第十四章 实验和实验室在物理学发展中的地位和作用

§14.1 实验在物理学发展中的作用

物理学是以实验为本的科学。在物理学的发展中，实验起了重要作用。什么叫实验？实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测，（定性的或定量的），以探求该自然过程变化规律的一种科学活动。

实验和观察都是搜集事实的科学实践，但两者有所不同。前者要求人们发挥主观能动作用，控制条件，改变客观状态和进程，使自然现象的变化更有利于得出规律性的认识；而后者却只是被动地等待自然界按其本来的进程发展，人们仅仅对现象进行记录和研究。可见，实验和观察是不同层次的认识手段，起着不同的作用，两者不可偏废。

实验和生产劳动也有根本区别。两者都有改造世界的任务，但目的并不相同。前者是在科学理论指导下的探索性活动，离不开理论思维和分析判断；后者以直接变革自然，增加物质财富为目的，并不要求科学成果。实验工作中有劳动成分，但它与生产物质财富的劳动有本质的不同。

在物理学的发展中，从经典物理学到现代物理学，著名的物理实验不胜枚举，从事实验工作的物理学家何止成千上万。他们置身于艰苦的实验研究之中，为推动物理学的发展努力奋斗。他们的目标是什么？对物理学的发展起了什么样的推动作用？他们的工作有何价值？纵观物理学三百余年的发展史，可以概括成如下几个方面：

一、发现新事实，探索新规律

伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据；库仑通过滑板实验提出摩擦定律；胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验、波雷里的表面张力实验为物性学提供了新事实和新规律。

在电学方面可以举出更多的事例。库仑定律的验证、欧姆定律的建立、奥斯特发现电流的磁效应、伽伐尼和伏打发现动物电和化学电源、法拉第发现电解定律和电磁感应现象，无一不是通过大量实验得出的。光的干涉、衍射、偏振以及双折射等现象也都是首先在实验中发现

的，这些实验说明了光的波动性；从色散的研究到光谱学的发展，实验更是基本的认识途径，正是这一系列研究把人们带进了原子领域。

19 世纪末，经典物理学发展到了相当完善的地步，人们纷纷认为物理学已经到顶了，以后只是把常数测得再准些，向小数点后面推进而已。

然而，正是实验的新发现打破了沉闷的空气，揭示了经典物理学的严重不足。世纪之交的三大发现开拓了新的领域，把物理学推进到一个新阶段。

物理学有许多分支，汇合起来组成物理学的主干，每个分支在其发展之初，都有大量的实验为之奠基，各分支在其发展的各个阶段大多有新的实验补充新的事实，从而使各分支更加充实，更加全面。这一切说明了：实验，只有实验，才是物理学的基础。

二、检验理论，判定理论的适用范围

无庸置疑，理论是物理学的主体。理性认识源于感性认识，但高于感性认识，更具有普遍性，只有靠理性认识才能达到事物内部的规律性。然而，理论是否正确，又必须经受实践检验。实验是人们检验理论的重要手段。例如：麦克斯韦的电磁场理论以一组简洁的数学方程概括得十分优美对称，但当年却难以令人信服。直到二十多年后他预言的电磁波被赫兹的实验证实，他的学说才成为举世公认的电磁理论基础。

1905 年，爱因斯坦用光电子假说总结了光的微粒说和波动说之间长

期的争论，能很好地解释勒纳德的光电效应实验结果，但是直到 1916 年， 当密立根以极其严密的实验全面地证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。

同样，德布罗意的物质波假说也是在实验发现电子衍射之后才得到肯定。

从诺贝尔物理奖的颁发可以看到人们对实验检验的评价，请看表14−1。

表 14−1 诺贝尔物理奖颁奖年代

实践是检验理论的客观标准。从表 14−1 可以看出，一个理论的正确性，不仅在于它能说明多少现象，也不仅在于它的自洽性，更重要的是它能否得到实验的肯定，它所作的预言，被尔后的实验证实到什么程度。

还有，理论只有一定的适用范围，这个范围往往要靠实验来确定。例如，玻意耳定律只适用于理想气体，因为勒尼奥的高气压实验证明： 当气体压强增大到一定程度以后，pV 值会偏离常数。

