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载《自然科学史研究》26卷3期


雁月飞1930年代在中国进行的重力加速度测定及其评价

吴 燕 江晓原
(上海交通大学科学史系,200030)

 

摘 要 雁月飞1930年代在中国进行的重力加速度测定,不仅是其所在的徐家汇观象台以及法国科学院在远东测量工作的一部分,同时也是国立北平研究院物理研究所的一项重要工作,是中国近代重力测量的开始。本文在集中研究其时留下的大量历史文献的基础上,对这一事件给出一个清晰的线索,并据此尝试分析该研究的意义。
关键词 雁月飞 弹性重力摆 重力加速度 徐家汇观象台
中图分类号 N09:N24

Observation of Intensity of Gravity in China by R. P. Lejay in 1930s: 
Details and Significance

WU Yan JIANG Xiaoyuan
(Department for the History & Philosophy of Science, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)

Abstract In 1930s, R. P. Lejay, a Jesuit and physicist from France, measured the intensity of gravity in China. The work was not only part of the exploration of gravity in the Far East by Observatory of Paris, but also an important research carried out by National Institute of Peiping. The work started the exploration of gravity in China. Focusing on the first-hand materials, this article details the event, and, in view of history of science and politics, shows its significance.
Key words R. P. Pierre Lejay, elastic gravimeter, gravity, Observatory of Zi Ka Wei


1 引言:前人工作综述及存在的问题

  法国耶稣会士雁月飞(R. P. Lejay)于1930年代在中国所作的重力加速度测定是徐家汇观象台在地球物理学领域完成的一项重要工作,它不仅是当时包括法国科学院在内的世界科学界在这一领域工作的一部分,事实上也成为近代中国科学史上的一次重要事件。其中雁月飞与北平研究院物理研究所合作而于1933年完成的对中国华北的重力加速度测定被认为"是中国近代重力测量的开始"[1]。
  虽然意义重大,但从笔者找到的相关研究文献来看,这一工作并未得到深入的研究。在现已找到的研究文献中,对此表述得最为充分的是《上海气象志》中的有关章节。该书在“徐家汇观象台”一编中以专门的段落提到了这次测量工作,即:“民国22~23年(1933~1934年)间,雁月飞以徐家汇为基点,与北平研究院合作,用颠倒摆测定东北、华北、华东和华南等208个重力点,开始重力记录,使之成为世界上重要的重力网点之一。”[2]另外,在该书中以大事记的形式约略记录了此次测量工作的简要过程。([2],27~28)
  另一份比较重要的研究文献来自方俊于1965年出版的《重力测量与地球形状学》。对于这次测量本身,该书的表述十分简单[3],但以较大篇幅对此次测量所使用的弹性摆进行了深入的研究介绍([3],84~92页)。
  许厚泽等在“中国重力测量与研究的进展”一文中对此次测量活动的表述如下:"1933年,法国科学院院士Pierre Lejay与北平研究院物理研究所合作,应用Holweck-Lejay倒摆型相对重力仪,以上海徐家汇天文台为原点,在中国交通较方便的地点进行测量,共测208个测点。"[4]上述论文作者之一王谦身在合作编著的《重力学》一书中对测量的表述与此大抵相仿。 [5]
  而在以徐家汇观象台为主要研究对象的论文“徐家汇天文台的建立和发展(1872—1950)”中对此次测量一笔带过:“徐家汇天文台与北平研究院合作测定东北、华北、华东和华南等208个重力点,并以徐台为基点。”[6]
  除上述几种文献外,另有三种文献均对此次测量活动有所提及,但其侧重点均在此次测量的合作方——国立北平研究院(以下简称“平研院”)。
  例如胡升华的论文“北平研究院物理研究所工作述评(1929~1949)”中这样写道:"与上海徐家汇天文台法国传教士雁月飞(P. Lejay)合作,用雁月飞自己设计的小巧的雁氏摆,测定了旧中国18个省各重要城市的重力加速度,计220余处,初步完成全国重力图,并开始尝试物理探矿方面的工作,参加这些工作的有朱广才、鲁若愚、翁文波和张鸿吉等人。"[7]
  而在《北京志·科学卷·科学技术志》中,此事是作为北京在重力测量领域的成就而出现的,且仅提到了1933年对华北的测量。([1],782)
  杨舰"丁燮林关于‘新摆’和‘重力秤’的研究"一文中采用了雁月飞、鲁若愚1933年测量报告《华北重力加速度之测量》中的"华北重力加速度布氏等差图",但对于雁、鲁二人的测量工作本身并未更多言及。[8]
  综合以上研究可以看到,关于1930年代在中国进行的这次重力加速度测定工作的已有研究存在以下问题:1,不仅对事件线索的描述较为简单,而且由于所研究的事件主体不同,因此在时间、测点、仪器等方面表述模糊,有较大出入,而上述研究中多数并未给出其所依据的原始文献,笔者亦无从查考所说何来;2,在研究侧重点上,主要集中于将此次测量工作作为“中国重力测量工作”的一部分,而对此次测量在法国乃至国际科学界的意义并未给予充分关注;3,在参与者的身分上存在“时间差”:雁月飞正是由于在中国所作的几次重力测量成绩显著,而于1935年1月29日被选为法国科学院通讯院士。1933~1934年间当他从事此项工作时,并不如上述文献所言是"法国科学院院士",他在此时的身分是徐家汇观象台总台长和中华民国国立北平研究院特约研究员。
有鉴于此,笔者认为有必要对这一科学史上的重要事件加以梳理和分析。本文将以雁月飞、鲁若愚等人在这一期间所发表的论文为中心,对1930年代在中国进行的这次大规模重力测定给出一个清晰的脉络,并在此基础上尝试揭示其在科学和社会历史等诸方面的重要意义。


