物理理論與物理實(shí)驗(yàn)之關(guān)系
——從對(duì)“理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)”的質(zhì)疑談起

解問鼎 孫 藝 郭雅潔

(蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué)生實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)”．很多學(xué)生在看到這句話時(shí)都會(huì)加以推敲．“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論”是大多數(shù)同學(xué)都贊同的，“理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)”卻引起好多學(xué)生的懷疑：通過理論分析來證明一個(gè)實(shí)驗(yàn)是錯(cuò)誤的不就是用理論推翻了實(shí)驗(yàn)嗎？一些喜歡鉆研的同學(xué)還查閱學(xué)過的物理實(shí)驗(yàn)和物理學(xué)史的有關(guān)內(nèi)容，尋找理論可以推翻實(shí)驗(yàn)的例證．有同學(xué)認(rèn)為：狹義相對(duì)論理論的出現(xiàn)推翻了低速運(yùn)動(dòng)下才成立的牛頓力學(xué)理論，在牛頓力學(xué)理論下成立的物理實(shí)驗(yàn)不是也被推翻了嗎？也有同學(xué)認(rèn)為：伽利略理想實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是無法做到的實(shí)驗(yàn)，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(shí)推翻了亞里士多德關(guān)于靜止是物體“自然本性”的錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)．還有同學(xué)認(rèn)為：數(shù)學(xué)理論就是沒有實(shí)驗(yàn)的，只有嚴(yán)密的邏輯和有效的數(shù)據(jù)，想保證“絕對(duì)正確”只有數(shù)學(xué)可以，所以只有通過嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo)的物理理論才是正確的，與之相違背的實(shí)驗(yàn)都將被推翻．還有同學(xué)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(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，而且該理論本身是沒有實(shí)驗(yàn)證明的．

2 物理理論與物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

丁肇中教授說錯(cuò)了嗎？我們知道，丁肇中教授是著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，對(duì)實(shí)驗(yàn)的作用和地位有過許多深刻的論斷．他認(rèn)為“做實(shí)驗(yàn)確實(shí)非常重要．因?yàn)槿魏卫碚摏]有實(shí)驗(yàn)證明，是沒有用的．‘相對(duì)論’要是沒有實(shí)驗(yàn)證明的話，是沒有意義的．”[1]愛因斯坦從另一個(gè)角度強(qiáng)調(diào)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性：“一切關(guān)于實(shí)在的知識(shí)，都是以經(jīng)驗(yàn)開始，又終結(jié)于經(jīng)驗(yàn)的”．而經(jīng)驗(yàn)又主要地來自科學(xué)實(shí)驗(yàn)[2]．可見，實(shí)驗(yàn)是非常重要的．但是，在整個(gè)物理學(xué)發(fā)展史上，物理理論與實(shí)驗(yàn)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(xué)的發(fā)展大都是由實(shí)驗(yàn)到方程、規(guī)律乃至整個(gè)理論體系，如經(jīng)典力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等都是遵循這樣的途徑，這一時(shí)期多是實(shí)驗(yàn)超前、理論落后．在量子論之后，這個(gè)過程被倒轉(zhuǎn)過來，物理學(xué)家首先是建立方程、推導(dǎo)理論框架、然后再回到實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論的真理性，如狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論、量子力學(xué)、粒子物理學(xué)等都是這樣，這一時(shí)期又是理論超前、實(shí)驗(yàn)落后．跨越了這兩個(gè)時(shí)期的場論觀念，又很好地說明了實(shí)驗(yàn)與理論的相互促進(jìn)：沒有受過正統(tǒng)數(shù)學(xué)教育只懂得一點(diǎn)微積分的法拉第，通過大量實(shí)驗(yàn)提出磁場線的概念來反對(duì)許多理論定律所推崇的超距作用，他用大量實(shí)驗(yàn)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(yùn)用豐富的想象力、精湛的數(shù)學(xué)造詣跳出經(jīng)典力學(xué)框架的束縛，用數(shù)學(xué)分析方法推動(dòng)麥克斯韋電磁理論的誕生，實(shí)現(xiàn)了電場與磁場的統(tǒng)一，并預(yù)言了電磁波的存在；赫茲的電火花實(shí)驗(yàn)，把天才的預(yù)言變成真理，赫茲的實(shí)驗(yàn)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(shí)了麥克斯韋的電磁理論，繼續(xù)推動(dòng)場論的發(fā)展，更為無線電技術(shù)開拓了道路，從此，一個(gè)又一個(gè)的無線電實(shí)驗(yàn)成功開展并被用于造福人類．

