科技中的“南辕北辙”现象

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所属分类:百科知识2007年

测量“以太”速度之后——“迈莫实验”得到“零结果”

  

  从17世纪中叶开始,人们从抽空玻璃罩内仍能看到里面的物体的事实,认为宇宙间存在一种未知的、传播光的物质一“以太”。

  然而,两个世纪过去了,人们依然没能看到以太的影踪,关于它的性质也没有定论。例如,无线电检波器的发明者、晚年迷信传灵术的英国物理学家洛奇就说,他已经算出以太的密度为1012g/cm3。而有人又说以太没有质量,是“无重物质”。

  不过,当时许多科学家都笃信以太的存在。例如,洛奇在1882年写的《关于电的现代看法》一书中就说,以太究竟是什么,“我相信,不久就会得到解答。”

  “解答”以太的最好办法是实验。于是,美国物理学家迈克尔逊和美国化学家莫雷上阵了。1887年,他俩在克利夫兰合作,用高达40亿分之一的精度的仪器再次重做了“以太漂移实验”。但观测了5天,仍然看不到“以太漂移”的任何迹象一以太漂移得到了“零结果”。这就是著名的“迈克尔逊一莫雷实验”。

  以太漂移的零结果表明,以太根本就不存在一实验者得到了和初衷相反的结果。研究者得到和初衷相反的结果的现象,我们称为“南辕北辙”(现象)。

  “迈莫实验”的一个后果是,相对论在18年之后的1905年呱呱坠地。想来,爱因斯坦应该感谢这次南辕北辙……

  

  与悬赏者的愿望相反——“泊松亮点”用反对者命名

  

  从17世纪中叶开始,科学界开始了光究竟是物质还是波动的争论一著名的“微粒说”和“波动说”之争。

  当争论持续到1818年的时候,法国科学院举行了一次光学方面的悬赏征文活动一想通过它,鼓励用微粒说解释光的衍射现象一它是光具有波动性的证明,以取得微粒说的“决定性胜利”。

  但出乎主办者意料的是,当时并不知名的、年仅30岁的法国数学家、物理学家菲涅耳以严密的数学推理,圆满地解释了光的偏振,并算出与实验结果符合得很好的衍射花样。这使评委们大为惊讶。评委比奥叹服菲涅耳的才能:“菲涅耳从这个观点出发,严格地把所有衍射花样、现象归于统一不息,并用公式予以概括,从而永恒地确定了它们之间的相互关系。”

  但是,当评委泊松在用菲涅耳的方程推导圆盘形障碍物对光的衍射现象时,却得到一个令人奇怪的结果:在盘后一定距离的屏幕上的影子的中心会出现一个亮点!泊松认为这一结果是“荒谬”的:影子中心“应”是最黑暗的地方,怎么会出现亮点呢?于是,他声称菲涅耳的理论已被自己的反证法驳倒,因而光的微粒说取得了“胜利”。

  然而,法国天文学家兼物理学家阿拉戈的实验表明,确实在屏的圆形阴影中心出现了用菲涅耳理论算出的一个“精彩的”亮点一后来被称为“阿拉戈斑”的亮点!

  这个“亮点”轰动了法国科学院,使菲涅耳荣获这一届科学奖。但是,人们却戏剧性地称它为沿用至今的“泊松亮点”!

  悬赏者法国科学院得也到了南辕北辙的结果:微粒说不能解释光的衍射现象一衍射现象恰好是光具有波动性的有力证据。

  

  在“否定光子”的指导下——密立根、康普顿适得其反

  

  为了解释当时物理学界迷惑不解的“光电效应”,爱因斯坦在1905年提出了“光量子论”的观点。1926年,美国化学家路易斯把光量子改名为“光子”。

  许多科学家都怀疑光子的存在。例如美国的两位物理学家密立根和康普顿。于是,他俩各自做起了实验。

  密立根的实验水平不容置疑——他因于1910年精密测量电子电荷而独享1923年诺贝尔物理学奖。然而,经过10年(1906~1915)用实验检验爱因斯坦的“光电效应方程”之后,结果和他的“一切希望相反”,“在1915年不得不断言它的无歧义的实验证实”一得到的确存在光子的结论。

  在经过多年的实验研究之后,康普顿于1922年发现了“康普顿效应”。本来,这个效应是“光子存在”的“判决性实验”,但他依然不肯相信光子论。不过,在经过多方探索之后,他终于认识到这个效应只有用光子论才能解释,只好承认光子论是正确性的。他也因此独享1927年诺贝尔物理学奖。

  在密立根和康普顿的南辕北辙之后,更多的人接受了光子论。1925年,在美国和德国的两组物理学家的分别实验之后,光子论已经被科学界彻底承认。

  

  科学精神和人生哲理——“南辕北辙”现象的启示

  

  内涵丰富的科学精神最核心的内容是实事求是。所以,在科研中,应彻底摒弃先入为主的“成见”。否则,就会像迈克尔逊和莫雷、上述法国科学院的那些科学家、密立根和康普顿那样——“刘郎已恨蓬山远,更隔蓬山一万重。”

  科学精神的又一重要内容,是尊重大自然的客观规律,以及认识这些客观规律有时会披上“神秘的面纱”,从而不断开拓创新。客观规律有时“法无定法”——有规律,但不一定是人们当初没有揭示它时猜想的那样。所以,我们在“马蹄南去”的时候,不妨来一个“人北望”。举例来说,当初科学家们对“宇称守恒定律”坚信不疑。1953年,科学家们发现了难以解释的现象——一些微观粒子呈“偶宇称态”,另一些微观粒子呈“奇宇称态”。于是,在1956年,杨振宁和李政道等就打破了宇称守恒定律的“一统天下”,得到相反的宇称不守恒的结论。

  这类实例告诉我们,在得到某些新成果的时候,应有“陆地在这里结束,海洋从这里开始”(镌刻在葡萄牙陆地最南端罗卡角的岩石上的名言)的思想;绝不能认为“科学大厦”已经建成而戛然止步。用爱因斯坦的话来说,就是:“科学决不是也决不会是一本写完了的书。每一次重大发现都带来了新的问题。”

  由“法无定法”,还引发我们对人生变化无常的思考。

  当年,由于哥伦布认为他到达了“东方”的印度,所以那里的土著居民被他改了一个本应和他们毫不相干的名字一印第安人(“印第安”是印度的“音译”)。哥伦布至死也不知道,他到达的是“西土”。然而,就是这个“船舟西去人东望”,让他扬名千古……

  但是,以“芝诺悖论”闻名于世的古希腊哲学家和数学家芝诺,就没有那么幸运了。直到19世纪中叶,人们对古希腊科学家兼哲学家亚里士多德给芝诺悖论的批评,几乎都深信不疑。到了19世纪末,人们才彻底指出了芝诺的谬误的根源,给出了现代数学的哲学解决,也给了他应有的高度评价。对此,英国哲学家兼数学家罗素感慨地说:“在这个变化无常的世界上,没有什么比死后的声誉更变化无常了。死后得不到应有的评价的最显眼的牺牲品莫过于芝诺。他虽然发明了4个无限微妙、无限深邃的悖论,但后世的大批哲学家却说他只是一个聪明的骗子,而他的悖论不过是一些诡辩。遭到2000多年的连续批评之后,这些‘诡辩’才得以正名……”

  [责任编辑 蒲晖]

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