自牛顿以来的科学家--近现代科学-第26章
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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。这就是着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。这是广义相对论中着名的红位移公式，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（A。A。Michelson；1852…1931）—莫雷（E。Morley；1838…1923）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（O。Roemer）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（J。Bradley）得出光速为310000千米/秒；1849年，法国人菲索（A。H。Fizeau）测得光速是315000千米/秒；1850年，法国物理学家傅科（J。L。Foucault）测出光速是298000 千米/秒；1874年，考尔纽（M。Arnu）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。
迈克耳孙的一个着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毕业后阿斯顿来到卡文迪什实验室，改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置，用来测定同位素及其原子量。后来，阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置，又参照了当时光谱分析的原理，设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的，可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器，这就是质谱仪。该仪器对于测量的结果精度达到千分之一。他用这一新的仪器对氖作重新测定，证明氖的确存在20Ne和22Ne两种同位素，又因它们在氖气中的比例约为10：1所以氖元素的平均原子量约为20。2（后来的研究又发现氖存在第三种同位素21Ne，氖元素的平均原子量为20。18）。随后，阿斯顿使用质谱仪测定了几乎所有元素的同位素。阿斯顿在71种元素中发现了202种同位素。
阿斯顿运用质谱仪对众多元素所作的同位素研究，不仅指出几乎所有的元素都存在同位素，而且还证实自然界中的某元素实际上是该元素的几种同位素的混合体，因此该元素的原子量也是依据这些同位素在自然界占据不同比例而得到的平均原子量。
在他荣获1922年的诺贝尔化学奖后，他仍然坚持工作在实验室，对质谱仪作进一步的改进和完善，从而使他后来又制成了3台质谱仪，其倍率达两千倍，精度达十万分之一。
4、理论物理学家举例：爱因斯坦、杨振宁和霍金
20世纪3个最伟大的理论物理学家可能是爱因斯坦、杨振宁和霍金。
爱因斯坦一生中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。这一理论把牛顿力学作为低速运动理论的特殊情形包括在内。它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，而且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。随后，经过多年的艰苦努力，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。
杨振宁原本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。在泰勒的建议下，杨振宁最终选择了理论物理学作为自己一生的研究对象。
杨振宁在理论物理学上有3项重要成就。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。
理论科学家更多地使用脑子进行思考，身体的好坏不会影响其科学成就。史蒂芬·霍金是一个典型的例子。史蒂芬在17岁时进入牛津大学学习物理，21岁时诊断患了卢伽雷病，即运动神经细胞病，医生宣判他活不了多久了。霍金只能顽强地与疾病对抗。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。不过，霍金身体状况的确越来越糟糕，他渐渐失去了行动的能力，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。
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……
霍金这个名字渐渐在人类科学的世界显露出自己的光彩：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。
5、理论实验双料物理学家举例：牛
