理论科学家与实验科学家

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1、第15章理论科学家与实验科学家　   克里克既不像布拉格那样的理论家，也不像佩鲁兹那样的实验家。他介于这两种类型的科学家之间。他偶尔也做点实验，但更多的是埋头考虑解决蛋白质结构的理论。他经常会有什么新发现，变得非常激动，立刻把它告诉任何愿意听的人。过了一两天他经常会意识到他的理论站不住脚，于是又回到实验中去，一直到百般无聊之中又产生了对理论的新想法为止。       ——沃森　   从科学的结构来看，科学由实验(包括观察)和理论两部分构成，科学家的队伍也可以分为实验科学家和科学家。对理论没有兴趣而在实验方面做出成绩的科学家称为实验科学家，对实验没有兴趣而在理论方面做出成绩的科学

2、家就成为理论科学家。对一些科学家而言，这可能是一个相对的概念，因为他们在实践和理论方面都有建树，且把自己理论和实验方面的贡献看得同样重要。   以物理学为例，阿西莫夫对实验物理学家和理论物理学家给出了一个描述性的定义。   “有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。或许，他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精确数量；或许，他打算度量某一种亚原子粒于在分裂成其他粒子、并释放出能量时的精确方式；或许，他打算知道大脑的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中，他都可以称得上是位“实验物理学家”。　　另一方面，一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研早已得到的测量

3、结果，希望从中发现具有普遍意义的思想。或许，他能推导出某些数学关系式来，这些公式能够解释这些测量结果为什么是这样的，而且，如果他找出了这些关系，就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行了这些测量，其结果又和所预言的相一致的话，他很可能就发现了一条被称做"自然法则"的东西。试图用这种方法来获得自然法则的物理学家，就是“理论物理学家”。”   我们很难分出究竟是理论科学家还是实验科学家对科学贡献大。科学研究活动中，理论科学家和实验科学家相互配合，协同发展。在著名的英国剑桥大学卡文迪什实验室从创始人到历任实验室主任共10位科学家中，第一任主任麦克斯韦、第六任主任.莫特(1

4、977年获诺贝尔物理奖)、第八任主任爱德华兹是理论物理学家，卡文迪什本人、第二任主任第三代瑞利男爵(1904年获诺贝尔物理奖)、第三任主任J.J.汤姆逊(1906年获诺贝尔物理奖)、第四任主任卢瑟福(1908年获诺贝尔化学奖)、第五任主任W.L.布拉格(1915年与其父W.H.布拉格获诺贝尔物理奖)、第七任主任派帕德和第九任主任弗伦德是实验物理学家。　   1、理论科学家的特征   关于理论科学家的特征，可以直接引用杨振宁先生的有关物理学家的精彩的描述。杨振宁给出了物理学的划界，并说明了玻尔、海森伯、薛定谔、狄拉克、爱因斯坦等几位理论物理学家的区别。物理学的三个部分和其中的关系

5、：唯象理论(phenomenologicaltheory)(2)是介乎实验(1)和理论架构(3)之间的研究。(1)和(2)合起来是实验物理，(2)和(3)合起来是理论物理，而理论物理的语言是数学。   狄拉克最重要的贡献是提出了狄拉克方程。海森堡最重要的贡献是海森堡方程，是量子力学的基础。可是写出这两个方程的途径却截然不同：海森堡的灵感来自他对实验结果(1)与唯象理论(2)的认识，进而在摸索中得到了海森堡矩阵方程式；狄拉克的灵感来自他对数学(4)的美的直觉欣赏，进而天才地写出了狄拉克方程。他们二人的喜好和注意的方向不同，所以他们的工作的领域也不一样，如图2所示。此图也标明玻尔、

6、薛定谔和爱因斯坦的研究领域。爱因斯坦兴趣广泛，在许多领域中，自(2)至(3)至(4)，都曾做出划时代的贡献。   理论科学家需要非常好的数学才能。这是演绎法所必不可少的。爱因斯坦在谈到牛顿时说“他(牛顿)不仅作为某些关键性方法的发明者来说是杰出的，而且在善于运用他那是地的经验材料上也是独特的，同时他对于数学和物理学的详细证明方法有惊人的创造才能”。爱因斯坦本人的数学已经是很好的了，但他说：“我总是为同样的数学困难所阻”。由于研究的需要，他专门请了一个很强的年轻的数学助手。   尽管理论科学家不亲自在实验室进行实验，但他们必须提出验证科学假说的实验方法。通常他们根据新的假说或者已

7、有的科学原理进行实验设计，以头脑思维的方式展开和完成实验过程。这种实验称为思想实验。爱因斯坦与玻尔关于量子理论的概率与不确定性解释和因果与决定性解释的争论中，双方就多次应用思想实验。   在第五届索尔威会议上，爱因斯坦企图用一些理想实验来反驳测不准原理。首先，他设计了一个让电子通过单狭缝绕射的实验，认为这个实验可以提供一个精确的时空坐标，同时又能提供对此过程中能量和动量交换平衡的详细说明。然而玻尔很快的指出，他不能避免在测量时仪器对电子的干扰，即电子与狭缝边缘的相互作用。   爱因斯坦见单狭