物理假说的验证

第三节　物理假说的验证

假说是人们对客观世界猜测性的解释，它的正确性需要通过科学实践加以验证。只有被大量的实验和观察事实反复证实的假说，才是正确的，才有可能转化成为科学理论。

1．验证假说的长期性与复杂性

一个假说从提出到被证实，往往需要很长的时间，其主要原因有以下几点：

科学的假说大都具有对传统的否定与挑战意义，因而总要受到一些人的反对和抵触；特别是这一领域中权威人士的反对和压制，将严重地影响假说的传播途径、应用范围和验证速度。

第二，有的假说提出以后，由于当时的测量水平及其他相关技术都没有达到验证假说的要求，所以假说的验证有赖于这些技术的发展与提高。第三，有的假说的验证常常同邻近学科的发展水平有关，只有这些邻近学科发展到一定水平，才能综合地从理论基础上为假说提供更明晰的物理图景，以便设计出科学的验证方法。

假说的验证不仅是长期的，有时甚至是很复杂的、曲折的。

一个错误的假说，在经过事实证明后，最终肯定会被抛弃，但是在其验证过程中它在某个时期内可能得到肯定的结论，有时错误的假说在应用过程中也可以得到一些有价值的成果。而一个科学的假说，有时又偏偏被实验和观察所否定，但这只是暂时的或偶然的；当时机成熟时，新的发现或新的实验和观察，又会对以前的否定加以否定．使科学假说最终闪耀出真理的光芒。验证假说的复杂性，也同样表现在人们的认识水平、学科的发展状况和实验的技术条件等方面。

在多层次的物质世界中，原子是比分子更基本的物质构成单位。按人们认识事物的常规顺序，应该是先发现分子，然后才发现原子。然而，科学发现的历史却正好与这一常规顺序相反，分子的假说是在近代原子论产生困难和挑战时才提出来的。

1800年，道尔顿在古希腊原子论思想的基础上，创立了近代的科学原子论，其基本内容是：①化学元素是由非常微小的、既不能创造也不能毁灭的、不可再分割的最终的物质粒子——原子组成的，原子在所有化学变化中保持基本性质不变；②同一元素的原子，其形状、质量和各种性质都是相同的，不同元素的原子则不同，每种元素以其原子的特定质量为其特征；⑧不同元素的原子以简单整数的比例相结合，形成化合物的原子。道尔顿的原子论成功地解释了气体扩散现象、气体分压定律等，并第一次提出原子最重要的特征——原子量。

然而，道尔顿的原子论很快遇到了问题，这就是与法国物理学家和化学家盖·吕萨克的实验结果发生了明显的矛盾。盖·吕萨克通过大量实验发现，各种气体在化合时体积皆为简单的整数比，并且如果生成物也是气体时，它们的体积和生成物的体积也为整数比。由此，盖·吕萨克认为：各种气体在彼此起作用。

时常以最简单的体积比互相结合。进一步思考后，他在道尔顿原子论的基础上提出了一个新的假说：在同样温度和同样压强下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。但一些新的实验又与这个假说明显地相矛盾。例如，对于氢气和氯气化合的反应来说，如果认为在同样条件下同体积的气体含有相同数目的原子，那么1个体积的氢和1个体积的氯只应生成1个体积的氯化氢，而实验结果却是生成了2个体积的氯化氢。

类似地，1个体积的氮和3个体积的氢化合生成了2个体积的氨。按盖·吕萨克的解释，则在第1个实验中，每个氯化氢原子中只含有半个氯原子和半个氢原子，而在第2个实验中，每个氨原子中则含有半个氮原子和2／3个氢原子。显然，这与道尔顿在化学变化中原于不可分的基本假说是矛盾的。所以，道尔顿本人就认为盖·吕萨克结论的实验基础是不可靠的。

