解問鼎 孫 藝 郭雅潔

(蘇州大學物理科學與技術(shù)學院 江蘇 蘇州 215006)

1 問題提出的背景

人教版教材《高中物理·必修1》課后章節(jié)“學生實驗”一章，在章首名人名言部分引用了丁肇中教授的一句名言“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗”．很多學生在看到這句話時都會加以推敲．“實驗可以推翻理論”是大多數(shù)同學都贊同的，“理論永遠無法推翻實驗”卻引起好多學生的懷疑：通過理論分析來證明一個實驗是錯誤的不就是用理論推翻了實驗嗎？一些喜歡鉆研的同學還查閱學過的物理實驗和物理學史的有關(guān)內(nèi)容，尋找理論可以推翻實驗的例證．有同學認為：狹義相對論理論的出現(xiàn)推翻了低速運動下才成立的牛頓力學理論，在牛頓力學理論下成立的物理實驗不是也被推翻了嗎？也有同學認為：伽利略理想實驗實際上是無法做到的實驗，是在理想情況下的推理，該推理建立在理論上，那么該理論確實推翻了亞里士多德關(guān)于靜止是物體“自然本性”的錯誤實驗．還有同學認為：數(shù)學理論就是沒有實驗的，只有嚴密的邏輯和有效的數(shù)據(jù)，想保證“絕對正確”只有數(shù)學可以，所以只有通過嚴密數(shù)學推導的物理理論才是正確的，與之相違背的實驗都將被推翻．還有同學指出：能量守恒定律的出現(xiàn)，推翻了一切關(guān)于第一類永動機的實驗，而且該理論本身是沒有實驗證明的．

2 物理理論與物理實驗的關(guān)系

丁肇中教授說錯了嗎？我們知道，丁肇中教授是著名的實驗物理學家，對實驗的作用和地位有過許多深刻的論斷．他認為“做實驗確實非常重要．因為任何理論沒有實驗證明，是沒有用的．‘相對論’要是沒有實驗證明的話，是沒有意義的．”[1]愛因斯坦從另一個角度強調(diào)了科學實驗的重要性：“一切關(guān)于實在的知識，都是以經(jīng)驗開始，又終結(jié)于經(jīng)驗的”．而經(jīng)驗又主要地來自科學實驗[2]．可見，實驗是非常重要的．但是，在整個物理學發(fā)展史上，物理理論與實驗的先后關(guān)系卻像是“雞生蛋、蛋生雞”一樣奇妙．在量子論之前，物理學的發(fā)展大都是由實驗到方程、規(guī)律乃至整個理論體系，如經(jīng)典力學、電學、磁學、熱力學等都是遵循這樣的途徑，這一時期多是實驗超前、理論落后．在量子論之后，這個過程被倒轉(zhuǎn)過來，物理學家首先是建立方程、推導理論框架、然后再回到實驗，由實驗來驗證理論的真理性，如狹義相對論、廣義相對論、量子力學、粒子物理學等都是這樣，這一時期又是理論超前、實驗落后．跨越了這兩個時期的場論觀念，又很好地說明了實驗與理論的相互促進：沒有受過正統(tǒng)數(shù)學教育只懂得一點微積分的法拉第，通過大量實驗提出磁場線的概念來反對許多理論定律所推崇的超距作用，他用大量實驗向人們展示了明確地顯示磁場的鄰接性質(zhì)的磁場線，建立了電磁場理論；麥克斯韋從場的概念出發(fā)，運用豐富的想象力、精湛的數(shù)學造詣跳出經(jīng)典力學框架的束縛，用數(shù)學分析方法推動麥克斯韋電磁理論的誕生，實現(xiàn)了電場與磁場的統(tǒng)一，并預言了電磁波的存在；赫茲的電火花實驗，把天才的預言變成真理，赫茲的實驗不僅觀察到電磁波的反射、折射、干涉、偏振、衍射等現(xiàn)象，證實了麥克斯韋的電磁理論，繼續(xù)推動場論的發(fā)展，更為無線電技術(shù)開拓了道路，從此，一個又一個的無線電實驗成功開展并被用于造福人類．

