英國皇家研究所的遺產

編譯 方陵生

過去200多年里，英國皇家研究所一直走在科學傳播和科學創新的前沿。

英國皇家研究所是一個總部設在倫敦的科學組織，從電化學、分子生物學到燈塔設計等各個領域，都留下了它的印跡。過去200多年里，英國皇家研究所一直走在科學傳播和科學創新的前沿。

在倫敦市中心梅菲爾區的中央，屹立在一排科林斯式圓柱后的一棟大樓是英國皇家研究所（The Royal Institution of Great Britain）的所在地（見圖1），這棟大樓見證了一個成立于18世紀的科學機構延續至今的輝煌歷史。自兩個多世紀前建立以來，從皇家研究所這個機構流出的科學知識對世界各地的社會和文化發展都產生了極其重要的影響。70年來，它擁有英國最好的實驗室，其實驗室也是歐洲最好的實驗室之一。從這個實驗室里誕生的物理學和化學方面的科學發現，從根本上改變了我們對世界的看法。

1799年3月7日，從1778年起任倫敦皇家學會主席長達42年的約瑟夫·班克斯（Joseph Banks，1743—1820年）在倫敦家中舉行的一次會議上，英國皇家研究所正式成立。由土地所有者、貴族、政客、商人、軍官和科學家組成的一群人聚集在班克斯家中，為了他們所宣稱的一個共同目標：創建一個以“傳播科學知識、對有用機械發明和革新進行推介、通過哲學講座和科學實驗課程傳授知識”為己任，將科學應用于人類生活的公共研究機構。

圖1 托馬斯·謝潑德（Thomas H. Shepherd）的水彩畫：1838年建成的英國皇家研究所大樓正面圖

英國皇家研究所是在英國繼工業化發展進程之后，以及英法戰爭已進行到第6年的背景下建立起來的，這場戰爭還將持續16年，戰爭限制了英國進入歐洲大陸市場的機會，因此不得不依靠自己的資源求得發展。

為幫助解決這個問題，班克斯和其他一些人的設想是皇家研究所可通過各類講座，向有錢人和貴族聽眾傳播科學和技術知識。人們希望，這些聽眾在離開講堂之后，能夠繼續將這些知識應用于實際用途，例如，用于農業改良、工業化和鞏固大英帝國政權中。

在班克斯家中舉行的首次會議上，58位紳士提出每人付出50個基尼（英國舊時金幣名稱）成為這個新成立機構的所有者，這是一筆相當可觀的款項，相當于聘請一位名廚提供一年服務的費用，只有真正富有的人才能成為這個機構的所有者。此外，還有一些講座的年度訂閱用戶，他們需要支付的費用明顯要少得多，但他們不能獲得管理該機構的權限。很快又有了一些女性加入，但由此導致皇家研究所之外的一些人以此作為抨擊其不是一個嚴肅組織的證據。

皇家研究所成立之后要做的第一件事就是要有一棟機構辦公用的建筑物。到1799年夏天為止，皇家研究所已經為阿爾伯馬爾街21號支付了4 850英鎊的租金。18世紀時，這棟建筑一直是一位紳士的市內宅邸，所以它必須經過改造，增加演講廳、實驗室、圖書館、展示區和辦公室。著名的半圓形演講廳可容納上千人，建于建筑的北端，并于1801年開始正式啟用。

皇家研究所的第一批教授：加內特、楊和戴維

1800年3月11日，在這之前不久被任命為皇家研究所化學教授的托馬斯·加內特（Thomas Garnett，1766—1802年）在一個臨時房間里開辦了首次講座。加內特以一名巡回演講者的身份一舉成名，之前他在格拉斯哥的安德森學院任化學教授，后調到了皇家研究所。

