第15章理论科学家与实验科学家

第15章理论科学家与实验科学家克里克既不像布拉格那样的理论家，也不像佩鲁兹那样的实验家。他介于这两种类型的科学家之间。他偶尔也做点实验，但更多的是埋头考虑解决蛋白质结构的理论。他经常会有什么新发现，变得非常激动，立刻把它告诉任何愿意听的人。过了一两天他经常会意识到他的理论站不住脚，于是又回到实验中去，一直到百般无聊之中又产生了对理论的新想法为止。——沃森从科学的结构来看，科学由实验(包括观察)和理论两部分构成，科学家的队伍也可以分为实验科学家和科学家。对理论没有兴趣而在实验方面做出成绩的科学家称为实验科学家，对实验没有兴趣而在理论方面做出成绩的科学家就成为理论科学家。对一些科学家而言，这可能是一个相对的概念，因为他们在实践和理论方面都有建树，且把自己理论和实验方面的贡献看得同样重要。以物理学为例，阿西莫夫对实验物理学家和理论物理学家给出了一个描述性的定义。“有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。或许，他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精确数量；或许，他打算度量某一种亚原子粒于在分裂成其他粒子、并释放出能量时的精确方式；或许，他打算知道大脑的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中，他都可以称得上是位“实验物理学家”。另一方面，一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研早已得到的测量结果，希望从中发现具有普遍意义的思想。或许，他能推导出某些数学关系式来，这些公式能够解释这些测量结果为什么是这样的，而且，如果他找出了这些关系，就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行了这些测量，其结果又和所预言的相一致的话，他很可能就发现了一条被称做自然法则的东西。试图用这种方法来获得自然法则的物理学家，就是“理论物理学家”。”我们很难分出究竟是理论科学家还是实验科学家对科学贡献大。科学研究活动中，理论科学家和实验科学家相互配合，协同发展。在著名的英国剑桥大学卡文迪什实验室从创始人到历任实验室主任共10位科学家中，第一任主任麦克斯韦、第六任主任.莫特(1977年获诺贝尔物理奖)、第八任主任爱德华兹是理论物理学家，卡文迪什本人、第二任主任第三代瑞利男爵(1904年获诺贝尔物理奖)、第三任主任J.J.汤姆逊(1906年获诺贝尔物理奖)、第四任主任卢瑟福(1908年获诺贝尔化学奖)、第五任主任W.L.布拉格(1915年与其父W.H.布拉格获诺贝尔物理奖)、第七任主任派帕德和第九任主任弗伦德是实验物理学家。1、理论科学家的特征关于理论科学家的特征，可以直接引用杨振宁先生的有关物理学家的精彩的描述。杨振宁给出了物理学的划界，并说明了玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等几位理论物理学家的区别。物理学的三个部分和其中的关系：唯象理论(phenomenologicaltheory)(2)是介乎实验(1)和理论架构(3)之间的研究。(1)和(2)合起来是实验物理，(2)和(3)合起来是理论物理，而理论物理的语言是数学。狄拉克最重要的贡献是提出了狄拉克方程。海森堡最重要的贡献是海森堡方程，是量子力学的基础。可是写出这两个方程的途径却截然不同：海森堡的灵感来自他对实验结果(1)与唯象理论(2)的认识，进而在摸索中得到了海森堡矩阵方程式；狄拉克的灵感来自他对数学(4)的美的直觉欣赏，进而天才地写出了狄拉克方程。他们二人的喜好和注意的方向不同，所以他们的工作的领域也不一样，如图2所示。此图也标明玻尔、薛定谔和爱因斯坦的研究领域。爱因斯坦兴趣广泛，在许多领域中，自(2)至(3)至(4)，都曾做出划时代的贡献。理论科学家需要非常好的数学才能。这是演绎法所必不可少的。