2018物理学前进的动力源泉

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物理学前进的动力源泉
物理学是用以解释自然万物之理的学科，它创建于伽利略和牛顿的年代，经过三百多年的发展，已经成为一门体系完整、理论严谨、逻辑性强、分支众多的基础科学。物理学研究范围非常广泛，大至宇宙、小至粒子等一切物质存在的形态和基本运动规律。它以数学语言为工具，以实验为检验正确性的唯一标准。因此，物理学决不能脱离实验，实验是理论的基石。但是，仅仅依靠实验也是不行的，实验需要理论的正确分析和引导。实验和理论的关系非常紧密，两者相互促进、共同或交替推动物理学前进。下面列举物理学史上的几个重要成果发现的过程，从中了解实验和理论如何共同推动物理学前进。
　　伽利略年代以前，人们对落体运动的观念是亚里士多德提出的，重的物体下落的快，轻的物体下落的快。由于他的观点与人们的生活实际相接近，所以人们一直深信不疑。但具有敏锐发现力和理性判断力的伽利略发现了其中的不解之处。按照亚里士多德的观点，假如一块大石头下落速度，另一块小石头下落速度为4，当我们把它们拴在一起，再让它们下落，下落快的会拉下落慢的，下落慢的会拉下落快的。整个下落的速度应该比8小比4大。但两块石头加起来的重量比任何一块都要大，速度应该比8大才对。从这两个矛盾的结论中伽利略对亚里士多德的观点产生了怀疑。但是还是有人为亚里士多德辩解，于是他开始研究物体下落到底应该遵循什么规律。要想研究物体自由下落的运动规律，最直接的方法就是让物体从空中静止下落，分析它下落一定高度所用的时间。可是当时只能滴水计时，无法准确测量时间。伽利略想到斜面运动，让小球从斜面滑下，因为斜面角度很小时，小球运动时间较长，更易测量。多次实验结果发现斜面运动是有规律的，当斜面倾角一定时，换用不同质量的小球，从不同高度开始滚动，小球的加速度都相同。伽利略认为斜面倾角不断增大直到等于90度时，小球的运动不就是自由下落运动吗？伽利略相信自由下落运动的规律与斜面运动规律相同，小球下落快慢与物体质量大小无关，之所以与生活实际不相符，是因为存在着空气阻力。
　　伽利略凭借超凡的智慧和艰苦的努力，通过几百次实验研究，纠正了延续几千年的错误。丁肇中先生有一句名言实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验，可见实验在物理学前进的道路中起着重要的推动作用，客观实验是判断理论正确性与否的唯一标准。
　　17世纪人们开始探讨光的本质，在之后的一百多年里人们对光的理解主要有两种观点，一种是荷兰物理学家C惠更斯和英国物理学家R胡克提倡光的波动说（光以波动形式传播）；另一种是牛顿提倡微粒说（光以粒子形式前进）。两种观点哪种观点更接近客观事实，还需要实验判断。理论分析知道如果光是一种波它应该具有波的特性，比如干涉和衍射现象。于是当时的物理学家在理论的指导下做了很多实验，最终是一位早年学医的英国科学家托马斯杨他采用了同一光源通过两条缝照射到光屏上得出了光的干涉条纹，这就是著名的杨氏双缝干涉实验。托马斯杨的双缝干涉实验是光的波动说的有力证据，但是波动说在解释偏振光的干涉现象上还存在着很大的困难。在对偏振光的规律分析后，托马斯杨和法国物理学家菲涅尔几乎同时察觉出如果光的振动不是像声波那样沿运动方向作纵向振动，而是像水波或拉紧的琴弦那样垂直于运动方向作横向振动，问题就可以得到解决。菲涅尔从横波观点出发完美的解释了光的偏振，并参加了法国科学院的论文竞赛，评奖委员会的委员泊松运用菲涅尔的方程推导出关于圆盘衍射的一个奇怪的结论。如果菲涅尔的方程正确，一个圆盘放在光束中，在圆盘后一定距离的光屏上的盘影中出现亮斑。泊松认为这显然是十分荒谬的，可以驳倒他的观点。菲涅耳接受了这个挑战，立即用实验检验了这个理论预言，影子中心真的出现了一个亮斑，后人也称它为泊松亮斑。似乎光的粒子说应该被抛弃了。然而80多年后，赫兹发现了光电效应，发现该实验中很多现象是光的波动理论无法解释的，甚至与光的波动理论相背离。受普朗克能量量子化理论启发的爱因斯坦提出了光电子理论，认为光是由一个个不可分割的能量子（光子）组成，并且他提出的光电效应方程能很好地解释光电效应中的实验现象，后经密立根和康普顿等科学家通过实验更深入揭示了光的粒子性，光的粒子说又被重新认可。现在如果在问光的本质是什么？我们会回答：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性。
　　托马斯杨、菲涅尔和爱因斯坦等人对光本质的研究清晰地看出实验需要理论指引方向，理论在实验中不断完善，两者共同推动物理学前进。但探讨物理学发展史上理论与实验的先后关系，就像是鸡生蛋，还是蛋生鸡一样无法回答。在量子论前，物理学的发展大都是由实验到理论，如经典力学、电学、磁学、热力学等几乎都是这样的发展规律。在量子论之后，物理学家大多是建立方程和理论框架，然后再用实验来检验理论的真实性。如狭义相对论、广义相对论、量子力学等都是如此。跨越这两个时期我们可以体会到理论和实验的相互促进是物理学不断前进的动力源泉。