加內特長期的演講經驗使得他與皇家研究所的管理層難免發生沖突，這個管理層是由研究所所有者自行選舉產生的委員會，他們認為，在公開演講之前，加內特應該征得他們的同意，但加內特不認同他們的說法。似乎早在1801年1月，就有人開始采取行動迫使他離開。幾個月后的春季，漢弗萊·戴維（Humphry Davy，1778—1829年）被任命為新的助理演講人；在加內特因工資糾紛辭職后，戴維成為新的化學教授。不久之后，托馬斯·楊（Thomas Young，1773—1829年）被任命為自然哲學教授。在他制定的皇家機構講座教學大綱中，楊首次公開了他在光干涉方面的發現。然而，即使是由自己來講述他的發現，他也是一個不成功的演講者，沒有激勵聽眾的魅力，因此在這個位置上他并沒有待多久。

戴維的情況卻和他不一樣。戴維出生在英國遙遠的西部地區彭贊斯，曾是一名藥劑師的學徒，一位自耕農的兒子。1798年10月，在贊助者的幫助下，戴維成為布里斯托爾一家醫療氣動技術研究所的負責人。在布里斯托爾的這段時間里，戴維發現一氧化二氮具有顯著的生理特性，這導致了它被普遍稱為笑氣。在詹姆斯·吉爾雷（James Gillray）的一幅著名漫畫中，笑氣的效果得到了精彩的描述，畫中描述加內特給皇家機構的財務主管約翰·希斯利（John Hippisley）試用這種氣體，盡管結果有些令人遺憾，但一旁稍微帶點惡魔般微笑的戴維則手持一對風箱，隨時準備采取下一步行動（見圖2）。

在某種程度上，戴維顛覆了英國皇家研究所成立時的初衷。最引人注目的是他把科學研究作為其主要特征之一，而不是其創始人一開始所設想的那些任務。在英國皇家研究所里，戴維進行了廣泛的電化學研究，并提出了最早的電化學反應理論。在這個過程中，他發現了一些化學元素，包括鈉和鉀。他在歐洲各地游歷，收集各類礦物，觀摩盡可能多的火山，形成了他之前未能完善的地球化學作用理論。

但戴維也確實在繼續實施皇家研究所最初的一些功利性的計劃，盡管是以他自己的方式。例如，他在1810年成功發明了一種可在煤礦中使用的金屬絲網安全燈。遺憾的是，他試圖通過電化學方法保護船舶鍍銅底部，卻并不怎么成功。

圖2吉爾雷發表于1802年的一幅漫畫，描繪了皇家研究所的實驗講座和科學研究的一個場景

盡管他在實際應用方面有所發明，但戴維在他的講座中卻并沒有過多地談及這些實用性質的主題。他發現，來參加皇家研究所講座的聽眾們想要的是能夠帶來震撼效果的演講，最好是有爆炸性效果的演講，而不管這些研究在本質上是否具有實用性。從1801年到1812年（他與一位富有的寡婦結婚，結婚導致他在33歲時退出演講事業），戴維成了倫敦最受歡迎的科學講座演講者。因此，如果像對待加內特那樣對待他，是不符合皇家研究所的利益的。此外，被戴維講座吸引而來的觀眾中超過一半的人都為女性。女性聽眾中包括了簡·馬塞特（Jane Marcet），她于1806年出版的廣受歡迎的《化學對話》（Conversations on Chemistry）一書的素材就來自于戴維講座的內容。

法拉第時代的皇家研究所

馬塞特的書的讀者之一是邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791—1867年），一個學徒裝訂工，鐵匠的兒子。與他的父母一樣，法拉第也是桑門尼教會的一員，屬于基督教的一個小教派，是他一生所信奉的宗教。作為一名非英國國教的教徒，他不能參加兩所英國著名大學中的任何一所，因為牛津大學和劍橋大學的學生都被要求在英國國教39篇宗教文章上簽名。

