物理学家建立假说的艺术

第四节　物理学家建立假说的艺术

物理学家建立假说，以解释已知、预测未来，这类似于生活中的猜谜，因而人们通常又把假说称为猜想。猜谜是有技巧的，平庸的猜谜者只能肤浅地理解谜面，表面化地看问题，所得结论总是与真正的谜底相去甚远。而高明的猜谜者则能很快地抓住问题的本质，迅速在谜面和谜底之间建立起实质性的联系，从而准确无误地揭开谜底。

物理学家面对的是大自然这个变幻莫测的制谜高手，所要揭开的是扑朔迷离的物理之谜。长期以来，一代代物理学家不屈不挠，逐渐探索出一套建立假说的基本方法．而一些伟大的、天才的物理学家，更是把这些基本方法创造性地应用到实践之中，使其达到了艺术的审美高度，闪耀出艺术的光辉。

我们说物理学家建立假说具有一定的艺术性，那是由于他们在实践中表现出了独特的创造个性和思维风格，巧妙而机智地透过现象发现本质。考察物理学家建立假说的过程，其艺术性主要表现在敏于发现问题、善于解决矛盾、敢于突破旧理论、勇于接受新观点等方面。

1．敏于发现问题

爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中指出：“提出。个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许是一个数学上的或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的真正进步。“显然，要提出问题，首先是能够发现问题。以敏锐的洞察力从复杂的物理世界中发现有价值的问题，是许多优秀物理学家独特的心理品质和艺术魅力，也是他们建立假说的前提条件。

其一，于“司空见惯”中捕捉问题。虽然我们每天所面对的大自然中的现象是丰富多彩的，但却并不能引起我们的惊异，这是因为这些现象对我们来说太熟悉了。一切都是应该如此，一切都是那么正常，还需要再去思考和设问吗？认为熟悉的就是已经认激的，是人类思维方式的一大缺点。事实上，我们对许多十分熟悉的事物和现象的了解是相当肤浅的。而优秀的物理学家总能在最不是问题的地方发现问题、提出问题，进而建立假说、解决同题。

白天黑夜，昼夜交替，这是人们最熟悉不过的天文现象，连小孩也知道。

但是，1721年，英国著名天文学家哈雷却提出了令A发笑的问题：“夜色为什么是黑的？”他认为这是一个值得研究的问题，并不像人们所认为的那么简单。

1744年，瑞典天文学家斯诺再次提出同样的问题，并提出自己的解释。到了1823年，德国天文学家奥尔伯斯又一次提出这个问题。奥尔伯斯为了计算发空背景的亮度，在当时的宇宙观理论框架下提出了4条假设：④空间是无限的，恒星在不同程度上均匀分布于其中；②时间是无穷尽地流逝的，无论在多么遥远的过去，宇宙空间都充满着恒星，而且平均来说，它们的光度没有什么变化；③光的传播规则在整个宇宙空间都是一样的，就像日光在我们的房间里传播的情形一样；④宇宙作为整体来说，没有大尺度的、系统的运动，即宇宙从大尺度来看是静态的。以这四条假说为基础，奥尔伯斯通过计算得出结论：无论在哪个方向上，从地球上看到的天空都应该是无限亮的，不但黑夜根本不存在，而且整个地球都会燃烧。显然，这是与事实明显不相符的。因为地球夜色的确是黑的，白天也没有无限明亮，地球更没有燃烧。由于推导和预言与事实明显矛盾，人们一时又无法确定问题的症结所在，故而将其称为“奥尔伯斯佯谬”。

“夜色为什么是黑的”这一看似简单的问题的提出，极大地推动了宇宙学的发展，成了宇宙学研究中的一个重大课题；甚至可以说100多年来，宇宙学的基础理论都是围绕这一课题展开的。对这一课题的研究导致r一系列宇宙模型的建立，最终促使现代宇宙学理论诞生。

