判决性实验（判决性实验）

基本简介

【词语】：判决性实验

【释义】：一般指能决定性地判决相互对立的两个假说或理论中的一个为“真”而另一个为“假”的实验。它在一定历史条件下对相互竞争的理论有相对的、暂时的、局部的判决作用，但是最终的、一劳永逸地宣布证实一个理论而否认另一个理论的判决性实验并不存在。

分析

能对两种对立的假说起到"肯定"一个和"否定"一个的裁决作用的实验。即设计一个实验，并根据对立的假说H1和H2，推出互不相容的实验结 果C1和C2，而实验所得出的结果符合 C1不符合C2，则认为这一实验肯定了H1，否定了H2。

19世纪以前，判决性实验的存在是科学家们公认的1905年，法国 物理学家 P.M.M.杜恒通过对光学中傅科实验的分析，指出一个假说 H总是和其他一些假说（或假定）一起推出结果C的，所以实验结果不符合C，只能推知这一理论系统中至少有一个假说（或假定）是错误的，但不一定就是 H为假。因此，他断言在物理学中判决性实验是不存在的。此后，是否存在判决性实验就成为一个有争议的问题。

在自然科学中，实验是检验科学假说的最重要的实践形式，因而被一些科学家称为"科学的最高法庭"。但是，实验对假说的检验既是确定的又是不确定的。因为，实验结果总是在一定程度上对假说提供某些肯定或否定的证据，在这种意义上，实验对于两个直接对立的假说有可能起一定的判决作用。但从逻辑和历史两个方面的分析可以看出，实验检验还有其不确定的一面。当由一组前提推出的结论被检验表明为假时，从逻辑上并不能断定哪一个前提是假的，因而不能作出确定的判决。而且，实验本身也是历史的、发展的。实验的仪器在不断更新，数据处理和计算方法在不断改进，实验结果的准确度也会不断提高，实验所涉及的各种知识同样也都是在发展着，对实验结果作用的认识也必然随着时间的推移而发生变化。因而，任何一个实验都有其局限性，由此决定了它对假说的检验不可能是最终的判决。

案例

1.伽利略的落体实验

伽利略(Galileo.Galilei，1564-1642)的科学贡献中最为人们称道的是自由落体运动规律的发现。所谓自由落体运动是指物体只受重力作用而从静止状态开始降落的运动。相传，伽利略在比萨斜塔作过一个落体实验。伽利略晚年的学生维维安尼在为伽利略写的第一本传记中简略地记述了这件事。伽利略在晚年的《关于力学和位置运动的两种新科学的对话和数学证明》一书中，通过三个人的谈话说明了这个早年的实验(这三个人是：萨尔维阿蒂、辛普利邱、沙格列陀):

萨：我十分怀疑亚里士多德确实曾经用实验检验过下面这个论断：如果让两块石块(其中之一的重量十倍于另一块的重量)同时从比如说一百腕尺高处落下，那么这两块石头下落的速率便会不同，那较重的石块落到地上时，另一块石头只不过下落了十腕尺。辛：他的话似乎表明，他已经做过这个实验了，因为他说：我们看见较重的石块，看见这个词证明他做过实验。

沙：辛普利邱，可是我进行过检验，我可以肯定地对你说，重量为二百磅以上的一枚炮弹到达地面时，重量仅为半磅的与之同时下落的步枪子弹并不会落后一扌乍，倘若两者都是从高度为二百腕尺的地方落下来的话152。这里讨论的“我”进行过的“检验”，即人们通常说的“伽利略比萨斜塔落体实验”。伽利略是不是在比萨斜塔做过落体实验，是不是最先做了针对亚里士多德运动学说的落体实验，是不是当众做了这样的实验，这些都是物理学史中有争论的问题，我另有文评论，这里不再多说。不过，物理学界都承认，伽利略是否定亚里士多德运动理论、创立新的运动理论的杰出代表。在伽利略以前的时代，一般都接受亚里士多德的运动学说。这个学说认为，落体的运动速度与落体的重量有关，其重越大，其速越快。到了文艺复兴时代，亚里士多德的运动理论引起了越来越多的人的怀疑。从物理学史上我们可以看到，法国人N.奥勒斯姆、葡萄牙人A.托马斯、牛津的教授W.海特斯伯格，以及可能还有达芬奇，都看出了亚里士多德运动理论的毛病。在怀疑亚里士多德运动理论的人中，伽利略是最突出的一个，也是最有成就的一个。他不仅思考了亚里士多德运动论中的逻辑矛盾，而且做了落体和斜面的实验，进行仔细的观察、测量和计算，得到了对落体运动的规律性认识。对于伽利略的这个具有很大的象征性和代表性的实验，在后世的物理学家、科学史家和哲学家，乃至逻辑学、宗教学、文化学的专家的著作中，有许多记述和研究。