2 雁月飞与荷-雁弹性摆

  勒耶(R. P. Pierre Lejay,华名雁月飞,1898~1958,图1)1898年6月11日出生于法国东南港口城市土伦附近小镇Tamaris sur Mer (Commune de la Seyne)的一个水手家庭,这种家庭背景对他产生了深刻的影响,特别是传教士们远途跋涉,奔波于世界各地的经历,既开阔了他的视野,更影响了他日后的生活选择。


图1. 雁月飞(R. P. Pierre Lejay,1898~1958)。引自文献[9],2页

  1814年,耶稣会在被取缔41年后由教皇重新批准恢复其组织与活动,因此在雁月飞生活的年代也正是耶稣会海外传教事业蓬勃发展的时期。正是在这样的影响下,雁月飞同时接受了神学和科学教育,并于1926年获得数学科学博士学位,同年成为天主教神父。1922年至1926年,雁月飞曾在法国巴黎天文台授时部(Service Méridien et du Service de l'Heure à l'Observatoire de Paris)工作。1926年,他被选中负责组织徐家汇观象台经度测量,遂于当年来华进入上海徐家汇观象台。1930年,雁月飞被任命为徐家汇观象台台长,接替他的前任蔡尚质神父(R. P. Stanislas Chevalier)。“在这个主要研究地球物理,特别是气象学(台风预报)的职位上,他充分展示了其作为组织者、实现者和物理学家的才华”。雁月飞一生所从事的科学工作有二:电学与电离层研究,此其一;大地测量学和重力学,此其二。[9]其中,“大地测量学和重力学”领域的工作除1926年和1933年两次组织作为国际经度联测之重要基点徐家汇的经度测量之外,另一项重要的工作便是1930年代在包括中国在内的远东地区进行的重力加速度测定。
  1930年代,中国科学界也已认识到这一测量的重要性,而国立北平研究院亦有计划测定中国领土之重力加速度。但是测量工作面临着很多现实的难题,这主要体现在观测条件和观测手段上:中国领土辽阔,因此工程巨大,一些省份的交通尚不发达,但最主要的困难还是来自测量仪器上,当时大多数的测量仪器都非常笨重,且拆装不便,因此每完成一次测量所需要的时间都相当漫长。“至少在一个世纪之前人们无法想象这项工作何以完成”[10],但是荷-雁42号摆(le gravimètre Holweck-Lejay No42)很好地解决了这些问题,从而使得在中国进行大规模重力测定成为可能。
  1959年,有人曾撰文回忆其第一次见到雁月飞的情景,而这次会见与荷-雁弹性摆相关:“1936年,在爱丁堡举行的第六次国际大地测量与地球物理学联合会全体会议上,我第一次见到雁月飞神父。我清楚地记得他反复示范如何用荷-雁倒摆快速测定重力加速度。”[11]
  对荷-雁42号重力摆的研制开始于1920年代。在当时,由于大规模重力测定的需要,研制改进便携式重力计的工作已在开展,而倒摆的设计思想已然出现,但是正如雁月飞生平传记作者P. Tardi 所言,“对于物理学家来说一个存在的想法是不够的,它一定是好的也是不够的,必须有一个实践者将想法付诸实现”。正是在这一背景下,在雁月飞与另一位颇具才华的物理学家Fernand Holweck之间建立了一种卓有成效的合作,这种合作一直持续到1943年因Holweck的去世才不得不结束。([9],3页)
  1930年6月11日,在法国科学院的会议上报告了荷、雁二人所研制的重力计,即荷-雁弹性摆[12];1931年4月27日的法国科学院的会议上,再度报告了对弹性摆的两项改进[13];1931年12月21日,仍旧是在法国科学院的会议上,在大地测量组报告了弹性摆的一个新的模型。[14]在随后的1932和1933年,该摆在结构上得到显著改善,无论是其精度之高还是其体积、重量之小,抑或是该仪器的安装与观测之简便都达到相当高的程度,甚至它的研制者也表示,“很难想像将来人们还能完成比它使用更方便的装置了”。[15]