究竟是道尔顿的原子论错了，还是盖·吕萨克的实验结果错了？意大利物理学家阿伏加德罗经过研究认为，在物质结构的层次中，原子之上还有一个“分子”，道尔顿和盖·吕萨克的错误和问题就出在他们没有认识到分子的存在，而将原子和分子混为一谈了。由此，阿伏加德罗提出了“分子”的概念，建立了化学和物理学中的分子学说，即“分子假说”或阿伏加德罗假说。阿伏加德罗指出，分子是具有一定特性的物质的最小组成单元，单质分子由相同元素的原子组成，化合物的分子则由不同元素的原子所组成。他修改了盖·吕萨克假说，指出在相同条件下同体积的气体不是含有相同数目的原子，而应是含有相同数目的分子。

他认为，只要假定气体的最小粒子不是简单的原子，而是由一定数目的这些原子结合成的分子，上述矛盾就不存在了。例如：他认为氧气、氯气、氮气都是含有两个原子的分子，在化合时进些分子分裂开来以整数个原子参加化合反应，就可以合理地解释前面提到的实验。氢气和氯气化合反应以及氢气的氮气化合反应的化学方程式为

H₂＋Cl₂—2HCl

（1体积）（1体积）（2体积）

N₂＋8H₂－2NH₃

（1体积）（3体积）（2体积）

阿伏加德罗分子假说，使盖·吕萨克假说和道尔顿的原子论完善地统一起来了。

由于阿伏加德罗假说认为同种元素的原子结合成分子的观点受到当时化学界权威道尔顿和贝采利乌斯的反对，加之当时原子论的支持者们都不希望原子论复杂化，所以“分子假说”被冷落了近半个世纪。

拒绝分子假说的结果使化学家们在实验中遇到的困难越来越多，特别是在原子量的测量方面呈现着一片混乱状态，以至于洧人怀疑原子量到底能否测量。化学符号和化学式的表达同样相当混乱。这些都使得原子理论陷入危机之中。

在1858年，意大利化学家坎尼扎罗发表了题为《化学哲学教程概要》的小册子，并在1860年卡尔斯鲁厄国际会议散会时散发给各国化学家。在这本小册子中，坎尼扎罗以充分的依据，清楚明白地阐述了自己的观点。他指出，只要承认阿伏加德罗假说，把分子和原子，相信在相同条件下等体积的气体中都含有相同数量的分子，而不是含有相同数目的原子，那么就可使原子量、分子量以及分子组成的测定得到与物理、化学上已得到的定律是：一致的结果。

坎尼扎罗对阿伏加德罗“分子假说”做了必要的瞄订补充，摒弃了假说中原有的错误部分，提出了合理测量原子是的方法，澄清了当时许多糊涂认识，使“分子假说”在遭受了漫长的冷落后，终于开始受到人们的重视。

1865年，奥地利物理学家洛喜密脱计算出在标准状况下每摩尔气体含有的分子数，即后来被称为阿伏加德罗常数的数字。这是一个大得惊人的数：N_A＝6．02×10¹¹。这一数字的巨大，当时使人难以置信，使得人们又对这一推算的基础——阿伏加德罗假说产生怀疑，但是，坚持分子假说的物理学家们和化学家们则在不懈地努力着，以便拿出更有力的证据。

1905，爱因斯坦在分析布朗运动时，认为花粉不停地无规则运动是由分子运动造成的并推出公式

式中：为△t时间内微粒的总位移分量的均方值，n为球形微粒半径，η为液体的粘滞系数。这三个量都可通过实验测得。另外，R为常数，T为温度，也是可测的。所以，这一公式实际上给出了通过实验计算阿伏加德罗常数的方法。

1908年，德国物理学家佩兰也仔细研究了布朗运动，并用精辟的分析证实了分子运动的存在，证实了爱因斯坦公式的司靠性，证实了洛喜密脱对Ⅳ。推算的正确性，并通过实验数据求得N₀＝6．85×10¹¹。佩兰的实验和理论研究，为阿伏加德罗假说提供了有力的证据。为此，佩兰获得1926年诺贝尔物理学奖。

1936—1940年间，人们应用公式F＝N_Ae（F为法拉第常数，e为电子电量），七次测量得N_A＝（6．03—6．027）×10²³。美国国家标准局用X射线／光学干涉仪测定硅单晶晶格间距，然后用布喇格公式推算出N_A的精确数值：1974年得到N_A＝6．0220943（63）×10²³；1976年得到N_A＝6．0220978（63）×10²³。

