實(shí)驗在物理學(xué)建立與發(fā)展中的作用

【摘 要】：物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗學(xué)科，凡物理學(xué)的概念、規律及公式等都是以客觀(guān)實(shí)驗為基礎的，因此物理學(xué)絕不能脫離物理實(shí)驗結果的驗證。實(shí)驗是物理學(xué)的建立與發(fā)展的基礎與事實(shí)依據。
【關(guān)鍵詞】：物理實(shí)驗 事實(shí) 法則 假說(shuō) 結論 新課題
        實(shí)驗是物理學(xué)建立與發(fā)展過(guò)程中的基礎與依據，本文從以下幾方面論述實(shí)驗在物理學(xué)建立與發(fā)展中的作用 。
        一、 實(shí)驗可以發(fā)現“事實(shí)”
        在加西奧特的時(shí)期陽(yáng)極放電是最受注意的課題，后來(lái)陰極放電又壟斷了人們的興趣。赫茲發(fā)現“陰極射線(xiàn)”會(huì )穿過(guò)金屬箔。他的助手勒納制造了一個(gè)帶有小鋁箔窗的真空管，它使“陰極射線(xiàn)”通過(guò)這個(gè)窗口打進(jìn)空氣之中，它們卻仍然保持有激起磷光的能力，但只能在空氣中運行一段距離而不能長(cháng)期在空氣中運行。勒納認為，它的射線(xiàn)不是正在飛行中的微粒，而是“以太”中的現象。 當人們關(guān)于這些神秘的射線(xiàn)的性質(zhì)的討論正在進(jìn)行過(guò)程中，維爾茨堡的倫琴通過(guò)實(shí)驗在1895年發(fā)現了一種新型的射線(xiàn)，它能引起一張涂有氰化鋇銅的屏閃閃發(fā)光或發(fā)熒光。對于普通光線(xiàn)不透明的紙、木頭、鋁和許多其他物質(zhì)，對于新的輻射卻是透明的。對于動(dòng)物組織是透明的而對于骨骼多少是不透明的，這一事實(shí)使得給人的骨架進(jìn)行照相成為可能，這種照相所得到的底片具有隱形圖樣的性質(zhì)。新射線(xiàn)的本性當時(shí)是不知道的，倫琴稱(chēng)它們?yōu)椤癤射線(xiàn)”，但人們通常并且更恰當的稱(chēng)它們?yōu)椤皞惽偕渚�(xiàn)”。
        二、實(shí)驗可以建立“法則”
        庫侖從事研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉彈性，這導致他在1777年發(fā)明了扭轉天平或“扭秤”。在這之前英國的米切爾曾提出一些類(lèi)似的設計。有一個(gè)世紀，這個(gè)扭秤被寫(xiě)進(jìn)電學(xué)教科書(shū)中，雖然這個(gè)儀器現在已不在實(shí)驗室中使用了。庫侖以極大的機靈和精確性做了實(shí)驗，并用它證明了牛頓的平方反比定律也在電的以及磁的吸引和排斥中適用。 他證明這種作用是跟電量的乘積成正比；他也證明，電荷存在于導體的表面，并比較了導體不同部分的表面的電荷。他在1785和1789之間發(fā)表的電學(xué)研究報告，也為泊松后來(lái)建立他的數學(xué)理論提供了數據。
        三、實(shí)驗可以驗證“假說(shuō)”
        一些學(xué)者認為熱是運動(dòng)的一種表現。如弗蘭西斯 培根，他從摩擦生熱等現象中得出熱是一種膨脹的、被約束的而在其中作用于物體的較小粒子之上的運動(dòng)。波義爾也曾做過(guò)用力學(xué)方法產(chǎn)生熱的實(shí)驗，他認為釘子敲打之后能變熱，是運動(dòng)被阻而變熱的證明。牛頓也認為熱不是物質(zhì)而是組成物體微觀(guān)粒子的機械運動(dòng)。 1827年，蘇格蘭植物學(xué)家R 布朗第一個(gè)注意到，漂浮在水中的植物花粉從不靜止，而是像跳一種“塔蘭臺拉”舞那樣無(wú)規則的跳來(lái)跳去，仿佛不斷地被某種看不見(jiàn)的力量踢來(lái)踢去似的。 人們長(cháng)期都不知道其中的原理。50年后，JJ德耳索提出這些微小顆粒是受到周?chē)�分子的不平衡的碰撞而導致的運動(dòng)。后來(lái)得到愛(ài)因斯坦的研究的證明。布朗運動(dòng)也就成為分子運動(dòng)論和統計力學(xué)發(fā)展的基礎。       四、實(shí)驗可以構建“模型”
