科学研究中严格的实验结果的重要性

龚明，中国科学技术大学

摘要：本文总结了物理、化学以及其它领域的严格的实验结果的重要性。在这些严格结论的基础上可以建立科学模型，并进一步进行逻辑演绎。所以在科学研究中，要重视思考这些结果背后的更深层次的原因。在科学史上，这些严格的实验结果在科学发展中发挥了关键作用。

很多年前，我曾经听清华大学一位从事精密测量的教授说过，推动科学进步和突破的是精密仪器。这句话让我耳目一新，印象深刻。尽管我知道科学的发展和精密测量以及实验方法的进步之间有密切的关系，但是将它提高到“推动”的地位，我还是第一次听到。这句话后来成了我重新理解物理学史，以及物理学发展规律的重要视角。

人类科学的发展，非常好地遵循了这句话。在古希腊以及中国古代，不存在精密测量技术，也就无法得到一些精确的结果。人类第一次得到的精确结果，可能来自开普勒的天体实验。他利用实验观测非常清楚地证明，太阳系的所有行星都遵循三个定律，其中第三定律陈述的“所有行星绕太阳运行的周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比”是最为关键的。利用这个结论以及一点点微积分的知识，就马上可以推导得到万有引力公式 --- 至少教材是这样做的。牛顿非常敏锐地意识到了这一点，发现了开普勒三定律背后的隐藏的规律。第二个重要的例子可能属理想气体的状态方程，即PV= nRT，其中P, V, T分别表示压强，体积和温度，R为一个普适常数，n为分子的摩尔数。这个结论很有趣，因为它表明气体的状态方程和气体的微观物理性质无关。这些微观细节包括原子的质量和种类等。那么，其背后的深层次的原因是什么呢？这个结果后来导致了能量均分原理的出现以及玻尔茨曼的分布函数，后来它们又成了统计物理的基石。第三个重要的例子是对光速的测量。19世纪的大量的实验证明，在不同的参考系中，光速都是不变的。这个结论对以太的存在提出了严重的挑战。后来，爱因斯坦反其道而行之，干脆以这个结论为公理建立了狭义相对论理论。第四个重要的例子当属黑体辐射实验。通过对光谱辐射的精确测量，科学家发现当时的一些经验公式的不足，于是普朗克提出了它的插值公式，和实验结果吻合很好。普朗克非常善于深度思考，他意识到到这绝非巧合。1900年，他提出了量子化假设。在物理学发展历史上，这四个例子具有代表性。

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在其它领域，也存在类似的现象。比如，在化学领域，利用天平可以精确测量物质的质量，从而导致了化学反应过程中的守恒定律。随着光谱仪的发明，科学家可以精确测量原子的光谱，从而发现了很多新的元素。相比于化学反应过程，这种光谱的测量会更加准确。在生物中，孟德尔的遗传实验也堪称精确，它为科学家发掘遗传背后的原因奠定了基础。

从这些列举的例子可以看到，科学研究要取得重要突破，一定需要对一些关键的量做精确测量。这些测量需要可重复性，从而排除各种可能的原因。今天的许多科学研究，碰到了一些困难，都和这种可重复的精确测量的缺失有关。比如在化学实验中，化学反应的速率常数就难以精确测量；在高温超导的机制中，许多物理量都没有办法精确测量；在生物和医学中，这样的可以精确测量的量就更少了。甚至，我们可能会怀疑，在复杂模型中这些可以精确测量的量是否真的存在。事实上，有很多这样的实验，它们的可重复性本来就很差，精度也很低。所以，没有这些可以精确测量的物理量，就很难在此基础上建立精确的科学模型，并做逻辑演绎和推理。就像我们无法在沙子上建高楼大厦一样。

当然，这个困难不完全来自实验一方。很多科学问题本身就受到诸多因素的影响，而无法建立精确的理论模型。因此，我们不得不忍受基于粗糙的实验得到的结论。甚至，这些结果常常彼此之间互相矛盾，而且对它的解释也往往五花八门，让人莫衷一是。这就是今天科学的基本现状。从事科学研究，我们不得不在这些复杂的现象中找出一条出路。如果没有精确的结果，这条路将越来越难走。相反，如果有了精确的结果，则可以寻找这些精确的结果背后的隐藏的原因 --- 做科学研究的时候，我们应该要培养这样的思维。科学史家很喜欢问科学是如何产生的，本文讨论的主题，就是一个可能的答案。

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