物理理论与物理实验之关系
——从对“理论永远无法推翻实验”的质疑谈起

解问鼎 孙 艺 郭雅洁

(苏州大学物理科学与技术学院 江苏 苏州 215006)

1 问题提出的背景

人教版教材《高中物理·必修1》课后章节“学生实验”一章，在章首名人名言部分引用了丁肇中教授的一句名言“实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验”．很多学生在看到这句话时都会加以推敲．“实验可以推翻理论”是大多数同学都赞同的，“理论永远无法推翻实验”却引起好多学生的怀疑：通过理论分析来证明一个实验是错误的不就是用理论推翻了实验吗？一些喜欢钻研的同学还查阅学过的物理实验和物理学史的有关内容，寻找理论可以推翻实验的例证．有同学认为：狭义相对论理论的出现推翻了低速运动下才成立的牛顿力学理论，在牛顿力学理论下成立的物理实验不是也被推翻了吗？也有同学认为：伽利略理想实验实际上是无法做到的实验，是在理想情况下的推理，该推理建立在理论上，那么该理论确实推翻了亚里士多德关于静止是物体“自然本性”的错误实验．还有同学认为：数学理论就是没有实验的，只有严密的逻辑和有效的数据，想保证“绝对正确”只有数学可以，所以只有通过严密数学推导的物理理论才是正确的，与之相违背的实验都将被推翻．还有同学指出：能量守恒定律的出现，推翻了一切关于第一类永动机的实验，而且该理论本身是没有实验证明的．

2 物理理论与物理实验的关系

丁肇中教授说错了吗？我们知道，丁肇中教授是著名的实验物理学家，对实验的作用和地位有过许多深刻的论断．他认为“做实验确实非常重要．因为任何理论没有实验证明，是没有用的．‘相对论’要是没有实验证明的话，是没有意义的．”[1]爱因斯坦从另一个角度强调了科学实验的重要性：“一切关于实在的知识，都是以经验开始，又终结于经验的”．而经验又主要地来自科学实验[2]．可见，实验是非常重要的．但是，在整个物理学发展史上，物理理论与实验的先后关系却像是“鸡生蛋、蛋生鸡”一样奇妙．在量子论之前，物理学的发展大都是由实验到方程、规律乃至整个理论体系，如经典力学、电学、磁学、热力学等都是遵循这样的途径，这一时期多是实验超前、理论落后．在量子论之后，这个过程被倒转过来，物理学家首先是建立方程、推导理论框架、然后再回到实验，由实验来验证理论的真理性，如狭义相对论、广义相对论、量子力学、粒子物理学等都是这样，这一时期又是理论超前、实验落后．跨越了这两个时期的场论观念，又很好地说明了实验与理论的相互促进：没有受过正统数学教育只懂得一点微积分的法拉第，通过大量实验提出磁场线的概念来反对许多理论定律所推崇的超距作用，他用大量实验向人们展示了明确地显示磁场的邻接性质的磁场线，建立了电磁场理论；麦克斯韦从场的概念出发，运用丰富的想象力、精湛的数学造诣跳出经典力学框架的束缚，用数学分析方法推动麦克斯韦电磁理论的诞生，实现了电场与磁场的统一，并预言了电磁波的存在；赫兹的电火花实验，把天才的预言变成真理，赫兹的实验不仅观察到电磁波的反射、折射、干涉、偏振、衍射等现象，证实了麦克斯韦的电磁理论，继续推动场论的发展，更为无线电技术开拓了道路，从此，一个又一个的无线电实验成功开展并被用于造福人类．

