实验物理学家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大学 宋史研究中心，河北 保定 071002)



专题

实验物理学家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大学 宋史研究中心，河北 保定 071002)

理论物理学家一般较年轻就能做出重要贡献，而实验物理学家做出重要贡献的年龄总体偏大. 产生这一差异的原因是：一方面20～30岁是思维最为活跃期，是天赋出众的年轻理论物理学家做出重大理论发现的最好时机；另一方面，足以做出重要发现的实验经验与能力则是与时俱增的，需要较长时间的历练. 与经验丰富的前辈合作或接受他们的指导，是促进年轻实验物理学家更早做出重要贡献的有效途径之一. 聚焦重要前沿成果并善于发现新的研究点，也是较快做出重要实验发现的方式之一.

实验研究；理论研究；诺贝尔奖

预测未来是巨大的挑战. 在物理学发展史上，有很多预测都已成为笑谈. 因此，准确的预言十分难得. 在复杂事物发展过程中有准规律性的东西，因此较为具体的预言难以准确做到，但一定意义上发展趋势是可以感觉到的. 如物理学一次空前理论大发展后，总要进入较长时期的理论发展低潮期. 这既是事实也符合辩证法以及认识发展的规律. 按照托马斯·库恩的话说，科学革命后将进入较为漫长的常规科学阶段. 本文作者曾做过一个“预测”：“20 世纪是物理学理论发展的一个黄金期，历史规律和发展现实都说明，21 世纪不会是物理学理论突破的黄金期. 在这样的大趋势下，令中国物理学界诺贝尔情结美梦成真的研究，出于物理学理论研究的可能性很小.”[1]2015年12月21日，在与杨振宁先生谈及相关话题时，杨先生说：“有些东西不是跟经费有很大的直接关系. 比如像理论物理研究，不需要太多经费. 勤奋有好处，可是做理论物理还需要有天份、有机遇. 所以如果问我，下一次诺贝尔科学奖如果给国内的研究的话，我觉得生物比理论物理获奖的机会多得多. ”杨先生有过较为神奇的预言. 1995年在接受香港电视台的访谈时，他讲了诺贝尔文学奖的特殊性,但是仍然预言：20年内(即2015年前)将有华裔作家获得诺贝尔文学奖[2]. 2012年莫言先生获奖. 杨先生说理论物理获奖较难，这就是说如果只谈物理学，他与笔者2012年的“预测”是不冲突的，即如果中国物理界能获得诺贝尔物理奖，比较而言实验研究获奖的可能性更大.

1　理论与实验物理学家做出重要贡献的年龄差异

理论研究者做出重要贡献的平均年龄，总体而言，明显小于实验研究者做出重要贡献的平均年龄. 从理论物理学家这边看：海森伯24岁写出著名的“一人文章”；爱因斯坦26岁提出狭义相对论；玻尔28岁提出原子理论；汤川秀树28岁提出介子理论；杨振宁与李政道分别于34岁、30岁发表关于宇称不守恒的文章；费恩曼31岁发表他的重要论文……从实验物理学家这边看：斯塔克39岁发现斯塔克效应；拉曼40岁发现拉曼效应；汤姆生41岁发现电子；查德威克41岁发现中子；贝克勒尔44岁发现天然放射性；鲍威尔44岁发现π介子；密立根45岁精确测量电子基本电荷，48岁实验证实爱因斯坦的光电效应方程并成功测量普朗克常量；李普曼46岁发明彩色照相术；贾伯48岁发明全息照相术；伦琴50岁发现X射线；赛格雷50岁发现反质子；瑞利52岁做出了标志性贡献，发现了惰性气体氩；昂尼斯55岁才做出其最大的贡献，成功液化了惰性气体氦……因此，虽然有特例，但是实验物理学家做出重要贡献时的平均年龄，较理论物理学家做出重要贡献时的年龄明显偏大是基本事实，进一步他们获得诺贝尔物理奖时的年龄也整体偏大.

2　差异产生的主要原因

这一事实产生的原因是复杂的. 首先从理论物理学家这边看，物理学重要理论的提出者必须是物理以及数学天赋极为突出的人. 但是天赋与实验经验不同，不是与时俱增的. 人在20岁以后一段时间内想法与思路最活跃、创造力最强，是做出重要理论贡献的黄金时期. 在这个时期没有取得重要成果的理论物理学家，基本上难入一流境界. 物理学理论难题往往较为明显地展示在那里，不需要长时间地积累经验后才能发现. 理论难题就像一块巨石，能举起的人一下即能举起；举不起来的人，锻炼十年体质也徒然. 有天赋的年轻人较早做出物理学巨大的贡献，这在诺贝尔奖问世之前即已有范例. 牛顿虽然较晚才发表3个运动定律以及万有引力定律等研究成果，但是据他自己回忆，他的很多工作完成于1665-1666年：“在那段日子里，我正处于创造发明的黄金时期. 后来我再也没有像当时那样专注于数学和哲学.”[3]就是说他在24岁前已经基本上完成了他一生的主要科学研究工作. 因此理论物理学家做出重要贡献时间较早，是理论物理难题对适宜研究者的选择性，与天才人物创新的黄金期相契合的必然结果.

