實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大學(xué) 宋史研究中心，河北 保定 071002)

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專題

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大學(xué) 宋史研究中心，河北 保定 071002)

理論物理學(xué)家一般較年輕就能做出重要貢獻(xiàn)，而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家做出重要貢獻(xiàn)的年齡總體偏大. 產(chǎn)生這一差異的原因是：一方面20～30歲是思維最為活躍期，是天賦出眾的年輕理論物理學(xué)家做出重大理論發(fā)現(xiàn)的最好時(shí)機(jī)；另一方面，足以做出重要發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與能力則是與時(shí)俱增的，需要較長時(shí)間的歷練. 與經(jīng)驗(yàn)豐富的前輩合作或接受他們的指導(dǎo)，是促進(jìn)年輕實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家更早做出重要貢獻(xiàn)的有效途徑之一. 聚焦重要前沿成果并善于發(fā)現(xiàn)新的研究點(diǎn)，也是較快做出重要實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的方式之一.

實(shí)驗(yàn)研究；理論研究；諾貝爾獎(jiǎng)

預(yù)測(cè)未來是巨大的挑戰(zhàn). 在物理學(xué)發(fā)展史上，有很多預(yù)測(cè)都已成為笑談. 因此，準(zhǔn)確的預(yù)言十分難得. 在復(fù)雜事物發(fā)展過程中有準(zhǔn)規(guī)律性的東西，因此較為具體的預(yù)言難以準(zhǔn)確做到，但一定意義上發(fā)展趨勢(shì)是可以感覺到的. 如物理學(xué)一次空前理論大發(fā)展后，總要進(jìn)入較長時(shí)期的理論發(fā)展低潮期. 這既是事實(shí)也符合辯證法以及認(rèn)識(shí)發(fā)展的規(guī)律. 按照托馬斯·庫恩的話說，科學(xué)革命后將進(jìn)入較為漫長的常規(guī)科學(xué)階段. 本文作者曾做過一個(gè)“預(yù)測(cè)”：“20 世紀(jì)是物理學(xué)理論發(fā)展的一個(gè)黃金期，歷史規(guī)律和發(fā)展現(xiàn)實(shí)都說明，21 世紀(jì)不會(huì)是物理學(xué)理論突破的黃金期. 在這樣的大趨勢(shì)下，令中國物理學(xué)界諾貝爾情結(jié)美夢(mèng)成真的研究，出于物理學(xué)理論研究的可能性很小.”[1]2015年12月21日，在與楊振寧先生談及相關(guān)話題時(shí)，楊先生說：“有些東西不是跟經(jīng)費(fèi)有很大的直接關(guān)系. 比如像理論物理研究，不需要太多經(jīng)費(fèi). 勤奮有好處，可是做理論物理還需要有天份、有機(jī)遇. 所以如果問我，下一次諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)如果給國內(nèi)的研究的話，我覺得生物比理論物理獲獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)多得多. ”楊先生有過較為神奇的預(yù)言. 1995年在接受香港電視臺(tái)的訪談時(shí)，他講了諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)的特殊性,但是仍然預(yù)言：20年內(nèi)(即2015年前)將有華裔作家獲得諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)[2]. 2012年莫言先生獲獎(jiǎng). 楊先生說理論物理獲獎(jiǎng)較難，這就是說如果只談物理學(xué)，他與筆者2012年的“預(yù)測(cè)”是不沖突的，即如果中國物理界能獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，比較而言實(shí)驗(yàn)研究獲獎(jiǎng)的可能性更大.

1　理論與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家做出重要貢獻(xiàn)的年齡差異

理論研究者做出重要貢獻(xiàn)的平均年齡，總體而言，明顯小于實(shí)驗(yàn)研究者做出重要貢獻(xiàn)的平均年齡. 從理論物理學(xué)家這邊看：海森伯24歲寫出著名的“一人文章”；愛因斯坦26歲提出狹義相對(duì)論；玻爾28歲提出原子理論；湯川秀樹28歲提出介子理論；楊振寧與李政道分別于34歲、30歲發(fā)表關(guān)于宇稱不守恒的文章；費(fèi)恩曼31歲發(fā)表他的重要論文……從實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家這邊看：斯塔克39歲發(fā)現(xiàn)斯塔克效應(yīng)；拉曼40歲發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)；湯姆生41歲發(fā)現(xiàn)電子；查德威克41歲發(fā)現(xiàn)中子；貝克勒爾44歲發(fā)現(xiàn)天然放射性；鮑威爾44歲發(fā)現(xiàn)π介子；密立根45歲精確測(cè)量電子基本電荷，48歲實(shí)驗(yàn)證實(shí)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程并成功測(cè)量普朗克常量；李普曼46歲發(fā)明彩色照相術(shù)；賈伯48歲發(fā)明全息照相術(shù)；倫琴50歲發(fā)現(xiàn)X射線；賽格雷50歲發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子；瑞利52歲做出了標(biāo)志性貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了惰性氣體氬；昂尼斯55歲才做出其最大的貢獻(xiàn)，成功液化了惰性氣體氦……因此，雖然有特例，但是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家做出重要貢獻(xiàn)時(shí)的平均年齡，較理論物理學(xué)家做出重要貢獻(xiàn)時(shí)的年齡明顯偏大是基本事實(shí)，進(jìn)一步他們獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)時(shí)的年齡也整體偏大.