从实验→理论→新理论→新实验→更多的实验．虽然，理论和实验一般是分开进行的，但我们依然能够看到物理实验与物理理论之间的促进关系．

3 实验是如何推翻理论的

关于理论，任何人都可以提出不同的观点，但是它必须经过实验的验证才能成为被信任的理论，被信任的理论才能成为科学，这个信任必须建立在普遍意义的事实之上．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，实验事实是检验物理模型确立物理规律的终审裁判．所谓“实验可以推翻理论”是指实验的结果往往比理论更具有说服力，实验的结果可以用来否定理论．当一个物理学家无法信任某一理论时，他通常是通过实验的方式去推翻它．当然，实验推翻理论在不同的历史条件背景下也有不同的方式，例如在“经典物理学大厦”建成之前，许多物理理论是建立在对自然界直观的观察和简单的理解之上，伽利略将实验引入物理学后，成功的实验可以彻底地推翻理论，例如，站在巨人肩膀上的牛顿通过实验结果彻底推翻了亚里士多德的运动原因说．但是，在经典物理学“两朵乌云”下发展起来的现代物理学框架下，实验推翻理论的方式常常是条件性的，例如一系列的宇宙空间实验都证明狭义相对论的结果比牛顿运动定律更接近实际情况，但其仍然只是在高速运动下对牛顿运动定律的修正，前者比后者更接近真理，但这推翻仍然是有条件的．这些足以说明物理学史上关键问题的解决，不论是推翻还是建立，最后都要讨诸于实验．

4 为什么理论永远无法推翻实验

诚然，物理学理论具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，但是爱因斯坦曾指出：“即使是最明晰的逻辑数学理论，它本身也不能使真理得到保证，要不是用自然科学中的最准确的观察来检验，它也是毫无意义的”．物理理论的意义和价值体现在它可靠的公信力，所以，即便是狭义相对论提出100多年后并被广泛接受的今天，仍然由于缺乏符合爱因斯坦所提出的全部要求的证明实验，始终叫人感到不甚了然[3]．

科学是人类最可靠的知识体系，科学理论与其他理论的区别就在于，科学理论是经历可靠实验检验且没有被推翻的理论．理论的可靠性是依赖实验的可靠性的，实验是对客观实在本质的反映，客观的东西当然不能被主观事物推翻，但其条件必须是正确无误的实验．既然实验直接扎根于客观世界，它的可靠性根源于世界的客观性，这种可靠性是随其客观性而来的，因而要推翻一个客观的实验，只能通过另一个客观且更为可靠的实验．理论不具有与实验同样的可靠程度，能推翻旧实验的不是新理论，只能是新实验，因此“理论是无法推翻实验的”．

虽然理论无法推翻实验，但却可以对实验现象做出正确的解释，即便是超前于实验而存在的理论．1964年，英国物理学家彼得·希格斯发表了一篇理论文章，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在，这种粒子形成了质量，构筑成大千世界，被称为“上帝粒子”．但是直到2013年3月14日欧洲核子研究中心宣布，其强子对撞实验项目——ATLAS和CMS项目发现了同一种新粒子，它的许多特征与希格斯玻色子一致，该中心于2013年宣布“它就是希格斯玻色子”，比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国物理学家彼得·希格斯因为其描述的粒子物理学的标准模型“上帝粒子”被授予了2013年诺贝尔物理学奖．这恰恰说明了理论对于实验的需要，即便是正确的理论，在其解释实验现象的同时，仍然需要得到实验的支持．

即使理论无法解释实验现象，也不能否定实验现象的存在及正确性．正如中国教育学会物理教学研究会高师工作委员会委员陶洪教授常说的“在物理实验中，现象永远不会错”，只要理论与事实冲突，体现的必然是理论的局限性．但是对于某些似是而非的实验结果，例如各种永动机、冷聚变等，通过理论分析可以发现其中的问题，也就是说：理论不能推翻实验，但可以指出似是而非的实验中包含的错误，可以为新的实验提供指导．

5 结语

李政道说：“没有实验物理学，理论物理学就徘徊不前！没有理论物理学，实验物理学就漂泊不停！”我们从事物理学教育，追求的是通过培养一代代学生推动物理科学的进步，因此必须重视物理实验与理论的地位关系．有些中学教师认为“中学阶段的学生的主要任务是学习理论，实验是大学阶段

才需要完成的任务”．也有的教师认为“学生阶段的教学实验的目的是掌握知识，实验只是掌握知识的一种可选形式”，这种片面的认识所导致的直接结果就是，目前我国学习物理的大学生乃至研究生都普遍缺乏做实验的动手能力、创新意识以及探究精神．对物理实验的重视应当是一脉相承的，因此中学教师应当摒弃“实验是辅助理论学习的”的错误认识，将对实验的重视贯穿于物理学习的始终．

参考文献

1 夏有为．理论绝不能推翻实践——访诺贝尔物理学奖得主丁肇中教授．实验室研究与探索，2002，21(5)

2 陈坤，严沛军．丁肇中科学实验方法论．科技管理研究，2008，08 -0276 -05

3 朱纪东．狭义相对论的实验基础．上海电力学院学报，2003，03- 0057- 04