物理学兴起及早期发展分析

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一、中国古代物理历史的追溯

“物理学”一词源出于希腊文，拉丁文译为physica，英译本译为physics。最早创立这个词语并使用的是古希腊大哲学家亚里士多德(Aristotle)，《物理学》一书撰写于公元前347年，是讨论自然问题的著作。中国古代很早就出现“物理”一词，且有冠以“物理”一词的著作或著作中标有“物理”的篇章。而其含义则是泛指的，即包容了万物之理，这万物，实涵盖了天文地理、风雨雷电、帝王政务、人身服用、草木鸟兽、金石器用、医药占卜、鬼神方术，以致人事变迁、伦理道德、情理意识，等等。［1］在古代，中西对物理的理解是相近的。按照这样的理解，中国古代与物理有关的典籍，不仅遍及经、史、子、集，而且包罗万象，不得要领。此外，中国古代物理又不像数学，没有专门的系统著作，而是散见于大量的古籍之内。中国古代物理知识的搜罗，确是沙里淘金。对中国古代物理的认识，也是一个存在纷争的议题。戴念祖在《中国科学技术史•物理学卷》中对我国古代物理特点作出阐述:在中国古代，一个学者在研究他那时所经验的一切门类的学科，而非专门的学问家，这样，中国古代难以出现一个只在物理方面，而不在其他方面有所成就的学者;中国传统物理是来自对自然现象的观察和生产经验的总结，而不是来自理性的数学推演的结果;在长期的历史过程中，中国人对物理现象的描述与记载一直持续不断，这个不仅体现了中国人的智慧与敏锐的观察力，而且还善于抓住问题的本质，这种技术－物理经验以及“抓住物理本质”的方法，对近代物理学的兴起与发展是有贡献的，此外，在物理学的某些方面，如乐律学，在中国古代应用数学的程度，以及取得的成就都还超过了同时代的西方。［2］但是近代物理学还是没有在中国诞生，我国的近代物理学是向西方学习、摄取后而建立起来的。

二、中国近代物理学的产生

吴大猷认为:“现在我们讲中国物理的发展史，说是在20世纪，而事实上集中起来，就是抗战前二十至三十年的时间。”又说:“从1900年起，1910、1920年代，二十年时间内，有几个人从国外学物理回来。在中国开始教学，从二三个学生开始教起。……1930年代，特别是1930年到1937年抗战开始这几年之内，中国的物理可以说是处于研究的萌芽时期。那时可以说正是一个热闹的时候，有很快速的进步，但忽然间打仗了，一切的工程、研究的工作都停顿了。”［3］对这一段历史做一下细致的梳理，我们会对中国近代物理学的产生和初期的发展，有更深入的了解或更深刻的认识，在这之中，也有不少历史的经验值得我们借鉴。19世纪50年代初，包含物理学知识的科学普及读物开始在中国翻译出版。此期间，上海墨海书馆翻译了中国近代史上最早的一批科学译著，其中就有专门的物理学著作。19世纪60年代初至90年代中是洋务运动时期，在此期间，翻译了大量书籍，其中以军事和工程技术为主要内容。同时涉及自然科学各门学科，而翻译出版的物理学书籍是传播物理学知识最主要的途径，其中江南制造局翻译馆起了最重要的作用。1894年甲午海战，中国败于日本，洋务运动也宣告失败。1898年，发生，“百日维新”前后，科学知识在中国的传播出现变化，译书和教育开始表现出同等的重要性。到20世纪初，物理学教科书的翻译和编撰渐趋主流。进入20世纪，出国留学学习物理学开始出现，如李复几，1901年留学英国伦敦国王书院和芬斯伯里学院，1907年赴德国波恩皇家大学，同年获物理学博士学位，是我国第一个在国外获得物理学博士学位的留学生。20世纪头10年中，出国学习物理学的还有何育杰、张贻惠、吴南薰、夏元瑮、李耀邦、胡刚复和梅贻琦等。第二个10年更有陈茂康、赵元任、颜任光、李书华、饶毓泰、叶企孙等。他们中多数回国后从事物理学研究和教学工作，成为我国近代物理学事业的开拓者。当时的中国普遍没有设备、没有经费、没有传统，他们的创业工作是十分艰难的，这种“筚路蓝缕，以启山林”之功，是不可埋没的。1931年，设立在瑞士的国际联盟派了朗之万(P．Langevin)等4位专家来华考察中国的教育。在考察中，朗之万建议中国的物理学工作者应该联合起来成立中国物理学会，并加入国际纯粹物理与应用物理联合会，以促进中国物理学的发展和国际交流。在朗之万的促进下，1932年8月22日至24日，在清华大学召开了中国物理学会成立大会，通过学会章程，并设立了学报委员会、物理学名词审查委员会、物理教学委员会。第一届理事会由会长李书华、副会长叶企孙等组成。中国物理学会于1934年加入了国际纯粹物理与应用物理联合会，并于当年秋派王守竞前往伦敦出席该联合会大会。［5］标志着近代物理学已经在中国形成，并被国际同行认可。

