付超

物理學(xué)是用以解釋自然萬(wàn)物之理的學(xué)科，它創(chuàng)建于伽利略和牛頓的年代，經(jīng)過(guò)三百多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門(mén)體系完整、理論嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)、分支眾多的基礎(chǔ)科學(xué)。物理學(xué)研究范圍非常廣泛，大至宇宙、小至粒子等一切物質(zhì)存在的形態(tài)和基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。它以數(shù)學(xué)語(yǔ)言為工具，以實(shí)驗(yàn)為檢驗(yàn)正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此，物理學(xué)決不能脫離實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是理論的基石。但是，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)也是不行的，實(shí)驗(yàn)需要理論的正確分析和引導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)和理論的關(guān)系非常緊密，兩者相互促進(jìn)、共同或交替推動(dòng)物理學(xué)前進(jìn)。下面列舉物理學(xué)史上的幾個(gè)重要成果發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，從中了解實(shí)驗(yàn)和理論如何共同推動(dòng)物理學(xué)前進(jìn)。

伽利略年代以前，人們對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的觀念是亞里士多德提出的，重的物體下落的快，輕的物體下落的快。由于他的觀點(diǎn)與人們的生活實(shí)際相接近，所以人們一直深信不疑。但具有敏銳發(fā)現(xiàn)力和理性判斷力的伽利略發(fā)現(xiàn)了其中的不解之處。按照亞里士多德的觀點(diǎn)，假如一塊大石頭下落速度，另一塊小石頭下落速度為4，當(dāng)我們把它們拴在一起，再讓它們下落，下落快的會(huì)拉下落慢的，下落慢的會(huì)拉下落快的。整個(gè)下落的速度應(yīng)該比8小比4大。但兩塊石頭加起來(lái)的重量比任何一塊都要大，速度應(yīng)該比8大才對(duì)。從這兩個(gè)矛盾的結(jié)論中伽利略對(duì)亞里士多德的觀點(diǎn)產(chǎn)生了懷疑。但是還是有人為亞里士多德辯解，于是他開(kāi)始研究物體下落到底應(yīng)該遵循什么規(guī)律。要想研究物體自由下落的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最直接的方法就是讓物體從空中靜止下落，分析它下落一定高度所用的時(shí)間。可是當(dāng)時(shí)只能滴水計(jì)時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間。伽利略想到斜面運(yùn)動(dòng)，讓小球從斜面滑下，因?yàn)樾泵娼嵌群苄r(shí)，小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，更易測(cè)量。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)斜面運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的，當(dāng)斜面傾角一定時(shí)，換用不同質(zhì)量的小球，從不同高度開(kāi)始滾動(dòng)，小球的加速度都相同。伽利略認(rèn)為斜面傾角不斷增大直到等于90度時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)不就是自由下落運(yùn)動(dòng)嗎？伽利略相信自由下落運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與斜面運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，小球下落快慢與物體質(zhì)量大小無(wú)關(guān)，之所以與生活實(shí)際不相符，是因?yàn)榇嬖谥諝庾枇Α?/p>

伽利略憑借超凡的智慧和艱苦的努力，通過(guò)幾百次實(shí)驗(yàn)研究，糾正了延續(xù)幾千年的錯(cuò)誤。丁肇中先生有一句名言“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無(wú)法推翻實(shí)驗(yàn)”，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)前進(jìn)的道路中起著重要的推動(dòng)作用，客觀實(shí)驗(yàn)是判斷理論正確性與否的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

