判決性實驗

【詞語】：判決性實驗

【釋義】：一般指能決定性地判決相互對立的兩個假説或理論中的一個為“真”而另一個為“假”的實驗。它在一定歷史條件下對相互競爭的理論有相對的、暫時的、局部的判決作用，但是最終的、一勞永逸地宣佈證實一個理論而否認另一個理論的判決性實驗並不存在。

能對兩種對立的假説起到"肯定"一個和"否定"一個的裁決作用的實驗。即設計一個實驗，並根據對立的假説H1和H2，推出互不相容的實驗結 果C1和C2，而實驗所得出的結果符合 C1不符合C2，則認為這一實驗肯定了H1，否定了H2。

19世紀以前，判決性實驗的存在是科學家們公認的。1905年，法國 物理學家 P.M.M.杜恆通過對光學中傅科實驗的分析，指出一個假説 H總是和其他一些假説（或假定）一起推出結果C的，所以實驗結果不符合C，只能推知這一理論系統中至少有一個假説（或假定）是錯誤的，但不一定就是 H為假。因此，他斷言在物理學中判決性實驗是不存在的。此後，是否存在判決性實驗就成為一個有爭議的問題。

在自然科學中，實驗是檢驗科學假説的最重要的實踐形式，因而被一些科學家稱為"科學的最高法庭"。但是，實驗對假説的檢驗既是確定的又是不確定的。因為，實驗結果總是在一定程度上對假説提供某些肯定或否定的證據，在這種意義上，實驗對於兩個直接對立的假説有可能起一定的判決作用。但從邏輯和歷史兩個方面的分析可以看出，實驗檢驗還有其不確定的一面。當由一組前提推出的結論被檢驗表明為假時，從邏輯上並不能斷定哪一個前提是假的，因而不能作出確定的判決。而且，實驗本身也是歷史的、發展的。實驗的儀器在不斷更新，數據處理和計算方法在不斷改進，實驗結果的準確度也會不斷提高，實驗所涉及的各種知識同樣也都是在發展着，對實驗結果作用的認識也必然隨着時間的推移而發生變化。因而,任何一個實驗都有其侷限性,由此決定了它對假説的檢驗不可能是最終的判決。

1.伽利略的落體實驗

伽利略(Galileo.Galilei，1564-1642)的科學貢獻中最為人們稱道的是自由落體運動規律的發現。所謂自由落體運動是指物體只受重力作用而從靜止狀態開始降落的運動。相傳，伽利略在比薩斜塔作過一個落體實驗。伽利略晚年的學生維維安尼在為伽利略寫的第一本傳記中簡略地記述了這件事。伽利略在晚年的《關於力學和位置運動的兩種新科學的對話和數學證明》一書中，通過三個人的談話説明了這個早年的實驗(這三個人是:薩爾維阿蒂、辛普利邱、沙格列陀):

薩:我十分懷疑亞里士多德確實曾經用實驗檢驗過下面這個論斷:如果讓兩塊石塊(其中之一的重量十倍於另一塊的重量)同時從比如説一百腕尺高處落下，那麼這兩塊石頭下落的速率便會不同，那較重的石塊落到地上時，另一塊石頭只不過下落了十腕尺。辛:他的話似乎表明，他已經做過這個實驗了，因為他説:我們看見較重的石塊，看見這個詞證明他做過實驗。

沙:辛普利邱，可是我進行過檢驗，我可以肯定地對你説，重量為二百磅以上的一枚炮彈到達地面時，重量僅為半磅的與之同時下落的步槍子彈並不會落後一扌乍，倘若兩者都是從高度為二百腕尺的地方落下來的話152。這裏討論的“我”進行過的“檢驗”，即人們通常説的“伽利略比薩斜塔落體實驗”。伽利略是不是在比薩斜塔做過落體實驗，是不是最先做了針對亞里士多德運動學説的落體實驗，是不是當眾做了這樣的實驗，這些都是物理學史中有爭論的問題，我另有文評論，這裏不再多説。不過，物理學界都承認，伽利略是否定亞里士多德運動理論、創立新的運動理論的傑出代表。在伽利略以前的時代，一般都接受亞里士多德的運動學説。這個學説認為，落體的運動速度與落體的重量有關，其重越大，其速越快。到了文藝復興時代，亞里士多德的運動理論引起了越來越多的人的懷疑。從物理學史上我們可以看到，法國人N.奧勒斯姆、葡萄牙人A.托馬斯、牛津的教授W.海特斯伯格，以及可能還有達芬奇，都看出了亞里士多德運動理論的毛病。在懷疑亞里士多德運動理論的人中，伽利略是最突出的一個，也是最有成就的一個。他不僅思考了亞里士多德運動論中的邏輯矛盾，而且做了落體和斜面的實驗，進行仔細的觀察、測量和計算，得到了對落體運動的規律性認識。對於伽利略的這個具有很大的象徵性和代表性的實驗，在後世的物理學家、科學史家和哲學家，乃至邏輯學、宗教學、文化學的專家的著作中，有許多記述和研究。

