物理观察的原则

第三节　物理观察的原则

观察作为科学研究的基本方法，也是科学发现的重要途径，它有着自身的内在规律性和基本原则。掌握观察的内在规律，遵循观察的基本原则，观察就能获得成功，就能获取有价值的材料或作出重大的科学发现；反之，则只能导致观察的失败，甚至得到一些错误的结论，干扰或阻碍科学发展的进程。从物理观察的角度进行分析研究，观察实践中必须遵循以下几个原则：真实性原则、全面性原则、典型性原则。

真实性原则

真实是科学研究的灵魂，对观察当然也不例外。物理观察的基本任务是为建立或验证某种科学理论而提供事实材料。所以观察材料是否真实，直接关系到相应的科研成果的真实性，即关系到相应的科研成果的价值。

不坚持观察的真实性，凭着想像作出结论，必然使科学研究走向谬误。20世纪初的“N射线”的发现就是一个典型的造假事件，曾在物理学界引起一阵轩然大波。1895年，伦琴发现了x射线，引起了全世界的轰动。紧接着的1897年，卢瑟福在深入研究了放射性现象时，发现了α射线和β射线。3年后的1900年，维拉德进一步研究放射性现象，又发现了穿透力极强的γ射线。几种射线接连被发现，使人激动，令人鼓舞，更让人有点眼花缭乱。又过了3年，1903年，法国科学院院士、南希大学教授贝·布伦德洛宣布他又发现了一种新的射线——“N射线”。不久，至少有14位法国科学家声称也观察到了“N射线”。于是，“N射线”一时成为法国科学界的热门研究课题。

1904年，法国科学院还向布伦德洛颁发了荣誉级别极高的格兰德奖，以表示对布伦德洛工作的肯定，并鼓励其继续研究下去。在科学院的鼓励下，“N射线”的研究在法国更加活跃，大量的研究论文在科学院的《报道》上发表；同时，一场可笑的优先权之争也开始闹得沸沸扬扬。

当“N射线”被发现的消息公布后，各国的物理学家在重复实验时，却无论如何也观察不到“N射线”的存在。这些物理学家中包括英国的开尔文、克鲁克斯，德国的卢麦尔、鲁宾斯和美国的伍德等世界最杰出的实验物理学家。于是，“N射线”的真实性受到了普遍的怀疑。经过商讨，物理学家们决定推举伍德亲赴法国，去实地考察一下“N射线”究竟是怎么回事。当伍德走到布伦德洛实验台前时，终于弄明白了，原来主人们是凭人眼观察火花亮度的强弱来判别“N射线”是否存在的，而实际上火花的亮度根本就没有发生变化，也就是说，根本就不存在什么“N射线”，“N射线”只是凭感觉主观臆造出来的东西。考察结束后，伍德把他的考察结果发表在英国的《自然》杂志上，彻底地否定了“N射线”的存在。此后不久，“N射线”的闹剧终于收场。

应该说，科学家在进行某项观察时，总是不可避免地带有一定的主观色彩，但是，真实地描述观察结果、实事求是地记录观察事实是科学家基本的品质要求。

1912年，密立根在完成了那个著名的液滴实验后，决定开始第二项科研课题，即用实验检验爱因斯坦的光电效应理论。从一开始起，密立根就激烈地反对爱因斯坦的“天才猜想”，他要用事实彻底否定爱因斯坦的“关于能量转化的电磁光微粒假说”。他认为爱因斯坦光量子理论是一种“不可思议的”、“大胆的”和“粗枝大叶”的学说，呼吁人们“抛弃这种学说”。然而，经过3年的艰苦工作，密立根却得到了与他自己的预想完全相反的结果，即实验观察事实非常好地证实了爱因斯坦光电方程的正确性。

1916年，密立根写道：“我有时想，我有与那个方程不相容的证据，但当我工作的时间越长和我排除错误的来源越彻底，我发现那个方程能够更好地预言观察的结果。”不囿于自己的陈见，尊重观察事实，使密立根获得了成功，同时也促进了物理学的发展。

1923年，在密立根获得诺贝尔物理奖的仪式上，高斯特兰指出：“如果密立根关于光电效应的研究给出了不同的结果，爱因斯坦方程可能就没有价值了，玻尔理论也就失去了支持。”

全面性原则

物质的存在、运动和发展，有着自身的空间分布和时间演变。观察的全面性原则就要求人们从不同的角度、不同的时间对果一对象做全面的观察，全面地、系统地、动态地了解和掌握观察对象及其运动规律。