17世紀(jì)人們開(kāi)始探討光的本質(zhì)，在之后的一百多年里人們對(duì)光的理解主要有兩種觀點(diǎn)，一種是荷蘭物理學(xué)家C·惠更斯和英國(guó)物理學(xué)家R·胡克提倡光的波動(dòng)說(shuō)（光以波動(dòng)形式傳播）；另一種是牛頓提倡微粒說(shuō)（光以粒子形式前進(jìn)）。兩種觀點(diǎn)哪種觀點(diǎn)更接近客觀事實(shí)，還需要實(shí)驗(yàn)判斷。理論分析知道如果光是一種波它應(yīng)該具有波的特性，比如干涉和衍射現(xiàn)象。于是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家在理論的指導(dǎo)下做了很多實(shí)驗(yàn)，最終是一位早年學(xué)醫(yī)的英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊他采用了同一光源通過(guò)兩條縫照射到光屏上得出了光的干涉條紋，這就是著名的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是光的波動(dòng)說(shuō)的有力證據(jù)，但是波動(dòng)說(shuō)在解釋偏振光的干涉現(xiàn)象上還存在著很大的困難。在對(duì)偏振光的規(guī)律分析后，托馬斯·楊和法國(guó)物理學(xué)家菲涅爾幾乎同時(shí)察覺(jué)出如果光的振動(dòng)不是像聲波那樣沿運(yùn)動(dòng)方向作縱向振動(dòng)，而是像水波或拉緊的琴弦那樣垂直于運(yùn)動(dòng)方向作橫向振動(dòng)，問(wèn)題就可以得到解決。菲涅爾從橫波觀點(diǎn)出發(fā)完美的解釋了光的偏振，并參加了法國(guó)科學(xué)院的論文競(jìng)賽，評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的委員泊松運(yùn)用菲涅爾的方程推導(dǎo)出關(guān)于圓盤(pán)衍射的一個(gè)奇怪的結(jié)論。如果菲涅爾的方程正確，一個(gè)圓盤(pán)放在光束中，在圓盤(pán)后一定距離的光屏上的盤(pán)影中出現(xiàn)亮斑。泊松認(rèn)為這顯然是十分荒謬的，可以駁倒他的觀點(diǎn)。菲涅耳接受了這個(gè)挑戰(zhàn)，立即用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)理論預(yù)言，影子中心真的出現(xiàn)了一個(gè)亮斑，后人也稱它為泊松亮斑。似乎光的粒子說(shuō)應(yīng)該被拋棄了。然而80多年后，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)中很多現(xiàn)象是光的波動(dòng)理論無(wú)法解釋的，甚至與光的波動(dòng)理論相背離。受普朗克能量量子化理論啟發(fā)的愛(ài)因斯坦提出了光電子理論，認(rèn)為光是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子（光子）組成，并且他提出的光電效應(yīng)方程能很好地解釋光電效應(yīng)中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，后經(jīng)密立根和康普頓等科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)更深入揭示了光的粒子性，光的粒子說(shuō)又被重新認(rèn)可?，F(xiàn)在如果在問(wèn)光的本質(zhì)是什么？我們會(huì)回答：“光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”。

托馬斯·楊、菲涅爾和愛(ài)因斯坦等人對(duì)光本質(zhì)的研究清晰地看出實(shí)驗(yàn)需要理論指引方向，理論在實(shí)驗(yàn)中不斷完善，兩者共同推動(dòng)物理學(xué)前進(jìn)。但探討物理學(xué)發(fā)展史上理論與實(shí)驗(yàn)的先后關(guān)系，就像是“雞生蛋，還是蛋生雞”一樣無(wú)法回答。在量子論前，物理學(xué)的發(fā)展大都是由實(shí)驗(yàn)到理論，如經(jīng)典力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等幾乎都是這樣的發(fā)展規(guī)律。在量子論之后，物理學(xué)家大多是建立方程和理論框架，然后再用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)理論的真實(shí)性。如狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論、量子力學(xué)等都是如此?？缭竭@兩個(gè)時(shí)期我們可以體會(huì)到理論和實(shí)驗(yàn)的相互促進(jìn)是物理學(xué)不斷前進(jìn)的動(dòng)力源泉。

參考文獻(xiàn)：

陳明勝.理想實(shí)驗(yàn)及其在物理學(xué)發(fā)展中的巨大作用[J].黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（S1）.