实验研究却有很大不同. 物理学理论不能简单通过逻辑推理构建，但物理学理论一旦出现，就存在内在的逻辑关联. 因此建立新理论的研究直接或间接与此前的理论有较大关联. 例如伽利略怀疑并终结亚里士多德落体说从而提出新的落体定律，牛顿对伽利略成就的继承与推进，等等. 这就说理论物理有较为明确的研究线索. 但是更多情况下，物理学的实验研究与此前的实验研究往往没有那么多的直接关联. 因此物理学的实验研究很多时候像摸着石头过河，既要摸索题目或方向，也要摸索方法. 实验物理学家与工匠有类似之处，他们有的工作甚至不以做出新发现为目的，或者说有时做出的新发现并不是他们期待的目标. 奥斯特发现电流的磁效应是事先没有想到的，伦琴发现X射线是个意外，贝克勒尔也是偶然发现了元素的放射性……实验物理研究的这种“发散性”，或者说其研究目标的不明确性与最佳研究方法的未知性，自然导致物理学的实验研究一般需要更长期的尝试与摸索. 法拉第摸索10年，才偶然发现了电磁感应的产生条件. 奥斯特电流的磁效应实验促使法拉第想：既然电能生磁，是不是磁也能生电？至于具体磁如何才能生电，法拉第一无所知，他只能长期做各种摸索. 做这样工作的实验物理学家，与其说需要智力天赋，不如说更需要执着和毅力.

因此，很多时间里实验物理学家不得不做“不重要”的研究，到年龄较大时才被机遇所垂青，做出重要的发现. 如伦琴50岁发现X射线；瑞利52岁才发现了惰性气体氩. 实验物理学家长期的专业磨练并非无意义，高超的实验技能和实验感觉如同民间艺人的手艺一样，长期的磨砺才能出神入化、巧夺天工. 相反不具备高超实验动手能力的年轻人即使有好的点子，也难免力不从心. 1924年德布罗意提出物质波假设，不久德国哥廷根大学实验物理学家弗兰克的博士生艾尔萨色，就将1923年美国物理学家戴维孙与康斯曼的实验结果与德布罗意的物质波假设联系起来，认为他们的实验验证了德布罗意的假设，不过戴维孙等人自己还没意识到. 考虑到他们的实验结果并不理想，艾尔萨色找到弗兰克谈了自己的想法. 弗兰克支持艾尔萨色做实验，但是他觉得此实验戴维孙已经做过，再做意义不大. 所以艾尔萨色一段时间没取得实验进展而再次向弗兰克求助时，弗兰克说他觉得艾尔萨色不具备做实验研究的天赋，建议艾尔萨色不要再做实验物理研究，而去学习理论物理. 差不多两年后，1926年8月理论物理学家玻恩在牛津召开的英国科学促进会会议上，介绍了艾尔萨色的想法，并肯定了戴维孙的早期实验. 受玻恩报告的影响，会后戴维孙与英国物理学家G.汤姆逊开始目标明确地各自用晶格衍射验证德布罗意的物质波假设，很快都取得了满意的实验结果，二人分享了1937年诺贝尔物理奖. 艾尔萨色晚年认为自己失去这一机会，是因为当年21岁的他缺乏实验经验，不具备独自完成这个精密而复杂的实验的能力.

小居里夫妇令人深感遗憾的遭遇，原则上是由于研究者对于将得到什么结果，实验之前并不确定；实验之后也要基于自己的学识去解释实验结果. 有的人受种种条件和能力的限制，得不出好的实验结果；而有的人如小居里夫人，实验能力很强，能得出正确的实验结果，但是因为不能正确解释实验结果而一再丧失做出重大发现的机会. 一再的功败垂成反映出的是他们实验能力超强而理论思考不够或理论功力欠缺.

以上所谈是理论物理学家较早成才，而实验物理学家做出重要发现较晚的基本原因.

3　实验物理学家较早做出重要贡献的捷径

是不是实验物理学家都一定要等到四五十岁才有能做出诺贝尔物理奖水准的研究发现呢？当然不是. 康普顿30岁完成了康普顿效应的实验研究与理论解释；弗兰克32岁与赫兹合作，完成了弗兰克-赫兹实验，发现了电子与原子碰撞的规律；小布拉格更是25岁时因为利用X射线对晶体结构研究方面的重要贡献而与其父亲获得诺贝尔物理奖. 年轻实验物理学家有必要总结吸取失利的前辈物理学家的教训. 首先年轻实验物理学家应该自觉提高自己的理论修养，关注物理学的理论进展. 这样既可以提高发现有价值实验课题的敏感性，也可以避免对重要的实验发现的错误解释.

与经验丰富的前辈合作或者接受他们的指导，是促进年轻实验物理学家更早做出重要贡献的有效途径之一. 深入了解实验物理学家较早做出重要贡献的先例，会发现他们之所以较早成功，往往是由于前辈的影响和引导. 勒纳德的研究深受其老师H.赫兹的影响；康普顿的主要研究虽然是自己独立完成的，但是他也有在卡文迪什实验室接受汤姆逊和卢瑟福指导的经历；小布拉格25岁获得诺贝尔物理奖，这其中他父亲老布拉格的实验能力起到了很大的作用. 类似的例子还有很多.