2　差異產(chǎn)生的主要原因

這一事實(shí)產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的. 首先從理論物理學(xué)家這邊看，物理學(xué)重要理論的提出者必須是物理以及數(shù)學(xué)天賦極為突出的人. 但是天賦與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不同，不是與時(shí)俱增的. 人在20歲以后一段時(shí)間內(nèi)想法與思路最活躍、創(chuàng)造力最強(qiáng)，是做出重要理論貢獻(xiàn)的黃金時(shí)期. 在這個(gè)時(shí)期沒有取得重要成果的理論物理學(xué)家，基本上難入一流境界. 物理學(xué)理論難題往往較為明顯地展示在那里，不需要長時(shí)間地積累經(jīng)驗(yàn)后才能發(fā)現(xiàn). 理論難題就像一塊巨石，能舉起的人一下即能舉起；舉不起來的人，鍛煉十年體質(zhì)也徒然. 有天賦的年輕人較早做出物理學(xué)巨大的貢獻(xiàn)，這在諾貝爾獎(jiǎng)問世之前即已有范例. 牛頓雖然較晚才發(fā)表3個(gè)運(yùn)動(dòng)定律以及萬有引力定律等研究成果，但是據(jù)他自己回憶，他的很多工作完成于1665-1666年：“在那段日子里，我正處于創(chuàng)造發(fā)明的黃金時(shí)期. 后來我再也沒有像當(dāng)時(shí)那樣專注于數(shù)學(xué)和哲學(xué).”[3]就是說他在24歲前已經(jīng)基本上完成了他一生的主要科學(xué)研究工作. 因此理論物理學(xué)家做出重要貢獻(xiàn)時(shí)間較早，是理論物理難題對(duì)適宜研究者的選擇性，與天才人物創(chuàng)新的黃金期相契合的必然結(jié)果.

實(shí)驗(yàn)研究卻有很大不同. 物理學(xué)理論不能簡單通過邏輯推理構(gòu)建，但物理學(xué)理論一旦出現(xiàn)，就存在內(nèi)在的邏輯關(guān)聯(lián). 因此建立新理論的研究直接或間接與此前的理論有較大關(guān)聯(lián). 例如伽利略懷疑并終結(jié)亞里士多德落體說從而提出新的落體定律，牛頓對(duì)伽利略成就的繼承與推進(jìn)，等等. 這就說理論物理有較為明確的研究線索. 但是更多情況下，物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究與此前的實(shí)驗(yàn)研究往往沒有那么多的直接關(guān)聯(lián). 因此物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究很多時(shí)候像摸著石頭過河，既要摸索題目或方向，也要摸索方法. 實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家與工匠有類似之處，他們有的工作甚至不以做出新發(fā)現(xiàn)為目的，或者說有時(shí)做出的新發(fā)現(xiàn)并不是他們期待的目標(biāo). 奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)是事先沒有想到的，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線是個(gè)意外，貝克勒爾也是偶然發(fā)現(xiàn)了元素的放射性……實(shí)驗(yàn)物理研究的這種“發(fā)散性”，或者說其研究目標(biāo)的不明確性與最佳研究方法的未知性，自然導(dǎo)致物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究一般需要更長期的嘗試與摸索. 法拉第摸索10年，才偶然發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)的產(chǎn)生條件. 奧斯特電流的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)促使法拉第想：既然電能生磁，是不是磁也能生電？至于具體磁如何才能生電，法拉第一無所知，他只能長期做各種摸索. 做這樣工作的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，與其說需要智力天賦，不如說更需要執(zhí)著和毅力.