从阿伏加德罗假说的提出到阿伏加德罗常数的精确测定，经历了漫长的一个多世纪。它的提出和最终被确认，为人类正确认识微观世界指明了方向，有力地促进了物理学和化学的发展。

与道尔顿原子论和阿伏加德罗假说相关联，这里再提一下普劳特的著名假说。这一假说从提出到被证实，经历了一个近乎戏剧性的复杂过程。

1815年，普劳特发现，如果以最轻的元素氢的原子量为单位，那么许多元素的原子量都接近整数。于是，普劳特大胆地提出一个假说：一切原子都是由氢原子构成的。

但是到了1819年，瑞典化学家贝采利乌斯公布了一个精确测定的原子量表，表中很多元素的原子量并不是整数。例如，氯的原子量是35．45，这很难说它是接近整数的。由此看来，实验结果并不支特普劳特的假说，因而这一假说也就逐步被人们遗忘了。

1912年，同位素发现了。各种元素的同位素原子量各不相同，但都正好是氢原子量的整数倍。例如，氯元素有两种同位素：一种原子量为35，另一种原子量为37。通常的氯气是这两种同位素的混合物，其比例约为4∶1。按这种比例进行平均，结果正是通常测量的原子量35．45。

进一步的研究表明，凡是原子量不是氢原子量整数倍的元素，都是由两种以上同位素混合而成的。这样，从根率上看，各种原子都是由氢原子构成的这一说法应该是对的。所以，同位素的发现，又使普劳特的假说复活了，并且使这一假说赋予发新的、更为深刻的含义。

1927年，阿斯顿通过精确实验凝现，某些元素比普劳特假说预见的结果稍轻或稍霞些，这似乎双是对假说不利的事实。但进一步的研究发现，这种稍轻或稍重嘲实验事实有规律地反映了元素的稳定程度。因此，从这一角度霄，普劳特假说所揭示的意义被再一次深化了。后来，人们根据现代物理学成果而进行修改和完善的普劳特假说，可以用来说明原子结构中许多复杂现象，具有很高的理论价值。

2．验证假说的直接方法和间接方法

概括说来，假说有着两大特点：一是它的解释性，即假说要能对已有的事实作出合理的解释；二是它的预见性，即假说能对未知的事实和新的现象作出科学的预测。这两大特点比较起来，后者具有更深刻的意义，它直接与科学上的新发现相联系，是推动科学发展与进步的动力。

假说对未知事实和新现象的预见，通常是人们验证假说的基本线索。如果由假说的基本原理所推出的预见都能被实验和观察所证实，那么假说的正确性就必然是肯定的。用实验和观察对假说的基本观念及其所作的推测和预见进行直接验证，就是验证假说的直接方法。

在大量的物理假说中，有一类假说是直接预言某种物质实体的存在。显然，这种假说最直接、最有效的验证方法，就是通过实验和观察去寻找或捕捉假说所预言的物质实体。如前文所提到的，勒维耶预言新行星的存在，并在预见的星区观察到了这颗新行星（海王星）时，勒维耶的假说就被无可辩驳地证实了。与此相似，许多微观粒子的发现，也都经历了由假说的提出到证实的过程。

例如，1920年卢瑟福预言中子的存在，1932年查德威克在实验中发现了中子，验证了卢瑟福的假说；1928年狄拉克预言正电子的存在，1932年安德森从宇宙射线中发现了正电子，验证了狄拉克的假说；1934年汤川秀树提出介子假说，预言介子的存在，1947年鲍威尔用放在气球上的乳胶研究宇宙射线时发现了介子，验证了汤川秀树的假说，等等。

在物理学假说中，某种物质实体存在预言的提出都绝不是孤立的，它总是与物理学发展中的新问题、新矛盾紧密相关的。海王星存在的提出，解决了天王星反常运动问题；中子存在的提出，解决了原子核组成的问题；正电子存在的提出，解决了负能态问题；介子存在的提出，解决了核子相互作用力问题，等等。所以，每一种预言的新物质实体的最终发现，都将有力地推动物理学的发展。

