實驗物理學家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大學 宋史研究中心，河北 保定 071002)

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專題

實驗物理學家如何更早取得重要成果

厚宇德

(河北大學 宋史研究中心，河北 保定 071002)

理論物理學家一般較年輕就能做出重要貢獻，而實驗物理學家做出重要貢獻的年齡總體偏大. 產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家做出重大理論發現的最好時機；另一方面，足以做出重要發現的實驗經驗與能力則是與時俱增的，需要較長時間的歷練. 與經驗豐富的前輩合作或接受他們的指導，是促進年輕實驗物理學家更早做出重要貢獻的有效途徑之一. 聚焦重要前沿成果并善于發現新的研究點，也是較快做出重要實驗發現的方式之一.

實驗研究；理論研究；諾貝爾獎

預測未來是巨大的挑戰. 在物理學發展史上，有很多預測都已成為笑談. 因此，準確的預言十分難得. 在復雜事物發展過程中有準規律性的東西，因此較為具體的預言難以準確做到，但一定意義上發展趨勢是可以感覺到的. 如物理學一次空前理論大發展后，總要進入較長時期的理論發展低潮期. 這既是事實也符合辯證法以及認識發展的規律. 按照托馬斯·庫恩的話說，科學革命后將進入較為漫長的常規科學階段. 本文作者曾做過一個“預測”：“20 世紀是物理學理論發展的一個黃金期，歷史規律和發展現實都說明，21 世紀不會是物理學理論突破的黃金期. 在這樣的大趨勢下，令中國物理學界諾貝爾情結美夢成真的研究，出于物理學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話題時，楊先生說：“有些東西不是跟經費有很大的直接關系. 比如像理論物理研究，不需要太多經費. 勤奮有好處，可是做理論物理還需要有天份、有機遇. 所以如果問我，下一次諾貝爾科學獎如果給國內的研究的話，我覺得生物比理論物理獲獎的機會多得多. ”楊先生有過較為神奇的預言. 1995年在接受香港電視臺的訪談時，他講了諾貝爾文學獎的特殊性,但是仍然預言：20年內(即2015年前)將有華裔作家獲得諾貝爾文學獎[2]. 2012年莫言先生獲獎. 楊先生說理論物理獲獎較難，這就是說如果只談物理學，他與筆者2012年的“預測”是不沖突的，即如果中國物理界能獲得諾貝爾物理獎，比較而言實驗研究獲獎的可能性更大.

1　理論與實驗物理學家做出重要貢獻的年齡差異

理論研究者做出重要貢獻的平均年齡，總體而言，明顯小于實驗研究者做出重要貢獻的平均年齡. 從理論物理學家這邊看：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歲發表關于宇稱不守恒的文章；費恩曼31歲發表他的重要論文……從實驗物理學家這邊看：斯塔克39歲發現斯塔克效應；拉曼40歲發現拉曼效應；湯姆生41歲發現電子；查德威克41歲發現中子；貝克勒爾44歲發現天然放射性；鮑威爾44歲發現π介子；密立根45歲精確測量電子基本電荷，48歲實驗證實愛因斯坦的光電效應方程并成功測量普朗克常量；李普曼46歲發明彩色照相術；賈伯48歲發明全息照相術；倫琴50歲發現X射線；賽格雷50歲發現反質子；瑞利52歲做出了標志性貢獻，發現了惰性氣體氬；昂尼斯55歲才做出其最大的貢獻，成功液化了惰性氣體氦……因此，雖然有特例，但是實驗物理學家做出重要貢獻時的平均年齡，較理論物理學家做出重要貢獻時的年齡明顯偏大是基本事實，進一步他們獲得諾貝爾物理獎時的年齡也整體偏大.

