物理學前進的動力源泉

付超

物理學是用以解釋自然萬物之理的學科，它創(chuàng)建于伽利略和牛頓的年代，經(jīng)過三百多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一門體系完整、理論嚴謹、邏輯性強、分支眾多的基礎(chǔ)科學。物理學研究范圍非常廣泛，大至宇宙、小至粒子等一切物質(zhì)存在的形態(tài)和基本運動規(guī)律。它以數(shù)學語言為工具，以實驗為檢驗正確性的唯一標準。因此，物理學決不能脫離實驗，實驗是理論的基石。但是，僅僅依靠實驗也是不行的，實驗需要理論的正確分析和引導。實驗和理論的關(guān)系非常緊密，兩者相互促進、共同或交替推動物理學前進。下面列舉物理學史上的幾個重要成果發(fā)現(xiàn)的過程，從中了解實驗和理論如何共同推動物理學前進。

伽利略年代以前，人們對落體運動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。由于他的觀點與人們的生活實際相接近，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，假如一塊大石頭下落速度，另一塊小石頭下落速度為4，當我們把它們拴在一起，再讓它們下落，下落快的會拉下落慢的，下落慢的會拉下落快的。整個下落的速度應該比8小比4大。但兩塊石頭加起來的重量比任何一塊都要大，速度應該比8大才對。從這兩個矛盾的結(jié)論中伽利略對亞里士多德的觀點產(chǎn)生了懷疑。但是還是有人為亞里士多德辯解，于是他開始研究物體下落到底應該遵循什么規(guī)律。要想研究物體自由下落的運動規(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間?？墒钱敃r只能滴水計時，無法準確測量時間。伽利略想到斜面運動，讓小球從斜面滑下，因為斜面角度很小時，小球運動時間較長，更易測量。多次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)斜面運動是有規(guī)律的，當斜面傾角一定時，換用不同質(zhì)量的小球，從不同高度開始滾動，小球的加速度都相同。伽利略認為斜面傾角不斷增大直到等于90度時，小球的運動不就是自由下落運動嗎？伽利略相信自由下落運動的規(guī)律與斜面運動規(guī)律相同，小球下落快慢與物體質(zhì)量大小無關(guān)，之所以與生活實際不相符，是因為存在著空氣阻力。

伽利略憑借超凡的智慧和艱苦的努力，通過幾百次實驗研究，糾正了延續(xù)幾千年的錯誤。丁肇中先生有一句名言“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗”，可見實驗在物理學前進的道路中起著重要的推動作用，客觀實驗是判斷理論正確性與否的唯一標準。

17世紀人們開始探討光的本質(zhì)，在之后的一百多年里人們對光的理解主要有兩種觀點，一種是荷蘭物理學家C·惠更斯和英國物理學家R·胡克提倡光的波動說（光以波動形式傳播）；另一種是牛頓提倡微粒說（光以粒子形式前進）。兩種觀點哪種觀點更接近客觀事實，還需要實驗判斷。理論分析知道如果光是一種波它應該具有波的特性，比如干涉和衍射現(xiàn)象。于是當時的物理學家在理論的指導下做了很多實驗，最終是一位早年學醫(yī)的英國科學家托馬斯·楊他采用了同一光源通過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驗。托馬斯·楊的雙縫干涉實驗是光的波動說的有力證據(jù)，但是波動說在解釋偏振光的干涉現(xiàn)象上還存在著很大的困難。在對偏振光的規(guī)律分析后，托馬斯·楊和法國物理學家菲涅爾幾乎同時察覺出如果光的振動不是像聲波那樣沿運動方向作縱向振動，而是像水波或拉緊的琴弦那樣垂直于運動方向作橫向振動，問題就可以得到解決。菲涅爾從橫波觀點出發(fā)完美的解釋了光的偏振，并參加了法國科學院的論文競賽，評獎委員會的委員泊松運用菲涅爾的方程推導出關(guān)于圓盤衍射的一個奇怪的結(jié)論。如果菲涅爾的方程正確，一個圓盤放在光束中，在圓盤后一定距離的光屏上的盤影中出現(xiàn)亮斑。泊松認為這顯然是十分荒謬的，可以駁倒他的觀點。菲涅耳接受了這個挑戰(zhàn)，立即用實驗檢驗了這個理論預言，影子中心真的出現(xiàn)了一個亮斑，后人也稱它為泊松亮斑。似乎光的粒子說應該被拋棄了。然而80多年后，赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應，發(fā)現(xiàn)該實驗中很多現(xiàn)象是光的波動理論無法解釋的，甚至與光的波動理論相背離。受普朗克能量量子化理論啟發(fā)的愛因斯坦提出了光電子理論，認為光是由一個個不可分割的能量子（光子）組成，并且他提出的光電效應方程能很好地解釋光電效應中的實驗現(xiàn)象，后經(jīng)密立根和康普頓等科學家通過實驗更深入揭示了光的粒子性，光的粒子說又被重新認可。現(xiàn)在如果在問光的本質(zhì)是什么？我們會回答：“光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性”。

托馬斯·楊、菲涅爾和愛因斯坦等人對光本質(zhì)的研究清晰地看出實驗需要理論指引方向，理論在實驗中不斷完善，兩者共同推動物理學前進。但探討物理學發(fā)展史上理論與實驗的先后關(guān)系，就像是“雞生蛋，還是蛋生雞”一樣無法回答。在量子論前，物理學的發(fā)展大都是由實驗到理論，如經(jīng)典力學、電學、磁學、熱力學等幾乎都是這樣的發(fā)展規(guī)律。在量子論之后，物理學家大多是建立方程和理論框架，然后再用實驗來檢驗理論的真實性。如狹義相對論、廣義相對論、量子力學等都是如此。跨越這兩個時期我們可以體會到理論和實驗的相互促進是物理學不斷前進的動力源泉。

參考文獻：

陳明勝.理想實驗及其在物理學發(fā)展中的巨大作用[J].黃岡師范學院學報，2008（S1）.