客观地说，人类认识事物总是由浅入深、由片面到全面的。但是，当有些人对某个事物有了一定的认识后，往往就认为已经全面和完整地把握事物了，而不愿做更深入、更全面的观察和分析；更有甚者，在听到与自己观点不同或相反的见解时，则无法容忍，拒绝接受。

1666年，牛顿解决了光的色散课题后，确立了颜色的理论，由此色差的原因也就明白了，所以在应用技术上迫切需要消除的望远镜、显微镜的色差问题有望很快得到解决。牛顿进一步设想，如果不同的物质具有不同的折射率，则色差就可以由不同折射率的透镜组合得到消除。牛顿设计了这样一个实验：在一个注满水的棱形玻璃容器里放入一个玻璃棱镜，观察光线通过它们时如何变化。牛顿认为，如果不同物质具有不同的折射率，则这种水与玻璃的组合体一定会使折射光发生变化。但十分遗憾的是，牛顿多次重复这个实验，却没有看到折射光线的变化。于是，牛顿通过有限的实验事实，得出一个普遍的推论：所有不同的透明物质是以相同的方式折射不同颜色的光线，而折射必然引起色散，所以望远镜的色差问题是无法解决的。

牛顿得出这个错误的结论，原因就出在他的观察足极不全面的，他错误地将仅仅依据一次水与玻璃的组合实验所得出的结论，推广到所有的透明物质。更让牛顿万万没有想到的是，造成这种实验结果是由于他所选用的玻璃恰好与水有着相同的折射率，因此折射光线不发生变化就是必然的。设想牛顿如果当时能选用几种不同品种的玻璃重复几次上述实验，这次偶然的巧合所得出的错误结论也许就会被纠正。而牛顿没有这样做，并且当别人把正确实验结果告诉他时，他却固执地拒绝接受。

卢卡斯是与牛顿同时代的一位光学爱好者，他重复了牛顿的实验。由于他用了与牛顿不同品种的玻璃，所以得到了与牛顿完全不同的结果。卢卡斯非常吃惊，并将自己的观察结果告诉了牛顿。而负有盛名的牛顿根本不相信自己会出错，完全没有在意卢卡斯的结论。直到牛顿去世，人们才发现他的结论是错误的。人们通过更全面的观察发现，不同的透明物质具有不同的折射率，因此用不同品种的玻璃制成的消色差复合透镜很快就被研制出来。

1758年，伦敦的光学仪器商多朗德终于制成了消色差望远镜，引起了科学界的轰动。这一科学发现和技术改革，由于牛顿的片面性结论而延误了，将近1个世纪！

事物的本质特征往往是通过多种多样的形式逐渐地或分散地表现出来的，偶然观察到的某个现象也许可以在一定程度上反映事物的本质，但是，某个侧面、某个时间的观察材料毕竟太不全面了，由此作为结论的基础肯定是不牢固的。只有对事物做全面的、多角度、多层次的观察，才能发现事物的最本质的特征。

1821年，就是奥斯特发现电流的磁效应之后的第二年，英国《哲学年鉴》杂志的主编约请戴维撰写一篇文章，介绍奥斯特的发现涎生一年来电磁学研究的进展情况。戴维把这个任务交给了法拉第。一贯严谨的法拉第花了好几个月的时间研究了当时能找到的所有有关电磁研究的文献，并重复了别人做过的各种实验，最后写成了《电磁学发展历史概论》一文。通过对各种研究文献的全面研究和对各种实验的全面再观察，法拉第对当时电磁研究的情况有了比较全面的了解，由此，他敏锐地感到，这一领域就是物理学的前沿和生长点。于是，他迅速地把自己研究的重点转移到电磁学上来，决心用自己的努力开创电磁学研究的新局面。

在奥斯特电生磁发现的启发下，法拉第首先想到的是“磁生电”的问题。1822年，他在日记中写下了“磁能转化成电”这一被爱因斯坦誉为“标志着科学的真正进步的光辉思想”。之后，法拉弟为此做了长期的、艰苦的和全面细致的实验观察，直到1831年取得成功。在这期间，法拉第设计了许多精巧、独到的实验，从多种角度去探索“磁生电”的可能性。以下是从《法拉第日记》中摘出的几个片断，从中可以看到他的良苦用心：

“1824年12月28日，指望流过一导线的电流在向导线靠近的强力磁极的影响下，会在导线的其他部分显示出反作用的某种效应一但未能看到任何这类效应。功率由2对至30对4时电池极板。电路做成长、短的，用中等的铜线，很纯的银线，指针放入电流计内，磁极放入一螺线管内，等等，等等。尽管磁极强得使导线的弯处在它的作用下绕过它，但磁铁对电流却似乎毫无影响，因为若有影响则电流强度的变动将会通过放在导线较远部分旁边的磁针显示出来。”

