基于贡献均等化模型论物理学的发展及影响*

孙小军，邹方磊，单 臻，蔡慧玲，范丽萍

（广西师范大学，a.物理科学与技术学院，b.政治与公共管理学院，c.历史与文化旅游学院，广西桂林 541001）

0 引言

中国是世界文明发展最早的国家之一，14世纪前，天文学、地学、气象学、地质学，建筑工程技术、水利工程技术、道路桥梁工程技术，车辆制造术、造船术、机械工具制造术和航海术等，几乎全领域远超同时代的欧洲。[1]可是自15-16世纪，中国社会发展中的技术文明逐渐落后于西方，直到20世纪中叶中华人民共和国成立，中国急起直追，经过半个多世纪的奋斗才取得了巨大进步。[2]近现代科学起源于西方，这无疑是15世纪以来西方技术文明迅速进步的决定性条件之一。自经典力学建立起，物理学在各个年代六大基础领域(力学、电磁学、热学、光学、相对论和量子论)的发展，从方法到内容都是整个近代科学大厦的灵魂和基石。[3]然而，如何描述物理学的发展随时间的演化过程及影响，历代学者多是从定性的角度加以描述，缺乏相关的定量数据支撑。[4]

基于以上考虑，笔者提出了物理学关键理论贡献均等化模型，分别对物理学六大基础领域(力学、电磁学、热学、光学、相对论和量子论)的发展，以及对西方五个国家物理学的发展随时间的演化情况进行量化和统计分析，由此发现物理学的发展与国家综合国力的关联，进而论述物理学发展的启示。

1 贡献均等化模型

1.1 物理学关键理论进展简介及数据提取

物理学研究范围极广，大至宇宙，小至基本粒子的运动分析。[5]物理学史分为前物理学、经典物理学和现代物理学三个时期。[6]古代和近代以公元1638年为分界点，这是伽利略《新科学对话》出版的时间。[7]近代和现代则以公元1900年为分界点，这是普朗克提出量子假说的时间。笔者则以近500余年物理学六大基础领域(经典力学、电磁学、热学、光学、相对论和量子论)公认的关键理论进展为研究对象，收集了这些关键理论发展的基本信息(包括国籍、物理学家中译名、生卒年、关键理论发展简介等)，共120例。[8]若关键理论是在具体某一年份由物理学家提出或发现的，则取那一年份为统计值；若关键理论因未公开发表等原因导致年代不详的，则取该物理学家的卒年为统计值(只有7项)；若关键理论是在该物理学家连续几年或几十年间测定、发明、创立的，则统一按测定、发明、创立的最后一年为统计值(只有5项)。

1.2 贡献均等化模型

众所周知，牛顿力学定律的提出，对物理学的发展乃至整个世界科学的发展起着巨大的推动作用，但也正如牛顿曾说的：“如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。”[9]可见，前人的基础研究对牛顿经典力学体系的提出具有非常重要的地位，起着承上启下的作用。[10]以此类推，物理学的各个领域中每个关键理论的发展，都对后继的发展非常重要，正如一条长长的铁链，任意一个铁环断开，都会导致整条铁链的不完整。故笔者认为，各关键理论对整个物理学发展的贡献都可均等化，即认为每个关键理论对整个物理学发展进程都具有相同的贡献。这样，在一定时间间隔内，关键理论事件项数的多少就体现了这段时间间隔内物理学发展的进展情况。如果统计的时间段越长，也就可以了解物理学不同领域在相当长时间内的发展趋势。因此，物理学的发展进程就可通过关键理论事件的项数随时间的分布进行定量描述。

这里以公元1500-2000年期间的物理学领域共120项公认的关键理论进展的著名事件（其中力学领域有26项、热学32项、光学16项、电磁学18项、相对论8项、量子论20项）为事件项数，以Δt=50年为一统计周期，则变量可表示为ti=1500+i Δt（i=0，1，2，…，10），因变量为每个ti所对应的不同领域中关键理论的著名事件项数yi以此方法进行量化，根据得到的量化信息可给出物理学或各基础领域关键理论在不同年代发展的分布情况。然后以年份t作自变量，物理学关键理论事件项数y为因变量，利用高斯分布函数可以得到各个不同领域中关键理论发展的趋势。

高斯分布函数可表示为：

其中，ym为分布所对应的峰值，即为在ti时间段所对应关键理论发展最多的项数。t0为分布峰值所对应的时间；σ为分布宽度，可表征该领域发展比较快速及其所持续时间的长短，这两个量可通过最小二乘法拟合得到最佳值。

以经典力学领域为例，按贡献均等化模型进行量化，可得到经典力学领域中关键理论发展的分布图，很明显可以得到ym=10，如图1中的直方图所示。再利用上述高斯分布函数即方程(1)，运用最小二乘法拟合方法得到最佳分布对应的峰值位置t0=1694和表征分布宽度的σ=86.2，进而得到经典力学领域中各关键理论贡献随时间的发展趋势，如图1中曲线所示。值得注意的是，σ的值要约小于半高ym2所对应的分布宽度值。[12]