值得注意的是，这类假说的正确与否，绝不能只看它是否可以从理论上把业已出现的问题解决了，归根到底要看能否在实验或观察中寻找到所预言的实体。勒维耶根据发现海王星和冥王星的成功经验，提出“火神星”的存在，这虽然可以从理论上解决水星的进动问题，但人们经过几十年的观察搜索，在他预言的地方始终未找到任何新行星，因此这一假说一直无法得到验证。到了广义相对论建立以后，人们才知道水星进动是由相对论效应引起的，因而从根本上否定了“火神星”的存在，使这一假说证伪。

另有一类假说，是预见物质的某种性质、现象或运动规律的，而所预见的性质、现象或规律是可以用实验观察或呈现的，因而这类假说也可以直接进行验证。但是，这类假说的验证在思想方法上要比寻找物质实体复杂一些。

1887年，赫兹在研究电磁波的发射与接收的实验中，首次发现了光电效应现象，即在光的作用下，物体表面释放出电子。而且，赫兹得出结论，在这一现象中起作用的是光的紫外部分。由于他当时无法解释这一现象，所以只在题为《论紫外光对放电现象的效应》一文中做了如实的记述。赫兹的发现引起了许多物理学家的重视。

1889年，海华兹做了一系列实验，得到的结论是：起作用的的确是紫外线，从锌板放出来的肯定是负电荷。俄国的斯托列托夫的研究结论是：为产生光电流，光必须被电极吸收；光电流的大小与入射光的强度成正比；当入射光频率低于某一临界值时，不论光强如何，都没有光电流产生；光电流实际上是照射开始立即产生，无须时间积累。

1899年，J．J．汤姆逊用实验证实光电流是由电子组成的。

1900年，勒纳德通过实验得出结论：电子离开金属板的最大速度与光的强度无关。至此，光电效应的一些主要特征都已被发现。但是，光电效应的这些特征却明显地与经典的电磁理论矛盾，如何合理地解释就成了当时物理学界关注的焦点。

1905年，爱因斯坦接受了普朗克的量子论观点，并把它彻底贯彻到整个辐射和吸收过程中去，提出了崭新的光量子假说。他认为，在光传播的空间里，光的能量并不是均匀分布的，而是由个数有限的、局限于空间多点的能量子（光子）所组成的；每一个光子的能量为hν；h为普朗克常数，ν为光的频率。在光量子假说的基础上，爱因斯坦进一步建立了光电方程

eV＝hν－W

式中：V为遏止电位，eV等于电子逸出时的最大动能mv²／2，W为电子脱离金属所需做的功，称为逸出功。

由此可明显看出，电子的最大动能或最大速度“只取决于照射光的频率；遏止电位V与频率ν呈线性关系，而与光强无关。

爱因斯坦的光量子假说和光电方程，能够圆满地解释光电效应的各种现象，但却并没有立即得到人们的承认，它受到的怀疑甚至超过了他同时提出的狭义相对论，就连第一个提出量子假说的普朗克也认为爱因斯坦未免太离谱r。显然，这一方面是由于受传统观念的束缚，另一方面也是最关键的一方面，就是由假说所建立的光电效应规律还没有得到完全肯定的实验证明。

从1907年起，就不断有人用实验验证爱因斯坦假说，但实验结果与理论预期的结果总是相差太大。通过实验人们认识到，实验中的主要困难是接触电位差的存在和金属表面氧化膜的存在带来的影响。直到1916年，密立根终于以其巧妙的设计，精确地验证了爱因斯坦光电方程。密立根花了10年的时间研究接触电位差，消除了各种误差来源，改进了真空装置去掉氧化膜，最终取得了成功。

爱因斯坦假说的核心内容是光量子假说和光电方程，如果实验能证明光电方程成立，即可认为假说被直接验证了。由光电方程变形可得

V＝h_ν／e－W／e

由此式可以看出，遏止电压V与入射光频率呈线性关系，实验中必须精确测量V与ν，以考究二者的对应关系。密立根以金羼钠作为光阴极，测得遏止电压V与入射光频率ν呈现极好的线性关系。因此，密立根实验直接验证了爱因斯坦假说。此外，由上面的线性方程可以看出，直线的斜率为k＝h／e。