1825年11月28日，伏打电池连接导线的感应实验。4组电池，每组十对极板，并排放置。

实验Ⅰ电极用一根4尺长的导线连接，和它平行放置着另一条类似的导线，两条导线相隔仅2张纸厚的距离。后一导线两端接在一个电流计上，没显示作用。

实验Ⅱ电池的电极用白色的螺线管连接，一根直导线穿过它，并且其两端与电流计相连。一无效应。

实验Ⅲ电池的电极用直导线连接，它上面是一个两端与电流计相连的螺线管。一无效应。

无论任何方式都不能从连接的导线得到任何明显的感应。

1828年4月22日，用清洁铜线做一个环，把端点焊死，用线把它同一段导线固定在一起，并把它吊起来如同一个扭秤，让一个强力条形磁铁磁极穿过此环，假设它可以对之施加影响，但用其他磁铁移近导线无论放在何处都观察不到什么效应。

“让马蹄形磁铁的中部和其他部分转向两端衔接的导线，但这闭合回路什么效应也不产生。”

“用末端绞合在一起而不焊接的铜环重复以上实验，但未得到有用的结果。也曾交替使用铂和银等组成的环重复实验，但仍未获得直接结果。”

从这里－我们可以看到，在静态的稳定的感应观念下，法拉第的观察已经是相当全面的了。他不断改变着电流的大小，磁场的强弱，导线的材料、粗细、长短、形状、相对位置和耦合关系，还有测量仪器的精度，等等。而在不断变换方式仍未观察到预计的效应时，法拉第并没有灰心，他相信磁一定可以生电，之所以没能观察到应有的效应，肯定是自己的观察还不全面。

经过近10年的苦苦追寻，1831年8月29日，法拉第终于观察到了第一个电磁感应效应，明白了电磁感应原来是一个瞬态效应。这一发现使法拉第异常激动，但他同时又相当克制。他并不急于公布这一发现，而是要对它进行全面的观察。9月23日，他在给朋友菲力浦斯的信中写道：“我现在又忙于电磁的研究，并且认为抓住了一点好东西，但是还不能说明白。它可能是杂草而不是鱼，竭尽全力，我终究可以把它拉出来。”为了全面地研究他的发现，总结出电磁感应的规律，法拉第又花了3个月的时间，做了几十个不同的实验，直到1831年l月24日才向皇家学会提交了他的报告，而到了1832年6月11日，同类实验记录编号已到了441。

在1831年11月24日的报告中，法拉第根据自己的几十个实验观察的结果，把产生感生电流的情况归纳为5种类型：①电流的变化；②磁场的变化；③通有稳恒电流的导线的运动；④磁铁的运动；⑤导体在磁场中运动。进一步，法拉第又把这5种情况归纳为由电流引起的和磁铁引起的两类，并指出，按照安培理论，二者是相同的，只是表现形式有区别，须进行进一步的研究。由此可见，法拉第通过全面的观察研究，对电磁感应做出了全面的、深入的、本质的描述。

从电磁感应发现的过程，我们可以看到法拉第在课题选取前、课题研究中以及在课题研究取得突破之后，都表现出异乎寻常严谨的科研作风。也正是坚持了全面性原则，法拉第才能看得比别人远，看得比别人深，看到了别人看不到的东西，为物理学发展做出了伟大的贡献。

典型性原则

物质的运动和存在形式是复杂的、多样的，即使我们研究的是物质的某一类特性或某一类物质所具有的某个特性，情况依然是极其复杂的。我们既不可能观察和研究物质的所有运动形式和存在形式，也不可能对具有某种特性的所有客体进行逐一的观察和研究。在具体的科学观察和研究中，我们只能选取有限的客体进行观察研究，并从中找出规律性的东西。很显然，我们所选取的那个或那些客体，必须在类群中具有良好的典型性和代表性。只有这样，从这些少数的客体上所获得的结论，才能够顺利地推广到其类群中去。

从表面上看，典型性似乎与全面性相矛盾，实际上二者既是对立的又是统一的。典型性是针对人的观察能力的局限性提出来的，是以服从全面性为前提的，受着全面性的制约。反过来，全面性又是以典型性为基础，通过一次次的典型性观察来实现的，没有典型性就没有全面性。

