物理學興起及早期發展分析

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一、中國古代物理歷史的追溯

“物理學”一詞源出于希臘文，拉丁文譯為physica，英譯本譯為physics。最早創立這個詞語并使用的是古希臘大哲學家亞里士多德(Aristotle)，《物理學》一書撰寫于公元前347年，是討論自然問題的著作。中國古代很早就出現“物理”一詞，且有冠以“物理”一詞的著作或著作中標有“物理”的篇章。而其含義則是泛指的，即包容了萬物之理，這萬物，實涵蓋了天文地理、風雨雷電、帝王政務、人身服用、草木鳥獸、金石器用、醫藥占卜、鬼神方術，以致人事變遷、倫理道德、情理意識，等等。［1］在古代，中西對物理的理解是相近的。按照這樣的理解，中國古代與物理有關的典籍，不僅遍及經、史、子、集，而且包羅萬象，不得要領。此外，中國古代物理又不像數學，沒有專門的系統著作，而是散見于大量的古籍之內。中國古代物理知識的搜羅，確是沙里淘金。對中國古代物理的認識，也是一個存在紛爭的議題。戴念祖在《中國科學技術史•物理學卷》中對我國古代物理特點作出闡述:在中國古代，一個學者在研究他那時所經驗的一切門類的學科，而非專門的學問家，這樣，中國古代難以出現一個只在物理方面，而不在其他方面有所成就的學者;中國傳統物理是來自對自然現象的觀察和生產經驗的總結，而不是來自理性的數學推演的結果;在長期的歷史過程中，中國人對物理現象的描述與記載一直持續不斷，這個不僅體現了中國人的智慧與敏銳的觀察力，而且還善于抓住問題的本質，這種技術－物理經驗以及“抓住物理本質”的方法，對近代物理學的興起與發展是有貢獻的，此外，在物理學的某些方面，如樂律學，在中國古代應用數學的程度，以及取得的成就都還超過了同時代的西方。［2］但是近代物理學還是沒有在中國誕生，我國的近代物理學是向西方學習、攝取后而建立起來的。

二、中國近代物理學的產生

吳大猷認為:“現在我們講中國物理的發展史，說是在20世紀，而事實上集中起來，就是抗戰前二十至三十年的時間。”又說:“從1900年起，1910、1920年代，二十年時間內，有幾個人從國外學物理回來。在中國開始教學，從二三個學生開始教起。……1930年代，特別是1930年到1937年抗戰開始這幾年之內，中國的物理可以說是處于研究的萌芽時期。那時可以說正是一個熱鬧的時候，有很快速的進步，但忽然間打仗了，一切的工程、研究的工作都停頓了。”［3］對這一段歷史做一下細致的梳理，我們會對中國近代物理學的產生和初期的發展，有更深入的了解或更深刻的認識，在這之中，也有不少歷史的經驗值得我們借鑒。19世紀50年代初，包含物理學知識的科學普及讀物開始在中國翻譯出版。此期間，上海墨海書館翻譯了中國近代史上最早的一批科學譯著，其中就有專門的物理學著作。19世紀60年代初至90年代中是洋務運動時期，在此期間，翻譯了大量書籍，其中以軍事和工程技術為主要內容。同時涉及自然科學各門學科，而翻譯出版的物理學書籍是傳播物理學知識最主要的途徑，其中江南制造局翻譯館起了最重要的作用。1894年甲午海戰，中國敗于日本，洋務運動也宣告失敗。1898年，發生，“百日維新”前后，科學知識在中國的傳播出現變化，譯書和教育開始表現出同等的重要性。到20世紀初，物理學教科書的翻譯和編撰漸趨主流。進入20世紀，出國留學學習物理學開始出現，如李復幾，1901年留學英國倫敦國王書院和芬斯伯里學院，1907年赴德國波恩皇家大學，同年獲物理學博士學位，是我國第一個在國外獲得物理學博士學位的留學生。20世紀頭10年中，出國學習物理學的還有何育杰、張貽惠、吳南薰、夏元瑮、李耀邦、胡剛復和梅貽琦等。第二個10年更有陳茂康、趙元任、顏任光、李書華、饒毓泰、葉企孫等。他們中多數回國后從事物理學研究和教學工作，成為我國近代物理學事業的開拓者。當時的中國普遍沒有設備、沒有經費、沒有傳統，他們的創業工作是十分艱難的，這種“篳路藍縷，以啟山林”之功，是不可埋沒的。1931年，設立在瑞士的國際聯盟派了朗之萬(P．Langevin)等4位專家來華考察中國的教育。在考察中，朗之萬建議中國的物理學工作者應該聯合起來成立中國物理學會，并加入國際純粹物理與應用物理聯合會，以促進中國物理學的發展和國際交流。在朗之萬的促進下，1932年8月22日至24日，在清華大學召開了中國物理學會成立大會，通過學會章程，并設立了學報委員會、物理學名詞審查委員會、物理教學委員會。第一屆理事會由會長李書華、副會長葉企孫等組成。中國物理學會于1934年加入了國際純粹物理與應用物理聯合會，并于當年秋派王守競前往倫敦出席該聯合會大會。［5］標志著近代物理學已經在中國形成，并被國際同行認可。

