实验对物理学的重要意义

实验对理论物理学家的重要性

摘要理论物理学家是个特殊群体，表面上他们可以象数学家那样，不必从事实验研究。事实上有些理论物理大师虽然素以不擅长实验而著称，甚至有些人的某些言论更令人费解。但析其言观其行，结果表明：实验对理论物理学家至关重要，理论物理离不开实验。

关键词理论物理；实验；直觉

一．引言

从历史上看，早期的物理学实验与理论是合而为一的，每一个物理学家既从事实验研究，也进行理论探索。如伽利略和牛顿。但随着物理学的进一步发展，物理学家也出现了分工，有的专门从事实验工作，有的专门从事理论研究。到了二十世纪，费米成为仅有的在理论和实验方面都有非凡才能并获得杰出成就的伟大物理学家。有人断言，能象这样既专于实验又长于理论者，“费米是最后一人”[1]。一个事实是，有些物理学家，如泡利、海森堡、杨振宁等在物理学界素以不擅长实验而著称，但并没妨碍他们对物理学做出巨大贡献成为物理学大师级人物。另外有些物理学家如爱因斯坦有的言论若不细加分析也会使人们对实验的重要作用产生怀疑。

二．爱因斯坦等对实验看法的表述

爱因斯坦曾反复思索数学与实在的关系：“为什么数学比其他一切科学受到特殊的尊重，一个理由是它的命题是绝对可靠的和无可争辩的，…还有一个理由那就是数学给予精密自然科学以某种程度的可靠性，没有数学，这些科学是达不到这种可靠性的。”[2]于是他产生困惑：“数学既然是一种同经验无关的人类思维的产物，它怎么能够这样美妙地适合实在的客体呢？那么，是不是不要经验而只靠思维，人类的理性就能够推测到实在事物的性质呢？”[2]经过分析他说：“…我们不得不倾向于下面这个更一般的观点，这是彭加勒观点的特征。几何（G）并不断言实在事物的性状，而只有几何加上全部物理定律（P）才能做到这点。用符号来表示，我们可以说：只有（G）+（P）的和才能得到实验的验证。因此，（G）可以任意选取，（P）的某些部分，也可以任意选取；所有这些定律都是约定。”[2]“我认为，从永恒的观点来看彭加勒是正确的。”[2]更一般地，爱因斯坦认为，作为物理学理论根本部分的基本概念和基本原理都“不是理性所能触动的”，而都是“人类理智的自由发明”，“具有纯粹虚构的特征。”[3]就概念而言，“一切概念，甚至那些最接近经验的概念，从逻辑观点，完全象因果性概念一样，都是一些自由选择的约定，…”[3]进一步“概念体系连同那些构成概念体系结构的句法规则都是人的创造物。”[3]“事实上，我相信，甚至可以断言：在我们的思维和我们的语言表述中所出现的各种概念，从逻辑上来看，都是思维的自由创造，它们不能从感觉经验中归纳地得到。”[3]物理学基础可任意地选取约定，具有虚构的特征以及都是思维的自由创造等等提法显然与以物理学为代表的自然科学追求自然界具有“真”的特征的客观规律的宗旨至少表面上有一定偏差。难道爱因斯坦的科学贡献真的就是在这些观点的指导下做出的吗？

三．对上述看法的深入分析

同爱因斯坦有过密切合作并称爱因斯坦是“世界是最好的人”[4]的英费尔德在札记中写过：“在科学上取得成就，但自以为是唯心主义者的科学家，在从事创造工作的时候，必定是实在论者。他的感官承认外部世界的真实性。然而，后来他创造出人为的哲学结构，这和他的创造工作毫无关系，和那种创造工作的精神格格不入。这样，他的科学工作和他的思想之间，就产生了危险的矛盾。…对于外部世界真实性的感受，在爱因斯坦身上是十分有力的。但它常常以某种全然相反的形式表示出来。当爱因斯坦讲起上帝的时候，他想到的总是自然规律的内在一致性和逻辑简单性。”[4]虽然不能说爱因斯坦是唯心主义者，但英费尔德的说法应该令我们满意，对我们理解诠释爱因斯有很大帮助。必须说明的是爱因斯坦的思想博大精深，在这其中，从积极的正面理解起来较为费解的如上所引的提法，所占比重轻于鸿毛。

回复

举报|1楼2005-01-05 13:08

?

?

?

?神游斋主

?

?

一字不识

?

1

?

?

