|
看了姬扬老师转载曹则贤老师的《天大的误解——物理学是一门实验的科学》，这是一个有启发和争议的文章，值得同行的关注和研究。物理学如果不是一门实验的科学，那么是一门什么样的科学呢？我也有些自己的体会，说说物理学的实验和理论。 就人类发展史和科学发展史上来看。几乎所有的研究都是从现象到本质的过程。首先是发现了一些现象和规律，通过归纳、演绎升华为理论，然后理论又回到实验去验证和指导，就是螺旋式上升的研究和思辨过程。但起点无疑是发现现象和实验。 现代科学起源的一个突破点，无疑是将数学成功地运用到物理学的研究中，于是才有了深入的公式化、数字化的理论，才有了现代科学的发展。数学起到了很大的作用。一方面数学给出了物，或者物与物之间的数量关系，起到了计数器的作用；另一方面，是利用数学找到了符合物理运动规律的关系，利用这个关系，人们就可以进行设计和验证，进而可以预言。数学是一个很好的实验工具，数学更是对物理现象、规律的近似描述。物理学中的一个重要模型就是质点模型，比如，把地球、电荷当作一个质点，后来人们发现了质点间相互作用随距离平方反比的关系。没有数学，物理的规律便‘养在深闺人不知’。是数学使物理这个灰姑娘穿上了美丽的水晶鞋，水晶鞋是否合灰姑娘的脚就需要人们通过实验和理论一步一步来验证和自洽了。 看看人类历史上最初那些璀璨的发现发明，无疑不都是从实验、观察开始，无论是巧合还是有意为之，哪里会有天上掉馅饼呢？物理学的发展如何离得开实验和观察呢？又会如何凭空造出物理规律？如何凭空臆想出思想？离开了观察、实验，一切都是无源之水，一切都是空中楼阁。 天文学的发展无疑是较早的。为什么？人类为了生存，要掌握一年四季的变化规律，要根据天气来种植作物，因此，对天文现象的观察和记录就显得尤为重要，天文学的发展无疑是从农业的发展开始的，是从人们实际生活需要发展而来的。天文学上一个著名的人物是丹麦天文学家第谷(1546年出生)，他几十年如一日对大量天体运行规律的观察，无疑促进了他的学生德国天文学家开普勒（1571年出生 ）对这些规律的总结，从而凝练和揭示了行星运动的三大规律。 现代科学起源的一种主要说法是意大利数学家、物理学家和天文学家伽利略(1564年)将数学运用到物理中去。伽利略发现教堂钟摆的周期性，利用望远镜的对天体和太阳的观察和研究。在研究斜面物体下滑时，将数学运用到其中。数学的运用极大地提升了人们对物理现象和规律的认识。 英国的物理化学家法拉第（1791年出生）发现的电磁感应现象无疑是另外一个极有力的例证。1831年，法拉第发现当一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应。而这一年诞生了另一位伟大的英国物理学家麦克斯韦。在这一年之前，关于电磁现象的另两个最基本的实验定律：库仑定律（1785年），毕奥-萨伐尔定律（1820年），已被总结出来。1855年至1865年，麦克斯韦在综合归纳分析库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，导致麦克斯韦电磁理论的诞生。这无疑是从实验到理论的升华，无疑是人类科学史上流芳百世的例证。
这样的例子数不胜数。阿基米德的浮力定律，伦琴发现X-射线，从太阳光谱中发现了量子力学（整数），光电效应的发现，半导体压阻效应的发现，霍尔效应的发现，青蛙电，弗兰克林的风筝电实验……. 随后才逐渐形成了各种学科。 还有，还有，还有那梦中的橄榄树，橄榄树---孟德尔(遗传学奠基人，奥地利，1822年出生)的豌豆实验。他通过豌豆实验，发现了遗传学三大基本规律中的两个，分别为分离规律和自由组合规律。 呀！都跑到生物学领域了！你快回来！实验因你而精彩。
难道就没有反例吗？DNA双螺旋的发现似乎是一个反例。曾经人们一直猜测DNA的结构，到底是双链还是三链结构？1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。人们一直推测其结构，但最终还是通过X射线衍射实验证实了，这更是理论和实验完美结合的例证，但完完全全是科学实验验证了人们的猜想。
因此，无论是物理模型的构建，还是思想理论的演绎，都来自于实验的启发和诱导。