2　差異產生的主要原因

這一事實產生的原因是復雜的. 首先從理論物理學家這邊看，物理學重要理論的提出者必須是物理以及數學天賦極為突出的人. 但是天賦與實驗經驗不同，不是與時俱增的. 人在20歲以后一段時間內想法與思路最活躍、創造力最強，是做出重要理論貢獻的黃金時期. 在這個時期沒有取得重要成果的理論物理學家，基本上難入一流境界. 物理學理論難題往往較為明顯地展示在那里，不需要長時間地積累經驗后才能發現. 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，鍛煉十年體質也徒然. 有天賦的年輕人較早做出物理學巨大的貢獻，這在諾貝爾獎問世之前即已有范例. 牛頓雖然較晚才發表3個運動定律以及萬有引力定律等研究成果，但是據他自己回憶，他的很多工作完成于1665-1666年：“在那段日子里，我正處于創造發明的黃金時期. 后來我再也沒有像當時那樣專注于數學和哲學.”[3]就是說他在24歲前已經基本上完成了他一生的主要科學研究工作. 因此理論物理學家做出重要貢獻時間較早，是理論物理難題對適宜研究者的選擇性，與天才人物創新的黃金期相契合的必然結果.

實驗研究卻有很大不同. 物理學理論不能簡單通過邏輯推理構建，但物理學理論一旦出現，就存在內在的邏輯關聯. 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聯. 例如伽利略懷疑并終結亞里士多德落體說從而提出新的落體定律，牛頓對伽利略成就的繼承與推進，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，物理學的實驗研究與此前的實驗研究往往沒有那么多的直接關聯. 因此物理學的實驗研究很多時候像摸著石頭過河，既要摸索題目或方向，也要摸索方法. 實驗物理學家與工匠有類似之處，他們有的工作甚至不以做出新發現為目的，或者說有時做出的新發現并不是他們期待的目標. 奧斯特發現電流的磁效應是事先沒有想到的，倫琴發現X射線是個意外，貝克勒爾也是偶然發現了元素的放射性……實驗物理研究的這種“發散性”，或者說其研究目標的不明確性與最佳研究方法的未知性，自然導致物理學的實驗研究一般需要更長期的嘗試與摸索. 法拉第摸索10年，才偶然發現了電磁感應的產生條件. 奧斯特電流的磁效應實驗促使法拉第想：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. 做這樣工作的實驗物理學家，與其說需要智力天賦，不如說更需要執著和毅力.

因此，很多時間里實驗物理學家不得不做“不重要”的研究，到年齡較大時才被機遇所垂青，做出重要的發現. 如倫琴50歲發現X射線；瑞利52歲才發現了惰性氣體氬. 實驗物理學家長期的專業磨練并非無意義，高超的實驗技能和實驗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. 相反不具備高超實驗動手能力的年輕人即使有好的點子，也難免力不從心. 1924年德布羅意提出物質波假設，不久德國哥廷根大學實驗物理學家弗蘭克的博士生艾爾薩色，就將1923年美國物理學家戴維孫與康斯曼的實驗結果與德布羅意的物質波假設聯系起來，認為他們的實驗驗證了德布羅意的假設，不過戴維孫等人自己還沒意識到. 考慮到他們的實驗結果并不理想，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驗，但是他覺得此實驗戴維孫已經做過，再做意義不大. 所以艾爾薩色一段時間沒取得實驗進展而再次向弗蘭克求助時，弗蘭克說他覺得艾爾薩色不具備做實驗研究的天賦，建議艾爾薩色不要再做實驗物理研究，而去學習理論物理. 差不多兩年后，1926年8月理論物理學家玻恩在牛津召開的英國科學促進會會議上，介紹了艾爾薩色的想法，并肯定了戴維孫的早期實驗. 受玻恩報告的影響，會后戴維孫與英國物理學家G.湯姆遜開始目標明確地各自用晶格衍射驗證德布羅意的物質波假設，很快都取得了滿意的實驗結果，二人分享了1937年諾貝爾物理獎. 艾爾薩色晚年認為自己失去這一機會，是因為當年21歲的他缺乏實驗經驗，不具備獨自完成這個精密而復雜的實驗的能力.

小居里夫婦令人深感遺憾的遭遇，原則上是由于研究者對于將得到什么結果，實驗之前并不確定；實驗之后也要基于自己的學識去解釋實驗結果. 有的人受種種條件和能力的限制，得不出好的實驗結果；而有的人如小居里夫人，實驗能力很強，能得出正確的實驗結果，但是因為不能正確解釋實驗結果而一再喪失做出重大發現的機會. 一再的功敗垂成反映出的是他們實驗能力超強而理論思考不夠或理論功力欠缺.

以上所談是理論物理學家較早成才，而實驗物理學家做出重要發現較晚的基本原因.