非常有意思的是，爱因斯坦自己也说过：“如果你们想要从理论物理学家那里发现有关他们所用方法的任何东西，我劝你们就得严格遵守这样一条原则：不要听他们的言论而要注意他们的行动”[5]这话对他本身同样适用。那么在爱因斯坦的“行动”中实验究竟有哪些作用？

首先我们看到爱因斯坦并不是一个死嚼书本整天冥思苦想的书呆子。在苏黎士工大学习期间，他自己说：“我热情而又努力地在H·F·韦伯教授的物理实验室里工作。”还说到：“…

我大部分时间却是在物理实验室里工作，迷恋于同经验直接接触。”[6]这样，他就不仅以通过学习书本上的知识的方式走进物理世界，同时以直觉的经验形象的方式溶入了物理世界，并且获得了高超的设计物理实验的能力。如他在与哥本哈根学派的论争中设计了多个为人熟知的实验。再如1915年，荷兰大学德哈斯教授到柏林拜访爱因斯坦，谈起安培于1822年提出的分子电流假说，一直未被直接的实验证实。爱因斯坦根据角动量守恒原理，当场在饭桌边设计了一个简单的磁棒回转实验。后来德哈斯一试竟告成功。这就是爱因斯坦－德哈斯效应。

另一方面，我们知道爱因斯坦在成为职业的物理学家前是伯尔尼瑞士专利局的一名职员，并工作有近7年之久。“在专利局，人们很赏识爱因斯坦的非凡才干。”对他的“敬佩增加，终于成为受器重的官员”[7]在《自述片断》中爱因斯坦自己说：“…在我的最富于创造性活动的1902－1909这几年当中，我就不用为生活而操心了。即使完全不提这一点，明确规定技术专利局的工作，对我来说也是一种真正的幸福。它迫使你从事多方面的思考，它对物理的思索也有重大的激励作用。”[8]爱因斯坦不仅热忱从事专利局的工作并从中得到幸福而且他自己也积极开始从事发明创造工作。如1908年他与哈比希特合作设计了一种可测量出0.0005伏特电压的仪器，这种仪器1910年被命名为“爱因斯坦－哈比希特电位放大仪”据统计在45－50岁期间他发表的专利文献数目就有19篇之多。他的发明中与热泵的改进有关的居多，此外，他与人合作获得过光强度自标准照相机的专利以及助听器的专利，而他与西拉德（Leo Szilard）合作发明的用直线振荡代替旋转运动的电磁马达技术，已成为磁悬浮列车推进器的基础。这些发明工作除其自身的意义外，使爱因斯坦对物理学本身的理解，以及对物理世界的感知等方面，势必在大学热衷物理实验的基础上，跃上了一个新高度。

爱因斯坦科学思维的最大特点是最大限度地大胆相信自己的直觉。他说：“我相信直觉和灵感。”[9]少年、青年、老年，数学家、物理学家、化学家、生物学家、哲学家、社会学家、小说家、诗人、政治家，不同年龄、不同阅历的人对同一个物理世界问题的直觉会有很大差异。因为直觉总是受经验制约的。谈到在思考问题时意识中充溢着的形象和联想，他说：“词因为是书写下来的或说出来的，所以似乎在我的思维机制里不起什么作用。思维元素是作为物理实在的或多或少清晰的形象和符号而出现的，这些形象和符号似乎是意识任意地产生和结合的。”“对我来说，上述元素是视觉型的，也有一些是肌肉型的。”“视觉和动觉的在完全是词在起作用的这个阶段上，对我来说，它们纯粹是听觉的。”[9]在爱因斯坦看来，概念和理论不是经验材料在逻辑推理下的必然。“感性知觉是一切研究的出发点。”[10]直觉似乎能预见正在构造的理论的物理结论，当逻辑分析不能决断的选择时，总是物理直觉将其推动，使它更接近实验检验。借助物理直觉，爱因斯坦猜想通向使理论获得物理内容的实验的最佳道路。而正是实验物理学的概念和形象的世界滋养了爱因斯坦的直觉。如果没有早年对实验的醉心，长期潜移默化、耳濡目染，以及在专利局工作的经历，很难想象爱因斯坦能借助一个个想象实验，由光子火箭而自由降落电梯…攀上一座座物理学顶峰。后期的爱因斯坦很大程度上放弃了对直觉的依赖。如他说：“我坚信，我们能够用纯粹数学的构造来发现概念以及把这些概念联系起来的定律。”[11]费曼对爱因斯坦这种对待物理学的看法非常不赞成，他对戴逊说，爱因斯坦的失败是由于他在后期不再从具体的物理图像思考问题，