于是，沒有機會進入英國著名大學的法拉第在倫敦當了7年學徒。1812年在他的學徒生涯結束時，他讀了馬塞特的書，參加了倫敦哲學學會的科學講座，顯然這時候他已決定要成為一名化學家。幸運的是，他獲得了參加戴維最后4次講座的門票，他拿著整潔而詳盡的筆記來找戴維，要求在他這里得到一份工作（見圖3）。

1813年3月，法拉第被任命為皇家研究所實驗室助理，并在那里度過了余生。他通過一步步的升遷，于1821年成為一名主管，并于1825年任實驗室主任。1833年，一位偏心的慈善家約翰·富勒（John Fuller）還專門為他創立了一個富勒化學教授職位。

在英國皇家研究所，法拉第延續了戴維提出的“研究、演講以及為國家及其機構提供建議”的三重議程。在丹麥學者漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian Oersted）于1820年發現電磁之后，法拉第把注意力轉向了這一研究方向。第二年法拉第發現了電磁旋轉現象——電動機背后的原理。10年后的1831年8月，法拉第發現了電磁感應現象，并制造出了第一臺變壓器和第一臺發電機，通過線圈的磁鐵運動產生電流。這兩種設備的原型機及其他上千件物品，都一起陳列在皇家研究所的法拉第博物館里。這些發現和發明的影響力一直延續至今，不管使用什么主要的能源，所有發電站的基本發電原理都基于法拉第于1831年在他的地下實驗室中的發現。

隨后，法拉第將注意力轉向了電化學，并在1833年提出了電解定律。他和幾位學者一起制定了電化學的命名法，包括電極、陽極、陰極和離子等術語。1836年，法拉第建造了一個覆蓋著金屬絲的約3.7米高的立方體籠子，皇家研究所的演講廳足夠大，可以提供放下這個籠子所需要的空間。他在這個籠子里的實驗結果證明：電是一種力，而不是當時人們所認為的那樣，電是一種無法控制的流體。

圖3 手拿一塊磁鐵的法拉第（右），在戴維1812年的講座上記下了工整的筆記（左）

1845年，法拉第發現光會受到磁性的影響，所有物質（不僅僅是鐵）都具有磁性。這些實驗發現讓法拉第形成了他的電磁場理論，為電氣通信奠定了理論基礎。比法拉第年輕一些的同時代人——威廉·湯姆森（William Thomson，即后來的開爾文勛爵）和詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾（James Clerk Maxwell）——之后用數學方法對這一理論進行了論述，這一理論至今仍然是經典物理學的基石之一。

法拉第還向英國政府提供了廣泛的建議。例如，1836年他被任命為英國和威爾士航海管理局的科學顧問。現存的法拉第的信件中有17%都與燈塔有關，法拉第以顧問的身份對燈塔技術做了很大的改進；他發明的一種新的油燈也被廣泛用于建筑中，如新國會大廈和白金漢宮；他還在英格蘭東南部肯特海岸的南海角燈塔站監督完成了電燈的試驗性引進工程。

法拉第的另一項主要工作是與地質學家查爾斯·萊爾（Charles Lyell）一起在1844年對達勒姆郡的哈斯韋爾煤礦爆炸事件進行調查，該事件導致95名男子和男孩死亡。1829年至19世紀50年代中期英法戰爭期間，他一直擔任海軍部的顧問。當時，他表示，針對俄羅斯波羅的海的海軍要塞克倫施塔特的一項襲擊計劃可能會失敗。1830年至1852年間，他在皇家軍事學院教授化學。他為國家所做的工作如此之多，以至于人們可以想象：當政府需要科學技術時，“派人去叫法拉第”的呼聲便會在威斯敏斯特（代指倫敦議會）或白廳（代指英國政府）響起。