2.邁克耳遜以太實驗

伽利略去世245以後，美國人邁克耳遜(A.A.Michelson，1852-1931)也完成了一個重要的判決性實驗，證明了以太的不存在。不過這個實驗的初衷卻是要尋找以太存在的證據。

“以太”(ether)一詞源於希臘，原意是高空。笛卡爾於1664年首次把它引入近代物理學。他把以太當作傳播光和星球之間相互作用的媒質，是人們日常所見的有重物質之外的另一種物質。從此以後，以太問題即成為一個困擾物理學界幾百年的難題，耗費了不知多少物理學家的心力。雖然以太問題的最終結論非常簡單，但得到這個結論的過程卻極其複雜，構成了物理學史上最為撲朔迷離的一頁。

為什麼要尋找以太?其動因來源於引起超距作用力理論的那些現象，以及導致波動論的光的那些性質。人們從日常生活中形成的觀念是，相互作用是通過接觸來產生的，比如碰、壓、拉，火焰加熱或引起燃燒等等。牛頓的引力理論把引力解釋為由物質所產生的一種超距作用力，這同人們的普遍經驗中形成的原理相矛盾。怎樣才能保持自然力概念的一致性呢?要麼人們可以把那些作為接觸力呈獻在我們面前的力，也當作只在很微小的距離中確定可以察覺到的超距作用力來理解。要麼人們可以假定，牛頓的超距作用力只是虛構的無媒介的超距作用力，其實它們卻是靠一種充滿空間的媒質來傳遞的，不論是靠這種媒質的運動，還是靠它的彈性形變。“以太”就是人們認為應當存在的這種媒質。19世紀上半葉，當人們發現光的性質同有重物體的彈性波的性質之間存在着廣泛的相似性的時候，以太假説就獲得了新的支持。建立了電磁理論，把電、磁和光的理論用幾個簡明的公式統一在一個體系中的麥克斯韋(1831-1879)，試圖給以太找到新的證明，但他並未能夠如願。這時候，就出現了一種奇怪的情況。以前，物理學家們一直以那些純粹屬於力學的基本概念，比如物質密度、速度、形變、壓力，來理解一切物理現象，以求物理理論的統一；現在不同了，他們不得不承認電場強度和磁場強度都是同力學基本概念並列的基本概念。這樣，就形成了一種無法長期容忍的理論基礎上的二元狀態172。找到以太，才能消除這理論基礎上的裂痕。

根據當時物理學家們的判斷，如果存在着以太，地球就一定在以太中運動，因此，光速——假設光對以太而言以勻速傳播——應視測量方向是平行於地球運動方向，還是與之垂直而有所不同。由於光速大約是地球軌道速度(相對於太陽而言)的一萬倍，預期的差值是很小的，不過應該是能測量到的。邁克耳遜的工作就是在這種背景上進行的。對於實驗儀器有着獨特感覺的邁克耳遜，1881年在柏林期間，開始籌劃運用光干涉技術進行以太漂移實驗。德國的光學儀器久負盛名，當時光干涉技術已進入實驗室，並作為成套儀器有商品出售。邁克耳遜從其中的雅明干涉儀得到啓發，發明了極為靈敏的邁克耳遜干涉儀。與其他干涉儀相比，它的最大特點是使兩束相干光完全分開(通常成90度角)，這使它能適應多種用途。他的實驗是:使從同一光源分出的兩束相干光，其中一束平行於地球運動方向，另一束則與地球運動方向垂直，再使它們重新會合。如果存在“以太風”，因兩束光相對地球速度不同產生一定相位差而形成干涉條紋。他再使整個儀器沿水平方向轉過90度角，兩束光方向互換，相位差逆轉， 則干涉條紋就會發生移動。這次實驗沒有得到足以判斷以太是否存在的數據。1887年，邁克耳遜和莫雷合作，對實驗進行了改進。這次實驗的精密度較之以往大大提高，從實驗設計可以推算出，如果存在以太，實驗中觀測到的干涉條紋應發生相當於140個條紋寬度的移動，但觀測結果卻是即使有條紋移動，移動距離最大也不會超過101個條紋的寬度。這本來是個驚人的重大的發現，但是一心一意要找到以太的邁克耳遜，卻沒有想過來，覺得實驗還是“失敗”了。