2.迈克耳逊以太实验

伽利略去世245以后，美国人迈克耳逊(A.A.Michelson，1852-1931)也完成了一个重要的判决性实验，证明了以太的不存在。不过这个实验的初衷却是要寻找以太存在的证据。

“以太”(ether)一词源于希腊，原意是高空。笛卡尔于1664年首次把它引入近代物理学。他把以太当作传播光和星球之间相互作用的媒质，是人们日常所见的有重物质之外的另一种物质。从此以后，以太问题即成为一个困扰物理学界几百年的难题，耗费了不知多少物理学家的心力。虽然以太问题的最终结论非常简单，但得到这个结论的过程却极其复杂，构成了物理学史上最为扑朔迷离的一页。

为什么要寻找以太？其动因来源于引起超距作用力理论的那些现象，以及导致波动论的光的那些性质。人们从日常生活中形成的观念是，相互作用是通过接触来产生的，比如碰、压、拉，火焰加热或引起燃烧等等。牛顿的引力理论把引力解释为由物质所产生的一种超距作用力，这同人们的普遍经验中形成的原理相矛盾。怎样才能保持自然力概念的一致性呢？要么人们可以把那些作为接触力呈献在我们面前的力，也当作只在很微小的距离中确定可以察觉到的超距作用力来理解。要么人们可以假定，牛顿的超距作用力只是虚构的无媒介的超距作用力，其实它们却是靠一种充满空间的媒质来传递的，不论是靠这种媒质的运动，还是靠它的弹性形变。“以太”就是人们认为应当存在的这种媒质。19世纪上半叶，当人们发现光的性质同有重物体的弹性波的性质之间存在着广泛的相似性的时候，以太假说就获得了新的支持。建立了电磁理论，把电、磁和光的理论用几个简明的公式统一在一个体系中的麦克斯韦(1831-1879)，试图给以太找到新的证明，但他并未能够如愿。这时候，就出现了一种奇怪的情况。以前，物理学家们一直以那些纯粹属于力学的基本概念，比如物质密度、速度、形变、压力，来理解一切物理现象，以求物理理论的统一；现在不同了，他们不得不承认电场强度和磁场强度都是同力学基本概念并列的基本概念。这样，就形成了一种无法长期容忍的理论基础上的二元状态172。找到以太，才能消除这理论基础上的裂痕。

根据当时物理学家们的判断，如果存在着以太，地球就一定在以太中运动，因此，光速——假设光对以太而言以匀速传播——应视测量方向是平行于地球运动方向，还是与之垂直而有所不同。由于光速大约是地球轨道速度(相对于太阳而言)的一万倍，预期的差值是很小的，不过应该是能测量到的。迈克耳逊的工作就是在这种背景上进行的。对于实验仪器有着独特感觉的迈克耳逊，1881年在柏林期间，开始筹划运用光干涉技术进行以太漂移实验。德国的光学仪器久负盛名，当时光干涉技术已进入实验室，并作为成套仪器有商品出售。迈克耳逊从其中的雅明干涉仪得到启发，发明了极为灵敏的迈克耳逊干涉仪。与其他干涉仪相比，它的最大特点是使两束相干光完全分开(通常成90度角)，这使它能适应多种用途。他的实验是：使从同一光源分出的两束相干光，其中一束平行于地球运动方向，另一束则与地球运动方向垂直，再使它们重新会合。如果存在“以太风”，因两束光相对地球速度不同产生一定相位差而形成干涉条纹。他再使整个仪器沿水平方向转过90度角，两束光方向互换，相位差逆转，则干涉条纹就会发生移动。这次实验没有得到足以判断以太是否存在的数据。1887年，迈克耳逊和莫雷合作，对实验进行了改进。这次实验的精密度较之以往大大提高，从实验设计可以推算出，如果存在以太，实验中观测到的干涉条纹应发生相当于140个条纹宽度的移动，但观测结果却是即使有条纹移动，移动距离最大也不会超过101个条纹的宽度。这本来是个惊人的重大的发现，但是一心一意要找到以太的迈克耳逊，却没有想过来，觉得实验还是“失败”了。

