14.1 实验在物理学发展中的作用

物理学是以实验为本的科学。在物理学的发展中,实验起了重要作用。什么叫实验?实验是人们根据研究的目的,运用科学仪器,人为地控制、创造或纯化某种自然过程,使之按预期的进程发展,同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测(定性的或定量的),以探求该自然过程变化规律的一种科学活动。

实验和观察都是搜集事实的科学实践,但两者有所不同。前者要求人们发挥主观能动作用,控制条件,改变客观状态和进程,使自然现象的变化更有利于得出规律性的认识;而后者却只是被动地等待自然界按其本来的进程发展,人们仅仅对现象进行记录和研究。可见,实验和观察是不同层次的认识手段,起着不同的作用,两者不可偏废。

实验和生产劳动也有根本区别。两者都有改造世界的任务,但目的并不相同。前者是在科学理论指导下的探索性活动,离不开理论思维和分析判断;后者以直接变革自然,增加物质财富为目的,并不要求科学成果。实验工作中有劳动成分,但它与生产物质财富的劳动有本质的不同。

在物理学的发展中,从经典物理学到现代物理学,著名的物理实验不胜枚举,从事实验工作的物理学家何止成千上万。他们置身于艰苦的实验研究之中,为推动物理学的发展努力奋斗。他们的目标是什么?他们的工作有何价值?对物理学的发展起了什么样的推动作用?纵观物理学发展史,可以概括成如下几个方面。

1.发现新事实,探索新规律

伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据,库仑通过滑板实验提出摩擦定律,胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验、波雷里的表面张力实验为物理学提供了新事实和新规律。

在电学方面可以举出更多的事例。磁现象和静电现象、欧姆定律的建立、奥斯特发现电流的磁效应、伽伐尼和伏打发现动物电和化学电源、法拉第发现电解定律和电磁感应现象,无一不是通过大量实验得出的。

光的干涉、衍射、偏振以及双折射等现象也都是首先在实验中发现的,这些实验说明了光的波动性。从色散的研究到光谱学的发展,实验更是基本的认识途径,正是这一系列研究把人们带进了原子领域。

19 世纪末,经典物理学发展到了相当完善的地步,人们纷纷认为物理学已经到顶了,以后只是把常数测得再准些,向小数点后面推进而已。然而,正是实验的新发现打破了沉闷的空气,揭示了经典物理学的严重不足。世纪之交的三大发现开拓了新的领域,把物理学推进到一个新阶段。

物理学有许多分支,汇合起来组成物理学的主干,每个分支在其发展之初,都有大量的实验为之奠基,各分支在其发展的各个阶段大多有新的实验补充新的事实,从而使各分支更加充实,更加全面。这一切说明了:实验,只有实验,才是物理学的基础。

2.检验理论,判定理论的适用范围

毋庸置疑,理论是物理学的主体。理性认识源于感性认识,但高于感性认识,更具有普遍性,只有靠理性认识才能达到事物内部的规律性。然而,理论是否正确,又必须经受实践检验。实验是检验理论的重要手段。例如,麦克斯韦的电磁场理论以一组简洁的数学方程概括得十分优美对称,但当年却难以令人信服。直到二十多年后他预言的电磁波被赫兹的实验证实,他的学说才成为举世公认的电磁理论基础。

1905 年,爱因斯坦用光电子假说总结了光的微粒说和波动说之间长期的争论,能很好地解释勒纳德的光电效应实验结果,但是直到 1916 年,当密立根以极其严密的实验全面地证实了爱因斯坦的光电方程之后,光的粒子性才为人们所接受。

同样,德布罗意的物质波假说也是在实验发现电子衍射之后才得到肯定。从诺贝尔物理学奖的颁发可以看到人们对实验检验的评价,请看表 14 – 1。

表 14 – 1  诺贝尔物理学奖颁奖年份

获奖者及其获奖内容

主要工作年份

实验检验年份

获奖年份

爱因斯坦光电子理论

1905

1916

1921

德布罗意物质波理论

1923

1927

1929

汤川秀树介子理论

1935

1947

1949

李政道、杨振宁宇称不守恒原理

1956

1956

1957

温伯格、萨拉姆、格拉肖弱电统一理论

1967—1968

1973—1978

1979

实践是检验理论的客观标准。从表 14 – 1 可以看出,一个理论的正确性,不仅在于它能说明多少现象,也不仅在于它的自洽性,更重要的是它能否得到实验的肯定,它所作的预言,被尔后的实验证实到什么程度。

还有,理论只有一定的适用范围,这个范围往往要靠实验来确定。例如,玻意耳定律只适用于理想气体,因为勒尼奥的高气压实验证明:当气体压强增大到一定程度以后,pV 值会偏离常数。