其二，于“稍纵即逝”中捕捉问题。与我们司空见惯、习以为常的普遍现象相对的是那些难得一见的、稍纵即逝的特殊现象。由于这类现象产生的条件苛刻、出现的频率极低，所以人们对它们缺少应有的研究和认识。但是，这类现象往往携带着相当重要的物理信息，蕴含着极为深刻的物理内容。许多优秀的物理学家都善于抓住大自然的这一闪念，捕捉问题建立假说。作为解剖学教授的伽伐尼，抓住一个纯粹偶然的机会，发现当解剖刀尖碰到青蛙腿上暴露的神经时，蛙腿猛地抽动r一下。对电学十分感兴趣的伽伐尼没有放弃这一偶然的现象，而是立即把它与电流联系了起来。又经过一系列的相关实验，伽伐尼建立了“生物电”学说。尽管这一假说后来被证明是错误的，但伽伐尼关于蛙腿的伸缩本质起因于电流的认识却是正确的，并且这一假说开创，l书磁学研究的新局面，成为电磁学发展历史上的重要里程碑。今天，我们知道不同金属的接触形成T电源，而蛙腿的抽动是由于电流作用于神经引起的。显然，这个现象需要几个条件都具备才有可能发生，机会是很少的。而作为这一现象的发现者，有的见怪不怪，引不起兴趣，任其从自己的鼻子底下溜走了；有的则可能虽然惊奇，但又仅仅是惊奇，而不去深究其原因。而伽伐尼不仅重视了这种现象，并且变换条件做了一系列的实验，然后建立了自己的假说，对这一现象的原因作出自己的解释。

其三，于“出乎预料”中抓住问题。自然界中正在发生和将要发生的现象，许多是我们能够预料的，这些现象的产生条件、发展趋势和最终结果都可以按照人们的要求加以控制。但是，自然界里总有一些现象的发生超出了我们的预料．与人们的预期相径庭。正是这类现象扩大了人们的视野，加深了人们对大自然的认识，推动了科学的发展。当某个出乎预料的现象摆到人们面前的时候，许多人是茫然无措，甚至回避，更有人怀疑是自己的感觉出了问题，把本来正常的现象看做是不正常。而优秀的物理学冢却能够从出乎预料的现象中抓住问题，揭示出现象的本质。

1908年，卢瑟福开始定量地研究放射现象。1909年5月的一天，溢革十分激动地对卢瑟福说：“我们已经能使一些粒子反向了……”这一现象完全出乎卢瑟福的预料，使其大为吃惊。正如卢瑟福自己写道：“这是我一生中从未碰到过的最难以置信的事，就好像你对准一张薄纸发射了一发15英寸的炮弹，它竟被弹了回来并且打在了你自己身上。”面对这一突如其来的现象，卢瑟福进行了异常冷静的深入思考，断定大角度散射一定是一次碰撞的结果，而要发生这种碰撞，原子必定有一个集中了所有正电。几乎所有质量的中心，即原子应该有核。这就从根本上否定了汤姆逊的原子模型，为提出了原子有核模型的假说打下基础。

2．善于解决矛盾

解决矛盾是物理学家建立假说的基本出发点。历史告诉我们，在物理学的发展历程中，哪个时期出现的矛盾越多，则那个时期物理学的发展就越迅速，而且矛盾越尖锐，越难以解决，越可能导致物理学的重大突破和变革。每当物理学的发展处于尖锐的矛盾或深重的危机之中时，总会有伟大的物理学家应运而出，以科学的假说解决矛盾，推动物理学的进展。

20世纪的前四分之一的时间，物理学获得两大突破：一是相对论的发现，另一是量子力学的建立。相对论在高速问题上发展了牛顿力学，量子力学则在微观问题上发展了牛顿力学。二者沿着各自的轨道向前发展，均获得了极其辉煌的成果。而如何将二者结合起来，是20年代末摆在物理学家面前的重大课题。

1928年1月初，狄拉克得出后来以他的名字命名的“狄拉克方程”。这一方程把20世纪两大新兴的物理学分支——相对论和量子论紧密地结合了起来，使原先各自独立的重要事实统一了起来，使原先人为的假说和经验公式成为方程的必然推导结果，因此蕴含着极为深刻的物理意义。但是，这个方程也存在看一个十分明显的问题，这就是负能态解的出现。根据基本方程计算，允许电子的能量为负值，而且负值没有下限，这样，任何有正质量的电子都可以无止境地落入这个负能的“无底深渊”而无限地释放能量，也就是说，所有普通电子都无法存在了。这个结论显然是与事实相矛盾……

若要回避矛盾，只需像解方程中舍去负数解那样排除负能态即可，但这却要以损害方程的完美性为代价；而若要保持方程的完美和谐，就必须正视矛盾，承认不可思议的负能态的存在。