3.吳健雄宇稱實驗

又過了70年，1957年初，華人女性物理學家吳健雄，與美國國家標準局的科學家安伯勒等合作，完成了一個實驗，發現了宇稱在弱相互作用中的不守恆。宇稱的概念最早是由美國物理學家維格納(E.P.Wigner，1902-1995)提出來的。1924年，萊波特發現了原子具有兩種不同的能級，並建立了這兩類能級之間的躍遷選擇定則，但卻解釋不了為什麼存在這樣的規律。1927年，25歲的維格納成功地指出這兩類能級來自於描述原子的波函數在空間反射之下具有不變性造成的(1963年，主要因為此項成就，他獲得諾貝爾物理學獎)。維格納指出的這種對稱性具有很強的説服力，它在分析原子光譜中很快地就變得非常有用。這個概念後來又進一步被用於原子核物理、介子物理和奇異粒子物理的現象中，因為其一次又一次的成功，很快被信奉為普遍成立的規律——宇稱守恆定律。

1954年至1956年間，在對最輕的奇異粒子(即後來稱為K介子的粒子)衰變過程的研究中，人們發現，有一種粒子衰變成兩個P介子，稱為H介子；另一種粒子衰變成三個P介子，稱為S介子。精確的測量非常明顯地表明H與S具有相同的質量，其他方面的性質例如壽命、電荷等也都相同。但是對實驗結果的分析表明，當S介子衰變為三個P介子時，這三個P介子的總角動量為零，宇稱為負，而當H介子衰變為兩個P介子時，如果兩個P介子的總角動量為零，則宇稱為正值。如此，從質量、壽命和電荷來看，H與S似應是同一種粒子，從衰變行為和宇稱守恆的原理來看，則H與S不可能是同一種粒子。一時間，這一疑難困擾着物理學界，成為熱門的“H-S之謎”。1956年夏天，李政道和楊振寧一起，考查了當時已有的關於宇稱守恆這個概念的實驗基礎以後發現，在強相互作用和電磁相互作用過程中，宇稱守恆定律是經過檢驗的，而在弱相互作用的過程中，宇稱守恆定律卻從來沒有得到過實驗的檢驗，只不過是人們沒有注意到這一點。他們指出，在弱相互作用中宇稱守恆還是不守恆並沒有實驗的支持，還不能做結論。他們建議用B衰變，P-L、L-e及奇異粒子衰變等實驗來檢查宇稱在這些弱相互作用中是不是守恆。所有這些實驗的基本原理全都一樣:安排兩套實驗裝置，它們互為鏡像且包含弱相互作用，然後檢查這兩套裝置中粒子衰變的宇稱結果是否總是相同。如果不同，就毫不含糊地證明在這樣的弱相互作用中，宇稱守恆不成立。

吳健雄等做的就是李、楊建議的第一項實驗，B衰變實驗。他們的實驗利用鈷60為B源。鈷60原子核有自旋，好像一個小磁針，在低温下(約101K)幾百高斯的外磁場裏，它們便整齊地排列起來，自旋基本上都朝着外磁場方向，形成“極化”現象。這些“極化核”所放出的電子就不再各向同性了。實驗的目的要判明，電子是順着外磁場方向發射的數目多呢，還是反着的方向多?還是兩者一樣多?如果是第三種情況，上、下對稱，就意味着這一B衰變過程中宇稱守恆，否則就不守恆。實驗結果發現，在弱作用中，宇稱是不守恆的，而且效應非常明顯，毫不含糊。