灰姑娘的水晶鞋

　　看到姬扬先生转载了曹则贤先生的《天大误解--物理学是实验科学》，这是一篇启发相争的文章，值得同行关注和研究。如果物理学不是实验科学的话，会是怎样的科学呢。我也有一些自己的体会，谈谈物理学的实验和理论。 　　从人类发展史和科学发展史来看。大部分的研究是从现象到本质的过程。首先发现了一些现象和规律，归纳，演绎升华理论，然后理论又回到实验验证和指导，是螺旋式上升的研究和思维过程。但是，起点无疑是发现现象和实验。 　　现代科学起源的一个突破点，无疑是将数学成功地进行物理学的研究，在那里有着深刻的公式化、数字化的理论，有了现代科学的发展。数学起了很大的作用。另一方面，数学给物体或物体之间的数量关系，起到了计数器的作用。另一方面，利用数学发现与物理运动法则一致的关系，利用这个关系，人们进行设计和验证，并能进一步预言。数学是很好的实验工具，数学再说明对物理现象、规律的近似。物理学的一个重要模型是质点模型，例如以地球、电荷为质点，然后发现质点之间的相互作用与距离的平方成反比。如果没有数学的话，物理法则就是“被深女儿抚养而不知道”。数学让物理灰姑娘穿上美丽的水晶鞋，水晶鞋是否适合灰姑娘的脚需要人们通过实验和理论逐步验证和自我谈判。 　　看看人类历史上最初辉煌的发现发明，一定是从实验、观察开始的。无论是偶然还是有意，派都会从天上掉下来。物理学的发展如何远离实验和观察呢。又如何作出物理法则呢？怎么幻想出来呢。离开观察、实验，一切都是无源水，都是空中楼阁。 　　天文学的发展肯定很快。为什么？人类为了生存，必须掌握四季变化的规律，必须根据天气栽培作物，因此，对天文现象的观察和记录尤为重要，天文学的发展无疑是从农业的发展开始的，是从人们实际生活的需要发展起来的。天文学著名人物是丹麦天文学家第谷（出生于1546年），他像几十年一日那样做了大量天体运行规则的观察，无疑促进了他的学生德国天文学家凯普勒（出生于1571年）的这些规则的总结，从而考究和阐明了行星运动的三大规则。 　　现代科学起源的主要说法之一是意大利数学家、物理学家、天文学家伽利略（1564年）将数学应用于物理。伽利略发现了教会钟摆的周期性，利用望远镜对天体和太阳进行了观察和研究。在研究斜面物体滑移时，应用了数学。数学的运用大大提高了人们对物理现象和规律的认识。 　　英国物理学家法拉第（1791年出生）发现的电磁感应现象无疑是另一有力的例证。1831年，法拉第发现，当通过磁铁关闭的线路时，线路内会产生电流。这种效果被称为电磁感应。这一年又诞生了一位伟大的英国物理学家麦克斯韦。到今年为止，还总结了有关电磁现象的另一个最基本的实验法则：库仑法则（1785年），皮欧·萨巴尔法则（1820年）。1855年至1865年，麦克威斯综合总结了库伦法则、皮欧萨巴尔法则和法拉第法则，并将数学分析方法带入了电磁学的研究领域，导致了马克思韦的电磁理论的诞生。这无疑是从实验到理论的升华，无疑是人类科学史上百世的例证。 　　这样的例子不胜枚举。阿基米德的浮力定律，莱钦发现了X射线，从太阳光谱中发现了量子力学（整数），发现了光电效应，发现了半导体电阻效应，发现了霍尔效应，青蛙电，富兰克林的风筝电实验。。。。。。然后才形成了各种各样的学科。 　　另外，还有梦中的橄榄树、橄榄树--门德尔（遗传学的创立者，奥地利，1822年出生）的豌豆实验。他通过豌豆实验，发现了遗传学的三个基本法则中的两个，分别是分离法则和自由组合法则。 　　失败吧，失败吧！跑到生物学领域的一场灾难！请早点回来。实验多亏了你，太好了。 　　没有反例吗。DNA双螺旋的发现好像是反例。据推测DNA的构造是双重链还是三重链。1953年，沃森和点击发现了DNA的双螺旋结构，开启了分子生物学时代，将遗传研究深入分子水平，人们清楚地了解了遗传信息的构成和传播途径。人们一直在推测其结构，最终通过X射线衍射实验得到证实，这是理论和实验完美结合的例证，但是完全通过科学实验验证了人们的推测。 　　因此，无论是物理模型的构建，还是思想理论的演绎，都来自实验的启发和诱导。 　　物理学研究的根本是什么。其实很简单。