成了一个专门摆弄方程的人。戴逊说：“我得承认费曼说的是正确的。爱因斯坦早期的伟大发现都是以直接的物理直觉为基础，而他后期之所以失败，是因为他的统一场论都只是一些没有物理意义的方程组。”[11]可见，对一位理论物理学家而言，对他研究领域有足够多具体的形象的感性的认识和了解从而使其直觉得以很好的培养是至关重要的成功保证之一，要达到这一要求，做实验无疑是一个并非唯一但却是直接的很好的途径。例如，虽然在实验方面杨振宁与爱因斯坦相比存在差距，但他幸运地学到了泰勒教授的长处，弥补了自己的不足从而铺平了成功的道路。杨振宁说：“泰勒的物理学的一个特点，是他有许多直觉的见解。”“我跟吴大猷先生学了分子光谱学和群论之间的关系。学的方法，主要是推演法：是从数学推演到物理的方法。泰勒所注意的是倒过来的方法。他要从物理的现象引导出数学的表示。换句话说，他注氐氖枪槟煞āＮ腋??哟ザ嗔撕螅?ソチ私獾剿?乃伎挤椒ǖ暮么ΑＲ蛭?槟煞ǖ钠鸬闶俏锢硐胂蟆

回复

举报|2楼2005-01-05 13:08

?

?

?

?神游斋主

?

?

一字不识

?

1

?

?

从这个方向出发，不易陷入形式化的泥坑。”[12]杨振宁曾告诫后人：“在物理学中所追求的应该是新的、活的东西。应该面对与现象直接相关的东西。”谈到西方的学生，他说：“他们的学习跟实验较为接近。在多次的实践中，就可能产生新的直觉的东西——经验。而这种直觉往往是科学研究工作中的重要环节，这种直觉存在的基础，是广深的知识和丰富的经验。”[1]

“我们的一切思想和概念都是由感觉经验所引起的，它们只有在涉及这些感觉经验时才有意

义”[10]

“纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于实验。”[10]

四．结论

那些梦想成为理论物理学家的学子们应该牢记爱因斯坦的这种认识，将更多目光汇聚在客观物理世界，从点滴做起。一滴水没有当然不会涌现波浪，但只有一滴或几滴水同样不会波涛汹涌，当一滴滴水汇集成江成河成海，自然而然就会波澜壮阔，且蒸为气、腾为云、闪出电、响出雷、降为雨、飘为雪，参与万物的生生不息，成鲜活的生命之源头，滋养一切。每一个自然现象、每一个物性、每一个实验都相当于一滴水。“物理学是以实验为本的科

学”[13]物理学发展的基本原动力永远来自实验，“科学家的首要任务是真实地体验所存在的事物。”[14]否则，理论物理学家就会成为脱离客观实在缺乏想象力且只能闭门造车的人。

参考文献

[1] 徐胜兰,孟东明.杨振宁传[M].长春:吉林科技出版社(第1版).1995,40;149

[2]、[3]、[5]、[6]、[8]、[10] 许良英,范岱年.爱因斯坦文集第一卷[M].北京：商务印书馆(第1

版).1976,136;139;140;314;6;5;409;312;44;7;46;284;523;245;313 [4]、[7] 赵中立,许良英.纪念爱因斯坦译文集[M].上海：上海科学技术出版社(第1版).1979,223;220;138

[9] 刘盛际译,库兹涅佐夫.爱因斯坦－－生·死·不朽[M].北京:商务印书馆(第1

版).1988,55;56

[11] 杨建邺.傲慢与偏见——诺贝尔奖获奖者的误区[M].武汉:武汉出版社(第1

版).2000,20

[12] 戴友夫:著名科学家演讲鉴赏[M].济南:山东人民出版社(第1版).1995,199

[13] 杨振宁语,转引自郭奕玲.物理学是以实验为本的科学[J].大学物理.1990

（11）,27

[14] 马斯洛著,邵威译.科学与科学家的心理[M].北京：北京大学出版社(第1

版).1989,88

THE IMPORTANCE OF EXPERIMENT FOR THEORY PHYSICISTS

Hou Yu-De

（Department of Physics , Taizhou College , Linhai , Zhejiang Prov ince 317000,China）

ABSTRACT:Physicists are a special community On the surface ,they donot need to do experiment research , as those mathematicians do . In fact, some great theory physicits are often famous for they

are not expert in doing experiments. Some opinions of some of the m are more hard to understand .Analyzing their opinions and obser ving their actions , get the result :experiments are the most imp ortant for theory physicists , theory physics can not depart from experiments .

KEY WORDS: theory physics ;experiment ; intuition .