三、中國近代物理教育的興起

在中國，以教育為手段傳播物理知識，可以追溯到19世紀中葉，大約以《智環啟蒙塾課初步》為最早。19世紀60年代初，京師同文館設立，總教習丁韙良譯著了兩部用于教學的物理學書籍，《格物入門》和《格物測算》。19世紀70年代初起，同文館已設置物理學課程。19世紀90年代，在中國已有多種譯自歐美著名教科書的中文物理學教科書問世。到20世紀初，由日本物理學家飯盛挺造編纂、日本東洋史學家藤田豐八翻譯、清末名初物理學著作翻譯家王季烈潤詞重編的《物理學》是我國第一本稱之為“物理學”的且具備大學水平的中文物理學教科書，由江南制造局出版，1900年刊行上、中篇，1903年刊行下篇，這書在20世紀初期風行一時，對當時的近代物理教育、教科書編寫和物理學名詞術語的形成都有重要影響。［6］在20世紀初期，僅1900－1911年間我國翻譯自日本的物理學書籍至少有61種，這一數量遠遠超過洋務運動時期中國翻譯出版的物理學書籍之和，同時，還注意翻譯物理實驗、物理算法類的書籍，表明對物理學已有較深的理解。［7］1898年成立的北京京師大學堂，于1902年在格致科下設天文、地質、高等算學、化學、物理學和動植物學等六目。1902年8月15日頒布的欽定中學堂章程，其第二章功課教法中已明文規定物理的學習。1903年6月27日頒行的奏定學堂章程(癸卯學制)的中學堂章程中，明確規定教習“物理及化學”，“其物理當先講物理總綱，次及力學、音學、熱學、光學、電磁氣。……凡教理化者，在本諸實驗，得真確之知識，使適于日用生計及實業之用。”［8］“癸卯學制”頒布以后，物理學的學習以法定的形式列入了大、中學校的教學科目之中，又根據各級各類學校不同的要求編譯了各種物理教科書，對物理教學中的物理實驗教學，包括儀器設備和教學的要求等，也都做出了明文規定。癸卯學制的頒行，標志著我國近代物理學教育真正誕生了。1922年公布了《學校系統改革案》，即“壬戌學制”，1923年6月，公布了《中小學課程標準綱要》，初中設“自然科”，包括物理、化學、生物等科目，實行學分制。高中設物理為必修科目，也采用學分制。1929年國民政府教育部重新頒布了1923年的《中小學課程標準綱要》，稍作修改后，1932年正式頒布為《正式標準》。《中學物理課程標準》分初中和高中兩部分，分別對教學目標、時間分配、教材大綱、教法要點、實驗要求等做出了具體的規定。這時期的《中學物理課程標準》是我國第一次制定的中學物理教學文件，保證了中學物理教育質量，使我國的物理教育水平不斷得到提高。《中學物理課程標準》所反映的特點，即使對今天的物理教育改革，也還具有參考價值。這些特點包括:(1)初中、高中有明確的教學任務區別;(2)物理教材的編寫和日常教學的要求，提得都很明確，而且無論初中或高中，都不強調系統的物理基礎知識;(3)教學內容比較全面，教材體例比較合理;(4)教學集中，課時較少;(5)體現了理論和實際相聯系的原則;(6)重視直觀教學的原則;(7)重視與物理教育有關的能力的培養，而不提空泛的一般要求;(8)注意到物理學科的特點和學生自學能力的培養;(9)重視理解原理和實際應用，對計算和數學推導不作過高要求;(10)教學要求比較高，致使物理課成為中學里一門難教難學的課程。［9］中國的物理教育到了這時，成為基礎教育中的一門重要學科的地位已經確立了，其內容和教學方法也都基本上確定下來了，中國物理教育完成了本土化的歷程。在20世紀初前后，隨著社會的變革和學制的改革，程度不等的物理教科書紛紛翻譯出版，同時，還出現以翻譯出版教科書為主的書局或印書館。這些教科書的編譯出版，一方面反映了這一時期我國引進和吸收物理學知識的進步，另一方面，也為當時中國近代物理教育的興起和發展奠定了基礎。表2所示為晚清時期翻譯的物理學重要教科書。［10］那時的實驗教學一直要到1918年胡剛復到南京高等師范任教，才真正開始。1913年京師大學堂招收理論物理一個班的學生，1916年，物理學的第一屆畢業生孫國封、丁緒宣、張松年等5人成為我國歷史上第一屆物理專業的大學畢業生。1917年，北京大學在國內大學中首先成立了物理學系。1935年，北京大學物理系首批研究生馬仕俊、郭永懷、卓勵、趙松鶴入學。到1932年中國物理學會成立時，已有三十多所大學設立了物理系或數理系。1912年以后的長時間里，我國高等學校的物理教學很少有現成的通用教材，多是教師講課，學生記筆記，或由教師編寫簡單的講課提綱。大學高年級課程或專業課程，大都由教授依所選擇的參考書進行講授。但不少學校所講授的內容和所選用的參考書，已達到了當時物理學前沿工作的水平。［11］楊振寧在回憶他自己的求學經歷時說過:“那幾年我在昆明學到的物理已能達到當時世界水平。譬如說，我那時念的場論比后來我在芝加哥大學念的場論要高深，而當時美國最好的物理系就在芝加哥大學。可見兩代先輩引進了足夠的近代科學知識，令我這代人可以在出國前便進入了研究的前沿!”［12］