物理学的研究就事论事，就物阐述道理，追本溯源，在人类好奇心的驱动下，是一个从现象到本质的发现过程。以现象为出发点，以实验为依托，以数学为切合点。只有在大量实验结果的基础上，才能建立理论指导。数学正是描述这个规律和过程的有利工具。物理学的研究不是无中生有和捕风捉影。无论多么好的理论，作为骨骼也需要实体实验。数学首先是辅助工具，然后通过数学人们进一步认识了物理世界的本源。因此，对于物理现象和规律的记述，数学所起的作用首先是近似，接着是形似，然后是神似，最后两者融合在了不可分割的一体中。 　　一个理论的发展和成熟反而会阻碍人们的发明和发现。例如，传统的固体物理学理论对于晶体内部的周期性排列已经完整（德国物理学家，1850年）。这里，关于晶体内平行运动对称结构，仅存在1、2、3、4、6度旋转轴，理论上认为无论如何也不存在5度旋转轴。然而，之后发现存在具有5度旋转轴的晶体结构，即准晶体。准晶体是介于晶体和非晶体之间的结构，完全有序，但不具有平行运动对成性。2011年的诺贝尔化学奖被以色列科学家丹尼尔·谢哈特曼授予，并表彰了准晶的发现。这使我们重新认识和研究所构建的晶体结构的知识框架。无论理论多么美好，也要等待实验的公证。 　　一种说法以理论为骨架，这也值得讨论。能以理论为骨架，是基于大量实验理论的成功运用。例如，牛顿的一元二次微分方程在物理学中的运用。因此，所有的一切都必须以实验观察为切入点，在具备一定的知识储备之后，形成对某个学科体系的认识，即科学观，并进一步指导我们的实验和理论。 　　老一代科学家说，实践是检验真理的唯一标准，这句话确实不虚空。实验被用来验证理论，理论反过来验证实验，这是唯一的方法。现在的大科学研究，无论是信号子的研究还是引力波的研究，都被用于验证和发现。理论的出口是实验，实验是理论的最终验证，理论为实验服务。正确处理两者的关系，有主有后，有轻有重。即不要忽视物理现象，不要过度依赖模型。在人类认知能力的范围内，人类只是不断地近似自然隐藏的法则摸索着。一部分的数学研究是屠龙的技能，也有人说人不一定能找到物理性的对象。在科学研究中，重视实验的发现和出现的问题，然后是放矢的构筑模型，也就是数学化的过程。 　　你做了一系列实验，发现了一些现象，但是没有发现法则。这正好是：玉在义中求善值，钗也许你很幸运，但是等你注意到的时候，会看你能不能找到好的模型和数学。如果你找到好的数学表现，它正好是：好马配鞍，好车配帆。但是，用更白的话来说明比较合适。人靠着衣服和马靠着鞍子。 　　我们总是通过实验来验证理论，通过理论来指导实验。实际上，两者不能偏颇，但主体是实验。关于实验和思考，“百度”上记载着有趣的故事。全文可以往下抄。 　　英国剑桥大学的卡文迪霍实验室每天下午6点左右，一位资深的研究人员来到实验室，宣布时间到了，要求每个人停止工作。如果有人不遵守的话，他们会引用路德福德的话来说服。路德福德说：“没能在6点之前完成必须要做的工作的人，就没有必要拖延了。希望能马上回家好好考虑今天做的工作，好好考虑明天做的工作。”。某个深夜，路德福德穿着大衣来到实验室检查，发现有人做了一个惊人的实验。因为他低着头，非常专心，所以那个学生没有注意到路德福德站在他身后。路德福德轻轻地问。“你上午做了什么？”学生回头一看，在路德福德，他马上站了起来，小心地回答说：“要做实验。”。路德福德又说道：“那么，下午是听说了。学生回答“做实验”。路德福德提高声调，说：“夜晚是痛苦的。”听说了。学生以为老师在表扬他，得意地回答：“还是做实验吧。”。路德福德严肃地问：“做了一整天实验，有时间认真思考吗？”。那个学生低头了。出发时，路德福德告诫他“不要忘记思考”。然后，卡文迪霍斯实验室的人记住了路德福德的忠告：“请不要忘记思考！” 　　但是，理论和实验是人类认识自然的两种利器。没有思想的实验就是摸鱼，或者误撞。没有实验的思想是水中的月亮，镜子里的花。 　　并不是所有理论都能用于指导实践。我们更希望的是理论与实践的关系，落霞与孤独 　　情深的王子只能用那双闪闪发光的水晶鞋去寻找梦中的灰姑娘。 　　转载正文请联系原作者获得许可。同时，请注明正文来自鲍海飞科学网的博客。