图2. 荷-雁弹性摆示意图。引自文献[13],1117页

  综合上述文献可对荷-雁弹性摆有一了解。如前所述,荷-雁弹性摆(图2)是一个倒摆(pendule élastique inversé),这是其与当时已出现的重力计不同的最显著特征,它最核心的部分由弹性薄片K、摆杆A以及由摆杆支撑的质块组成。摆杆由一个直径4mm、长6cm的石英棒制成,上端呈锥形,锥体上有一直径10微米、长1cm的石英丝L,它是观测用指针。为了降低温度变化可能产生的影响,摆杆由膨胀系数很小的石英制成,而弹性薄片选用的是镍铬恒弹性钢(élinvar),该材料弹性系数随温度变化不大。为了固定方便,弹性薄片是由一整块镍铬恒弹性钢切削而成,它的上部和下部为圆柱体形状,以分别固定在石英摆杆和支架上,而中间部分从两侧剜成弧形薄片,其厚度约为十分之一毫米级。薄片的下部被牢牢固定在一个金属的底座上,底座上有两个隔热屏分立薄片两侧,以保障良好的热平衡;石英被铂质薄层覆盖,一个法拉第筒(cage de Faraday)将摆整个罩住,以避免石英摆杆运动时产生静电。经过改进的装置以一个自由摆代替时计,从而省出了每次测量前重新安装时计的时间;而观测记录则由一个闪频观测仪来完成。全套装置包括两个支架,两个光电管,两个放大器,记录装置和电池组,四个可互换的摆,装在两个十分便利的小手提箱里,总重量还不到40千克。在每一测点的安装仅需要几分钟;它可以置放于任何天然稳固的位置上,而不再需要另外准备仪座;观测可以十分钟完成。因此在每地的全部观测时间加起来,15分钟即可完成。另外,该摆在材料选择和结构设计上的特点使得观测后的计算也变得简单:由于镍铬恒弹性钢薄片的变形的温度校正相当小;摆是在真空中振动,则不存在压力校正。([10],1页)该摆研制成之后在法国境内进行多次校准;而在后来的测量活动中,该摆数据也一再进行比较,而性质保持恒定。
  对于该摆所依据的原理,简述如下:弹性薄片由于重力引起的弯曲力矩与其所受到的弹性力矩相抵,形成力矩的平衡,从而可以计算出重力值。
  测定重力加速度所依据的方法可以由重力的基本原理严格推导出来,周期的公式为[16]:

 


(1)
  这里,I表示摆绕转动轴的转动惯量, m表示质量,l表示其重心到转轴的长,C是一个常数,该值仅与弹性摆本身的结构与大小有关。由公式(1)可得到

(2)

这里 是两个常数。当已知两个测点的“g”值g1和g2,并且测定了摆的相应周期T1和T2,即可计算出系数g0和k,即:


  上述方程在多个基点进行了校验。在1930年代对包括中国在内的远东地区进行重力加速度测定时,用以确定常量 的基点是([10],3页):
巴黎(Paris):g=980,941 Tc=6s,3471
徐家汇(Zi-ka-wei):g=979,436 Tc=5s,6436
新加坡(Singapore):g=978,085 Tc=5s,1780
(Tc系经过温度修正和百年修正的校准的摆的周期)
将数值代入上述方程得到
则方程(2)可以写作:


3 测量过程及结果分析

  重力测量有绝对测量与相对测量两种,而从上述关于摆的工作原理的描述可以看到,荷-雁弹性摆是一个相对测量仪器,即它所测定的重力加速度值是测点与重力基准点的重力差值。
  1933年2月15日,雁月飞自法国马赛出发赴远东进行重力加速度测量。途中完成19个测点的测定,其中包括印度支那的9个基点(Base)和在中国华南的六个基站的测定。中国的六个基站包括:香港(观象台,海拔33米,1933年3月23日)、广州(岭南大学,海拔13米,1933年3月25日)、广州(天文台,海拔23±5米,1933年3月25日)、澳门(海拔22±10米,1933年3月27日)、徐家汇(海拔7米,1933年4月4日)、佘山(天文台,海拔95米,1933年4月15日)。([16],29页,53页)
  1933年5月7日到7月26日进行的对中国华北的重力加速度测定,是雁月飞在中国进行的第一次大规模的重力加速度测定。该项目由雁月飞与时任平研院物理研究所助理员的鲁若愚共同完成。
  此次测量所覆盖的区域达10万平方公里,测点大部分集中于河北和山西两省,还有少部分测点位于察哈尔(即今河北、山西部分地区,就此次测量而言,地处察哈尔省的测点仅南口、张家口两处)、山东和河南三省,以北平为华北之基点,而太原为次基点(山西之基点)。各测点之间的距离平均约为100千米。
  测量结果及数据分析在1933~1934年间相继以多种版本刊布,目前笔者找到的版本包括:①华北重力加速度之测定([10])、②Observations d'intensité de la pesanteur dans le Nord-Est de la Chine [17]、③Caractères généraux de l'intensité de la pesanteur dans le Nord-Est de la Chine[18];④华北东部重力加速度之测定[19];⑤华北重力加速度之测量[20];⑥华北东部重力加速度之测量[21]。①②③系以法文发表,④⑤⑥系以中文发表,其中文献②③分别于1934年2月26日和3月19日在法国科学院宣读。几种文献在详略上有所不同,但它们最核心的内容是一个包含有实测数据与归算值的数据表格和“华北东部重力加速度布氏等较差曲线图”。
  出于下文对测量活动之意义的讨论需要,这里有必要对表格中列出的一些数据以及相应的地球物理意义作一简单介绍。如前所述,在各测点测得周期值代入公式 即可得到各测点的重力加速度的观测值,经过高度改正①、布格(Bouguer)校正②后与用正常重力公式——赫尔默特(R. Helmert)公式③以及国际正常重力公式④——算得的该测点重力加速度值相比较,即可计算出重力异常值。
  假设地球是一个密度均匀且光滑的理想椭球体,或是一个密度成层分布的光滑椭球体,在同一层内密度是均匀的、各层的界面也都是共焦旋转椭球面,则球面上各点的重力值可以根据地球的引力参数、地球长半径、扁度、自转角速度等计算得出,由此计算出的重力位及重力值称为正常重力值。⑤但是人们早已知道,地球并不是这样一个理想椭球体,它的地表高低不平、沟壑纵横,而内部结构也不尽相同,因此研究重力异常有助于了解地质构造。例如布格重力异常值即为地下剩余物质(或称异常质量)分布所引起的重力值,而这些异常质量的分布往往与地质构造、岩矿的赋存等有关。⑥
  以1933年对华北东部的测量为例,根据此次测量后所绘制的重力异常图可以看到:
  ……此次测量区域内重力加速度较差之次第减小,与地势高下无关,缘无论在河北平原或在山西山地,较差之减小,几成一致也。此种次第减小,亦不由于表面地层密度估计之或有谬误,盖即假定山地之密度为零,仍有负较差也。推其原因,中国北部陆地下之深处必有密度异常弱小之地层,其作用所及,愈远海岸,愈益显著。此种绵延之影响,可以三假说释之:或陆地下深入地层之密度,自河北至山西而递减;或陆地下深度有密度特别弱少之地层,其厚度自河北至山西而递增;否则,或系弱小密度之地层,在陆地下极大之深度,惟此又难免与普通见解有所出入。最后之定论,尚有待于陕西,河南,山东等省测量完成后之取决。([19],6页)
  在1933年春夏时节完成对华北东部测量之后,在随后的两年中,雁月飞又相继赴中国东南沿海、中部以及西南等地进行了测量。
  在雁月飞等人在华从事重力加速度测定的1930年代,中国正值战乱。以1935年三四月间在西南进行的测量为例,在当时,“车辆尽数征为军用。同人抵省之先,报纸即已刊布,各方皆能重视,但二十日整日往返交涉,不能得一汽车;且当此军事倥偬之际,当局亦难负保护之责”。而“云南公路不甚发达,向西只有通大理一路,且系新筑,尚未完全成功。二十二日侵晨,乃携干粮药品等,沿此路出发,因未有既定终点也”。“路上桥梁,以及沟洞悉系用数根圆木搭成,上盖泥土。经雨打风吹之后,泥土大半脱落,木亦腐蚀,汽车不能通过。因其上尚留泥土,远望不显,故车行不能快速,须时时留意前方是否可以通行。计修路搭桥多次,方达楚雄,为时已下午四时矣”。在楚雄的测量结束后,由于该地不便住宿,故而需连夜返回,“月夜中汽车曾倾侧一次,机件损坏二次,遇狼一次,觅水一次。抵昆明时汽油已尽,乃自城外乘人力车进城,抵寓时已翌晨九时余矣”。[22] 
  从雁月飞于1936年提交给法国国家大地测量学与地球物理学委员会(Comité national fran?ais de Géodésie et Géophysique)的报告可以看到,雁月飞于1930年代在中国进行的重力加速度测定事实上是其远东重力研究的一部分。从1933年2月15日自马赛出发,至1935年7月18日返回巴黎,在近两年半的时间里,雁月飞在远东的323个测点完成了重力加速度测定,其中173个测点在中国。这173个测点及测定时间分布如下: 
  从马赛至上海途中19个测点,其中6个在中国,1933年3月23日至4月15日;
  华北33个测点,1933年5月7日至7月26日;
  长江下游2个测点,1933年7月27日和29日;
  中国南部沿海44个测点,1934年5月7日至7月6日;
  中国中部的67个测点,1934年11月4日至1935年2月10日;
  中国西南21个测点,1935年3月28日至4月25日。([16],5~6页,53页)
  与该报告一同发布的还包括三份曲线图:“爪哇布格等较差曲线图”(JAVA Isanomales de Bouguer)、“中国布格等较差曲线图”(CHINE Isanomales de Bouguer,图3)以及“远东重力研究”(Exploration gravimétrique de L'EXTREME ORIENT)。图中所反映的是经过布格校正后的重力值与由国际正常重力公式所算得的正常值相较得出的重力异常值。
  在上述测量活动中,平研院物理研究所也派出张鸿吉等人参与测量工作,相关论文则发表于物理研究所丛刊以及法国科学院周刊上。[23]