英國皇家研究所有兩場一直持續到今天的系列講座，法拉第在創立和維持這兩場講座中起到了重要的作用。他從1825年創立的“周五之夜”系列講座已舉行了3 000次以上，這些講座涵蓋了從科學領域到非科學領域的廣泛內容。這些講座同時也成為公告重大科學發現的舞臺，包括1839年威廉·塔爾博特（William H. F. Talbot）發明攝影術，1897年湯姆遜（J.J. Thomson）發現基本粒子等。法拉第成名的另一個系列講座是為年輕人舉辦的圣誕講座。法拉第的6次“蠟燭化學史”講座始于1848年到1849年的圣誕系列，他在1854年到1855年和1860年到1861年時再次推出這個流行的系列講座。1861年，這些講座內容被匯集成書出版，可以說是有史以來最受歡迎的科學書籍之一。自此書出版以來，英文版幾乎沒有絕版過，并已被翻譯成十多種語言，包括法語、波蘭語和日語等。圣誕系列講座是最早于1937年在BBC剛興起的電視節目中播出的科普節目，自1966年以來每年都在電視屏幕上播出，觀眾人數如今已達數百萬。

法拉第之后的皇家研究所

如果沒有機會進入皇家研究所實驗室的話，戴維或法拉第在研究、演講或提供建議方面所做出這些成就幾乎是不可能的。直到19世紀70年代，劍橋的卡文迪許實驗室和牛津的克拉倫登實驗室才得以建立起來，英國皇家研究所的實驗室在當時無可爭議地成為英國最好的實驗室，也是歐洲最好的實驗室之一。然而，在法拉第退休后，該機構研究人員的研究并沒有試圖覆蓋自然科學的其他所有領域，而是越來越多地將精力集中在某些特定的物理學或化學課題上。

圖4 1855年，法拉第在皇家研究所的一場演講

這個過程的開始可以從法拉第的繼任者約翰·廷德爾（John Tyndall，1822—1893年）的工作中看出來。在跟隨馬爾堡大學的羅伯特·邦森（Robert Bunsen）學習并于1850年獲得博士學位后，廷德爾對磁學產生了濃厚興趣，并引起了法拉第的關注。1853年，廷德爾在周五之夜講座上發表了一次非常成功的演講，在法拉第的建議下，他被任命為自然哲學教授。法拉第去世后，廷德爾接替了他的導師成為實驗室的負責人。廷德爾的科學研究包括闡述為什么天空是藍色的，他還建立了冰川理論，并對自然發生論展開抨擊等。按照今天的標準，廷德爾的研究范圍可視為相當廣泛，但以當時戴維和法拉第的標準來看，他的研究范圍還是相當集中的。

對普通公眾來說，廷德爾最引人注目的是他在推動獲取科學知識的自然主義方法上所做出的努力。他創造了“想象力的科學運用”這個詞語，并成為阿瑟·柯南·道爾（Arthur Conan Doyle）在《巴斯克維爾的獵犬》（1902年）中通過福爾摩斯之口引用的一個詞語。廷德爾發表了大量的演講，包括圣誕講座系列中的12次講座，并寫了許多關于流行科學主題的書來宣傳他的觀點。1874年，在英國科學促進會的貝爾法斯特會議上，廷德爾發表了他的觀點，他認為應該從自然主義的觀點，而不是有神論的觀點出發來對世界加以研究。

廷德爾于1887年退休，接替他位置的是詹姆斯·杜瓦爾（James Dewar，1842—1923年）。杜瓦爾于1877年12月成為富勒教授，他的研究范圍甚至比廷德爾更為集中，因為他幾乎完全專注于低溫學。他發明了杜瓦爾燒瓶（杜瓦瓶），在內部使用后流傳到外界被用做暖水瓶。杜瓦爾于1898年實現了達到足以液化氫氣的低溫目標，在這個過程中，他在皇家研究所的地下實驗室里建造了一些大規模設備，特別是水泵（見圖5）。

