大学物理实验：揭示物理学发展史中的重要里程碑

整个物理学的发展过程经历了积累和变革的交替发展过程，不论在哪一个阶段，物理实验都起着重要的作用。16世纪意大利物理学家伽利略首先把科学实验方法引入到物理学研究中，从而使物理学走上真正的科学道路。在他所设计的斜面实验中，有意识地忽略了空气阻力，以便抓住主要问题；改变斜面倾角（即变更实验条件），观测实验结果的变化。在此基础上，他还运用推理概括的方法，得出了超越实验本身的更为普遍的规律，即物体在光滑水平面上的运动是等速直线运动；各种物体沿铅直方向自由下落均做等加速直线运动，且具有相同的加速度。伽利略的这种丰富的实验思想和实验方法对当今的物理实验仍有着重要的启示。17世纪，牛顿正是在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论。

电磁学研究的真正开创人是开文迪许和库仑，他们用自己试制出的各种测量仪器对静电现象进行定量测量，在1785年总结出了电磁理论的基础——库仑定律。电与磁之间相互联系的突破性实验是奥斯特在1820年发现的，他在一次课堂教学中，观察到通电导线会引起附近小磁针的偏转，这个实验轰动了整个欧洲。接着安培又设计研究了通电导线之间的相互作用，并在1822年建立了安培定律。既然电能产生磁，磁能否产生电呢？理所当然是当时很多科学家的研究课题。其中法拉第进行了10年之久的实验研究，终于在1831年首次发现了电磁感应现象，总结出了电磁感应定律，并建立了场的概念。麦克斯韦将电磁现象统一成完整的电磁场理论，且预言了电磁波的存在，并指出光也是一种电磁波，这是物理学史上一次重大的变革。但这只是一种假说，问题的焦点又回到了实验，1878年夏季在柏林大学任教的亥姆霍兹向他的学生们提出一个物理竞赛题，希望有人用实验来验证电磁波的存在。这一实验课题终于由他的学生赫兹在9年之后完成了。使电磁场理论的地位得以确立。

物理学中的任何理论，都必须由实验来验证，正确的就会得到发展，错误的就会被摒弃。例如，在对光的本性的认识中，牛顿倡导的微粒说和惠更斯主张的波动说进行了长期争论。最后托马斯·杨在1800年发表了双缝干涉实验，才使波动说得以确认。由于光电效应实验揭示了光的粒子性，人们又认识到光具有波粒二象性。19世纪初，多数物理学家对光和电磁波的传播不需要媒质的观点是不能接受的，因此假设宇宙空间存在着一种称为“以太”的媒质，它具有许多异常而又不合理的特性。正是在这种情况下，1887年迈克尔逊和莫雷合作，用干涉仪进行了有名的“以太风”实验，从而否定了“以太”的存在。

在物理学发展过程中，常常出现由于旧理论不能解释新的实验现象，从而促使新理论的诞生。19世纪以来，对黑体辐射、电磁波能量的测量，人们找不到适当理论来解释，普朗克提出量子化的观点，圆满地解释了实验结果，这就是量子理论的开端。又如赫兹在电磁波存在的实验中，还发现了光电效应现象，电磁波理论却不能解释它，这就促使爱因斯坦提出了光量子假说。(www.xing528.com)

当代获得诺贝尔物理学奖的成果均是物理学中划时代的、里程碑级的重大发现和发明。从1901年第一次授奖至今已有百余年的历史，有近150名获奖者。其中因物理实验方面的伟大发现或发明而获奖的占2/3以上。如1901年，首届诺贝尔物理学奖得主德国人伦琴因发现X射线而获奖。著名的美籍华人杨振宁、李政道于1956年发现在弱相互作用下没有任何实验能说明宇称守恒，这一学说当时震惊了世界物理学界。以世界著名的物理大师朗道、泡里为代表的反对派公开反对这一学说，然而另一位美籍华人吴健雄率领的课题组于1956年完成的60Co衰变实验结果显示：弱相互作用下宇称不守恒。从而杨振宁和李政道于第二年即1957年获得诺贝尔物理学奖。而爱因斯坦的具有划时代意义的相对论却没有获得诺贝尔奖。究其根本原因是当时这一理论缺乏实验支持。随着实验技术的提高和完善，经过1959年“光谱线的引力红移”实验及1964年“雷达回波延迟”实验的完成，相对论才最终被人们接受。伟大的物理学家爱因斯坦在1921年因光电效应定律的发现而获得诺贝尔物理学奖。这些历史事实雄辩地说明了物理实验结果在物理学概念的提出、理论规律的确立及被公认的过程中所占的重要地位和所起的关键作用。

可以毫不夸张地说，没有物理实验就没有物理学的发展。正是由于实验手段的不断进步、仪器精度的不断提高、实验设计思想的巧妙创新等，才使得人类在认识自然界的历程中不断探索、发现，进而攀登上更高的高峰。现在，物理实验的方法、思想、仪器和技术已经被普遍地应用在从物理学中不断分化出的新分支（如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等），以及从物理学和其他学科的交叉中生长出来的众多交叉学科（如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等）和各自然科学领域、技术部门，是推动科学技术发展的有力工具。计量、激光、半导体、大规模集成电路、电子学、真空等技术无一不与物理实验有着直接或间接的联系。因有赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明；没有1909年卢瑟福的α粒子散射实验，就不可能有40年后核能的利用。单一波长激光器的问世，带来巨大的技术变革；半导体的实验结果引起大规模集成电路和计算机技术的出现；霍尔效应的实验结果，产生大量以此效应为基础的新元件和新产品。当然，强调实验的重要性，绝不意味着轻视理论。特别是物理学发展到今天，用已经确立的理论来指导实验向新的未来领域探索，就显得更加重要。比如，只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生。又如1895年伦琴在实验中发现了新的电磁辐射，被称为X射线。X射线的发现进一步推动了气体中电传导的研究。汤姆孙提出了被X射线照射的气体具有导电性是由于气体因分子电离而带有电荷，这给洛伦兹创立电子论提供了实验基础，而电子理论又给塞曼效应，即光谱线在磁场中会分裂这一事实以理论解释。这一连串的事实展示了物理实验和理论之间的密切关系和相互激励而共同推进物理学发展的进程。因此任何轻视实验或轻视理论的想法都是错误的。