图3. 中国布格等较差曲线图(CHINE Isanomales de Bouguer)。引自文献[16]


4 历史背景下的意义探讨

(一)具有全球性与地方性双重特征的重力加速度测定
  1935年刊布的《物理学研究所与镭学研究所工作报告》中这样写道:“重力加速度,系物理学上一重要常数,且随处各异。将地面上各处重力加速度测量后,可以推算地球之形体及其质量之分布。小之在一区域内,细察各地重力加速度之变化,可以推知其地层之构造,而用为采矿之助。”[24]仅此一句,已经概括了重力加速度测定在下述两个层面上的意义:其一,理论层面上的,包括物理学与地球物理学及大地测量学;其二,实际应用层面的。
  从理论层面而言,早在16世纪,伽利略(G. Galileo)通过斜面球体滚落实验发现了物体受地球重力下落的加速度规律,当时已大致计算出地球重力加速度值为9.8m/s2。17世纪,法国天文学家理查(J. Richer,1630~1696)在南美洲赤道附近圭亚那的科学考察,揭示了重力随测点位置的变化。1735~1744年,布格等人通过一系列的观测证实了重力随纬度的变化;1749年又进行了重力随高度变化的观测。克莱劳(A. C. Clairaut)(1713~1765)提出的“克莱劳定理”适用于旋转椭球体,可以通过在不同纬度测定的两个重力值来确定椭球体扁率,进而确定椭球体的大小。1901年,赫尔默特(F. R. Helment)得到的椭球扁平率为1:298.3,地球扁率精度大大提高,而他由此推出的正常重力公式在20世纪初得到世界各国广泛的应用。1898~1904年,库宁(F. Kühnen)和冯特万勒尔(Ph. Furtwängler)在波茨坦完成了绝对重力测量,其观测结果被确定为“波茨坦重力系统”的基础,1909年该系统被采用为世界重力基准。⑦
  从上述关于重力加速度研究的简要历史回顾可以看到,通过地球表面的重力值,可以研究地球重力场并进而了解地球形状,而要揭示重力加速度变化之规律,在全球进行测量是必要的而且是必须的,这就使得重力加速度测定具有全球性的特征;与此同时,这一全球性知识正是由地域性知识的累积构成的。中国幅员辽阔,地形复杂,因此对于研究重力加速度变化规律与影响因素,是一个很好的样本,构成了这种全球性的科学测量中的重要一环。
  从实际应用层面来看,重力加速度测量对于了解地质构造、资源等是一个重要的参照因素。尽管从今天而言,当时的人们对于重力测量工作在应用上的价值“存在着某种过高的期待或误解”([8],3页),但是即使在今天,“采用各项改正后的重力异常资料,研究地壳内部的结构、构造,探查固体矿产和油气资源分布……是重力学的重要研究对象”。([5],1~2页)

(二)作为国家主权与机密的重力加速度
  由重力加速度测定在实际应用层面的意义,很自然地可以引出它的第三重意义:在国家主权意义上的重力研究。以今日而言,重力测量数据以及结果分析均属国家机密。中国国家测绘总局1977年8月发布的《全国测绘资料和测绘档案管理规定》第二章第七条对测绘资料档案的密级划分中规定“天文大地(不包括水准)和重力测量资料档案”属机密。而在国家测绘局和国家保密局联合印发的《测绘管理工作国家秘密范围的规定》中,根据精度等参数将重力异常成果分别划为绝密测绘成果和机密测绘成果。国土资源部2007年1月19日公布、2007年3月1日起施行的《外国的组织或者个人来华测绘管理暂行办法》第七条关于合资、合作测绘不得从事的活动中,第一条即为“大地测量”。
  但是如此涉及国家机密的测量,外国人于1930年代却可以在中国境内轻易完成,并非由于中方未曾意识到此问题的严重性,实乃事出有因。
  事实上,由外国人在中国进行大地测量并绘制成图并非由1930年代始,清康熙年间《皇舆全图》的绘制正是由耶稣会传教士与清朝官员共同完成的。开始于1708年的那次测量活动,利用传教士带来的精密仪器,以通过北京的经线作为中央子午线,一共测定了630个经纬点作为控制网,采用当时最先进的测绘技术进行测量工作。测量工作于1717年完成,次年,在传教士杜美德主持下,《皇舆全图》绘制完成。但是,该图在当时的中国并未公开刊布,而在绘制《皇舆全图》时使用的各种测绘方法并没有被完整地记载下来,到乾隆时代再进行测绘工作时,仍然不得不请耶稣会士做指导。而在法国巴黎,耶稣会士寄回的《皇舆全图》经略加修改后,即于1734年将其正式出版。
  如果说康熙皇帝仅仅满足于一幅精确的地图的绘制而未能意识到测量活动可能涉及到的国家秘密的话,那么当1930年代,中国的知识分子显然已经认识到问题的严重性。
  1928年成立的国立中央研究院物理学研究所在制定1929~1934年研究计划时,其所列出的几项工作依次为:购置仪器、购置书报、完成本所上海新建筑、进行无线电信研究、进行电信交通研究、进行重力测验、检验原料之物理性质、较准仪器出品、进行地磁测验、进行大气力学研究、国防上物理问题研究、其他研究。从中可以看到,重力研究在该所的计划中处于十分重要的位置。其时,该所已经意识到此类具有地域性质的科学研究的重要性:“地磁重力大气诸研究及一部分交通问题,为物理研究中之比较的有地域性质者,此种问题,决无他人可以代庖。吾国幅员既广,气候亦殊,地中蕴藏亦富,若不急起研究,则不特于吾国发展前途发生障碍,且易引起他国由文化侵略而渐入经济侵略之害。”[25]
  国立北平研究院物理学研究所成立于1929年11月。该所自成立起的五年时间里,完成并发表论文16篇。其主题大致可归纳于下列7项纲目之下:1,压力与照相;2,臭氧紫外吸光;3,氖之连续光谱;4,重力测量;5,经纬度测量;6,碱金属吸收光谱;7,水晶扭电现象。([24],17~19页)其中重力测量论文三件,占全部论文的近五分之一。这也从一定程度上反映了当时中国科学界对此项研究的重视程度,而这也正是出于与中研院大抵一致的原因。因此,平研院物理所在1934年拟定的将来研究计划中表示,该所“与北平地质调查所及本院地质学研究所合作,拟在三年内,将全国各大城市重力加速度测量完毕,制成全国重力图,再从地质方面着眼,在小区域内,做更详密之测量,以为采矿等工作之助。”([24],22页)

