物理实验与物理研究

第二节　物理实验与物理研究

从物理学发展的历史看，物理实验是物理学理论的基础，也是物理学发展的基本动力。物理实验在物理学发展中的作用主要表现在以下几个方面。

发现物理规律，建立物理理论

在经典物理学的发展中，伽利略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻义耳的空气压缩实验等都为经典力学提供了实验事实，并建立了新规律；在电学方面，库仑定律、欧姆定律、法拉第电解定律和电磁感应定律等的建立，无一不是在大量的实验基础上做出来的；在光学方面，光的干涉、衍射、偏振等现象也都是首先在实验中发现的。

在19世纪和20世纪之交，正当人们纷纷认为物理学已经发展到顶点的时候，也正是x射线、放射性和电子等的发现，打破了沉闷的空气，揭示了经典物理的不足。从而开拓了新的领域，诞生了现代物理学。这一切，都说明了实验是物理学理论的基础。

物理学家为了探索自然的奥秘，不惜从事十几年、数十年的艰苦实验。例如，电磁感应定律就是法拉第经过10年的实验探索发现的。在此之前，于1820年，奥斯特在实验中发现通电导线能够使磁针发生偏转，安培通过实验证明了通电螺线管具有和磁铁相同的作用，戴维发现铁或钢材被通电导线环绕时能变成磁铁。这些发现说明电流能够产生磁场。善于思考的法拉第由此得到启示，并提出“磁有可能转化为电”的设想。

1822年，他开始了艰苦漫长的“转磁为电”的研究工作。他采用多种方法，如把大小不同的磁铁放在连有电流计的线圈附近的不同位置或把一根通有电流的导线靠近一根未通电流的导线等等，均未发现有电流产生。虽然成百上千次的实验都失败了，他却一直坚持了近10年。

1831年10月17日，当法拉第将一磁铁插进连在回路中的线圈的瞬间，回路中电流计的指针偏转了一下；但是，当磁铁在线圈中不动时，电流计指针不动；当把磁铁从线圈中取出的瞬间，电流计的指针又动了一下。法拉第接着又做了一系列类似的实验，都宣告了“转磁为电”的成功。之后，他又对该课题进行了深入的实验研究，从而总结出具有划时代意义的电磁感应定律，为开创人类的电气化时代奠定了基础。又如，美国科学家富兰克林，曾在雷电交加的暴风雨中冒着生命危险进行了“捕捉雷电”的实验，从而明确了电学中的四个问题：空中有电；云中闪电与摩擦生的电性质相同；天空中的电可以被“捕捉”；带着闪电的物体与带电体之间具有相似性。他还根据实验结论发明了避雷针。

科学实验也是发明家取得成功的必由之路。例如，爱迪生一生中曾获1093项发明专利，其中科学实验方法起着重要作用。爱迪生发明白炽灯时，为了寻找制造灯丝的合适材料，曾先后用l600多种矿物和金属材料进行了几千次实验，前后历时13个月，终于在1878年10月研制成功了一只炭化竹丝灯泡，亮度达40烛光。

物理实验作为一项独立的社会实践，它是人们认识自然、改造自然的重要途径。

人们只有通过变革自然界的活动，才能获得关于自然界的现象和本质的种种感性材料，并在概括大量感性材料的基础上，发现物理规律和建立物理理论。

人们单靠思维和埋论是无法变革自然界的，这是因为思维和理论本身不可能在目然界引起任何变化，也不能使它自己变成现实。为了变革自然或者把思维变成现实，人们必须运用自己的器官掌握和使用物质手段作用于自然界，从而发现规律、建立理论，而用各种仪器设备武装起来的物理实验就是人作用于自然界并引起自然界变化的物质手段。除非通过人和自然界的这种物质作用，任何天才也是不能凭空发现物理规律和建立物理理论的。

验证物理假说，检验物理理论

通过实验不仅可以发现物理规律、建立物理理论，而且还能验证物理假说、检验物理理论的真伪。所以，实验既是建立理论的源泉，又是检验理论真理性的最终标准。

例如，1968年美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆提出了新统一假说，认为弱相互作用和电磁相互作用是统一的，并提出一套理论进行论证。但是，这一假说遭到一些物理学家的怀疑。

1979年美国物理学家莫玮和中国物理学家王祝翔等人合作，在美国费米实验室成功地进行了μ中微子和电子的碰撞实验，使弱相互作用和电磁相互作用实现了基本统一，从而验证了温伯格假说的正确性。同年，温伯格和萨拉姆荣获了诺贝尔物理学奖。

又如，1956年李政道、杨振宁提出的“弱相互作用下宇称不守恒”假说，后来被吴健雄的实验所验证，并使他们荣获了诺贝尔物理学奖。

1934年，布拉凯特和奥基亚利尼的研究证明，如果以能量足够大的y射线量子轰击原子核，则在原子核附近同时转变成电子和正电子（y→e^－＋e^＋）。与此相反，克列姆佩累尔则证明，当电子和正电子相撞时，可以彼此湮没而产生两个γ射线量子（e^－＋e^＋→2γ）。在此过程中，它们的全部质量（静质量和运动质量）也将按爱因斯坦的质能关系式转变为辐射能。