塞曼效应为洛伦兹电子论提供了实验证据,用这个理论从塞曼的观测值推算出带电微粒的荷质比,与几个月后 J.J.汤姆孙从阴极射线磁偏转所得结果,数量级正好吻合。但是不久证实塞曼效应还有大量的反常现象,即所谓的反常塞曼效应,却得不到理论的解释,甚至玻尔的定态原子模型理论也无能为力。这个疑难曾困扰物理学界达二十余年之久,直到电子自旋被发现。

斯特恩-盖拉赫实验证实了空间量子化的假设,但是同时也带来了新的问题,它的结果揭示了经典理论用到原子内部会遇到无法克服的矛盾。

热辐射的能量密度可以用经典理论计算,计算结果与热辐射计的测量基本相符,但是进一步改进实验方法,卢梅尔-普林舍姆实验证明在高温长波方面理论与实验之间有系统偏差。只有引进量子假说,才能完满地作出解释。

理论与实验是物理学的两大部分,相辅相成,缺一不可。强调实验的作用,丝毫也没有贬低理论的地位。

3.测定常数

在物理学的发展中,大量实验是围绕常数进行的。了解物质的物理特性要通过实验测量跟物质特性有关的各种常数,这方面固然重要,而基本物理常数的测定和研究,在物理学发展史中更占有极其重要的地位。例如,万有引力常数的数值,自牛顿发现万有引力定律以来,一直是人们力求测出和测准的对象。这个常数究竟是不是常数?会不会随时间变化?到现在还是物理学界关心的问题。焦耳测热功当量,历时三四十年,用了多种方法,得到大量数据,为热力学第一定律的建立提供了确凿的依据。这个常数现在已不列为基本常数,但它的历史意义是不可抹杀的。光速是测得最准的基本物理常数之一,人们不会忘记迈克耳孙的功绩。真空中的光速可以测得这样准,以至于被人们定成精确值,并由此定义长度单位——米,从而把时间单位和长度单位统一在光速这样一个基本物理常数上。

光以确定的有限速度传播,这一发现曾对光的电磁波理论起了积极作用。从电磁波理论可以根据介电常数和磁导率计算光速,计算值和理论值吻合得相当好,对光的电磁波理论是一重要论据。当年麦克斯韦就是这样论证自己的理论的。

常数之间的协调是检验物理理论的重要途径,从玻尔原子模型理论最初的论证可以找到范例。经这个理论比较不同渠道得到的里德伯常数,在实验误差范围内基本相符,说明了理论的自洽性

4.推广应用,开拓新领域

如果说蒸汽机的发展超前于热学理论,电机和电气工业的发展,则完全是在电磁理论建立之后,人们自觉运用理论作出各种发明与发现的。然而,不论是蒸汽技术还是电工技术都离不开实验,其中包括许多热学实验、物性学实验和电磁学实验。各种发明创造,诸如杜瓦瓶、制冷机、电灯、电报等,无不是经过大量实验研究才逐渐完善的。

进入 20 世纪,无线电电子学异军突起。从电子管到晶体管,从无线电报到雷达,哪一项发明创造不是实验室的产物!科学理论通过实验这一中间环节,不断起着改造世界的作用,包括补充和改造科学理论自身。

在物理学工作者中,从事实验的有 90% 以上。他们工作在各个方面,从光谱学到激光技术,从电子显微镜到扫描隧道显微镜,从低温技术到超导研究,无不凝聚了实验物理学家的心血。

总之,提供事实、验证理论、测定常数、推广应用这四个方面基本上概括了实验在物理学发展中的作用。正如我国著名物理学家张文裕教授在论述实验的作用时所指出的:

“科学实验是科学理论的源泉,是自然科学的根本,也是工程技术的基础。”他还说“基础研究、应用研究、开发研究和生产四个方面”要紧密结合“在一起,必须有一条红线这条红线就是科学实验。”[1]

丁肇中教授在荣获诺贝尔物理学奖时特意用中文发表了一封信。他写道:

“中国有一句古话:‘劳心者治人,劳力者治于人。’这种落后的思想,对发展国家中的青年们有很大的害处。由于这种思想,很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究,而避免实验工作……事实上,自然科学理论不能离开实验的基础,特别是,物理学是从实验产生的……我希望由于我这次得奖,能够唤起在发展国家的学生们的兴趣,而注意实验工作的重要性”。[2]

丁肇中是因 1974 年用高能同步加速器发现 J/Ψ 粒子而获诺贝尔物理学奖的。值得指出的是,作为一年一度最高科学奖励的诺贝尔物理学奖,从 1901 年伦琴因实验发现 X 射线而获奖以来,在 104 年中一共有 176 位获奖者,其中实验获奖的共 118 人,占 67%,这一数字从另一个侧面说明了实验的重要地位。


[1] 郭奕玲,沙振舜等编著.著名物理实验及其在物理学发展中的作用.山东教育出版社,1985

[2] 引自:Les Prix Nobel,1976

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发布时间:2024/6/4 上午9:06:27  阅读次数:173

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