(三)无奈的妥协
  尽管中国科学界在二十世纪二三十年代即已意识到重力测量的重要性,但在当时,一个现实的困难是技术手段。因此,中研院物理所第一任所长丁燮林于1920年代末便已开始了对重力摆的研究([8])。与之不同,平研院则与雁月飞合作,率先在中国境内开展了实测工作。通过研究当时留下的文献,笔者注意到,雁月飞于1933年开始在华北进行大规模测量时的身分并不仅仅是徐家汇观象台台长,还是国立北平研究院特约研究员——“本院特约研究员徐家汇天文台台法人雁月飞氏”([20],1页);而在平研院的工作报告中看到的表述是,“廿二年夏,本所由雁月飞鲁若愚二先生,以两月余之时间,在冀,晋,豫,察,鲁各地,测量重力加速度,计三十余处”;“二十三年春,雁月飞先生又携带仪器出发华南,作重力加速度之测量。南起香港,遵海而上,北迄上海,测点都五十余处。所得结果,已著为论文,不日即可发表”([24],21~22页),即雁月飞是作为平研院的一员而开展其测量活动。同时,测量结果也分别在中国与法国的出版物上发表。因此,该项测量不仅是雁月飞所在的徐家汇观象台以及法国科学院在华测量工作的一部分,同时也是国立北平研究院物理研究所的重要工作之一。这一研究方式在近代中国移植自然科学的过程中是很具有代表性的。
  但是,尽管中方在此次大规模测量活动中有所受益,一个无可回避的问题是:如果雁月飞并未受聘成为平研院的特约研究员,此次测量活动能否成行?答案显然是肯定的。一方面,自1840年代以来,随着中国的通商口岸的开放以及传教权的逐步解禁,外国传教士在华活动范围已逐渐从最初的几个口岸城市延伸至中国腹地;另一方面,1930年代的中国正是军阀混战的年代,中国并没有一个强有力的政府对外国传教士的在华活动做出限制。一个显著的例子是,当在中国西南的测量活动因种种原因而处“进退两难间,法国驻昆明领事A. Gandon愿自驾私人汽车,供同人前往安全地带测量”([22],121页)。由此,无论是作为耶稣会传教士还是作为法国科学院科学家的雁月飞,其在华测量活动几乎是不受限制的。
  于平研院而言,雁月飞作为其特约研究员的身分使得此次测量活动成为该院科学活动的一部分,而在雁月飞提交给法国国家大地测量学与地球物理学委员会的报告中,对于这一合作的表述则是:“在中国,国立北平研究院承担了测量的组织工作……研究院的两位助理员——先是鲁若愚,后来是张鸿吉——在几乎全部测量活动中同行。”([16],74页)即在由耶稣会士所完成的法国科学院的远东重力研究中,平研院是作为其在“中国省”(Provinces chinoises)的测量活动的合作者或执行者出现的。但无论如何,平研院聘雁月飞为特约研究员并与之合作共同测定中国境内大部分地区的重力加速度,既得以借助法国的科学知识和技术,也在一定程度上维持了中国的国体,在当时情况下还是相当可取的举措。
 