三、中国近代物理教育的兴起

在中国，以教育为手段传播物理知识，可以追溯到19世纪中叶，大约以《智环启蒙塾课初步》为最早。19世纪60年代初，京师同文馆设立，总教习丁韪良译著了两部用于教学的物理学书籍，《格物入门》和《格物测算》。19世纪70年代初起，同文馆已设置物理学课程。19世纪90年代，在中国已有多种译自欧美著名教科书的中文物理学教科书问世。到20世纪初，由日本物理学家饭盛挺造编纂、日本东洋史学家藤田丰八翻译、清末名初物理学著作翻译家王季烈润词重编的《物理学》是我国第一本称之为“物理学”的且具备大学水平的中文物理学教科书，由江南制造局出版，1900年刊行上、中篇，1903年刊行下篇，这书在20世纪初期风行一时，对当时的近代物理教育、教科书编写和物理学名词术语的形成都有重要影响。［6］在20世纪初期，仅1900－1911年间我国翻译自日本的物理学书籍至少有61种，这一数量远远超过洋务运动时期中国翻译出版的物理学书籍之和，同时，还注意翻译物理实验、物理算法类的书籍，表明对物理学已有较深的理解。［7］1898年成立的北京京师大学堂，于1902年在格致科下设天文、地质、高等算学、化学、物理学和动植物学等六目。1902年8月15日颁布的钦定中学堂章程，其第二章功课教法中已明文规定物理的学习。1903年6月27日颁行的奏定学堂章程(癸卯学制)的中学堂章程中，明确规定教习“物理及化学”，“其物理当先讲物理总纲，次及力学、音学、热学、光学、电磁气。……凡教理化者，在本诸实验，得真确之知识，使适于日用生计及实业之用。”［8］“癸卯学制”颁布以后，物理学的学习以法定的形式列入了大、中学校的教学科目之中，又根据各级各类学校不同的要求编译了各种物理教科书，对物理教学中的物理实验教学，包括仪器设备和教学的要求等，也都做出了明文规定。癸卯学制的颁行，标志着我国近代物理学教育真正诞生了。1922年公布了《学校系统改革案》，即“壬戌学制”，1923年6月，公布了《中小学课程标准纲要》，初中设“自然科”，包括物理、化学、生物等科目，实行学分制。高中设物理为必修科目，也采用学分制。1929年国民政府教育部重新颁布了1923年的《中小学课程标准纲要》，稍作修改后，1932年正式颁布为《正式标准》。《中学物理课程标准》分初中和高中两部分，分别对教学目标、时间分配、教材大纲、教法要点、实验要求等做出了具体的规定。这时期的《中学物理课程标准》是我国第一次制定的中学物理教学文件，保证了中学物理教育质量，使我国的物理教育水平不断得到提高。《中学物理课程标准》所反映的特点，即使对今天的物理教育改革，也还具有参考价值。这些特点包括:(1)初中、高中有明确的教学任务区别;(2)物理教材的编写和日常教学的要求，提得都很明确，而且无论初中或高中，都不强调系统的物理基础知识;(3)教学内容比较全面，教材体例比较合理;(4)教学集中，课时较少;(5)体现了理论和实际相联系的原则;(6)重视直观教学的原则;(7)重视与物理教育有关的能力的培养，而不提空泛的一般要求;(8)注意到物理学科的特点和学生自学能力的培养;(9)重视理解原理和实际应用，对计算和数学推导不作过高要求;(10)教学要求比较高，致使物理课成为中学里一门难教难学的课程。［9］中国的物理教育到了这时，成为基础教育中的一门重要学科的地位已经确立了，其内容和教学方法也都基本上确定下来了，中国物理教育完成了本土化的历程。在20世纪初前后，随着社会的变革和学制的改革，程度不等的物理教科书纷纷翻译出版，同时，还出现以翻译出版教科书为主的书局或印书馆。这些教科书的编译出版，一方面反映了这一时期我国引进和吸收物理学知识的进步，另一方面，也为当时中国近代物理教育的兴起和发展奠定了基础。表2所示为晚清时期翻译的物理学重要教科书。［10］那时的实验教学一直要到1918年胡刚复到南京高等师范任教，才真正开始。1913年京师大学堂招收理论物理一个班的学生，1916年，物理学的第一届毕业生孙国封、丁绪宣、张松年等5人成为我国历史上第一届物理专业的大学毕业生。1917年，北京大学在国内大学中首先成立了物理学系。1935年，北京大学物理系首批研究生马仕俊、郭永怀、卓励、赵松鹤入学。到1932年中国物理学会成立时，已有三十多所大学设立了物理系或数理系。1912年以后的长时间里，我国高等学校的物理教学很少有现成的通用教材，多是教师讲课，学生记笔记，或由教师编写简单的讲课提纲。大学高年级课程或专业课程，大都由教授依所选择的参考书进行讲授。但不少学校所讲授的内容和所选用的参考书，已达到了当时物理学前沿工作的水平。［11］杨振宁在回忆他自己的求学经历时说过:“那几年我在昆明学到的物理已能达到当时世界水平。譬如说，我那时念的场论比后来我在芝加哥大学念的场论要高深，而当时美国最好的物理系就在芝加哥大学。可见两代先辈引进了足够的近代科学知识，令我这代人可以在出国前便进入了研究的前沿!”［12］

