公共物理教学和研究实验室的建立与普及，对物理学的“建制化”起到了决定性作用。实验室成为物理学家的立身之所，有实验室，就没有物理学的根基。
1
物理实验与物理学家
1.1 物理实验：从设想走向可重复验证
古代一直到中世纪，我们尚未发现有物理实验室的记载。亚里士多德应该是不做实验的，阿基米德是否做实验似乎没有直接的证据。虽然阿基米德有许多机械发明，如滑轮、投射装置、农田灌溉机械等，但这对他而言，这“只不过是几何学变化的游戏”，只需根据几何原理制造就可以了，未必需要亲自实验。
传说阿基米德曾经通过浮力实验，判断国王的金冠是否掺了银。但要真正操作，需要一个与王冠体积完全相等的纯金对照物和一个纯银对照物，这样的条件很难满足也非常麻烦。由此看来，阿基米德是否真正做了这个实验是很值得怀疑的。
到了伽利略，这一切才发生了改变。他在《关于两门新科学的对话》中多处谈到实验。比如在检验匀加速运动物体通过的距离之比等于时间平方之比这个定律时，他设计了一个铜球从光滑斜面向下滚动的实验。测量时间的方法别出心裁：他在高处放置一个大水桶，底部开一根细管，让水在铜球下滑的时间内流出。实验结束后，他把流出的水收集并称重，以此精确比较时间长短。伽利略耐心地重复实验数百次，结果始终一致：运动距离与时间平方成正比。这种对实验细节的精心描述，以及对可重复性的强调，标志着近代实验科学的诞生。
▲伽利略的斜面
在伽利略之后，托里拆利和帕斯卡进一步推进了实验方法的成熟。我国物理学事业的开创者之一叶企孙高度重视物理实验，他一生撰述不多，却特别为这两位物理学家写了纪念文字，高度评价他们的实验工作：“托里拆利的水银柱实验，是装置简单而有重要意义的实验。它决定性地证明了大气是有压力的，并且建立了测量大气压力的基本方法。在人类研究气体性质与液体性质的历史过程中，这个实验是划时代性的”。帕斯卡的实验显示，“大气压随地表高度变化，进一步证明大气压强的存在，是物理学发展史上的一件大事”。
▲Ernest Board的油画，托里拆利在阿尔卑斯山进行实验（wellcome collection）
这两个实验装置简单，但却已经具备重大物理实验的全部要素：
(1)由物理假设或物理猜想出发，最经济合理地设计验证实验，完成实验验证过程，证实物理假设；
(2)有实验设施、实验过程、实验结果的完整记录；
(3)实验具有普适性，没有时间、地域限制，可以随时随地重复；
(4)实验带来了物理观念的重大变化，推翻了传统的“自然憎恶真空”的观点。
伽利略、托里拆利、帕斯卡等人拉开了近代实验物理的大幕，建立了物理学研究的实验方法。然而，在16、17世纪，做物理实验是有一定风险的，一些教士们指责实验会威胁信仰，破坏道德与精神，动摇大学的传统。以至于英国皇家学会不得不出面为实验正名，强调它不会对教育和大学造成伤害。可见，实验方法的确立并非理所当然，而是经历了激烈的争议。
1.2 私人实验室：科学探索的摇篮
19世纪以前，几乎所有物理实验室都是私人性质的。研究者常常把自家房间、阁楼甚至地下室改造成实验场所。玻意耳在做气体实验时，使用的管子太长，以至于只能搬到楼梯上去做；牛顿在剑桥的住所里完成了关于光学的经典实验；富兰克林在风筝实验之后，又在自家竖起一根绝缘铁杆，以便随时观察大气放电。
物理实验设备越来越昂贵，只有有钱人才养得起一个实验室。柏林大学的马格努斯(Heinrich Gustav Magnus，1802—1870)是一位犹太富商的儿子，继承了大笔财富，他在自己住所里建立起当时世界上最先进的物理实验室。克劳修斯(Rudolf Clausius，1822—1888)、亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz，1821—1894)和魏德曼(Gustav Heinrich Wiedemann，1826—1899)等著名的德国物理学家都曾在这里受益。可以说，马格努斯的家就是当时的“物理学圣地”。
然而，大多数实验室环境却远不如人意，往往设在地窖、酒窖、马厩和仓库这类肮脏或阴暗的地方，实验者需要与潮湿、寒冷以及霉味等斗争。更重要的是，直到19世纪初，很多大学教师仍认为大学的任务是“传授知识”，而不是“创造新知”，而实验研究不利于学校传授既有知识的主要任务。在这种观念下，实验室在大学里几乎没有立足之地。
1.3 “物理学家”的产生