密立根由实验数据求得斜率k，然后将k与e值代入斜率公式中，算出了普朗克常数h。所得数值与普朗克按黑体辐射定律算出的数值完全一致。这一结果深刻揭示了光电效应和黑体辐射在量子化条件上的统一性，证明了爱因斯坦光量子假设的正确性。

1923年，密立根在获诺贝尔物理学奖的演说中说：“经过10年之久的实验、变换和学习，有时甚至还要出错，在这之后，我把一切努力从一开始就针对光电子发射能量的精密测量，测量它随温度、波长、材料（接触电动势）改变的函数关系。与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程式在很小的实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数。所得精度大约为0．5%，这是当时所能得到的最佳值。”

在密立根之后，光电方程又得到许多物理学家的实验验证；从可见光直至X射线，在宽广的波长范围内，实验结果都与理论严格相符。因而，爱因斯坦的假说就成了科学的理论，并对物理学的发展产生了深远的影响。

还有一些假说，由于所描述的系统或过于庞大，或过于微小，或内容过于复杂，或年代过于久远等等，假说的基本内容或由假说直接作出的推测和预见无法直接验证。

在这种情况下，一般将假说的基本观念同其他的理论成果或假说相结合，作出进一步的分析和推测，提出一些与假说基本观念相关的可供直接验证的预见，然后对这些预见进行验证。这就是验证假说的间接方法。在间接方法中，由于供验证的预见在逻辑出发点上包含了假说以外的理论因素，所以，验证结果不能作为假说正确与否的最终判断。但是，间接验证可使假说在向理论转化的过程中取得决定性的进展，并可为直接验证创造条件。

宇宙是物理学的最大研究对象。1916年，爱因斯坦提出广义相对论理论；次年，他把广义相对论应用于宇宙系统，建立了有限无穷的宇宙模型，开创了现代宇宙学。

1946年，美国的伽募夫根据恒星热核反应理论，进一步在广义相对论基础上提出了大爆炸宇宙模型，并将其发展成为标准宇宙学。标准宇宙学作为一个科学的假说，它提出了两条重要的预测。第一个预测是由微波背景辐射的存在，并且预言背景辐射现在只有热力学温度几度。这一预测在1965年被美国贝尔实验室的A．A．彭齐亚新和R．W．威尔逊无意中发现而被证实。第二个预测是关于天体年龄的。大爆炸宇宙学推测，在100多亿年之前，宇宙间没有任何星体，所以，一切星体的年龄都应小于100多亿年。显然，直接测量某个天体的年龄是无法实现的，因此，这一预测无法用实验或观察直接验证，而只能用间接的方法验证。

间接测量天体年龄的方法之一是利用放射性同位素。在地球上，人们测定了²³⁵　U和²³⁸　U的半衰期分别为T_1／2（²³⁵U）＝7．038×10⁸年、T_1／2（²³⁸U）＝4．468×10⁹年。进一步，人们还测定了二者的丰度比（²³⁵U／²³⁸U）_现＝7．231×10^－3。显然，现在地球上²³⁵　U的含量远低于²³⁸ U。但是，在太阳系刚形成的时候，二者．的含量应相差不大。所以，如果知道初始时二者的比值，就可以根据半衰期求得地球或太阳系的年龄。现代宇宙学理论认为，太阳系是在上一次超新星爆发的“废墟”上形成的，而根据超新星爆发理论，新星爆发过程中，（²³⁵U／²³⁸U）_初＝1．71，由此，可以粗略地算出太阳系年龄的上限为6．6×10⁹年。另一种测定天体年龄的间接方法是利用球状星图，即依据恒星演化规律的赫罗斛。人们推测的结果是，球状星图的年龄至少为11．4×10⁹年，这就是说，宇宙的年龄应大于114亿年。显然，天体年龄的间接测量是支持宇宙大爆炸假说的，因而也就间接或部分验证了大爆炸假说的正确性。