四、中国近代物理学是西学东渐的产物

中国传统的物理，除了度量衡和乐律学之外，大多是经验的、定性的科学，但对物理知识、物理现象的记录以至思考却不绝如缕，并有所发现，有所进步。在古代，用近代伽利略以后的物理学标准来衡量，那么，不但中国古代没有物理学，而且西方古代也没有这样的物理学。以古代的某一时期相比(14世纪以前)，中国古代在物理中取得的成就，很多方面甚至超过了同时代的西方。这也常常成为我们自豪的地方。但是，无可否认，14世纪以后，西方逐渐产生了近代科学，尤其是在16世纪以后，我们在科学的各个方面，失去了原先的优势，慢慢地落在了西方的后面，其差距越来越大。无可否认，中国近代的物理学不是对中国传统物理的继承，而是西方物理学东渐的产物，而且还与数学不同，不是一种转型的结果，一次西化的历程。本文不是要讨论为什么中国没有产生近代物理学的原因，因为历史是没有如果的，历史也无法假设，历史只能承认。作为一个案例，讨论一下中国闻名于世的四大发明之一指南针及其在世界的传播，对理解中国古代物理发展的特点或许是有益的。古代中国最初以天文学方法确定方向时，通常在白天以圭表测定日影和在晚上以北极星确定东西方向正位，但这种方法遇到阴晦天气、昼不见日、夜不见星时，便无能为力。古代中国以天然磁石制成了世界上最早的指向装置，即“司南”。因为在战国时期，古人就不但认识到了磁石有吸铁性，还发现其有指极性。在晋唐之间，又将司南改成磁针，并用于导航。用于导航的，早期是水罗盘，宋代出现旱罗盘，在明清时期，旱罗盘的使用更为普遍。在国外，12世纪末以前欧洲人对磁石的指极性一无所知，不可能做出磁体指向装置，这比中国落后一千多年。阿拉伯人关于磁石记载始于11世纪，到13世纪才记载磁罗盘，晚于中国三百多年。印度在这方面不比欧洲和阿拉伯早，世界其它地区也同样如此。中国指南针技术在世界上的传播，宋元时期通过海上往来传入阿拉伯，阿拉伯人学习中国制造水浮式磁罗盘并用于导航。据考证，12世纪初前后，欧洲人已掌握磁针导航，至13世纪初，磁罗盘已在欧洲较为普及，欧洲人从中国引进磁罗盘后，才能进入大洋从事海上探险，15～16世纪完成地理大发现，进而开拓殖民地和新的商品市场。朝鲜李朝初期15世纪制造的堪舆罗盘，显然是从中国引进的。日本江户时代(1603－1868)以前有关磁学和指南针的知识，均得之于从中国传来的各种书籍中。印度制成罗盘针并用于航海与阿拉伯同时(13世纪)或稍迟些。印度尼西亚的武吉斯族善航海，明代时使用中国指南针导航。［13］关于磁学的研究，在11世纪末，北宋沈括著《梦溪笔谈》，已有指南针实验和磁偏角的记录。欧洲在1600年吉尔伯特在他的著作《论磁》中对此也作出了研究。到了1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，此后短短的四个多月，经过安培等人的努力，电流的磁场以及磁场对电流的作用等理论就建立了，从此电磁学就形成了。1831年，法拉第发现电磁感应现象，电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它不只是为麦克斯韦电磁理论的建立奠定了基础，还在欧洲和全世界掀起了一阵发明浪潮，发电机、变压器、电灯、电话、电报、电力机车相继发明，诱发了第二次工业革命。1873年，麦克斯韦的划时代巨著《电磁通论》出版，建立了描述电磁场运动的麦克斯韦方程组，全面总结了电磁理论几乎所有领域的内容，预言了电磁波的存在以及电磁场的波动性和其他性质，提出了光的电磁理论。［14］经典电磁理论已经完全建立起来了。这不由人想起美国物理学会第一任会长H．A．罗兰1883年8月15日在美国科学促进会年会上讲的一段话:“假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代人以来他们(在科学上)都没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道了火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界的进步。我们现在只是将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。”［15］话虽尖刻，但足以引起我们的深思。指南针是我国最早发明的，并且传播到世界各地，然而近代电磁学理论体系的建立却与我们无缘。今天我们学习的电磁学是西方的，整个物理学是西方的，是西学东渐的产物。说到技术发明，我国古代技术发明常常是民间在师徒间相传授，在家族内相传承。托比•胡弗(TobyE．Huff)认为:“令人惊讶的是，中国人发明活字印刷术要比西方早400年，但是在最先发明这项技术的中国和阿拉伯－伊斯兰文明(它最直接地接触到了新的印刷技术)中，并没有出现像在欧洲12、13世纪所发生的社会革命和智识革命。事实上，阿拉伯－伊斯兰文明直到19世纪早期还限制印刷术的应用，而且15世纪西方更发达的新印刷技术在19世纪又传到了伊斯兰世界和中国，仿佛那里从前根本就没有出现过印刷术一样。”［16］对这一说法，各国学者尽管有不同的意见，但却值得我们参考。