直到19世纪后半叶，在任何国家从事科学研究几乎都不可能谋生。任何一个专业的生存和发展都取决于社会需求，19世纪科学的进步使得社会对于获取科学服务的需求大幅增加，催生了“科学家”职业，“自然哲学”也逐渐分裂成许多专业学科。
“科学家”这个词，直到1833年才被英国学者威廉·惠威尔（William Whewell，1794—1866，中文译作胡威立）创造出来。同样，他也造出了“物理学家”这个新词。胡威立还是一个“造词高手”。他不仅创造了“科学家”“物理学家”，还造出了“ion（离子）”“cathode（阴极）”等许多专业词汇。中国人很早就熟悉胡威立这个名字，他的《初等力学教程》(An Elementary Treatise on Mechanics)一书由英国传教士艾约瑟和中国数学家李善兰合译成中文，以《重学》为书名于1859年刊行。
▲威廉·惠威尔肖像
在19世纪的大部分时间里，没有明确地、直接地定义什么是“做”物理。现在我们熟知的从中学到大学、到研究机构，这种物理学家的职业模式还不存在。到了19世纪后半叶，物理学家终于通过电磁学、热力学和能量科学的发展，为自己找到了角色定位：
与自然的关系：研究自然、理解自然、解释自然，是自然的代言人；
与公众的关系：物理学家对自然力量的理解、把握、运用和改造，为公众谋福利；
与国家的关系：物理学家是国家荣誉的贡献者，国家力量的捍卫者。
从此，物理学家成为一个有清晰身份的职业群体。而实验室，也逐渐从阴暗的角落走到前台，进入大学，成为现代科学不可或缺的配置。
2
最早的物理教学实验室
我们今天熟悉的“实验室”一词，其实起源于化学。德文“Laboratorium”一词原指指化学实验室。1819年出版的《大英百科全书》里，它被定义为：一个配有化学仪器的地方，用于进行化学制造或实验研究。《牛津英语词典》后来也指出，实验室起源于化学，最初服务于药品、化学制品的制造和研究。物理实验室则出现得更晚，它和天文观测台又有着明显区别。首先，实验室概念源于化学；其次，物理实验存在着实验者对观测对象的人工干预。有鉴于此，天文观测台站不在本文讨论的范围。
随着19世纪大学教育的发展，实验室逐渐进入课堂。不过在最初，它们更多是为“演示实验”服务，真正让学生动手的教学实验室还需要一些时间的孕育。
2.1 演示实验：从“表演”开始
19世纪初，大学的职能一般是教育，而不是科研。因此，一个人是否具备研究能力，并不是获得自然哲学教授职位的关键条件。1831年，哥廷根大学空缺了一位自然哲学教授席位，高斯在给校方的建议中就写道：最重要的是选一个可以通过演讲吸引听众的人。在当时，即使是伟大数学家高斯，也认为研究能力不是大学教授的核心条件。
1799年英国皇家研究院(Royal Institution)成立时，按照发起人伦福德(BBenjamin Thompson, Count Rumford)，1753—1814)的设计，科学研究并不是其目标，他想做的是研究和讲授科学发现在改进艺术和制造业方面的应用，公开传播有关新的有用发明的信息，并为工匠提供一所学校。19世纪20年代法拉第创设的“星期五演讲”正体现了皇家研究院的宗旨。
▲法拉第的圣诞节演讲（Royal Institution of Great Britain）
为了提高演示实验的效果，表演者往往会精心构思演示内容，并充分利用一些演示技巧，来吸引观众，提高科学传播效果。由于当时物理学还没有在工业文明和社会生活中充分显示出其威力，只能靠眼花缭乱的演示来吸引观众，体现物理学家的价值，拓展生存空间。那时的实验室，通常就是演讲厅的附属设施，为演示实验提供辅助和准备工作。
这一传统延续很久。20世纪五六十年代，我国一些大学如清华大学、中国科学技术大学还把为教学服务的物理演示实验室直接称为表演室。对于大型实验，学生可以去表演室观看教师的演示；对于小型实验，教师也可以把实验设备从表演室搬到教室去演示。
2.2 谁是最早的物理教学实验室？
如果说化学实验室早早就进入了课堂，那么物理学的教学实验室却来得稍晚一些。1824年，德国化学家李比希(Justus von Liebig，1803—1873) 在吉森大学建立了第一个面向学生的实验室，让学生不仅听讲，还能亲自动手实验。这被认为是近代大学“实验教学”的先声。物理学家们很快跟进，并且在谁是“第一个”创办物理教学实验室的问题上，留下了不少争论。