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

3 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，但是它必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能成為被信任的理論，被信任的理論才能成為科學(xué)，這個(gè)信任必須建立在普遍意義的事實(shí)之上．理論上美妙的假設(shè)或推理，要成為被公認(rèn)的物理規(guī)律，必須有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)事實(shí)是檢驗(yàn)物理模型確立物理規(guī)律的終審裁判．所謂“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論”是指實(shí)驗(yàn)的結(jié)果往往比理論更具有說服力，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以用來否定理論．當(dāng)一個(gè)物理學(xué)家無法信任某一理論時(shí)，他通常是通過實(shí)驗(yàn)的方式去推翻它．當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)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(xué)大廈”建成之前，許多物理理論是建立在對(duì)自然界直觀的觀察和簡單的理解之上，伽利略將實(shí)驗(yàn)引入物理學(xué)后，成功的實(shí)驗(yàn)可以徹底地推翻理論，例如，站在巨人肩膀上的牛頓通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果徹底推翻了亞里士多德的運(yùn)動(dòng)原因說．但是，在經(jīng)典物理學(xué)“兩朵烏云”下發(fā)展起來的現(xiàn)代物理學(xué)框架下，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)都證明狹義相對(duì)論的結(jié)果比牛頓運(yùn)動(dòng)定律更接近實(shí)際情況，但其仍然只是在高速運(yùn)動(dòng)下對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)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(xué)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(shí)驗(yàn)．

4 為什么理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)

誠然，物理學(xué)理論具有一定的相對(duì)獨(dú)立性，理論物理學(xué)用邏輯推理的方法有過許多預(yù)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(xué)理論，它本身也不能使真理得到保證，要不是用自然科學(xué)中的最準(zhǔn)確的觀察來檢驗(yàn)，它也是毫無意義的”．物理理論的意義和價(jià)值體現(xiàn)在它可靠的公信力，所以，即便是狹義相對(duì)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(shí)驗(yàn)，始終叫人感到不甚了然[3]．

科學(xué)是人類最可靠的知識(shí)體系，科學(xué)理論與其他理論的區(qū)別就在于，科學(xué)理論是經(jīng)歷可靠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)且沒有被推翻的理論．理論的可靠性是依賴實(shí)驗(yàn)的可靠性的，實(shí)驗(yàn)是對(duì)客觀實(shí)在本質(zhì)的反映，客觀的東西當(dāng)然不能被主觀事物推翻，但其條件必須是正確無誤的實(shí)驗(yàn)．既然實(shí)驗(yàn)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(gè)客觀的實(shí)驗(yàn)，只能通過另一個(gè)客觀且更為可靠的實(shí)驗(yàn)．理論不具有與實(shí)驗(yàn)同樣的可靠程度，能推翻舊實(shí)驗(yàn)的不是新理論，只能是新實(shí)驗(yàn)，因此“理論是無法推翻實(shí)驗(yàn)的”．

雖然理論無法推翻實(shí)驗(yàn)，但卻可以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出正確的解釋，即便是超前于實(shí)驗(yàn)而存在的理論．1964年，英國物理學(xué)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(yù)言一種能吸引其他粒子進(jìn)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(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——ATLAS和CMS項(xiàng)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(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學(xué)家彼得·希格斯因?yàn)槠涿枋龅牧Ｗ游锢韺W(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型“上帝粒子”被授予了2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．這恰恰說明了理論對(duì)于實(shí)驗(yàn)的需要，即便是正確的理論，在其解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)，仍然需要得到實(shí)驗(yàn)的支持．

即使理論無法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也不能否定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的存在及正確性．正如中國教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)研究會(huì)高師工作委員會(huì)委員陶洪教授常說的“在物理實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)象永遠(yuǎn)不會(huì)錯(cuò)”，只要理論與事實(shí)沖突，體現(xiàn)的必然是理論的局限性．但是對(duì)于某些似是而非的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，例如各種永動(dòng)機(jī)、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(shí)驗(yàn)，但可以指出似是而非的實(shí)驗(yàn)中包含的錯(cuò)誤，可以為新的實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)．

5 結(jié)語

李政道說：“沒有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)，理論物理學(xué)就徘徊不前！沒有理論物理學(xué)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)就漂泊不停！”我們從事物理學(xué)教育，追求的是通過培養(yǎng)一代代學(xué)生推動(dòng)物理科學(xué)的進(jìn)步，因此必須重視物理實(shí)驗(yàn)與理論的地位關(guān)系．有些中學(xué)教師認(rèn)為“中學(xué)階段的學(xué)生的主要任務(wù)是學(xué)習(xí)理論，實(shí)驗(yàn)是大學(xué)階段

才需要完成的任務(wù)”．也有的教師認(rèn)為“學(xué)生階段的教學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是掌握知識(shí)，實(shí)驗(yàn)只是掌握知識(shí)的一種可選形式”，這種片面的認(rèn)識(shí)所導(dǎo)致的直接結(jié)果就是，目前我國學(xué)習(xí)物理的大學(xué)生乃至研究生都普遍缺乏做實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手能力、創(chuàng)新意識(shí)以及探究精神．對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的重視應(yīng)當(dāng)是一脈相承的，因此中學(xué)教師應(yīng)當(dāng)摒棄“實(shí)驗(yàn)是輔助理論學(xué)習(xí)的”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，將對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視貫穿于物理學(xué)習(xí)的始終．

參考文獻(xiàn)

1 夏有為．理論絕不能推翻實(shí)踐——訪諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主丁肇中教授．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002，21(5)

2 陳坤，嚴(yán)沛軍．丁肇中科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法論．科技管理研究，2008，08 -0276 -05

3 朱紀(jì)東．狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)．上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，03- 0057- 04