3．敢于突破旧理论

客观地说，任何理论都有一定的适用范围，即真理是相对的。但是，一个理论一旦确立并取得一定的成功之后，人们又总是热衷于追求其普遍性和永久性，希望某一理论能够永远正确地解释一切有关现象。而由于实际条件上的满足，在许多情况下，人们长期在某个理论客观上的适用范围内活动，使得人们可以容易地找出充分的例证来证实某一理论，而不发生例外。这就很自然地使人们认为某一理论是常胜的、永恒的。但是，随着科学的发展，人们的活动领域不断扩大，总会进行超出某理论适用范围的活动，从而产生与理论相悖的反例。

面对新的事实，旧理论的维护者总是试图把它纳入原有的理论体系，而对事实作出片面的、歪曲的解释，并对超出旧理论的解释加以指责和攻击。可见，突破旧理论是需要智慧和胆量的。

物理学的发展历史告诉我们，物理学的每一次重大进展，都是突破旧理论的结果，而伴随每一次的突破，都有几颗璀璨的明星跃升到物理学的上空。这些杰出的物理学家，在物理学发展的关键时刻，能够以高度的警觉洞察新事实的本质，发现旧理论的局限与不足，以无畏的气概，跳出旧理论的窠臼，建立科学的假说，给新事实以全新的解释．开辟新的领域，开拓新的世界。

守恒量和守恒定律是物理学中非常重要的概念，它使得看起来杂乱无章的自然变化呈现出简单与和谐，它能对运动的范围作出严格的限制。由守恒定律的前提出发，可以演绎出许多重要的结论。

例如，从能量守恒定律出发，可以推知第一类永动机是不可能存在的。在物理学的发展中，人们发现了许多守恒定律，如能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒等。1927年，美国物理学家维格纳在研究基本粒子的对称性时又提出了宇称守恒定律。

字称是指基本粒子的一种左右对称性，即粒子的运动规律与它的“镜像”粒子所满足的规律性是一致的。每种基本粒子都有自己的宇称值，宇称值又可分为正宇称和负宇称。

按照宇称守恒定律，粒子相互作用形成新粒子时，反应式两边的宇称必须相等。这一定律在原子光谱分析、原子物理学、核物理学和粒子物理学的许多情况下获得应用和验证，使人们相信它是普遍成立的规律。

1954—1956年间，人们对最轻的奇异粒子衰变过程进行研究，对一种衰变成2个π介子的粒子称为θ介子，而对一种衰变成3个π介子的粒子称为τ介子。精确的测量非常明确地显示出θ和t介子的质量、电荷和平均寿命等都相同。但是，对衰变结果的分析表明，当π介子衰变为3个τ介子时，这3个π介予的总角动量为零，宇称为负；而当θ介子衰变为2个π介子时，如果2个π介子的角动量为零，则宇称只能为正。所以，从质量、电荷和平均寿命来看，θ与τ应该是同一种粒子；而就衰变行为看，如果宇称是守恒量，则θ与τ应是截然不同的两种粒子。这就是旧理论无法圆满解释的“θ—τ之谜”。

问题出现以后，许多人受旧理论的束缚，不愿放弃字称守恒的观念，极力设法寻找θ粒子和τ粒子之间的不同，以证明它们是不同的粒子。但这些努力都失败了，物理学家们陷入迷惘之审，物理学的发展又一次处在了关键时刻。

举一个强有力的，但在弱势相互作用中，以往的实验对宇称是否守恒都不能给出肯定的回答；弱相互作用中，宇称也是守恒的，只是长期以来物理学家们一厢情愿而已。

杨振宁、李政道的假说提出后，绝大多数物理学家持否定态度，他们根本不相信宇称竟会不守恒。被公认为物理直觉异常敏锐、在量子物理发展中几乎是战无不胜的泡利对此更是激烈反对。他在给朋友的信中写道：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我愿出大价和人打赌……我看不出有任何这样的理由认为镜像对称会与相互作用的强弱有关。”泡利预言字称守恒绝不会被破坏，他试图像以中微子假说挽救能量守恒定律一样，试图再次挽救宇称守恒定律。

面对种种反对、怀疑、非难和指责，杨振宁和李政道没有退缩，他们提出用实验来检验假说究竟是否正确，并为此设计出了，具体的实验方案。实验的重任由美籍华人物理学家吴健雄勇敢地承担了起来。

