实验在物理学发展中的作用_物理学史-查字典物理网

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。

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。

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