理论和实验的关系是物理学中长盛不衰的讨论话题。究竟是理论引领实验，还是实验引领理论，不同的人有不同的看法。多数人倾向于后者，但物理实验总有误差或难免片面，需要理论来帮助解读实验结果。也许物理学不能截然分成理论物理和实验物理。本文作者就此提出一些看法，希望引起大家的关注和讨论。

　　作者

　　曹则贤 （中国科学院物理研究所研究员）

　　在中文物理学语境中，常听到一种说法，叫“物理学说到底是一门实验的科学”，或者“一个理论总要得到实验的验证”。这些话，如果不是完全错误，至少也是非常不恰当的，有认真举例加以讨论的必要。首先，人类能实现的实验很有限；其次，实验的直接测量结果，本质上只能是整数（别问为什么），象一维Ising模型两个最低束缚态的能量之比为这样的无理数，测量就无能为力；其次，实验数据本身不会说话，如何诠释取决于当时的物理理论甚至哲学；再其次，（稍高级复杂一点的）实验本身就是理论的，它的设计本身、执行过程和对结果的诠释都包含很多理论内容甚至假设的内容甚至连假设都没去假设的内容；最重要的是，最重要的那些物理学内容，可能是实践启发下的纯粹理性思维的结果，比如卡诺原理、惯性定律（牛顿第一定律）、广义相对论，等等。不能指望对于任何理论，都存在一个与其独立的所谓实验能够验证它的正确性。量子力学早期所依赖的光谱数据，可能和当时创立的量子力学理论是独立的，而今天的一些复杂的量子力学实验，其设计和结果诠释则很难和实验者头脑中接受的量子力学理论脱得了干系。一个单光子干涉实验，从光源到光电倍增管这一路上关于光是粒子还是波，我们的观念就来回跳跃了好几次。

　　以为实验在物理学中起着多么举足轻重的作用是对实验的误解，实验有时候是相当无力的，它无法指向任何结论。关于这一点，著名的例子就是引力场中两个不同质量的球是否同步下落的问题。据说，伽利略曾在意大利的比萨斜塔演示了这个实验，得出结论说两个不同质量的金属球同步下落(图1)。有史学家认为伽利略没做过这个实验。如今更有视频说宇航员在月球上演示锤子和羽毛确实是同步下落的，更显荒唐。这个实验的不可能的一个表面原因是下落过程中部分能量会转化为转动动能，另一个表面原因是针对两个不同大小的球就无法落实下落相同的高度，还有一个表面原因是根本无法做到同时让两个物体下落也无法判断它们是否同时到达某个同一高度——“同”是个很绝对的词。但是，这些都不重要。更深刻的原因是，仅凭实验数据不可能做出任何结论。排除上述问题，假设比萨斜塔为20米高，重力加速度为10 m/s2, 用精确到纳秒(ns)的现代高级计时器，所得实验结果为其一球下落时间为(2000,000,000+1)ns, 另一球下落时间为(2000,000,000-1)ns（真实的基本测量结果是整数！）, 误差很小吧？可是，你无法得出任何结论。一个物理学家说两球下落时间差别很小，是同步下落的，另一个物理学家说时间差别太大，下落不是同步的。怎么办? 让这两个物理学家跟如今某些大装置上的科学家一样玩锤子-剪刀-布决定结果？

　　图1. 传说中的比萨斜塔实验。听到这个故事时凭直觉就感到哪点不对劲的朋友适合学物理。

　　这个问题的结论只能用头脑中的实验得到。若两物体不同步下落，设想质量大者在先，质量小者落后。将这两球横向加一无质量的硬连接使之成为一个物体，则此复合物体的质量更大，按照此前的逻辑，它应该比大质量的那个物体下落还快。但是，一快一慢两个物体硬连接起来的物体反而下落更快了，这样的世界有点诡异，atv，不象是我们这个世界里的事情。反过来，假设两物体同步下落，则连接在一起的复合物体也应循相同的韵律下落，这中间不会引起任何逻辑上的矛盾。这样的结论我们比较容易接受。于是，结论是，重力场中两不同质量的物体应该同步下落。实验完毕。

　　以为某些物理学的结论是由实验得来的，是另一个比较流行的误解。比如，在一些文献中就有库伦用挂在马槽上的铝球壳实验得到库伦力表达式的说法。想想Charles-Augustin de Coulomb生活的年代（1736-1806.为啥不译成“德·库伦”呢），马槽上的铝球壳能得到什么精密的结果？其实，同为平方反比律的牛顿万有引力和库仑力的形式，只不过是强调了我们是生活在3D空间这个事实而已(图2)。在3D空间中，一个半径为r的球其表面积为4πr2。任何一个物质流自一点向外各向同性地辐射，其流是守恒的，则其流密度总是和4πr2成反比。剩下的就是在源和作用之间找个合适的比例因子而已，那个4π的处理很有趣：牛顿定律中没顾及4π的问题，结果4π就得和万有引力常数相乘后才是合适的比例因子，这个不方便一直被带到爱因斯坦的广义相对论方程。得到平方反比律公式是理性思考的结果，不是根据哪个实验数据能建立的。牛顿拿平面几何学知识证明了平方反比律的力场中行星绕太阳的轨道确实（可以）是一个椭圆时，这个law就被接受了而不再需要乞灵于任何人的测量数据。倘若依据精密的实验数据，得到的库仑力形式是，这样的物理学你愿意学？况且，物理的世界里就不需要力这个概念。扯远了！

　　图2. 平方反比律。图中公式的表达形式把它该代表的思想都说清楚了