图1 经典力学关键理论在不同年代发展的分布及趋势图

以相同的方法，可得到其他领域(热学、电磁学、光学、相对论、量子论)的分布所对应的峰值ym，峰值位置t0和分布宽度σ，见表1。根据表1的数据及方程(1)，即可得到物理学不同领域的发展趋势，如图2所示。

表1 物理学不同领域关键理论发展趋势参数

从图2中可以看到，物理学各基础领域关键理论随时间的发展趋势大致呈现高斯分布的形式。其中，热学、电磁学、相对论和量子论发展趋势与经典力学的发展趋势基本相同，只是发展的巅峰时期与巅峰所持续的时间段有所不同。虽然相对论也呈现出较好的高斯分布形状，但其峰值及宽度都明显地较其他领域要偏小得多，这是由该基础领域的特色所决定的。

图2 物理学各基础领域关键理论在不同年代的发展趋势图

此外，在光学领域，其关键理论贡献的发展趋势呈现三个峰，究其原因是光学从远古到16世纪的萌芽时期，都凭着观察等手段做简单的光学现象记录，并用来解释所观察的现象。[13]从16世纪中期至18世纪初的几何光学等的进展给光学的发展带来了重大的转机，建立了光的直线传播、折射、反射定律，提出了费马原理、光程、光的强度、颜色等概念和观察复杂的光学现象，从而建立、巩固和发展了牛顿的粒子理论。与此同时，波动理论开始萌芽。从19世纪初至19世纪末，则相继建立了波动理论，光的干涉、衍射和光极化现象等得到了合理的解释；迈克尔逊干涉仪的发展，否决了“以太”的存在，提出并验证光的本质是一种电磁波。从19世纪末到20世纪初，相继发现经典电磁理论的缺陷，以光电效应及光的波粒二象性为代表，发展并建立了新的光的粒子理论，即光的量子理论。[16]

2 物理学的发展与国家综合国力的关联

2.1 物理学的发展与西方各国综合国力的关联

考察西方科技史，从文艺复兴到第二次世界大战期间，以五个典型的发达国家(意大利、英国、德国、法国、美国等)的物理学发展为研究对象进行量化处理，以及方程(1)和最小二乘法拟合方法，得到其物理学关键理论在不同年代贡献的发展趋势(图3)以及表征各国物理学发展趋势的参数(表2)。

表2 不同国家的物理学关键理论发展趋势参数

欧洲的文艺复兴于14世纪最早在意大利兴起，随之扩展至西欧各国，并于16世纪达到高峰。作为揭开近现代欧洲历史序幕的重要事件之一，这场思想文化运动也成为第一次工业革命一个不可忽视的推动力。[17]英国、法国、德国和美国处于物理学关键理论的发展事例最多的时期(即图3中的峰值附近)，分别对应了第一次工业革命、第二次工业革命、第一次世界大战、第二次世界大战等世界史大事件的时间。从文艺复兴至今，每一次科技革命带给这些国家的影响是无法估量的。它促使这些国家的生产力得到提高，从而巩固其经济实力和国家地位，甚至确保这些国家在近现代世界历史整体发展进程中的主导地位。

图3 不同国家物理学关键理论在不同年代贡献的发展趋势图

对公元1500-2000年间物理学关键理论发展的物理学家国籍进行了统计，如图4所示。从图4中可见，关键理论贡献最多的物理学家国籍主要有英 国 (占 24.62%)、法 国 (占 16.15%)、德 国 (占15.38%)、美国(占 10%)和意大利(占 6.92%)。于是可以认为，英国、法国、德国和美国是公元1500－2000年间对物理学发展贡献最大的4个国家。到19世纪60年代，英国、法国、美国已成为世界上公认的强国，而德国在19世纪70年代初由普鲁士公国完成国家的统一后也快速成为世界强国。由此可见，一个国家的综合国力，体现着这个国家的科学技术的水平，而物理学关键理论的发展是科学技术水平的一个重要体现。一个国家的兴盛与物理学的欣欣向荣有着密切的关联。

图4 公元1500-2000年间物理学关键理论发展的物理学家国籍的分布示意图

17－18世纪，英国、法国、美国率先完成了资产阶级革命，从而为资本主义经济的发展和本国物理学的发展提供了政治条件。在德国尚未统一之前，普鲁士公国是神圣罗马帝国最重要的邦国，由于倡导教育、崇尚科学和发展经济，他也因此成为当时的欧洲列强之一。[18]20世纪初，发达国家已确立资本主义制度，向工业化过渡。从文艺复兴起，资本主义国家为发展资本主义经济，注重奖掖科学研究，致使科研人才辈出，也奠定了未来科学革命的基础。科技的发展与社会的进步相辅相成。社会对科学技术的需求使人的潜能有机会被激发，人的价值有可能得到实现。特别是科研人员和学者受到了世人的尊重和敬仰，他们因此更加坚定信念、勇敢探索未知。

16-21世纪，西方世界迅速崛起，发达国家国民的科学素养对社会与经济的促进作用越来越明显。[19-20]因此，世界各国对科学素养教育都保持着高度的重视。然而，由于各国在经济发展水平、经济形态、社会体制等方面存在着差异，各国在经济素养教育方面所采取的措施也各具特色。特别是英、法、德、美等西方国家之后又进入了所谓的工业化时代，产业结构先进，生产技术得到迅速发展。由此可见，当完善的市场化经济体制成了技术变革的保证时，科学技术自然是日新月异。