從實驗→理論→新理論→新實驗→更多的實驗．雖然，理論和實驗一般是分開進行的，但我們依然能夠看到物理實驗與物理理論之間的促進關(guān)系．

3 實驗是如何推翻理論的

關(guān)于理論，任何人都可以提出不同的觀點，但是它必須經(jīng)過實驗的驗證才能成為被信任的理論，被信任的理論才能成為科學，這個信任必須建立在普遍意義的事實之上．理論上美妙的假設(shè)或推理，要成為被公認的物理規(guī)律，必須有實驗結(jié)果的驗證，實驗事實是檢驗物理模型確立物理規(guī)律的終審裁判．所謂“實驗可以推翻理論”是指實驗的結(jié)果往往比理論更具有說服力，實驗的結(jié)果可以用來否定理論．當一個物理學家無法信任某一理論時，他通常是通過實驗的方式去推翻它．當然，實驗推翻理論在不同的歷史條件背景下也有不同的方式，例如在“經(jīng)典物理學大廈”建成之前，許多物理理論是建立在對自然界直觀的觀察和簡單的理解之上，伽利略將實驗引入物理學后，成功的實驗可以徹底地推翻理論，例如，站在巨人肩膀上的牛頓通過實驗結(jié)果徹底推翻了亞里士多德的運動原因說．但是，在經(jīng)典物理學“兩朵烏云”下發(fā)展起來的現(xiàn)代物理學框架下，實驗推翻理論的方式常常是條件性的，例如一系列的宇宙空間實驗都證明狹義相對論的結(jié)果比牛頓運動定律更接近實際情況，但其仍然只是在高速運動下對牛頓運動定律的修正，前者比后者更接近真理，但這推翻仍然是有條件的．這些足以說明物理學史上關(guān)鍵問題的解決，不論是推翻還是建立，最后都要討諸于實驗．

4 為什么理論永遠無法推翻實驗

誠然，物理學理論具有一定的相對獨立性，理論物理學用邏輯推理的方法有過許多預言，也發(fā)現(xiàn)過不少新的規(guī)律和定理，但是愛因斯坦曾指出：“即使是最明晰的邏輯數(shù)學理論，它本身也不能使真理得到保證，要不是用自然科學中的最準確的觀察來檢驗，它也是毫無意義的”．物理理論的意義和價值體現(xiàn)在它可靠的公信力，所以，即便是狹義相對論提出100多年后并被廣泛接受的今天，仍然由于缺乏符合愛因斯坦所提出的全部要求的證明實驗，始終叫人感到不甚了然[3]．

科學是人類最可靠的知識體系，科學理論與其他理論的區(qū)別就在于，科學理論是經(jīng)歷可靠實驗檢驗且沒有被推翻的理論．理論的可靠性是依賴實驗的可靠性的，實驗是對客觀實在本質(zhì)的反映，客觀的東西當然不能被主觀事物推翻，但其條件必須是正確無誤的實驗．既然實驗直接扎根于客觀世界，它的可靠性根源于世界的客觀性，這種可靠性是隨其客觀性而來的，因而要推翻一個客觀的實驗，只能通過另一個客觀且更為可靠的實驗．理論不具有與實驗同樣的可靠程度，能推翻舊實驗的不是新理論，只能是新實驗，因此“理論是無法推翻實驗的”．

雖然理論無法推翻實驗，但卻可以對實驗現(xiàn)象做出正確的解釋，即便是超前于實驗而存在的理論．1964年，英國物理學家彼得·希格斯發(fā)表了一篇理論文章，提出一種粒子場的存在，預言一種能吸引其他粒子進而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在，這種粒子形成了質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界，被稱為“上帝粒子”．但是直到2013年3月14日歐洲核子研究中心宣布，其強子對撞實驗項目——ATLAS和CMS項目發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與希格斯玻色子一致，該中心于2013年宣布“它就是希格斯玻色子”，比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學家彼得·希格斯因為其描述的粒子物理學的標準模型“上帝粒子”被授予了2013年諾貝爾物理學獎．這恰恰說明了理論對于實驗的需要，即便是正確的理論，在其解釋實驗現(xiàn)象的同時，仍然需要得到實驗的支持．

即使理論無法解釋實驗現(xiàn)象，也不能否定實驗現(xiàn)象的存在及正確性．正如中國教育學會物理教學研究會高師工作委員會委員陶洪教授常說的“在物理實驗中，現(xiàn)象永遠不會錯”，只要理論與事實沖突，體現(xiàn)的必然是理論的局限性．但是對于某些似是而非的實驗結(jié)果，例如各種永動機、冷聚變等，通過理論分析可以發(fā)現(xiàn)其中的問題，也就是說：理論不能推翻實驗，但可以指出似是而非的實驗中包含的錯誤，可以為新的實驗提供指導．

5 結(jié)語

李政道說：“沒有實驗物理學，理論物理學就徘徊不前！沒有理論物理學，實驗物理學就漂泊不停！”我們從事物理學教育，追求的是通過培養(yǎng)一代代學生推動物理科學的進步，因此必須重視物理實驗與理論的地位關(guān)系．有些中學教師認為“中學階段的學生的主要任務是學習理論，實驗是大學階段

才需要完成的任務”．也有的教師認為“學生階段的教學實驗的目的是掌握知識，實驗只是掌握知識的一種可選形式”，這種片面的認識所導致的直接結(jié)果就是，目前我國學習物理的大學生乃至研究生都普遍缺乏做實驗的動手能力、創(chuàng)新意識以及探究精神．對物理實驗的重視應當是一脈相承的，因此中學教師應當摒棄“實驗是輔助理論學習的”的錯誤認識，將對實驗的重視貫穿于物理學習的始終．

參考文獻

1 夏有為．理論絕不能推翻實踐——訪諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授．實驗室研究與探索，2002，21(5)

2 陳坤，嚴沛軍．丁肇中科學實驗方法論．科技管理研究，2008，08 -0276 -05

3 朱紀東．狹義相對論的實驗基礎(chǔ)．上海電力學院學報，2003，03- 0057- 04