圖5 皇家研究所地下實驗室中杜瓦爾的低溫裝置

到19世紀末，科學的實踐正在發生變化。科學研究開始從在某個實驗室里工作的科學家個體（或者再加上一位助手）轉變成為通常以實驗室負責人為首，帶領大量博士后助手和博士生的研究團體。皇家研究所隨后的發展反映了這些廣泛性的變化。19世紀90年代，皇家研究所的科學研究得到了極大的推動，當時工業化學家路德維希·蒙德（Ludwig Mond）捐贈了一個戴維-法拉第研究實驗室（DFRL），威爾士親王（未來的愛德華七世）于1896年開啟了這個實驗室。

20世紀的皇家研究所

皇家研究所在建立的最初幾年里具有極高的創新精神。例如，它接受女性科學家，這在當時是極為罕見的。但在第一次世界大戰期間和戰后，DFRL的發展已經停滯不前，這在很大程度上是由于年邁的杜瓦爾一直拒絕放手，他于1923年在辦公室里去世。

杜瓦爾的繼任者是諾貝爾獎獲得者威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg，1862—1942年）。布拉格曾就讀于劍橋大學，后在南澳大利亞的阿德萊德大學教授數學和物理學，他的兒子威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg，1890—1971年）在這里出生。1904年，老布拉格開始研究放射性，尤其是Y射線和X射線。在1909年，他作為利茲大學的物理學教授回到英國。1912年，他和已是卡文迪許實驗室一名研究生的兒子勞倫斯一起研究如何利用X射線衍射模型來確定晶體的結構，布拉格和勞倫斯共享了1915年的諾貝爾物理學獎。此時的勞倫斯只有25歲，是有史以來最年輕的諾貝爾科學獎得主。

在老布拉格的領導下，皇家研究所煥發出新的活力，恢復了它在科學傳播和無線電臺、電影和電視等新技術開發利用中的中心地位。老布拉格還使得DFRL成為世界上最重要的X射線晶體學實驗室。他建立了一個強大的研究團隊，其中包括約翰·伯納爾（John D.Bernal）、威廉·阿斯特伯里（William T.Astbury），他還和曾獲諾貝爾化學獎的唯一一位英國女科學家多蘿西·霍奇金（Dorothy Hodgkin）有過一段短暫的合作。布拉格團隊成員之一的凱思琳·朗斯代爾（Kathleen Lonsdale）通過X射線晶體學證明，1825年法拉第發現的苯是一個六角形的平面分子。1945年，朗斯代爾成為第一個被選為倫敦皇家學會（the Royal Society of London）成員的女性。20世紀20年代，DFRL團隊的組成結構已成為了科學研究的標準模式。

老布拉格1942年去世后，在接下來的12年里先后有三位科學家任DFRL實驗室主任，包括大腦科學家亨利·戴爾（Henry Dale）。小布拉格于1954年接管了實驗室后，機構不穩定的時期終于結束。從1938年就開始任卡文迪許實驗室主任的小布拉格與斯諾（C. P. Snow，1905—1980年）相熟，斯諾由一名物理化學家轉變為了公務員、小說家和博學專家。有證據表明，布拉格和斯諾共同創造了“兩種文化”一詞，用來表示斯諾所認為的科學家和文學知識分子之間巨大的社會和政治鴻溝。1959年，斯諾在劍橋大學舉辦的同名講座在英國引發了一場至今仍在繼續的重要的文化辯論。

在小布拉格的帶領下，皇家研究所成為開展科學、文化和社會關系討論的中心。小布拉格重新啟動了一些公共項目，介紹了學校的講座，為每年圣誕講座走上電視屏幕奠定了基礎。在周五之夜的電視直播演講中，斯諾概述了他對兩種文化辯論的“第二種看法”。在那次演講中，他改變了對科學素養的測試，包括從熱力學第二定律的知識到分子生物學的知識，這無疑是受小布拉格影響的結果。在卡文迪許實驗室，他還監管了弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆斯·沃森（James Watson）DNA雙螺旋結構的研究工作。