因此，很多時(shí)間里實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家不得不做“不重要”的研究，到年齡較大時(shí)才被機(jī)遇所垂青，做出重要的發(fā)現(xiàn). 如倫琴50歲發(fā)現(xiàn)X射線；瑞利52歲才發(fā)現(xiàn)了惰性氣體氬. 實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家長期的專業(yè)磨練并非無意義，高超的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)感覺如同民間藝人的手藝一樣，長期的磨礪才能出神入化、巧奪天工. 相反不具備高超實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的年輕人即使有好的點(diǎn)子，也難免力不從心. 1924年德布羅意提出物質(zhì)波假設(shè)，不久德國哥廷根大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗蘭克的博士生艾爾薩色，就將1923年美國物理學(xué)家戴維孫與康斯曼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)聯(lián)系起來，認(rèn)為他們的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了德布羅意的假設(shè)，不過戴維孫等人自己還沒意識(shí)到. 考慮到他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，艾爾薩色找到弗蘭克談了自己的想法. 弗蘭克支持艾爾薩色做實(shí)驗(yàn)，但是他覺得此實(shí)驗(yàn)戴維孫已經(jīng)做過，再做意義不大. 所以艾爾薩色一段時(shí)間沒取得實(shí)驗(yàn)進(jìn)展而再次向弗蘭克求助時(shí)，弗蘭克說他覺得艾爾薩色不具備做實(shí)驗(yàn)研究的天賦，建議艾爾薩色不要再做實(shí)驗(yàn)物理研究，而去學(xué)習(xí)理論物理. 差不多兩年后，1926年8月理論物理學(xué)家玻恩在牛津召開的英國科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)議上，介紹了艾爾薩色的想法，并肯定了戴維孫的早期實(shí)驗(yàn). 受玻恩報(bào)告的影響，會(huì)后戴維孫與英國物理學(xué)家G.湯姆遜開始目標(biāo)明確地各自用晶格衍射驗(yàn)證德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)，很快都取得了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，二人分享了1937年諾貝爾物理獎(jiǎng). 艾爾薩色晚年認(rèn)為自己失去這一機(jī)會(huì)，是因?yàn)楫?dāng)年21歲的他缺乏實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，不具備獨(dú)自完成這個(gè)精密而復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)的能力.

小居里夫婦令人深感遺憾的遭遇，原則上是由于研究者對(duì)于將得到什么結(jié)果，實(shí)驗(yàn)之前并不確定；實(shí)驗(yàn)之后也要基于自己的學(xué)識(shí)去解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果. 有的人受種種條件和能力的限制，得不出好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而有的人如小居里夫人，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰軓?qiáng)，能得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是因?yàn)椴荒苷_解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果而一再喪失做出重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì). 一再的功敗垂成反映出的是他們實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Τ瑥?qiáng)而理論思考不夠或理論功力欠缺.

以上所談是理論物理學(xué)家較早成才，而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家做出重要發(fā)現(xiàn)較晚的基本原因.

3　實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家較早做出重要貢獻(xiàn)的捷徑

是不是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家都一定要等到四五十歲才有能做出諾貝爾物理獎(jiǎng)水準(zhǔn)的研究發(fā)現(xiàn)呢？當(dāng)然不是. 康普頓30歲完成了康普頓效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究與理論解釋；弗蘭克32歲與赫茲合作，完成了弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電子與原子碰撞的規(guī)律；小布拉格更是25歲時(shí)因?yàn)槔肵射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)研究方面的重要貢獻(xiàn)而與其父親獲得諾貝爾物理獎(jiǎng). 年輕實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家有必要總結(jié)吸取失利的前輩物理學(xué)家的教訓(xùn). 首先年輕實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家應(yīng)該自覺提高自己的理論修養(yǎng)，關(guān)注物理學(xué)的理論進(jìn)展. 這樣既可以提高發(fā)現(xiàn)有價(jià)值實(shí)驗(yàn)課題的敏感性，也可以避免對(duì)重要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤解釋.

與經(jīng)驗(yàn)豐富的前輩合作或者接受他們的指導(dǎo)，是促進(jìn)年輕實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家更早做出重要貢獻(xiàn)的有效途徑之一. 深入了解實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家較早做出重要貢獻(xiàn)的先例，會(huì)發(fā)現(xiàn)他們之所以較早成功，往往是由于前輩的影響和引導(dǎo). 勒納德的研究深受其老師H.赫茲的影響；康普頓的主要研究雖然是自己獨(dú)立完成的，但是他也有在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室接受湯姆遜和盧瑟福指導(dǎo)的經(jīng)歷；小布拉格25歲獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，這其中他父親老布拉格的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ζ鸬搅撕艽蟮淖饔? 類似的例子還有很多.

