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大学物理实验外文教材导读-南开大学图书馆
实验物理外文新书导读
(陈靖,南开大学物理科学学院博士、讲师)
物理学是人们认识自然、改造自然的一门科学。它是以实验为基础和先导的。所有物理定律的形成和发展都是建立在客观自然现象的观察和研究基础上,并且实验结果是检验理论正确与否的唯一标准,重要的物理实验常常是科学技术的生长点。
一、物理学发展中的实验科学
16世纪伽利略倡导的数学与实验相结合的研究方法得到学术界的公认之后,逐渐形成了一门学科——物理。这种将客观现象模型化和量化之后,用数学方法演绎出某些结论的方法在公元前3世纪阿基米德的学术活动中已有记载。1666年牛顿用万有引力理论计算月球绕地球运动的周期,由于使用了地球表面大圆弧上对应于1度的弧长为60英里的不准确数据,得到的计算值不符合观测数据,因而怀疑万有引力的正确性。直到1682年他使用了皮卡德的精确值:1度对应于69.1英里的弧长重新计算,计算结果符合观测数值,这才认定万有引力的正确性。牛顿力学统治物理学长达200多年,直到19世纪末20世纪初,人们认识到牛顿力学在某些领域中不适用,物理学开始了一个新的发展时期。人们进行了大量的物理实验探索工作。19世纪后半期,英国科学家汤姆逊进行了一系列实验研究,在1897年确认阴极射线是带负电的粒子——电子。1900年,普朗克在辐射能量不连续的概念下推导出了完全符合实验数据的黑体辐射公式,导致了量子力学的出现。1905年,爱因斯坦在新的时空概念基础上发表了狭义相对论,完美的解释了光速不变的实验结果。1911年,英国物理学家卢瑟福用实验确定了原子内的正电荷集中在很小的范围内,从而提出了原子的核式结构。20世纪初,由于居里夫妇、卢瑟福等许多科学家的大量实验工作,物理学向原子、原子核、电子等小尺度空间方向发展,也向高速(近光速)方向发展。伴随着这些物理实验,逐步建立了相应的理论系统。从这些物理学的发展过程:麦克斯韦的电动力学理论、爱因斯坦的相对论、卢瑟福和玻尔的原子模型、薛定谔和海森堡等人的量子力学等等,都使20世纪的物理学大放异彩。这些杰出的物理成果无一不是以实验中的新发现为基础和依据的。
二、诺贝尔物理学奖中的实验科学
如果说物理学是一座大厦,那么实验物理就是其脊梁。正是物理学实验这坚实的支柱使得物理学这门自然科学突飞猛进的发展。诺贝尔奖作为世界上最重要的科技奖项一直备受世人瞩目,他代表了科学发展的主流发展方向。因此从诺贝尔物理学奖的获奖情况能够充分体现出物理学发展的动向及其发展进度,也可由此窥探出物理实验在物理学发展中的作用。许多诺贝尔物理学获奖者在其科学研究中无不是做了大量的实验工作来证明或者解决理论上的问题。可以说实验是检验物理理论的唯一标准。从1901年第一次授奖至今一百多年的历史中,其中因物理实验方面的伟大发现或者发明而获奖的占三分之二以上。例如1901年首届诺贝尔物理学奖得主伦琴(W.C.Rentegen),因发现X射线而获奖;1902年的得主是塞曼(P. Zeeman),因其发现光谱线在磁场中分裂的现象获奖;1903年得主是贝可勒尔(H.A.Becquerel)和居里夫妇(P.Curie,M.S.Curie由此看出,这些实验方面的发现已被公认为是物理学发展中的最伟大的成就。可见实验物理在物理学发展中的地位重要。60年代末应聘到MIT的基本粒子实验室,1974年发现J粒子,76年获诺贝尔奖,年仅40岁。他在授奖时说:“自然科学理论不能离开实验的基础。特别是物理学,它是从实验产生的。我希望由于我的这次得奖,能够唤起发展中国家的学生们的兴趣,使他们注意到实验工作的重要性,为自己国家的建设、科学的进步贡献出青春和力量”。
三、理论物理和实验物理的关系
理论上美妙的假设或推理,要成为被公认的物理规律,必须有实验结果的验证诚然,物理学理论还有一定的相对独立性,理论物理学用逻辑推理的方法有过许多预言,也发现过不少新的规律和定理 ,但是,即使最严谨的理论也必须通过实验的检验,才能得到证实公认例如,杨氏的光的干涉实验证实了光的波动说,赫兹的实验证实了麦克斯韦的电磁场理论德布罗意的波粒二象性被电子衍射实验而验证,是非常典型的一个例证1924年法国人德布罗意(De. Broglic)在光波具有微粒性的启发下,明确提出实验粒子具有波动性,即物质被和粒子的缔合概念,通常人们将它描述为波粒二重性或二象性“象电子这样的粒子,它的粒子性早已为人们所认识,他们是否也具有波动性呢?”法国一位年青人路易·德布罗意于1924年指出:如同过去对光的认识比较片面一样,对实物粒子的认识或许也是片面的,二象性并不只是光才具有,实物粒子也具有二象性德布罗意:“整个世纪以来,在光学上,比起波动的研究方面来,是过于忽略了粒子的研究方面;在物质束的理论上,是否发生了相反的错误呢?是不是我们把关于“粒子”的图象想得太多,而过
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