牛顿曾经用水与玻璃的组合体观察折射光变化的例子。按照全面性的要求讲，牛顿仅凭一种玻璃与水组合的一组实验观察就得出结论，显然是太片面了。而按照典型性的要求讲，巧就巧在牛顿选用的玻璃正好与水的折射率相同，它不能代表一般的玻璃与水组合的特性，太不具有典型性了。如果牛顿能从全面性原则出发，换几种玻璃多做几组实验，问题肯定能够搞清楚，进而能得到正确的结论。而如果牛顿一开始选用的玻璃就具有与水不同的折射率，那么，这一次的典性实验也可能得出正确的结论。由此可见，全面性和典型性在一定的条件下，对科学观察起着相同的作用。在实际的科学观察中，既要注重全面性，又要注重典型性。

托里拆利实验是我们所熟悉的。在这个实验中，托里拆利选用水银作为实验物质，这有着很好的典型性。因为水银具有比较合适的密度，使得实验中水银柱的高度不至于太大也不至于太小，而是维持在76厘米左右，这既便于观察读数，也便于操作。水银虽然密度很大，但它仍然是一种液体，又具有了一般液体的通性。所以，托里拆利通过这个典型实验，得到了广两个极有价值的结论：一是证明了大气压的存在，并指明了大气压的测量方法；二是证明了真空的存在。进一步对托里拆利实验进行全面推广观察的是帕斯卡。

1646年10月，帕斯卡用他自制的12米长的玻璃管，分别用水和葡萄酒代替水银重做了托里拆利实验并获得成功，得到了与托里拆利相同的结论。据此，帕斯卡指出：“真空在自然界不是不可能的，自然界不是像许多人想像的那样以如此巨大的厌恶来避开真空。”不仅如此，1648年帕斯卡还和他的助手们分别在塔底和塔顶、山下和山上，对大气压强进行了对比性观察，发现了大气压强随高度的增加而减小的规律，扩大和加深了人们对大气压规律的认识。这里，我们很清楚地看到了托里拆利实验的典型性意义，同时也看到帕斯卡重复和推广实验的全面性意义！

从典型性的要求讲，在实际的观察中，不但要选择典型的观蔡对象，而且要选择适合观察的典型条件。一般说来，观察条件包括空间条件和时间条件。前者是指观察者与观察对象的相对位置及周围环境，后者则是指时机的把握；后者是服从于前者，为前者服务的。选择典型的观察条件，就是要选择有利于观察的位置、环境和时机。

宇宙射线的发现和研究，在现代物理中占有一定的地位，许多新粒子都是首先在宇宙射线中发现的。

1903年，卢瑟福和库克发现，如果小心地把所有的发射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约10对离子产生；当用铁和铅把验电器完全屏蔽起来后，离子的产生可减少约3/10。他们得出的结论是：有某种类似于γ射线、贯穿力极强的辐射从外面射进验电器，从而激发出二次放射性，但他们未能确定辐射的来源。

1909年，莱特在加拿大安大略湖的冰面上重复卢瑟福和库克的研究，发现离子的产生有所减少。由此，他猜想可能是离地面较远的原因。

1901年，沃尔夫在巴黎埃菲尔铁塔300米的塔顶上做实验，比较塔顶和地面验电器残余电离的强度，结论是塔顶约为地面的64%，比他预计的10%要高。据此，他认为要么大气上层存在着辐射源，要么地面的辐射经过大气的吸收比预期的要小。那么，这种特殊辐射究竟来源于哪里呢？占上风的看法是“来源于地上”。

1911—1912年，奥地利物理学家赫斯先后用10只气球，把观察记录装置送入不同的高空对辐射进行研究。当气球升至1070米高时，辐射与海平面差不多。在一次把气球升至5350米并连续精确记录的结果是：起初辐射有所下降，800米以上似乎略有增加，在1400—2500米之间显然超过海平面的值，到5000米时已数倍于地面了。

1912年，赫斯在《物理学杂志》上发表了题为《在7个自由气球飞行中的贯穿辐射》的论文，得出如下结论：“这里给出的观测结果所反映的新发现，可以用下列假设作出最好的解释，即假设强大穿透力的辐射是从外界进入大气的，并且甚至在大气底层的计数器（指游离室）中都会产生游离。辐射的强度似乎每小时都在变化。由于我们在日食时或在晚间进行气球放飞都未发现辐射减少，所以我们很难考虑太阳是辐射的来源。”至此，宇宙射线被发现了。我们不难发现，赫斯比其他研究者的高明之处，在于选取了更合适、更典型的观察位置和观察时机。可以设想，如果赫斯也把观察的范围选在地表或近地大气层，那么，他也肯定无法判别这奇异的辐射究竟来自哪里。