“跟风”是抓住良机的好办法之一. 一个实验上的新发现可以孕育多个新的研究方向与新的研究方法，相关研究可以出现多项重要的新突破. 及时“跟风”是捕捉良机的重要方法之一. 1858年德国物理学家普吕克在观察放电管的放电现象时发现了阴极射线. 1894年勒纳德发表了自己研究阴极射线穿透性等一些重要发现，勒纳德获得1905年诺贝尔物理奖. 佩兰、克鲁克斯、J.汤姆逊等一批人也都投入到对阴极射线的研究工作. 1897年汤姆逊发表名为“阴极射线”的论文，证实阴极射线为电子流，汤姆逊因此成为电子的发现者，他获得了1906年诺贝尔物理奖. 1895年伦琴发现X射线就掀起了一阵诺贝尔物理奖热浪. 首先1901年伦琴本人成为诺贝尔物理奖第一位获奖者. 劳厄1909年提出X射线是电磁波的想法，1912他就与人合作通过晶体散射证实了这一想法，获得1914年诺贝尔物理奖. 1912年小布拉格在卡文迪什实验室开始了自己的研究生涯，从事X射线领域的研究. 老布拉格此前在利兹大学陷于关于X射线本质的争论中. 此时他受儿子的影响，自己设计制造了重要的X射线分光仪，两人开始了合作研究. 1915年由于他们利用X射线研究晶体结构的重要贡献而获得诺贝尔物理奖，这一年老布拉格53岁，小布拉格25岁. 巴克拉1902年开始了自己对于X射线的研究，7年后，即1909年在他32岁时完成了元素的X射线特征谱研究，获得了1918年诺贝尔物理奖. 康普顿1916年博士毕业后在明尼苏达大学任教，6年后即完成了X射线与电子碰撞的实验研究，康普顿获得了1927年诺贝尔物理奖.

多数“跟风”短期即见效果. 但也有长期不懈地在前人的研究领域深入探索再有突破的先例. 昂尼斯因低温物理研究获得1913年诺贝尔物理奖. 65年后卡皮查因为在低温物理领域的重要贡献获得了1978年诺贝尔物理奖. 威尔逊因为发明云室而获得1927年诺贝尔物理奖. 21年后布莱克特因为改进威尔逊云室并用其取得重要成就而获得1948年诺贝尔物理奖. 彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊因为发现宇宙微波背景辐射，与卡皮查分享1978年诺贝尔物理奖. 28年后马瑟和斯穆特因为发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得2006年诺贝尔物理奖.

以上事实可以视为实验物理学家较早取得重要成果的窍门.

4　结束语

早期的实验研究所用实验仪器基本上是研究者自己制造，与现在的情况大不相同. 比较而言，今天实验经验与技能不再像以前那么重要. 在这样的情况下，从事实验研究的年轻实验物理学家，有可能较大地缩短时间较早取得了不起的研究成果. 希望本文能对我国的年轻的实验物理学家有所启发，使他们能有意识地去提高自己的理论修养，有意识走向成功的捷径.

[1]厚宇德，吕增建，黄晓东. 技术视角下的诺贝尔物理学奖[J]. 大学物理，2012，23(6):41-44,56.

[2]杨振宁. 曙光集[M]. 翁帆，译. 北京：生活·读书·新知三联书店，2008:233.

[3]詹姆斯·格雷克. 牛顿传[M]. 吴铮，译. 北京：高等教育出版社，2004:39.

[4]赛格雷. 从X射线到夸克[M]. 夏孝勇，杨庆华，庄重九，等译. 上海：上海科学技术文献出版社，1984:202-203，212-213.

[责任编辑：任德香]

Howcouldexperimentalphysicistsgetimportantachievementearlier

HOUYu-de

(CenterforStudiesofSongHistory,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

Theoreticalphysicistscoulddogreatresearchworkintheirearlyages,butexperimentalphysicistsoftengetexcellentresearchresultsinolderages.Ononeside, 20-30isthebesttimeforgiftedyoungtheoreticalphysiciststopresentimportantdiscovery,whentheirmindsaremostactive.Butontheotherside,experimentalphysicistsneedlongtimetoimprovetheirexperimentalexperienceandabilitywhichareneededforgreatexperimentalworks.Ayoungexperimentalphysicistco-workwithanexperiencedsenior,isarightroadtogetsuccessmuchearlier.Payingattentiontoimportantnewdiscoveryandbeinggoodatfindingnewresearchissue,isalsoagoodstyletogetvaluableresultquickly.

experimentalresearch；theoreticalresearch；theNobelPrize

2016-03-02

国家自然科学基金面上项目资助(No.11375050)

厚宇德(1963-)，男，黑龙江明水人，河北大学宋史研究中心教授，博士，主要研究方向为物理学史与物理文化.

O4-09

B

1005-4642(2016)08-0021-04