爱因斯坦在谈到牛顿时说“他(牛顿)不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且在善于运用他那是地的经验材料上也是独特的，同时他对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能”。爱因斯坦本人的数学已经是很好的了，但他说：“我总是为同样的数学困难所阻”。由于研究的需要，他专门请了一个很强的年轻的数学助手。尽管理论科学家不亲自在实验室进行实验，但他们必须提出验证科学假说的实验方法。通常他们根据新的假说或者已有的科学原理进行实验设计，以头脑思维的方式展开和完成实验过程。这种实验称为思想实验。爱因斯坦与玻尔关于量子理论的概率与不确定性解释和因果与决定性解释的争论中，双方就多次应用思想实验。在第五届索尔威会议上，爱因斯坦企图用一些理想实验来反驳测不准原理。首先，他设计了一个让电子通过单狭缝绕射的实验，认为这个实验可以提供一个精确的时空坐标，同时又能提供对此过程中能量和动量交换平衡的详细说明。然而玻尔很快的指出，他不能避免在测量时仪器对电子的干扰，即电子与狭缝边缘的相互作用。爱因斯坦见单狭缝难不倒玻尔，又想出了新的实验。他承认用确定位置坐标的同一系统来精确测量动量是不可能的，所以他以分开的装置，一个测位置，一个测动量。他设计了一个电子通过双狭缝干涉的实验，当双狭缝开启时，从屏幕出现的亮点可以知道电子垂直方向的动量，分别关上其中一个狭缝，就可以知道电子的确实位置。然而玻尔在仔细思考后发现，如果关上其中任何一个狭缝，实验的状态就完全改变了。当双狭缝开启时，即便电子一个个发射出来，最后仍会在屏上形成干涉条纹。假如轮流开启一个狭缝，虽然可以得知电子究竟经过那个狭缝，但最后却不会再有干涉条纹了。就这样，这个本来是爱因斯坦用来反驳量子力学的理想实验，经由玻尔的解释在今日已成了说明测不准关系和互补原理的标准范例。在三年后的第六届索尔威会议上，爱因斯坦在黑板上画了一个盒子，盒上有一个小孔，可由快门来启闭。快门则由盒中的时钟机械置来控制，小盒的重量是可以测量的，盒中装有一些辐射物质。我们可以调节快门使得刚好放出一个粒子之后就关闭。透过时钟，可以精确的量出粒子放出的时间。另外，测量粒子放出后盒子的重量，我们也可以知道粒子的质量。经由爱因斯坦的质能公式E=mc²，能量也可以准确地计算出来，于是违反了测不准关系，这就是著名的爱因斯坦光盒实验。由于实验根本不涉及观测仪器的问题，根本没有外来粒子会改变粒子的运动，所以测不准关系破灭了，因果律和准确性都恢复了。玻尔遇到了严重的挑战，无法马上找到问题的答案。他和他的同事一夜未眠，检查实验的每一个细节，想要找出爱因斯坦到底错在那里。经过通宵的奋战，玻尔发现了爱因斯坦思想实验的问题。第二天，玻尔也在黑板上画了一个草图，和爱因斯坦不同的是，他给出称量小盒重量的方法。他用弹簧把小盒吊起来，盒上有一指针，可以沿固定在支架上的标尺移动，这样就可以读出小盒在粒子跑出前后的重量了。玻尔请大家回忆爱因斯坦的广义相对论中的等效原理：当时钟在重力场中发生位移时，它的快慢会发生变化。当粒子跑出盒子而导致盒子重量变化时，盒子将在重力场中移动一段距离，这样子读出的时间也会有所改变，因而导出测不准关系。这是广义相对论中著名的红位移公式，表示一个在重力场中移动的时钟，在移过一个位势差时在某个时间内时钟快慢的改变，玻尔随即用红位移公式导出了测不准关系。爱因斯坦不得不承认玻尔的推论是无懈可击的。他自己在设计这个理想实验的时候，居然没有考虑到广义相对论的效应。玻尔用爱因斯坦的相对论驳倒了他本人，取得了第二回合的胜利。玻尔的胜利获得了大多数物理学家的赞同，哥本哈根解释也被奉为是量子力学的正统解释。2、实验科学家的特征有效地进行科学实验(包括观察和测量)是实验科学家的生命。实验科学工作者必须要学会自己动手去制作仪器，亲手去做实验，通过基本实验技巧的训练，在科学理论指导下去观察、解释和发现未知现象，才能成为一个优秀的科学家。科学实验的类型有多种分类方法。