四、中國近代物理學是西學東漸的產物

中國傳統的物理，除了度量衡和樂律學之外，大多是經驗的、定性的科學，但對物理知識、物理現象的記錄以至思考卻不絕如縷，并有所發現，有所進步。在古代，用近代伽利略以后的物理學標準來衡量，那么，不但中國古代沒有物理學，而且西方古代也沒有這樣的物理學。以古代的某一時期相比(14世紀以前)，中國古代在物理中取得的成就，很多方面甚至超過了同時代的西方。這也常常成為我們自豪的地方。但是，無可否認，14世紀以后，西方逐漸產生了近代科學，尤其是在16世紀以后，我們在科學的各個方面，失去了原先的優勢，慢慢地落在了西方的后面，其差距越來越大。無可否認，中國近代的物理學不是對中國傳統物理的繼承，而是西方物理學東漸的產物，而且還與數學不同，不是一種轉型的結果，一次西化的歷程。本文不是要討論為什么中國沒有產生近代物理學的原因，因為歷史是沒有如果的，歷史也無法假設，歷史只能承認。作為一個案例，討論一下中國聞名于世的四大發明之一指南針及其在世界的傳播，對理解中國古代物理發展的特點或許是有益的。古代中國最初以天文學方法確定方向時，通常在白天以圭表測定日影和在晚上以北極星確定東西方向正位，但這種方法遇到陰晦天氣、晝不見日、夜不見星時，便無能為力。古代中國以天然磁石制成了世界上最早的指向裝置，即“司南”。因為在戰國時期，古人就不但認識到了磁石有吸鐵性，還發現其有指極性。在晉唐之間，又將司南改成磁針，并用于導航。用于導航的，早期是水羅盤，宋代出現旱羅盤，在明清時期，旱羅盤的使用更為普遍。在國外，12世紀末以前歐洲人對磁石的指極性一無所知，不可能做出磁體指向裝置，這比中國落后一千多年。阿拉伯人關于磁石記載始于11世紀，到13世紀才記載磁羅盤，晚于中國三百多年。印度在這方面不比歐洲和阿拉伯早，世界其它地區也同樣如此。中國指南針技術在世界上的傳播，宋元時期通過海上往來傳入阿拉伯，阿拉伯人學習中國制造水浮式磁羅盤并用于導航。據考證，12世紀初前后，歐洲人已掌握磁針導航，至13世紀初，磁羅盤已在歐洲較為普及，歐洲人從中國引進磁羅盤后，才能進入大洋從事海上探險，15～16世紀完成地理大發現，進而開拓殖民地和新的商品市場。朝鮮李朝初期15世紀制造的堪輿羅盤，顯然是從中國引進的。日本江戶時代(1603－1868)以前有關磁學和指南針的知識，均得之于從中國傳來的各種書籍中。印度制成羅盤針并用于航海與阿拉伯同時(13世紀)或稍遲些。印度尼西亞的武吉斯族善航海，明代時使用中國指南針導航。［13］關于磁學的研究，在11世紀末，北宋沈括著《夢溪筆談》，已有指南針實驗和磁偏角的記錄。歐洲在1600年吉爾伯特在他的著作《論磁》中對此也作出了研究。到了1820年，奧斯特發現了電流的磁效應，此后短短的四個多月，經過安培等人的努力，電流的磁場以及磁場對電流的作用等理論就建立了，從此電磁學就形成了。1831年，法拉第發現電磁感應現象，電磁感應現象是電磁學中最重大的發現之一，它不只是為麥克斯韋電磁理論的建立奠定了基礎，還在歐洲和全世界掀起了一陣發明浪潮，發電機、變壓器、電燈、電話、電報、電力機車相繼發明，誘發了第二次工業革命。1873年，麥克斯韋的劃時代巨著《電磁通論》出版，建立了描述電磁場運動的麥克斯韋方程組，全面總結了電磁理論幾乎所有領域的內容，預言了電磁波的存在以及電磁場的波動性和其他性質，提出了光的電磁理論。［14］經典電磁理論已經完全建立起來了。這不由人想起美國物理學會第一任會長H．A．羅蘭1883年8月15日在美國科學促進會年會上講的一段話:“假如我們停止科學的進步而只留意科學的應用，我們很快就會退化成中國人那樣，多少代人以來他們(在科學上)都沒有什么進步，因為他們只滿足于科學的應用，卻從來沒有追問過他們所做事情中的原理。這些原理就構成了純科學。中國人知道了火藥的應用已經若干世紀，如果他們用正確的方法探索其特殊應用的原理，他們就會在獲得眾多應用的同時發展出化學，甚至物理學。因為只滿足于火藥能爆炸的事實，而沒有尋根問底，中國人已經遠遠落后于世界的進步。我們現在只是將這個所有民族中最古老、人口最多的民族當成野蠻人。”［15］話雖尖刻，但足以引起我們的深思。指南針是我國最早發明的，并且傳播到世界各地，然而近代電磁學理論體系的建立卻與我們無緣。今天我們學習的電磁學是西方的，整個物理學是西方的，是西學東漸的產物。說到技術發明，我國古代技術發明常常是民間在師徒間相傳授，在家族內相傳承。托比•胡弗(TobyE．Huff)認為:“令人驚訝的是，中國人發明活字印刷術要比西方早400年，但是在最先發明這項技術的中國和阿拉伯－伊斯蘭文明(它最直接地接觸到了新的印刷技術)中，并沒有出現像在歐洲12、13世紀所發生的社會革命和智識革命。事實上，阿拉伯－伊斯蘭文明直到19世紀早期還限制印刷術的應用，而且15世紀西方更發達的新印刷技術在19世紀又傳到了伊斯蘭世界和中國，仿佛那里從前根本就沒有出現過印刷術一樣。”［16］對這一說法，各國學者盡管有不同的意見，但卻值得我們參考。