1871年，《自然》杂志刊登了一篇文章。作者是皮克林(Edward Charles Pickering，1846—1919)，他后来成了哈佛天文台的台长。皮克林介绍说，他在麻省理工学院(MIT)引入了物理实验教学，1869—1870年有60名学生在同一个实验室进行物理实验。他因此自豪地宣称，MIT是美国最早进行物理实验教学的机构之一。
皮克林的文章引起了英国皇家学会会士亚当斯(William Grylls Adams，1836—1915)的注意，他不想让美国人抢走最早进行物理实验室教学的荣誉。他指出，牛津大学的克利夫顿教授(Robert Bellamy Clifton，1836—1920)早在1867年前就提出，物理实验室教学应该成为物理学课程的组成部分。而他自己所在的国王学院也迅速行动，于1868年建立了教学实验室。亚当斯在文章中描述了实验室布置、实验内容和实验组织的一些细节，显然不想让美国人夺走这个首创权。
▲皮克林和亚当斯，其中亚当斯的哥哥便是发现海王星的那位约翰·柯西·亚当斯
皮克林和亚当斯的文章都是记述当时发生的事情，而不是许多年前事件的历史回顾，因此可信度是很高的。但奇怪的是，他们的文章并没有在学界引发更广泛关注。1908年，《自然》杂志的一篇纪念英国物理学家艾顿(William Edward Ayrton，1847—1908)的文章里，再次掀起了“首创之争”。文章说，从1879年到1884年，艾顿是芬斯伯里技术学院的应用物理学教授，他在那里创立了一个全新的实验教学体系，这种体系现在遍布英国的技术学院。文章显然认为是艾顿首创了物理教学实验室。
这篇纪念艾顿的文章立即受到质疑，时任伯明翰大学校长的洛奇(Oliver Lodge，1851—1940)马上撰文反驳：“如果不提出抗议，我认为伦敦大学学院(UCL)和国王学院的学生物理实验室的先驱性工作有被忽视的危险。请允许我说，1872年以前，这些大学就有学生从事物理实验室工作。”他还亲身举了例子：“1866年，UCL的福斯特教授(George Carey Foster，1835—1919)亲自为我开设的定量实验室教学课程具有很高的价值，与我所知的任何一个学生实验室相比都不会黯然失色”。
▲1917年的福斯特（National Portrait Gallery）
UCL的比尔教授所著《大学学院物理天文系史1826—1975》根据校历文字记载而不是当事人回忆，从档案方面提供了证据：1865年，学校理事会就设立了实验物理教授席位，福斯特受聘担任实验物理教授。1866年7月，理事会通过福斯特的实验室建设计划并拨款；同年，18名学生注册参加了英国最早的物理实验室课程。因此，福斯特于1866年在UCL建立了教学实验室是可以肯定的。顺便一提，20世纪30年代，我国曾有几位物理学家在福斯特实验室进修学习，如钱临照、江仁寿和周如松。
当然，也有人把目光投向苏格兰。1885年，威廉·汤姆孙（即开尔文勋爵）在威尔士班戈大学物理实验室揭幕典礼上的讲话上自豪地说：“我相信，格拉斯哥大学的物理实验室是现在遍地都是的物理实验室的鼻祖”。
1845年，汤姆孙被任命为格拉斯哥大学自然哲学教授，1850年，他把大学里一个废弃的酒窖改造为实验室，进行金属的电动力学的实验研究。许多实验观察一个人无法进行，他便邀请学生协助实验。后来学生也开展独立的研究。在1856年发表论文时，汤姆孙在这篇文章首页的脚注中对至少4位学生的协助表示了感谢。这是英国关于学生参与实验室研究工作的最早记录。但当时汤姆孙的实验室还具有私人实验室的特征，尚不能算正式的教学实验室。学生的工作旨在为教授提供帮助，同时学生也获得一些实践经验，不是学校的课程要求和学位要求。
类似的情况在德国也存在。比如1833年或1834年，威廉·韦伯(Wilhelm Weber，1804—1891)在哥廷根大学的实验室；1846年，菲利普·冯·乔利(Philipp von Jolly，1809—1884)在海德堡大学的实验室，以及前面提到的柏林大学马格努斯的实验室等等。但物理实验室成为大学的一种制度安排也是19世纪70年代以后的事，与英国的情形并无很大差异。
谁才是“第一个”呢？是MIT？是UCL？还是开尔文的酒窖？这个问题在物理学界至今仍争论不休。
节选自：胡升华.物理实验室的创设及其意义[J].物理,2023,52(12):857-866.原文内容已作适当改编。
编辑：千里雁啼
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
来源：中科院物理所