3　實驗物理學家較早做出重要貢獻的捷徑

是不是實驗物理學家都一定要等到四五十歲才有能做出諾貝爾物理獎水準的研究發現呢？當然不是. 康普頓30歲完成了康普頓效應的實驗研究與理論解釋；弗蘭克32歲與赫茲合作，完成了弗蘭克-赫茲實驗，發現了電子與原子碰撞的規律；小布拉格更是25歲時因為利用X射線對晶體結構研究方面的重要貢獻而與其父親獲得諾貝爾物理獎. 年輕實驗物理學家有必要總結吸取失利的前輩物理學家的教訓. 首先年輕實驗物理學家應該自覺提高自己的理論修養，關注物理學的理論進展. 這樣既可以提高發現有價值實驗課題的敏感性，也可以避免對重要的實驗發現的錯誤解釋.

與經驗豐富的前輩合作或者接受他們的指導，是促進年輕實驗物理學家更早做出重要貢獻的有效途徑之一. 深入了解實驗物理學家較早做出重要貢獻的先例，會發現他們之所以較早成功，往往是由于前輩的影響和引導. 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立完成的，但是他也有在卡文迪什實驗室接受湯姆遜和盧瑟福指導的經歷；小布拉格25歲獲得諾貝爾物理獎，這其中他父親老布拉格的實驗能力起到了很大的作用. 類似的例子還有很多.

“跟風”是抓住良機的好辦法之一. 一個實驗上的新發現可以孕育多個新的研究方向與新的研究方法，相關研究可以出現多項重要的新突破. 及時“跟風”是捕捉良機的重要方法之一. 1858年德國物理學家普呂克在觀察放電管的放電現象時發現了陰極射線. 1894年勒納德發表了自己研究陰極射線穿透性等一些重要發現，勒納德獲得1905年諾貝爾物理獎. 佩蘭、克魯克斯、J.湯姆遜等一批人也都投入到對陰極射線的研究工作. 1897年湯姆遜發表名為“陰極射線”的論文，證實陰極射線為電子流，湯姆遜因此成為電子的發現者，他獲得了1906年諾貝爾物理獎. 1895年倫琴發現X射線就掀起了一陣諾貝爾物理獎熱浪. 首先1901年倫琴本人成為諾貝爾物理獎第一位獲獎者. 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了這一想法，獲得1914年諾貝爾物理獎. 1912年小布拉格在卡文迪什實驗室開始了自己的研究生涯，從事X射線領域的研究. 老布拉格此前在利茲大學陷于關于X射線本質的爭論中. 此時他受兒子的影響，自己設計制造了重要的X射線分光儀，兩人開始了合作研究. 1915年由于他們利用X射線研究晶體結構的重要貢獻而獲得諾貝爾物理獎，這一年老布拉格53歲，小布拉格25歲. 巴克拉1902年開始了自己對于X射線的研究，7年后，即1909年在他32歲時完成了元素的X射線特征譜研究，獲得了1918年諾貝爾物理獎. 康普頓1916年博士畢業后在明尼蘇達大學任教，6年后即完成了X射線與電子碰撞的實驗研究，康普頓獲得了1927年諾貝爾物理獎.

多數“跟風”短期即見效果. 但也有長期不懈地在前人的研究領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. 65年后卡皮查因為在低溫物理領域的重要貢獻獲得了1978年諾貝爾物理獎. 威爾遜因為發明云室而獲得1927年諾貝爾物理獎. 21年后布萊克特因為改進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. 彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜因為發現宇宙微波背景輻射，與卡皮查分享1978年諾貝爾物理獎. 28年后馬瑟和斯穆特因為發現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.

以上事實可以視為實驗物理學家較早取得重要成果的竅門.

4　結束語

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

[1]厚宇德，呂增建，黃曉東. 技術視角下的諾貝爾物理學獎[J]. 大學物理，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：上海科學技術文獻出版社，1984:202-203，212-213.

[責任編輯：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

國家自然科學基金面上項目資助(No.11375050)

厚宇德(1963-)，男，黑龍江明水人，河北大學宋史研究中心教授，博士，主要研究方向為物理學史與物理文化.

O4-09

B

1005-4642(2016)08-0021-04