1949年，迪蒙德用晶体分光计测量了这种“湮没辐射”的波长为2.43×10^－10厘米，与预先的计算相一致。这样，使得基本粒子的一些概念不得不作根本的修正。在此以前，认为基本粒子是不可能创造和不可能消灭的单个个体，它们在一切变化过程中始终保持其自身。但是上述实验结果说明，这种观念至少对于电子和正电子来说是不符合实际的。其他的理论，诸如麦克斯韦的电磁场理论，也是只有当他预言的电磁波被赫兹的实验证实后才真正成为电磁理论的基础；爱因斯坦的光电子假设，直到1916年被密立根的严密的光电效应实验证实后，光的波粒二象性才为人们接受；德布罗意的物质波假说，也是在发现电子衍射后才得到肯定的。可见，通过实验可以验证假说、检验理论的正确性。

物理实验之所以能够充当验证物理假说的依据、检验物理理论的标准，是由于物理实验具备检验科学真理性的根本属性。我们知道，物理理论是人的思维对于自然界规律性的正确反映。作为检验这种反映正确与否的标准不能是理论本身，而必须是某种同理论有原则区别的东西，因为理论本身不能作为自己真理性的标准，同时又不能是客观对象本身，原因是纯粹的客观对象并不能证明理论与对象是否一致。另一方面，作为标准，必须具有把人的思维同客观世界联系起来的特性。物理实验恰恰兼备了这一特性，它既是一种区别于精神活动的物质活动，又是客观事物同人所需要它的那一点联系的实际确立者。

完善理论体系，发展物理理论

通过实验方法还能不断地完善理论体系、发展物理理论。例如，1897年汤姆逊发现了电子，从而否定了原子不可分的观念，并进而提出了枣糕式原子结构模型，认为原子是由电子均匀镶嵌在其中的实体球。

1909年，卢瑟福进行了著名的α粒子散射实越，显示了汤姆逊模型的缺陷。于是，卢瑟福于1911年又提出了核式原子结构模型，但这一模型与实验结果还存在着矛盾。此后，玻尔又提出了具有量子化条件的原子结构模型，但是仍未摆脱经典电磁理论的束缚。

20世纪初发展起来的量子力学和相对论，再次给出了量子力学的原子结构模型，使之更接近真理。这样，原子结构的理论在连续不断的实验探索和理论研究中逐渐完善和发展。

又如19世纪末20世纪初，人们相继发现了x射线、电子、天然放射性等用经典物理学无法解释的实验事实；迈克尔逊一莫雷实验否定了以太的存在，导致了相对论的建立；黑体辐射的实验事实最终导致了量子力学的产生。这些都是通过实验完善物理理论、发展物理理论的典型事例。

还应指出的是，物理实验在改造自然方面也有着特殊的作用。物理实验可以看做物质生产活动的一种特殊准备和试探，它可以用小规模试验代替大规模的生产活动，以较小的代价来换取生产中的胜利。

现代社会的许多技术如蒸汽技术、电工和电子技术，都离不开实验。各种发明刨造，都是经过大量的实验研究才日臻完善的。光谱学、激光、核磁共振、穆斯堡尔谱学、超导器件等，都凝聚了实验物理学家的心血。

测定常数

物理学中的常数有两类：一类是物质常数，如比热、电阻率、折射率等，这些常数在一定条件下会随某一因素而改变；另一类是基本常数，如真空中的光速、基本电荷、普朗克常数等，它们是物理学中的普适常数。

在物理学中，大量的实验是围绕常数进行的，基本常数的研究和确定在物理学发展史上更是占有极其重要的地位。例如，万有引力常数的数值，从牛顿发现万有引力定律以来一直是人们试图测准的对象。

常数之间的协凋是检验物理理论的重要途径。基本物理常数的协调不仅是物理学，也是科学技术的重大问题，因为每次协调都是通过大量实验在取得了众多新的研究成果的基础上做出的。例如，光速是现在测得的最准的基本物理常数之一。1983年第17届国际计量大会决定以“光在真空中在秒的时间间隔内行程的长度”作为“米”的新定义，这样就从根本上免去了长度单位的物质基准。

总之，随着人们认识水平的提高和科学技术的发展，物理实验会愈来愈广泛地被利用，并在现代物理学研究中占有越来越重要的地位。因此，掌握物理实验方法，充分发挥它的功能，有着重大的意义。

这里还要特别指出的是，作为一年一度的物理科学的最高奖励一诺贝尔物理学奖，1901—2001年共有110位获奖者，其物理发现的艺术——物理探索中的机智运筹中因实验而获奖的科学家就有103人，约占94%。正如张文裕先生所论述的：“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。”丁肇中在1976年荣获诺贝尔物理学奖时写的一封信中说：“事实上，自然科学理论不能离开实验的基础。特别物理学是从实验中产生的。”