“跟風(fēng)”是抓住良機(jī)的好辦法之一. 一個(gè)實(shí)驗(yàn)上的新發(fā)現(xiàn)可以孕育多個(gè)新的研究方向與新的研究方法，相關(guān)研究可以出現(xiàn)多項(xiàng)重要的新突破. 及時(shí)“跟風(fēng)”是捕捉良機(jī)的重要方法之一. 1858年德國物理學(xué)家普呂克在觀察放電管的放電現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)了陰極射線. 1894年勒納德發(fā)表了自己研究陰極射線穿透性等一些重要發(fā)現(xiàn)，勒納德獲得1905年諾貝爾物理獎(jiǎng). 佩蘭、克魯克斯、J.湯姆遜等一批人也都投入到對(duì)陰極射線的研究工作. 1897年湯姆遜發(fā)表名為“陰極射線”的論文，證實(shí)陰極射線為電子流，湯姆遜因此成為電子的發(fā)現(xiàn)者，他獲得了1906年諾貝爾物理獎(jiǎng). 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線就掀起了一陣諾貝爾物理獎(jiǎng)熱浪. 首先1901年倫琴本人成為諾貝爾物理獎(jiǎng)第一位獲獎(jiǎng)?wù)? 勞厄1909年提出X射線是電磁波的想法，1912他就與人合作通過晶體散射證實(shí)了這一想法，獲得1914年諾貝爾物理獎(jiǎng). 1912年小布拉格在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室開始了自己的研究生涯，從事X射線領(lǐng)域的研究. 老布拉格此前在利茲大學(xué)陷于關(guān)于X射線本質(zhì)的爭論中. 此時(shí)他受兒子的影響，自己設(shè)計(jì)制造了重要的X射線分光儀，兩人開始了合作研究. 1915年由于他們利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)的重要貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，這一年老布拉格53歲，小布拉格25歲. 巴克拉1902年開始了自己對(duì)于X射線的研究，7年后，即1909年在他32歲時(shí)完成了元素的X射線特征譜研究，獲得了1918年諾貝爾物理獎(jiǎng). 康普頓1916年博士畢業(yè)后在明尼蘇達(dá)大學(xué)任教，6年后即完成了X射線與電子碰撞的實(shí)驗(yàn)研究，康普頓獲得了1927年諾貝爾物理獎(jiǎng).

多數(shù)“跟風(fēng)”短期即見效果. 但也有長期不懈地在前人的研究領(lǐng)域深入探索再有突破的先例. 昂尼斯因低溫物理研究獲得1913年諾貝爾物理獎(jiǎng). 65年后卡皮查因?yàn)樵诘蜏匚锢眍I(lǐng)域的重要貢獻(xiàn)獲得了1978年諾貝爾物理獎(jiǎng). 威爾遜因?yàn)榘l(fā)明云室而獲得1927年諾貝爾物理獎(jiǎng). 21年后布萊克特因?yàn)楦倪M(jìn)威爾遜云室并用其取得重要成就而獲得1948年諾貝爾物理獎(jiǎng). 彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射，與卡皮查分享1978年諾貝爾物理獎(jiǎng). 28年后馬瑟和斯穆特因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲得2006年諾貝爾物理獎(jiǎng).

以上事實(shí)可以視為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家較早取得重要成果的竅門.

4　結(jié)束語

早期的實(shí)驗(yàn)研究所用實(shí)驗(yàn)儀器基本上是研究者自己制造，與現(xiàn)在的情況大不相同. 比較而言，今天實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與技能不再像以前那么重要. 在這樣的情況下，從事實(shí)驗(yàn)研究的年輕實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，有可能較大地縮短時(shí)間較早取得了不起的研究成果. 希望本文能對(duì)我國的年輕的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家有所啟發(fā)，使他們能有意識(shí)地去提高自己的理論修養(yǎng)，有意識(shí)走向成功的捷徑.

[1]厚宇德，呂增建，黃曉東. 技術(shù)視角下的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[J]. 大學(xué)物理，2012，23(6):41-44,56.

[2]楊振寧. 曙光集[M]. 翁帆，譯. 北京：生活·讀書·新知三聯(lián)書店，2008:233.

[3]詹姆斯·格雷克. 牛頓傳[M]. 吳錚，譯. 北京：高等教育出版社，2004:39.

[4]賽格雷. 從X射線到夸克[M]. 夏孝勇，楊慶華，莊重九，等譯. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1984:202-203，212-213.

[責(zé)任編輯：任德香]

Howcouldexperimentalphysicistsgetimportantachievementearlier

HOUYu-de

(CenterforStudiesofSongHistory,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

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experimentalresearch；theoreticalresearch；theNobelPrize

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(No.11375050)

厚宇德(1963-)，男，黑龍江明水人，河北大學(xué)宋史研究中心教授，博士，主要研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)史與物理文化.

O4-09

B

1005-4642(2016)08-0021-04