五、结语

我国早在春秋战国之际，已出现《考工记》、《墨经》这样记载有古代丰富物理知识的典籍，在明代朱载堉的《乐律全书》是世界上最早以数学方法解决等程律问题的音乐与声学的杰作。从明末开始，西方物理学逐渐向我国传播，一部分知识先觉如方以智、郑复光接受了西学，促进了中国传统物理研究的发展。到了19世纪末20世纪初，近代物理学进入了我国，中国传统科学被取代。在中西文化交流的长期发展过程中，中国传统科学中的一些成果也传到了西方，对世界文明的进程做出了贡献。但到了近代，中国的科学技术，包括物理学，我们只好向西方学习，才能发展。我国的物理学和物理教育的近代兴起和发展，是在19世纪末开始的，但真正的物理学学科的建立，物理教育的形成并在各级教育阶段中占有必要地位，则在20世纪初，而且主要是依仗于我国留学生学成归国后艰苦创立的。物理学和物理教育的发展与文化背景是不可分割的，笔者在有关我国数学和数学教育发展的两篇论文中已有详细论述，因此本文不再赘述，这是需要说明的。从我国物理学和物理教育的兴起和早期发展中，可以看出，科学的发展，如果没有必要的体制和机制作为保障，没有必要的条件提供支持，是很难孤立地发展起来的。由于物理学和物理教育近代兴起和发展的复杂背景和艰难历程，时至今日，我们对科学、对物理学、对物理教育的理解与西方是有差异的，而且是有差距的，加上科学的传统、文化的传统的差别，这一切，对今天的物理学和物理教育的发展仍然在产生着影响。我们要正视历史，我们要尊重历史，承认历史，我们更要向前看，要推进历史的发展。

作者：蔡铁权何丹贤工作单位：浙江师范大学课程与教学研究所