塞曼效应固然为洛仑兹电子论提供了实验证据，用这个理论从塞曼

的观测值推算出带电微粒的荷质比，与几个月后 J.J.汤姆生从阴极射线磁偏转所得结果，数量级正好吻合。但是不久证实塞曼效应还有大量的反常现象，即所谓的反常塞曼效应，却得不到理论的解释，甚至玻尔的定态原子模型理论也无能为力。这个疑难曾困扰物理学界达二十余年之久，直到电子自旋被发现。

斯特恩−盖拉赫实验证实了空间量子化的假设，但是同时也带来了新的问题，它的结果揭示了经典理论用到原子内部会遇到无法克服的矛 盾。

热辐射的能量密度可以用经典理论计算，计算结果与热辐射计的测量基本相符，但是进一步改进实验方法，卢梅尔−普林舍姆实验证明在高温长波方面理论与实验之间有系统偏差。只有引进量子假说，才能完满地作出解释。

理论与实验是物理学的两大部分，相辅相成，缺一不可。强调实验的作用，丝毫也没有贬低理论的地位。

三、测定常数

在物理学的发展中，大量实验是围绕常数进行的。了解物质的物理特性要通过实验测量跟物质特性有关的各种常数，这方面固然重要，而基本物理常数的测定和研究，在物理学发展史中更占有极其重要的地 位。例如：万有引力常数的数值，自牛顿发现万有引力定律以来，一直是人们力求测出和测准的对象。这个常数究竟是不是常数？会不会随时间变化？到现在还是物理学界关心的问题。焦耳测热功当量，历时三四十年，用了多种方法，得到大量数据，为热力学第一定律的建立提供了确凿的依据。这个常数现在已不列为基本常数，但它的历史意义是不可抹杀的。光速是测得最准的基本物理常数之一，人们不会忘记迈克耳孙的功绩，真空中的光速可以测得这样准，以至于被人们定成精确值，并由此定义长度单位——米，从而把时间单位和长度单位统一在光速这样一个基本物理常数上。

光以确定的有限速度传播，这一发现曾对光的电磁波理论起积极作用。从电磁波理论可以根据介电常数和磁导率计算光速，计算值和理论值吻合得相当好，对光的电磁波理论是一重要论据。当年麦克斯韦就是这样论证自己的理论的。

常数之间的协调是检验物理理论的重要途径，从玻尔原子模型理论最初的论证可以找到范例。经这个理论比较不同渠道得到的里德伯常 数，在实验误差范围内基本相符，说明了理论的自洽性。

四、推广应用，开拓新领域

如果说蒸汽机的发展超前于热学理论，电机和电气工业的发展，则完全是在电磁理论建立之后，人们自觉运用理论作出各种发明与发现 的。然而，不论是蒸汽技术还是电工技术都离不开实验，其中包括许多

热学实验、物性学实验和电磁学实验。各种发明创造，诸如杜瓦瓶、致冷机、电灯、电报等等，无不是经过大量实验研究才逐渐完善的。

进入二十世纪，无线电电子学异军突起。从电子管到晶体管，从无线电报到雷达，哪一项发明创造不是实验室的产物！科学理论通过实验这一中间环节，不断起着改造世界的作用，包括补充和改造科学理论自身。

在物理学工作者中，从事实验的有 90%以上。他们工作在各个方面， 从光谱学到激光技术，从电子显微镜到扫描隧道显微镜，从低温技术到超导研究，无不凝聚了实验物理学家的心血。

总之，提供事实、验证理论、测定常数、推广应用这四个方面基本上概括了实验在物理学发展中的作用。正如我国著名物理学家张文裕教授在论述实验的作用时所指出的①：

“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础”。他还说：“基础研究、应用研究、开发研究和生产四个方面要紧密结合在一起，必需有一条红线，这条红线就是科学实验。”

丁肇中教授在荣获诺贝尔物理奖时特意用中文发表了一封信。他写道②：

“中国有一句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人。’这种落后的思想，对发展国家中的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究，而避免实验工作⋯⋯事实上，自然科学理论不能离开实验的基础，特别是，物理学是从实验产生的⋯⋯ 我希望由于我这次得奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性”。

丁肇中是因 1973 年用高能同步加速器发现 J/ψ粒子而获诺贝尔物理奖的。值得指出的是，作为一年一度最高科学奖励的诺贝尔物理奖， 从 1901 年伦琴因实验发现 X 射线而获奖以来，在 90 年中一共有 140 位获奖者，其中国实验获奖的共 94 人，占 67.1%。这一数字从另一个侧面说明了实验的重要地位。