注释与参考文献
[1] 北京市地方志编纂委员会. 《北京志·科学卷·科学技术志》. 北京:北京出版社,2005:782
[2] 束家鑫主编. 《上海气象志》. 上海:上海社会科学院出版社,1997:530~531
[3] 方俊. 重力测量与地球形状学(上). 北京:科学出版社,1965:12
[4] 许厚泽,王谦身,陈益惠. 中国重力测量与研究的进展. 地球物理学报第37卷增刊I,1994:339
[5] 王谦身等编著.《重力学》. 北京:地震出版社,2003:8
[6] 阎林山,马宗良. 徐家汇天文台的建立和发展(1872—1950). 中国科技史料1984年2卷:65~72
[7] 胡升华. 北平研究院物理研究所工作述评(1929~1949). 物理. 26卷10期,1997:633
[8] 杨舰. 丁燮林关于“新摆”和“重力秤”的研究. 自然科学史研究第22卷增刊,2003:1~11
[9] P. Tardi,Le R.P. Pierre Lejay 1898–1958. Journal of Geodesy,Volume 33, 1959:2~3
[10] 雁月飞,鲁若愚. 华北重力加速度之测定. 国立北平研究院物理学研究所印行,1933:1
[11] J. De Graaf-Hunter. Le R.P. Pierre Lejay 1898–1958. Journal of Geodesy,Volume 33, 1959:6
[12] F. Holweck et P. Lejay . Un instrument transportable pour la mesure rapide de la Gravité. Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, t.190, 1930:1387~1388
[13] F. Holweck et P. Lejay. Perfectionnements à l'instrument transportable pour la mesure rapide de la gravité. Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, t.192, 1931:1116~1119
[14] F. Holweck. Nouveau modèle de pendule Holweck-Lejay. Valeur de la gravitè en quelques points de la France continentale et en Corse. Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, t.193, 1931:1399~1401
[15] F. Holweck et P. Lejay. Mesure Relatives de la Gravité au Moyen du Pendule élastique Inversé Principe, Description, Emploi sur le Terrain du Gravimètre Holweck-Lejay. Journal des Observateurs, vol. XVII, nos 8-9, 1934:109
[16] R.P. Pierre Lejay. Exploration Gravimétrique de L'Extrêe-Orient. Comité national fran?ais de Géodésie et Géophysique, 1936:25
[17] P. Lejay et Lou Jou Yu. Observations d'intensité de la pesanteur dans le Nord-Est de la Chine. Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, t.198, 1934:p.905~907
[18] P. Lejay et Lou Jou Yu. Caractères généraux de l'intensité de la pesanteur dans le Nord-Est de la Chine. Comptes rendus des séances de l'Académie des Sciences, t.198, 1934:1215~1217,
[19] 雁月飞,鲁若愚. 华北东部重力加速度之测定. 国立北平研究院物理学研究所印行,1933
[20] 雁月飞,鲁若愚. 华北重力加速度之测量. 国立北平研究院院务汇报第四卷第五期,1933
[21] 雁月飞,鲁若愚. 华北东部重力加速度之测量. 科学. 5,1934
[22] 张鸿吉. 物理学研究所派员赴两广滇越测量重力加速度之经过. 国立北平研究院院务汇报第六卷第三期,1935:120~121
[23] 物理学研究所与镭学研究所工作报告. 国立北平研究院第六年工作报告. 国立北平研究院院务汇报第六卷第五期,1935:27~28
[24] 物理学研究所与镭学研究所工作报告. 国立北平研究院五周年工作报告. 1934:21
[25] 国立中央研究院物理学研究所十七年度报告.国立中央研究院十七年度总报告. 1928:89~90
① 由于重力测量是在地表进行的,各测点的海拔高度不同,而正常椭球体上不同测点的重力加速度因测点与地心之间距离不同而有所差异,因此要将观测值化至假定地球面(géoide)之重力加速度 ,公式为 :( 的单位为米)([19],5页)
② 布格校正公式为:

,其中 系经高度校正后得到的重力加速度值; 系测点表面下地层估定之密度; 系地球之平均密度=5,52([19],5页)
③ 赫尔默特(R. Helmert)公式为:
其中 为纬度, 是纬度为 、海拔为0时的正常重力值([19],5页)
([19],5页)
⑤ 本文所采用的定义引自王谦身等编著:《重力学》,北京:地震出版社,2003:30
⑥ 更为详细的解释可参见王谦身等编著:《重力学》,北京:地震出版社,2003:35~36,147~148
⑦ 有关重力测定的历史可参见王谦身等编著《重力学》第一章。

 

 

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