3.吴健雄宇称实验

又过了70年，1957年初，华人女性物理学家吴健雄，与美国国家标准局的科学家安伯勒等合作，完成了一个实验，发现了宇称在弱相互作用中的不守恒。宇称的概念最早是由美国物理学家维格纳(E.P.Wigner，1902-1995)提出来的。1924年，莱波特发现了原子具有两种不同的能级，并建立了这两类能级之间的跃迁选择定则，但却解释不了为什么存在这样的规律。1927年，25岁的维格纳成功地指出这两类能级来自于描述原子的波函数在空间反射之下具有不变性造成的(1963年，主要因为此项成就，他获得诺贝尔物理学奖)。维格纳指出的这种对称性具有很强的说服力，它在分析原子光谱中很快地就变得非常有用。这个概念后来又进一步被用于原子核物理、介子物理和奇异粒子物理的现象中，因为其一次又一次的成功，很快被信奉为普遍成立的规律——宇称守恒定律。

1954年至1956年间，在对最轻的奇异粒子(即后来称为K介子的粒子)衰变过程的研究中，人们发现，有一种粒子衰变成两个P介子，称为H介子；另一种粒子衰变成三个P介子，称为S介子。精确的测量非常明显地表明H与S具有相同的质量，其他方面的性质例如寿命、电荷等也都相同。但是对实验结果的分析表明，当S介子衰变为三个P介子时，这三个P介子的总角动量为零，宇称为负，而当H介子衰变为两个P介子时，如果两个P介子的总角动量为零，则宇称为正值。如此，从质量、寿命和电荷来看，H与S似应是同一种粒子，从衰变行为和宇称守恒的原理来看，则H与S不可能是同一种粒子。一时间，这一疑难困扰着物理学界，成为热门的“H-S之谜”。1956年夏天，李政道和杨振宁一起，考查了当时已有的关于宇称守恒这个概念的实验基础以后发现，在强相互作用和电磁相互作用过程中，宇称守恒定律是经过检验的，而在弱相互作用的过程中，宇称守恒定律却从来没有得到过实验的检验，只不过是人们没有注意到这一点。他们指出，在弱相互作用中宇称守恒还是不守恒并没有实验的支持，还不能做结论。他们建议用B衰变，P-L、L-e及奇异粒子衰变等实验来检查宇称在这些弱相互作用中是不是守恒。所有这些实验的基本原理全都一样：安排两套实验装置，它们互为镜像且包含弱相互作用，然后检查这两套装置中粒子衰变的宇称结果是否总是相同。如果不同，就毫不含糊地证明在这样的弱相互作用中，宇称守恒不成立。

吴健雄等做的就是李、杨建议的第一项实验，B衰变实验。他们的实验利用钴60为B源。钴60原子核有自旋，好像一个小磁针，在低温下(约101K)几百高斯的外磁场里，它们便整齐地排列起来，自旋基本上都朝着外磁场方向，形成“极化”现象。这些“极化核”所放出的电子就不再各向同性了。实验的目的要判明，电子是顺着外磁场方向发射的数目多呢，还是反着的方向多？还是两者一样多？如果是第三种情况，上、下对称，就意味着这一B衰变过程中宇称守恒，否则就不守恒。实验结果发现，在弱作用中，宇称是不守恒的，而且效应非常明显，毫不含糊。