物理学研究的本源是什么？其实很简单。物理学的研究就是就事论事，就物讲理，追本溯源，在人类好奇心的驱动下，一个从现象到本质的发现过程。以现象为出发点，以实验为依托，以数学来拟合。而只有在大量实验结果之上，才能构建出理论的指导。数学恰是描写这一规律和过程的有利工具。物理学研究不是无中生有和捕风捉影。再好的理论，也需要实体实验的作为骨架。数学首先是辅助性的工具，然后通过数学人们又进一步认识到物理世界的本源。因此，对物理现象和规律的描述，数学所起的作用，首先是近似，继而形似，然后才是神似，到最后，二者融为不可分割的一体。 一种理论的发展和成熟有时候反而会阻碍人们的发明或发现。比如，传统固体物理学理论，关于晶体内部的周期性排列，已经发展得很完备了（德国物理学家，1850年）。其中，认为涉及到晶体内平移对称结构只存在1，2，3，4，6度旋转轴的存在，理论上无论如何都不存在5度旋转轴。但后来，人们居然发现还存在着一种具有5度旋转轴的晶体结构，即准晶。准晶体是一种介于晶体和非晶体的结构，它完全有序，但又不具备平移对成性。2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼，表彰他发现了准晶。这让人们重新认识和审视已经建立起来的晶体结构知识构架。理论再美，也得等待实验的公证。 一种提法，是以理论为骨架，这也值得商榷。之所以能够以理论为骨架，是因为基于大量实验的基础上，对理论的成功运用。比如，牛顿的一元二次微分方程在物理学中的运用。因此，所有的一切还应以实验观察为切入点，在具备一定知识储备后，才能形成我们对某一学科体系的认识，即科学观，进而指导我们的实验和理论。 老一辈科学家说过，实践是检验真理的唯一标准，此言诚不虚也。实验用来验证理论，理论又反过来验证实验，只有这样才是唯一出路。如今的大科学研究，无论是西格斯子的研究，还是引力波的研究，都是用来验证和发现。理论的出口就是实验，实验是理论终极的检验，理论是服务于实验的。正确处理二者的关系，做到有主有次，有轻有重。即不要轻视物理现象，又不要过分依赖模型。在人类认知能力的范围内，人类只是在不断地近似摸索出大自然所隐含的规律。有人说，有些数学研究是屠龙之技，这也未必，因为人类可能还没有发现找到适合它的物理对象。科学研究中，要重视实验发现和出现的问题，然后是有的放矢的构建模型，也就是数学化的过程。 你做了一系列实验，发现了一些现象，但没有找到规律。这就恰如：玉在椟中求善价,钗于奁内待时飞。你或许幸运了，发现在等待着你，就看你能不能找到好的模型和数学。如果你找到了好的数学表达，那恰如：好马配好鞍，好车配风帆。不过，还是用一句更白的话来描述会更恰当：人靠衣裳马靠鞍。 我们总是试图通过实验来验证理论，又通过理论来指导实验。实际上，二者不可偏废，但主体还是实验。关于实验与思考，‘百度’里记载了一个有趣的故事。不妨全文抄录于下。
英国剑桥大学的卡文迪许实验室，一直坚持这样的规定：每天下午六点整，老资格的研究人员来到实验室，宣布时间已到，要求每个人停止工作。如果谁不遵守，他们便引用卢瑟福的话加以劝导。卢瑟福说过：“谁未能完成六点前必须完成的工作，也就没有必要拖延下去，倒是希望各位马上回家，好好想想今天做的工作，好好思考明天要做的工作。”那是一天深夜，卢瑟福披着外衣，又来到实验室检查，惊奇地发现有人还在做实验。由于低头，又十分专心，那学生没发现卢瑟福站在他的身后。卢瑟福轻声地问道：“你上午干什么？”学生回头一看，是卢瑟福，他马上站起来，小心地回答：“做实验。”卢瑟福又问：“那么，下午呢？”学生回答：“做实验。”卢瑟福提高了声调，再问：“晚上呢？”学生以为老师在表扬他，得意地回答：“还是做实验。” 卢瑟福极为严肃地问：“你整天做实验，还有时间去认真思考吗？！”那学生低下了头。临走，卢瑟福告诫他：“别忘了思考！”从此，卡文迪许实验室的人记住了卢瑟福的忠告：“别忘了思考！” 话说回来，理论与实验是人类认知自然的两把利器。没有思想的实验是浑水摸鱼、误打误撞；没有实验的思想是水中月、镜中花。 不是所有的理论都能用来指导实践的。我们更期望的是，理论与实践的关系是：落霞与孤鹜齐飞，长天共秋水一色。 情深意重的王子只能用那只晶莹的水晶鞋来寻找梦中的灰姑娘。 http://blog.sciencenet.cn/blog-278905-1005558.html |
|
|