从历史起源上看，近代物理学诞生于西方文化，特别是物理文化的语言和符号都是在西方文化中形成的。西方文化秉持理性实用的原则，这恰好是物理学中逻辑推导或实验探索需要的精神特质。美国、英国、法国和德国分别作为英美法系和大陆法系的代表性国家，以本国国情和文化发展状况为依托，制定了完善的法律法规维护本国的文化安全。国家文化安全立法的主要内容侧重于调节民族、宗教(文化)矛盾的立法，维护社会公德和个人文化权利的立法。由此发达国家的文化为其科技革命的进步打下了基础。

2.2 物理学的发展与中国国力的关联

综合图3、图4，足以看出这几个世纪间西方发达国家近代科学发展的恢弘气势，也反衬出中国近代物理学荒芜的景象。下面同样从政治、经济和文化三个方面来剖析中国同时期的物理学理论发展停滞不前的原因。[18]

明清以降，中国社会进入封建社会晚期，不断强化的封建君主专制制度采取锁国政策，这在很大程度上禁锢了人们的思想，阻塞了中国与西方国家间的科技交流，其结果是中国自明末清初后的科学技术水平渐渐落后于西方。恶劣的政治环境使科技得不到政治的支持和帮助，其颓势加剧。科技发展一旦衰败，也意味着此时中国物理学的发展不进反退。

在18世纪中期，中国康乾盛世名副其实，其经济总值约占世界的三分之一，社会稳定使经济得到快速发展。但是，中国自然经济占主导地位，加上18世纪末统治者有意抑制资本主义萌芽，国民平均生活水平不如初级发达国家葡萄牙。农业是中国国民经济基础，当经济基础薄弱时，国民生活贫困现象陡然增加，势必降低精神层面的需求。所以中国国人只要达不到温饱线，其近代物理学就很难得到发展。

近代，西方文化蓬勃发展的同时，中国明清时期“八股取士”，僵化了国人的思想。与西方发达国家相比，中国文化大体上还反映在三个方面：一是思维属性，意指善于跳出现实思考问题，侧重于感性思维。二是利益观，意指倡导克制自我的欲望，重集体利益。三是科学观，愿意相信经验和权威，一般缺乏探索精神。所以，近现代物理学在中国的产生和发展被中国传统文化中的某些因素羁绊，以致影响着现代科学教育或技术的进步。而物理学的发展程度与当时的科技实力可见一斑。通过对比国内外的政治、经济、文化对物理学关键理论发展的影响，可以看出中国近代科技水平不及西方列国的主要原因在于明清封建制度的腐败和统治者对科学技术的漠视。

随着近代科技知识的启蒙教育和早期留学生“筚路蓝缕，以启山林”，近代物理教育逐渐在中国兴起，物理学研究机构和学术团体如雨后春笋般出现。[21]比如1920年以来，周培源、钱学森、钱伟长、林家翘等物理学家，在应用力学的众多领域卓有成就。自爱因斯坦发表广义相对论后，中国学者砥砺前行，勇攀相对论、原子和分子物理学、量子力学高峰。中国科学院近代物理研究所的成立与发展离不开物理学家吴有训、钱三强、赵忠尧、王淦昌等人勇于探索、锲而不舍的科学精神。此外，还有“中国量子力学第一人”之称的潘建伟组建了科研团队等。自此，中国在物理研究方面迎来了大发展。

中华人民共和国成立以来，短短几十年的物理学发展进程中，我们共同见证了诸多的“辉煌伟业”，比如“两弹一星”；2003年首发的神舟五号载人飞船；2016年全球首发的量子科学实验卫星“墨子号”；2019年9月正式向全球提供服务的北斗卫星导航系统，等等。

目前，为针对新兴产业的发展和已有传统工科专业的改造升级，中国综合性大学正积极推进新工科的建设。[21]中华人民共和国教育部2021年7月24日印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》的通知，对基础学科的教育进行了规范性指导。

3 物理学发展的启示

以史为鉴，可知兴替。分析中国与发达国家在政治、经济和文化三大方面对物理学发展的影响，可以明确从国家宏观角度发展物理教育，逐步实现科技强国梦：一是需要不断营造良好的政治环境；二是要加强制度的建设，推动经济高质量发展；三是要打造好教育文化新高地。

科技决定人类的未来，是第一生产力，而物理学是整个科技发展的一个重要基石。在新世纪，随着物理学的不断发展，人类将会发现那些奇妙美好的科学成果接踵而来。世界未来国家之间的竞争是科技的竞争，看谁率先在计算机、人工智能、新能源和空天技术等前沿领域形成革命性的发展格局，拥有科学技术的掌控权。所以当今的中国要想保障国家安全，实现中华民族伟大复兴的中国梦，就必须重视物理学等基础研究领域，重视科学素养的培养和科技创新，以增强科技核心竞争力、综合国力，实现人民幸福的价值理想。