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看了姬揚老師轉載曹則賢老師的《天大的誤解——物理學是一門實驗的科學》，這是一個有啟發(fā)和爭議的文章，值得同行的關注和研究。物理學如果不是一門實驗的科學，那么是一門什么樣的科學呢？我也有些自己的體會，說說物理學的實驗和理論。 就人類發(fā)展史和科學發(fā)展史上來看。幾乎所有的研究都是從現象到本質的過程。首先是發(fā)現了一些現象和規(guī)律，通過歸納、演繹升華為理論，然后理論又回到實驗去驗證和指導，就是螺旋式上升的研究和思辨過程。但起點無疑是發(fā)現現象和實驗。 現代科學起源的一個突破點，無疑是將數學成功地運用到物理學的研究中，于是才有了深入的公式化、數字化的理論，才有了現代科學的發(fā)展。數學起到了很大的作用。一方面數學給出了物，或者物與物之間的數量關系，起到了計數器的作用；另一方面，是利用數學找到了符合物理運動規(guī)律的關系，利用這個關系，人們就可以進行設計和驗證，進而可以預言。數學是一個很好的實驗工具，數學更是對物理現象、規(guī)律的近似描述。物理學中的一個重要模型就是質點模型，比如，把地球、電荷當作一個質點，后來人們發(fā)現了質點間相互作用隨距離平方反比的關系。沒有數學，物理的規(guī)律便‘養(yǎng)在深閨人不知’。是數學使物理這個灰姑娘穿上了美麗的水晶鞋，水晶鞋是否合灰姑娘的腳就需要人們通過實驗和理論一步一步來驗證和自洽了。 看看人類歷史上最初那些璀璨的發(fā)現發(fā)明，無疑不都是從實驗、觀察開始，無論是巧合還是有意為之，哪里會有天上掉餡餅呢？物理學的發(fā)展如何離得開實驗和觀察呢？又會如何憑空造出物理規(guī)律？如何憑空臆想出思想？離開了觀察、實驗，一切都是無源之水，一切都是空中樓閣。 天文學的發(fā)展無疑是較早的。為什么？人類為了生存，要掌握一年四季的變化規(guī)律，要根據天氣來種植作物，因此，對天文現象的觀察和記錄就顯得尤為重要，天文學的發(fā)展無疑是從農業(yè)的發(fā)展開始的，是從人們實際生活需要發(fā)展而來的。天文學上一個著名的人物是丹麥天文學家第谷(1546年出生)，他幾十年如一日對大量天體運行規(guī)律的觀察，無疑促進了他的學生德國天文學家開普勒（1571年出生 ）對這些規(guī)律的總結，從而凝練和揭示了行星運動的三大規(guī)律。 現代科學起源的一種主要說法是意大利數學家、物理學家和天文學家伽利略(1564年)將數學運用到物理中去。伽利略發(fā)現教堂鐘擺的周期性，利用望遠鏡的對天體和太陽的觀察和研究。在研究斜面物體下滑時，將數學運用到其中。數學的運用極大地提升了人們對物理現象和規(guī)律的認識。 英國的物理化學家法拉第（1791年出生）發(fā)現的電磁感應現象無疑是另外一個極有力的例證。1831年，法拉第發(fā)現當一塊磁鐵穿過一個閉合線路時，線路內就會有電流產生，這個效應叫電磁感應。而這一年誕生了另一位偉大的英國物理學家麥克斯韋。在這一年之前，關于電磁現象的另兩個最基本的實驗定律：庫侖定律（1785年），畢奧-薩伐爾定律（1820年），已被總結出來。1855年至1865年，麥克斯韋在綜合歸納分析庫侖定律、畢奧—薩伐爾定律和法拉第定律的基礎上，把數學分析方法帶進了電磁學的研究領域，導致麥克斯韋電磁理論的誕生。這無疑是從實驗到理論的升華，無疑是人類科學史上流芳百世的例證。
這樣的例子數不勝數。阿基米德的浮力定律，倫琴發(fā)現X-射線，從太陽光譜中發(fā)現了量子力學（整數），光電效應的發(fā)現，半導體壓阻效應的發(fā)現，霍爾效應的發(fā)現，青蛙電，弗蘭克林的風箏電實驗……. 隨后才逐漸形成了各種學科。 還有，還有，還有那夢中的橄欖樹，橄欖樹---孟德爾(遺傳學奠基人，奧地利，1822年出生)的豌豆實驗。他通過豌豆實驗，發(fā)現了遺傳學三大基本規(guī)律中的兩個，分別為分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。 呀！都跑到生物學領域了！你快回來！實驗因你而精彩。
難道就沒有反例嗎？DNA雙螺旋的發(fā)現似乎是一個反例。曾經人們一直猜測DNA的結構，到底是雙鏈還是三鏈結構？1953年，沃森和克里克發(fā)現了DNA雙螺旋的結構，開啟了分子生物學時代，使遺傳的研究深入到分子層次，人們清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑。人們一直推測其結構，但最終還是通過X射線衍射實驗證實了，這更是理論和實驗完美結合的例證，但完完全全是科學實驗驗證了人們的猜想。