按实验的学科领域，可以分为物理实验、化学实验、生物实验等等；按实验所处的环境，可以分为实验室实验(室内实验)和自然实验(室外实验)；按实验中质与量的关系，可以分为定量实验、定性实验和结构分析实验；按实验的步骤可以分为预备性实验、决断性实验和正式实验；按实验在科学认识中的作用，可以分为析因实验、对照实验、模拟试验；按实验的对象，可以分为物的实验、动物实验和人的实验；按实验的直接目的可以分为探索性实验和判决性实验。判决性试验是指这个实验的结果可以决定一个假说和理论的命运，如迈克耳孙—莫雷实验。探索性实验是对一个全新的领域的预备性探讨。或者说科学实验有两个目的：一是观察迄今未知的或者未加解释的新事实，一是判断未某一理论提出的假说是否符合大量可观察到的事实。有时这两个目的是互不相干的，有时又殊途同归。一个具体的科学实验可以简单地分为5个步骤。首先，科学家必须掌握问题的有关理论基础，即实验科学家也需要一定的理论作指导。其次，进行实验方案的制定与设计。第三，实验仪器的制造与准备。第四，观察与记录实验结果。第五，处理实验结果并给出合理的解释，形成科学论文。实验科学家在实验过程中必须克服主观上和客观上的困难，防止误观察与未观察。①设备，先进的实验设备是科学实验不可缺少的前提。有些仪器是现成的，根据不同的实验目的进行合理的组装；有些仪器必须是自己制作的。由于经费的限制或者制作工艺的限制，不能获得最先进的设备，就不能做出最新的发现。②错觉，观察都是人为的感知活动，容易受到外界环境的干扰产生错觉。③粗心，科学实验是一项十分细致的工作，需要周密的观察，不容许有疏漏和误差，粗心导致实验的不准确、不精确是科学研究的大敌。④偏见，科学家的实验是在科学理论指导下进行的，但过分相信理论就会在潜意识里产生先入为主的偏见。实验科学家在对实验结果的解释方面也容易犯错误：根据不完善的理论或者不充分的证据得出结论；错误地把不相干的两个事实判定为因果关系；错误地运用推理。3、实验物理学家举例：迈克尔孙与阿斯顿真空中的光速是最古老的物理常量之一。1676年，丹麦天文学家罗迈第一次提出了有效的光速测量方法，惠更斯根据罗迈提出的数据和地球的半径，第一次计算出了光的传播速度约为200000千米/秒；1728年，英国天文学家布拉德雷得出光速为310000千米/秒；1849年，法国人菲索测得光速是315000千米/秒；1850年，法国物理学家傅科测出光速是298000千米/秒；1874年，考尔纽测得光速为299990千米/秒。接下来以光速测定为终身目标的是迈克耳孙。迈克耳孙1873年毕业于美国海军学院，并留校教物理和化学。大约在5年后，开始进行光速的测量工作，随后游学欧洲，在德国和法国学习光学。回国后离开海军成为凯斯学院物理学教授。迈克耳孙因为精密光学仪器和和借助这些仪器进行的光谱学和度量学的研究工作作出的贡献获得1907年的诺贝尔物理学奖。迈克耳孙自己设计了旋转镜和干涉仪，用以测定微小的长度、折射率和光波波长。1879年，他得到的光速为299910±5千米/秒；1882年，他得到的光速为299853±6千米/秒。这个结果被公认为国际标准，沿用了40年。迈克耳孙最后一次测量光速在加利福尼亚两座相差35千米的山上进行的，光速测量精确度最后达到了299798±4千米/秒。他就在这次测量过程中中风，于1931年去世。迈克耳孙的一个著名实验是被称为迈克耳孙～莫雷的测定以太是否存在的实验。迈克耳孙用干涉仪考察与地球运动同一方向传播的光线是否慢于与地球表面垂直方向传播的光线，这样就可以考察“以太”是否存在，而过去假设以太是一种除了地球的大气以外在整个空间存在的物质。因为以太被假设为静止不动的，地球穿过以太而运动，于是与地球同一方向传播的光线就会比与地球表面垂直方向传播的光线受到更大的障碍，产生干涉条纹。1881年迈克耳孙第一次在柏林进行了这项实验，得到一种否定结果，即没有干涉条纹出现，结果不能证明两束光线是以不同速度传播的。他在不断提高精度的条件下，几次重复了这个过程。直到1887年他又在凯斯学校同美国化学家爱德华·莫雷一起以近乎完美的条件作了这个实验。物理学家不得不认真考虑以太确实并不存在，这种结果向正统的物理理论提出了许多问题，并直接导致了爱因斯坦狭义相对论的提出和解释。制作更好的仪器，做更多的观察和测量是实验科学家的追求目标。1922年获得诺贝尔化学奖的英国物理学家阿斯顿就是一个典型的例子。阿斯顿从伯明翰大学