1957年1月15日，哥伦比亚大学举行新闻发布会，著名物理学家拉比宣布吴健雄等人的实验明确无误地证实了在β衰变中宇称是不守恒的，这就无可辩驳地证实了杨振宁、李政道的假说。以后的许多实验都毫无例外地证明，在弱相互作用中宇称是不守恒的。杨振宁、李政道的这一发现，极大地加抹了人们对守恒定律的理解，有力地推动了粒子物理学的发展。

4．勇于接受新观点

从杨振宁、李政道发现弱相互作用中字称不守恒的过程可以看出，冲破旧的理论束缚、建立新的观点是何等的艰难。但是，科学的发展就是一个不断否定的过程。

任何一种学科，如果总是死守原有的理论而无所突破，那么这种学科就失去了生命力。每一种理论不仅有一定的适用范围，而且有它的时效性；随着科学的发展，旧理论总要被新理论包容和代替。

在物理学的发展过程中，一种新观点在冲破旧理论的束缚被提出来后，总会受到保守势力的反对和围攻。但是，从另一方面我们也看到，这些新的观点也总是会得到一些有远见的物理学有的常识和劫持；更有一些物理学家能够勇敢地接受新的观点，并对新观点进行修订补充和发展，使其尽快地由假说转化为理论。

1911年，卢瑟福根据实验数据提出了原子的有核模型。尽管这一模型被实验证明是正确的，但在理论上它却存在着不可克服的致命缺陷，这就是无法解释原子的稳定性问题。作为当时最伟大的物理学家之一的卢瑟福，自然知道自己假说的不足之处，但他能够果断地、义无反顾地提出了一假说，这正体现了卢瑟福的勇气和胆略。

当卢瑟福的模型被普遍怀疑而备受冷遇的时候，玻尔已经敏锐地认定原子的有核模型是正确的，并勇敢地接受了卢瑟福的观点，决心解决卢瑟福模型所遇到的困难。1913年，玻尔先后在英国《哲学杂志》上发表了《论原子和分子结构》“三部曲”。在这三篇划时代的论文中，玻尔抛弃了麦克斯韦的电磁理论，大胆地吸收普朗克的量子观点，提出定态跃迁原子模型，解决了原子的稳定性问题，补充并发展了卢瑟福的模型。

玻尔理论提出了一个动态的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，指出分析光谱是研究原子内部结构的重要途径。玻尔理论的一个重要推论是非常精确地（精破度达万分之二）推出了多年令人不解的里德堡常数。但是，玻尔理论在分布之初，仍然受到大多数人的怀疑和反对。而卢瑟福和受因斯坦等物理学家则对此十分重视和赞赏。在一次学术会议上，当有L介绍完玻尔理论后，持反对态度的劳厄直言不讳地说：“这完全是胡扯！麦克斯韦方程在一切情况下都是成立的。”当时在场的爱因斯坦听了劳厄的发言后，立即站起来发表意见：“你可注意！在它后面一定有点玩意的。我不相信里德堡常数绝对值的推导是完全靠运气。”劳厄和爱因斯坦当时都已是世界最有名气的物理学家，可见由玻尔理论而引发的争论是多么激烈。

玻尔理论的重大胜利之一是成功地解释了匹克林谱线系，致使胜负的天平开始向玻尔一边倾斜。1914年，当弗兰克和赫美的实验为玻尔理论提供了最直接的实验验证时，玻尔理论取得了最终的胜利。

但是，玻尔理论也有严重的缺陷：第一，它只能计算氢原子与类氢原子的光谱，对于稍复杂一些的原子就显得无能为力了；第二，即使对于氢原子，也无法计算出光谱线的强度；第三，它既不是一贯的经典理论，也不是一贯的量子理论，而是用某些特殊的量子规则取代无效的经典理论而拼凑起来的，所以理论结构本身缺乏逻辑性。

1916年，爱因斯坦以玻尔的原子结构理论为基础，深入研究了分子的吸收和辐射的过程，发表了题为《关于辐射的量子理论》的论文。

爱因斯坦考虑了在温度为T时与辐射平衡的气体，认为在分子和辐射场之间不断进行着的能量交换下维持着分子分立能态的稳定分布。论文中论述了，辐射的两种形式：自发辐射和受激辐射，并且讨论了光子和分子之间的两种相互作用：能量交换和动量交换。前者是激光的理论基础，后者是康普顿效应的理论基础。

爱因斯坦的工作，概括了量子论第一阶段的成就；普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的研究成果结合为一个合乎逻辑的整体。由思想贯穿于其中，从而为量子论下一阶段的发展指明了方向。