        當盧瑟福在曼徹斯特大學(xué)時(shí)他就發(fā)現，開(kāi)爾芬和JJ湯姆孫的原子模型不適用于解釋α粒子通過(guò)不同種類(lèi)的物質(zhì)時(shí)的散射量。 
因此，盧瑟福修改了這個(gè)模型，把這個(gè)模型里外對調，因而，正像集中在約只有原子直徑0.0001的原子核的中心，這個(gè)原子核被電子圍繞，電子的分布是使原子呈電中性的，還有必要假定的是，原子的大部分質(zhì)量是在正電荷上。這個(gè)原子模型的微型是行星系，多少有點(diǎn)類(lèi)似于勒納在1903年構想的“力心”。如果一個(gè)帶正電的α粒子通過(guò)金原子中心的附近，那么它將劃出一條雙曲線(xiàn)軌道。當α粒子越接近金原子核時(shí)，那么，它的偏斜就越大。這樣，盧瑟福和E G 馬斯登實(shí)驗測定的α粒子的散射闡明了原子的結構。
        五、實(shí)驗可以引出“課題”
        在邁克爾孫之前，許多科學(xué)家都認為波是通過(guò)“以太”來(lái)傳播的，而地面上一切測量光速的方法，都是使光沿同樣路徑返回，因此測不出地球相對于“以太”的速度。而二十七歲的邁克爾孫偏想設計一種方法來(lái)測一測“無(wú)法觀(guān)測出來(lái)”的“地球速度與光速之比的平方”。如果“以太”不跟隨地球運動(dòng)，那么就會(huì )有“以太風(fēng)”，使兩束光之間有光程差，因而應當能夠觀(guān)察到干涉條紋的移動(dòng)。1881年4月，邁克爾孫在歐洲波茨坦天文觀(guān)測站的地下室里進(jìn)行了第一次實(shí)驗，結果使他非常失望，觀(guān)測到的總是零結果。同年8月，他以《地球與以太的相對運動(dòng)》為題公布了實(shí)驗結果，并引起轟動(dòng)。邁克爾孫自己也認為這是一個(gè)失敗的實(shí)驗，以致使他不愿提起這個(gè)丟臉的實(shí)驗。1884年秋，開(kāi)爾文和瑞利訪(fǎng)問(wèn)美國的時(shí)候鼓勵邁克爾孫繼續實(shí)驗下去，認為有希望找到“以太”。這一次，數理根底扎實(shí)的化學(xué)家莫雷參與了實(shí)驗，根據莫雷的提議改進(jìn)了儀器，使精度提高了一個(gè)數量級，經(jīng)過(guò)這種改進(jìn)，ΔN的理論值已高達0.4，接近于第一條暗條紋（ΔN=0.5）的中心位置，理應是絕對有把握能觀(guān)察到的，但是，得到的還是零結果，以致使他們取消了不同季節進(jìn)行試驗的計劃。1887年11月，他們聯(lián)名以《關(guān)于地球與光以太的相對運動(dòng)》為題公布了實(shí)驗結果。當然，后來(lái)人們繼續多次改進(jìn)實(shí)驗，但得到的仍然是零結果。邁克爾孫原本是想測出“以太風(fēng)”的速度，然而他測到的零結果，卻為當時(shí)被認為是物理學(xué)基石的“以太說(shuō)”帶來(lái)了危機，幾乎所有杰出的物理學(xué)家都在設法解釋邁克爾孫—莫雷實(shí)驗，它被認為是十九世紀末物理學(xué)晴朗天空中出現的兩朵“烏云”之一。
        參考文獻：
        [1]ondon).Vol.32.March 23,1893;Vol.33.1894,p.108。
        [2]遵循反平方定律的磁作用是在這（約1760年）之前哥丁根的托比阿斯 邁爾證明的。見(jiàn)Albrecht,Gesca d’ Elect.,p.75。
        [3]庫侖的七篇論文最初發(fā)表在Mémoirs de l’ Académie royale des sciences,1785和1786.前四篇 譯文載于Dstwald’s klassiker.No.13.
        [4]劉筱莉、仲扣莊主編：《物理學(xué)史》，南京師范大學(xué)出版社。
        [5][美]喬治 伽莫夫：《物理學(xué)發(fā)展史》，高士圻譯，商務(wù)印刷館出版

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