一般说来，间接方法的可靠性取决于相关理论或假说的可摹程度。例如，利用放射性同位素测天体年龄，就应用了天然放射性物质的衰变理论、超新星爆发理论、太阳系形成的假说等。双要这些理论或假说都是正确的或基本正确的，则测算的天体年龄就是比较可靠的，因而对大爆炸假说的验证就更有意义。

一个假说究竟能否用直接方法验证，一方面取决于假说本身的内容结构，另一方面也受实验技术和观察水平以及相关学科的发展情况等因素的限制，而物理学家在某些假说还无法进行直接验证时，通常先采用间接方法加以验证，以初步或部分地确定假说的价值。

20世纪30年代初，泡利提出中微子假说，解决了口衰变的能量守恒问题。1934年，费米又在泡利假说的基础上建立了口衰变理论，并得到一些实验的支持。但遗憾的是，人们一直无法从实验中直接观察到中微子的存在。中微子不同于其他粒子之处在于它不带电、不能引起电离效应、不参与电磁相互作用和强相互作用，所以，很难观测到它的踪迹。当人们无法直接捕捉中微子时，就设想了一些间接验证中微子存在的方法。

方法之一是根据泡利自己的预言验证的。1931年，泡利在帕萨迪纳会议上预言，从核里发射的β粒子和穿透力极强的中微子的能量总和应该有一个尖锐的上限。泡利指出，如果界限果然是清晰的，那么中微子的设想就是正确的。1934年，海德森用磁聚焦的方法测量β谱的上限，发现β曲线的上限急剧中断，与泡利的预言相符。

方法之二是通过实验数据推算的。1938—1939年间，克兰和哈尔彭应用云室观察³⁸Cl的β衰变，从观察到的电子在磁场中的偏转和核反冲的径迹，计算出原子核的能量和动量，结果表明在衰变中存在第三种粒子。

方法之三是根据中国的王淦昌的方案，由艾伦用实验证实的。

1942年王淦昌在题为《关于探测中微子的建议》一文中提出一个验证中微子存在的方案。其基本思想是：如果中微子果真存在，它不仅应当具有能量E，也应具有动量P，它们应满足关系式：E²＝P²C²＋M2C⁴。如果实验中能测出口衰变过程中丢失的能量和动量，并看其是否满足中微子的能量和动量的这个关系，就可以对中微子的存在与否作出间接的验证。

针对克兰和哈尔彭曲实验，王淦昌指出：当一个β＋放射性原子不是放射一个正电平而是俘获一个K层电子时，反应后的原子反冲能量和动量仅仅取决于所放射的中微子，原子核外电子的效应可以忽略不计。于是，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就比较容易找到薪放射的中微子的质量和动量，而且由于没有连续的β射线放射出来，这种反应效应对所有的原子都是相同的。他还建议泪⁷Be来做这个实验。同年，艾伦按照王淦昌的方案完成了实验，证明了丢失的能量和动量正好符合中微子的要求。这个实验是间接验证中微子存在的一个重要买验。

鉴于中微子存在的这些间接证明以及费米β衰变理论是详细、完整和严密的，因此人们已基本相信中微子是确实存在的。这不仅坚定了人们直接捕捉中微子的决心和信心，同时也在实验思路、方法、技巧上给人们以多方面的启迪。

到了1956年，莱茵斯和柯万最终完成了中微子存在的直接《证明。他们在给泡利的电报中说：“现谨奉告，通过观察质子的逆β衰变，我们已经确定地从裂变碎片中观察到中微子，测量的截面积和预期值6×10^－44cm²符合得很好。”要探测一种粒子的存在，就一定要让这种粒子在探测器中产生一些可供观察的效果，至少粒子要在探测器物质中碰撞一次。然而，由通常的β衰变放射出来的中微子要穿过大约1000亿个地球才会与其中的一个原子核碰撞一次。换句话说，把探测器做成地球一样大，有1000亿个中微子通过时大约只能探测到其中的一个。莱茵斯与柯万用200公升水和370加仑液体闪烁体做成探测器，埋在一个核反应堆附近很深的地下，探测核反应堆放射出来的极强的中微子。

经过相当长的时间，终于成功地探测到了为数不多的中微子，直接验证了中微子的存在，打消了关于中微子存在的任何怀疑。