小布拉格也在繼續他的研究，在他的領導下，皇家研究所的研究重心重新回到了X射線晶體學，專注于蛋白質結構的研究，如血紅蛋白和肌紅蛋白。被皇家研究所和劍橋大學聯合任命的馬克斯·佩魯茨（Max Perutz）和約翰·肯德魯（John Kendrew）于1962年共享了諾貝爾化學獎。20世紀60年代，DFRL的研究重心集中于酶的結構，由大衛·菲利普斯（David Phillips）領導的包括路易斯·約翰遜（Louise Johnson）在內的一個研究團隊第一次確定了一種叫作“溶菌酶”的酶結構。難怪戴爾后來寫道：“我們很高興地意識到，今天劍橋大學和牛津大學在分子生物學上取得的成就都源自于皇家研究所的開創性研究。”

1966年小布拉格退休后，光化學家喬治·波特（George Porter，1920—2002年）任皇家研究所和DFRL的主任（見圖6）。像小布拉格一樣，波特繼續領導皇家研究所參與兩種文化的辯論，特別是確保科學在電視上的出鏡率。例如，波特制作了一部名為《關于熱力學的無序定律》的10集電視系列片，這在今天是很難想象的。

圖6 20世紀60年代末，小布拉格（左）與波特在皇家研究所

自波特1985年退休以來，皇家研究所已經歷了5任董事的人事更替。在過去50年左右的時間里，研究機構的各種活動已經開始發生了變化，從以研究為主導轉變為強調各個年齡群體的廣泛受眾對科學活動的參與。英國皇家研究所的愿景是激勵每個人更深入地思考科學及其在我們生活中的地位。該機構數字科學傳播的發展，包括其網站www.rigb.org和YouTube等，對完成這一使命尤有助益。

皇家研究所的遺產

英國皇家研究所對科學史產生了深遠的影響，不僅因為它的實驗室產生了科學知識，還因為它的成功被紛紛效仿，最引人注目的是美國史密森尼學會的成立。詹姆斯·史密森（James Smithson，1764—1829年）是第一任諾森伯蘭公爵的兒子，皇家研究所的早期所有者之一。他把價值近51萬美元的財富遺贈用于建立史密森尼學會：“美利堅合眾國，以史密森尼學會之名在華盛頓建立一個產生和傳播知識的機構。”這一舉動顯然受到了英國皇家研究所創立宗旨的影響。

當史密森的資金于1835年抵達美國時，國會就如何實施遺囑條款進行了數年的辯論。他們甚至向法拉第咨詢史密森在皇家研究所中所起的作用。在法拉第的大力支持下，約瑟夫·亨利（Joseph Henry，1797—1878年）于1846年被任命為史密森尼學會的第一任秘書。在亨利的要求下，法拉第提供了皇家研究所的活動細節及其機構的實體布局。盡管史密森尼學會遵循的是與皇家研究所截然不同的道路——這反映了美國和英國不同的科學需求——但這兩個組織對科學知識的文化價值和實用價值有著相同的信念。

從提高煤礦安全，到為電力的實際使用奠定理論基礎，再到野餐的改進和對酶作用的了解以及對其他機構的鼓舞，皇家研究所都留下了自己的印跡。在它的歷史中，也總是充分利用最新的媒體將科學傳播給盡可能多的觀眾，在利用大規模印刷技術、電影、無線電臺、電視和網絡來傳播科學的實踐中，皇家研究所一直走在世界前列。在這樣一幢只有3 000平方米的建筑中，產生了如此多的影響一直持續至今的歷史性遺產，可以說是絕無僅有。這就是從阿爾伯馬爾街開始流出、并持續流動著的對科學的影響力。

資料來源 Physics Today

本文作者弗蘭克·詹姆斯（Frank A. J. L. James）是倫敦大學學院科學技術學系的教授，同時也是英國皇家研究所的科學史教授。他是六卷集《邁克爾·法拉第書信集》（1991—2012年）的編輯，也是《邁克爾·法拉第簡介》（2010年）一書的作者。