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第五讲理论型与实验型科学家沃森说：“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”。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。有些科学家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。科学家：理论型与实验型的科学家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“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”。一、理论型科学家的特征一位物理学家可能有兴趣去仔细钻研得到的测量结果，希望发现具有普遍意义的思想；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；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”。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。理论型与实验型的科学家在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。一、理论科学家的特征关于理论科学家的特征，杨振宁对物理学家的进行了精彩的描述。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（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。一、理论科学家的特征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，进而天才地写出他的方程—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。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一、理论科学家的特征一、理论科学家的特征理论科学家需要非常好的数学才能。爱因斯坦在谈到牛顿时说：“他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”。他专门请了一个年轻的数学助手。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科学原理进行实验设计——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。一、理论科学家的特征他设计了一个让电子通过单狭缝绕射的实验——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。玻尔很快的指出，他不能避免在测量时仪器对电子的干扰。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。一、理论科学家的特征在3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．盒中装有辐射物质。可调节快门使得刚好放出一个粒子之后就关闭。透过时钟，可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，也可知道粒子的质量．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。一、理论科学家的特征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。经过通宵的奋战之后，玻尔终于找出了反驳爱因斯坦的办法。第二天，玻尔也在黑板上画了一个草图，但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。二、实验物理学家的特征科学实验包括观察和测量。一般科学家自己制作仪器和实验，在科学理论指导下去观察、解释和发现未知现象。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（1852-1931）—莫雷(1838-1923)实验。探索性实验是对一个全新的领域的预备性探讨。二、实验物理学家的特征科学实验目的：观察迄今未知的或者未加解释的新事实，判断未某一理论提出的假说是否符合科学事实。科学实验可以简单地分为5个步骤。首先，掌握问题的有关理论基础。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，防止错误观察与未观察。①设备。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。④偏见。科学家的实验是在科学理论指导下进行的，过分相信理论就会在潜意识里产生先入为主的偏见。理论型与实验型科学家的案例三、伟大的理论物理学家：爱因斯坦爱因斯坦最重要的贡献是相对论。1905年他发表了题为《论动体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。这个理论把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内；揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性，深刻揭露了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性；还进一步揭示了物质和运动的统一性（质量和能量的相当性），发展了物质和运动不可分割原理，并且为原子能的利用奠定了理论基础。三、伟大的理论物理学家：爱因斯坦1915年他又建立了广义相对论，进一步揭示了四维空时同物质的统一关系，指出时空不可能离开物质而独立存在，空间的结构和性质取决于物质的分布，它并不是平坦的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。根据广义相对论的引力论，他推断光在引力场中不沿着直线而会沿着曲线传播。这一理论预见，在1919年由英国天文学家在日蚀观察中得到证实，当时全世界都为之轰动。1938年，他在广义相对论的运动问题上取得重大进展，即从场方程推导出物体运动方程，由此更深一步地揭示了空时、物质、运动和引力之间的统一性。广义相对论和引力论的研究，20世纪60年代以来，由于实验技术和天文学的巨大发展受到重视。另外，爱因斯坦对宇宙学、用引力和电磁的统一场论、量子论的研究都为物理学的发展作出了贡献。三、理论物理学家：杨振宁杨振宁原想做个实验物理学家，但他的实验能力很差，动手时总是显得笨手笨脚的。在芝加哥大学艾里逊实验室进行加速器实验时，哪里炸得乒乓作响，哪里就有杨振宁。他羡慕那些实验能力强的同学的天赋，“实验室里的一些同学具有神秘莫测令我惊愕的第六感觉，他们知道在什么地方可以找到漏气孔；当定标电路失常时他们知道应该在什么地方踢一脚。”但是他能现场解决同学们遇到的理论方面的难题。在泰勒的杨振宁在理论物理学上有3项重要成就。三、理论物理学家：杨振宁1954年与米尔斯发表了《同位旋守恒和一种广义规范不变性》和《同位旋守恒合同位旋规范不变性》两篇论文，建立了杨—米尔斯规范场，规范场是关于包括引力作用在内的四种相互作用的理论。1956年杨振宁和李政道合作发表了《弱相互作用中的宇称守恒问题》，打破了曾被物理学家奉为金科玉律的宇称守恒原理，他们因此获得1957年的诺贝尔物理学奖。1967年和1968年，杨振宁发表了两篇论文，建立了一个方程，后来被称为杨—巴克斯特方程。后来，物理学家发现此方程也是一个最基本的数学结构。四、理论物理学家：霍金史蒂芬·霍金17岁时进入牛津大学学习物理，21岁时诊断患了卢伽雷病，医生宣判他活不了多久了。霍金顽强地与疾病对抗。与此同时，霍金开始沉入对世界的思索中，向爱因斯坦这位前辈伟人的相对论迈出批判的第一步。在1985年因肺炎造成的手术中，甚至失去了讲话的能力。在一段时间中，他飞驰的思想只能被封闭在自己的大脑中。无法与人交流，这使他觉得生不如死。所幸的是，科技的发达最终使他得以借助电脑和语言合成器，重新表达自己的思想，甚至能够在众人面前演讲。四、理论物理学家：霍金在这期间，他的思想在广阔的宇宙中遨游—他指出爱因斯坦的广义相对论将在所谓“大爆炸奇点”失效，因此将量子力学引入对宇宙诞生的探索，最终得到宇宙无始无终的结论，并创造出“虚时间”这一概念；他指出“黑洞”事实上一直都在发“光”，只是极其微弱而已；他以幽默的方式证明了上帝的虚无。1975年，教皇在梵蒂冈步下圣坛，将嘉奖“有杰出成就的年轻科学家”的勋章授与霍金，而他的前任在多年前曾经严酷地迫害过布鲁诺、伽利略；1985年霍金英国皇家学会吸纳为有史以来最年轻的院士；他在剑桥大学担任着牛顿曾经就位多年的重要教职，被世界公认为是继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家之一，是对20世纪人类观念产生了重大影响的人物。五、伟大的实验物理学家：迈克尔孙