因此，無論是物理模型的構建，還是思想理論的演繹，都來自于實驗的啟發(fā)和誘導。
物理學研究的本源是什么？其實很簡單。物理學的研究就是就事論事，就物講理，追本溯源，在人類好奇心的驅動下，一個從現象到本質的發(fā)現過程。以現象為出發(fā)點，以實驗為依托，以數學來擬合。而只有在大量實驗結果之上，才能構建出理論的指導。數學恰是描寫這一規(guī)律和過程的有利工具。物理學研究不是無中生有和捕風捉影。再好的理論，也需要實體實驗的作為骨架。數學首先是輔助性的工具，然后通過數學人們又進一步認識到物理世界的本源。因此，對物理現象和規(guī)律的描述，數學所起的作用，首先是近似，繼而形似，然后才是神似，到最后，二者融為不可分割的一體。 一種理論的發(fā)展和成熟有時候反而會阻礙人們的發(fā)明或發(fā)現。比如，傳統(tǒng)固體物理學理論，關于晶體內部的周期性排列，已經發(fā)展得很完備了（德國物理學家，1850年）。其中，認為涉及到晶體內平移對稱結構只存在1，2，3，4，6度旋轉軸的存在，理論上無論如何都不存在5度旋轉軸。但后來，人們居然發(fā)現還存在著一種具有5度旋轉軸的晶體結構，即準晶。準晶體是一種介于晶體和非晶體的結構，它完全有序，但又不具備平移對成性。2011年諾貝爾化學獎授予以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼，表彰他發(fā)現了準晶。這讓人們重新認識和審視已經建立起來的晶體結構知識構架。理論再美，也得等待實驗的公證。 一種提法，是以理論為骨架，這也值得商榷。之所以能夠以理論為骨架，是因為基于大量實驗的基礎上，對理論的成功運用。比如，牛頓的一元二次微分方程在物理學中的運用。因此，所有的一切還應以實驗觀察為切入點，在具備一定知識儲備后，才能形成我們對某一學科體系的認識，即科學觀，進而指導我們的實驗和理論。 老一輩科學家說過，實踐是檢驗真理的唯一標準，此言誠不虛也。實驗用來驗證理論，理論又反過來驗證實驗，只有這樣才是唯一出路。如今的大科學研究，無論是西格斯子的研究，還是引力波的研究，都是用來驗證和發(fā)現。理論的出口就是實驗，實驗是理論終極的檢驗，理論是服務于實驗的。正確處理二者的關系，做到有主有次，有輕有重。即不要輕視物理現象，又不要過分依賴模型。在人類認知能力的范圍內，人類只是在不斷地近似摸索出大自然所隱含的規(guī)律。有人說，有些數學研究是屠龍之技，這也未必，因為人類可能還沒有發(fā)現找到適合它的物理對象。科學研究中，要重視實驗發(fā)現和出現的問題，然后是有的放矢的構建模型，也就是數學化的過程。 你做了一系列實驗，發(fā)現了一些現象，但沒有找到規(guī)律。這就恰如：玉在櫝中求善價,釵于奩內待時飛。你或許幸運了，發(fā)現在等待著你，就看你能不能找到好的模型和數學。如果你找到了好的數學表達，那恰如：好馬配好鞍，好車配風帆。不過，還是用一句更白的話來描述會更恰當：人靠衣裳馬靠鞍。 我們總是試圖通過實驗來驗證理論，又通過理論來指導實驗。實際上，二者不可偏廢，但主體還是實驗。關于實驗與思考，‘百度’里記載了一個有趣的故事。不妨全文抄錄于下。
英國劍橋大學的卡文迪許實驗室，一直堅持這樣的規(guī)定：每天下午六點整，老資格的研究人員來到實驗室，宣布時間已到，要求每個人停止工作。如果誰不遵守，他們便引用盧瑟福的話加以勸導。盧瑟福說過：“誰未能完成六點前必須完成的工作，也就沒有必要拖延下去，倒是希望各位馬上回家，好好想想今天做的工作，好好思考明天要做的工作?！蹦鞘且惶焐钜?，盧瑟福披著外衣，又來到實驗室檢查，驚奇地發(fā)現有人還在做實驗。由于低頭，又十分專心，那學生沒發(fā)現盧瑟福站在他的身后。盧瑟福輕聲地問道：“你上午干什么？”學生回頭一看，是盧瑟福，他馬上站起來，小心地回答：“做實驗?！北R瑟福又問：“那么，下午呢？”學生回答：“做實驗?！北R瑟福提高了聲調，再問：“晚上呢？”學生以為老師在表揚他，得意地回答：“還是做實驗?！?盧瑟福極為嚴肅地問：“你整天做實驗，還有時間去認真思考嗎？！”那學生低下了頭。臨走，盧瑟福告誡他：“別忘了思考！”從此，卡文迪許實驗室的人記住了盧瑟福的忠告：“別忘了思考！” 話說回來，理論與實驗是人類認知自然的兩把利器。沒有思想的實驗是渾水摸魚、誤打誤撞；沒有實驗的思想是水中月、鏡中花。 不是所有的理論都能用來指導實踐的。我們更期望的是，理論與實踐的關系是：落霞與孤鶩齊飛，長天共秋水一色。 情深意重的王子只能用那只晶瑩的水晶鞋來尋找夢中的灰姑娘。 http://blog.sciencenet.cn/blog-278905-1005558.html |
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