五、結語

我國早在春秋戰國之際，已出現《考工記》、《墨經》這樣記載有古代豐富物理知識的典籍，在明代朱載堉的《樂律全書》是世界上最早以數學方法解決等程律問題的音樂與聲學的杰作。從明末開始，西方物理學逐漸向我國傳播，一部分知識先覺如方以智、鄭復光接受了西學，促進了中國傳統物理研究的發展。到了19世紀末20世紀初，近代物理學進入了我國，中國傳統科學被取代。在中西文化交流的長期發展過程中，中國傳統科學中的一些成果也傳到了西方，對世界文明的進程做出了貢獻。但到了近代，中國的科學技術，包括物理學，我們只好向西方學習，才能發展。我國的物理學和物理教育的近代興起和發展，是在19世紀末開始的，但真正的物理學學科的建立，物理教育的形成并在各級教育階段中占有必要地位，則在20世紀初，而且主要是依仗于我國留學生學成歸國后艱苦創立的。物理學和物理教育的發展與文化背景是不可分割的，筆者在有關我國數學和數學教育發展的兩篇論文中已有詳細論述，因此本文不再贅述，這是需要說明的。從我國物理學和物理教育的興起和早期發展中，可以看出，科學的發展，如果沒有必要的體制和機制作為保障，沒有必要的條件提供支持，是很難孤立地發展起來的。由于物理學和物理教育近代興起和發展的復雜背景和艱難歷程，時至今日，我們對科學、對物理學、對物理教育的理解與西方是有差異的，而且是有差距的，加上科學的傳統、文化的傳統的差別，這一切，對今天的物理學和物理教育的發展仍然在產生著影響。我們要正視歷史，我們要尊重歷史，承認歷史，我們更要向前看，要推進歷史的發展。

作者：蔡鐵權何丹賢工作單位：浙江師范大學課程與教學研究所