偶然性对物理学发现的启示

2024年2月25日发(作者：项兰贞)

第３２卷第５期　昭通师范高等专科学校学报　２０１０年１０月　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．５　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈａｏｔｏｎｇ　Ｔｅａｃｈｅｒ’ｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　０ｃｔ．２０１０　●科技史　偶然性对物理学发现的启示　张　瑶　（昭通师范高等专科学校物理系，　云南　昭通　６５７０００）　摘要：在物理学发现中，存在着许多偶然性的因素．偶然性为物理学发现提供契机．要从偶然性中获得物理　学发现，需要具备丰富的想象力，充分的相关理论知识，作出科学正确的解释，并及时用实验进行验证．　关键词：偶然性；　物理学；　科学发现　中图分类号：０４—０９　文献标志码：Ａ　文章编号：１００８—９３２２（２０１０）０５—００６８—０３　１物理学发现中的偶然性　ｓｏｎ）一起分享１９３７年诺贝尔物理学奖［。］　＂”；　１９３４年费米小组在做实验时，偶然发现一种奇特　在物理发展史中，物理学家在进行科学研究　现象，经过研究发现了慢中子，从而为费米在获得　时，其思维一直受到理论思维的指导，从选题、实　１９３８年的诺贝尔物理学奖打下了坚实的基础．这　验设计、构思，到对获得的经验材料加工整理，都　些科学家都有一个共同的特点，都具有丰富的想　有明确的目的性和计划性．但是，科学认识的活动　象力，有充分的相关理论知识，能对观察到的现象　都不是绝对的，科学家并不是总能作出合乎事实　作出科学的解释，并及时用实验验证，正是这一共　的科学预见．一旦在实践中出现与原有范式不相　同特点，使得他们抓住了那些极其偶然的信息和　容的事实，就构成科学活动中的“偶然”．人们把观　现象，作出重大的科学发现．在历史上也有许多科　测和实验中发现的出乎意料的现象和事件，称为　学家与偶然见到的现象擦肩而过，例如在伦琴发　机遇．ｒ】］（　科学发现中的偶然性是科学研究的　现Ｘ射线之前，克鲁克斯（Ｗ．Ｏｒｏｏｋｓ）、斯密士　本质特性之一，它提供了科学发展的重要契机，它　（Ｆ．Ｓｍｉｔｈ）、勒纳德（Ｐ．Ｌｏｎａｒｄ）等物理学家在伦　对科学研究具有重要指导意义．在物理学史中，有　琴前后观察到Ｘ射线，但是都没能及时抓住机　许多重大的发现都是科学家在偶然中发现的．在　遇，直到伦琴发现Ｘ射线之后，才后悔莫及．由此　诺贝尔物理学奖的获得者中，这种例子不胜枚举，　可见，偶然性能为科学发现提供契机，但是要及时　如：伦琴是在实验室进行阴极射线的实验时偶然　抓住偶然性作出科学发现，却是不容易的．　发现Ｘ射线，获得１９０１年诺贝尔奖的∞］（　．　１９０３年，贝克勒尔（Ａｎｔｏｉｎｅ　Ｈｅｎｒｉ　Ｂｅｃｑｕｅｒｅ１）无　２从偶然性中形成物理学发现的条件　意中将铀和感光底片放在一起，发现了铀盐的自　２．１具备丰富的想象力　发放射性获诺贝尔奖［ｚ］（　．１９２０年的诺贝尔物　伯纳德・巴伯在《科学与社会秩序》中将发现　理学奖获得者纪尧姆（Ｃｈａｒｌｅｓ　Ｅｄｏｕａｒｄ　定义为：“发现是人类对文化遗产中已经存在的科　Ｇｕｉｌｌａｕｍｅ）在研究铁镍合金的过程中偶然发现其　学要素所作的富于想象力的结合的结果，结合的　热膨胀系数极低，于是对整个合金序列展开研究，　产物是新颖之突现．”－３　。　这个定义强调了“想　终于发现合金的反常特性［２］（　∞　．此外，还有戴　象力”在发现中的作用，有了想象力，科学研究者　维森（Ｃｌｉｎｔｏｎ　Ｊｏｓｅｐｈ　Ｄａｖｉｓｓｉｏｎ）是从偶然现象中　才能在科学研究中的偶然现象中发现必然性．只　抓住了新的事物，从而发现和证实了电子衍射现　有科学研究者富有想象力，富有创新精神，才能摆　象，他和Ｇ．Ｐ汤姆孙（Ｓｉｒ　Ｇｅｏｒｇｅ　Ｐａｇｅｔ　Ｔｈｏｍ—　脱旧知识的束缚，作出新的科学发现．例如，１８０２　收稿日期：２０１０—０８—０２　作者简介：张瑶（１９７５一　），女，云南昭通人，讲师，硕士，主要从事物理学史研究　・　６８　・　

张瑶　偶然性对物理学发现的启示　第５期　年奥斯特（Ｈ．Ｃ．Ｏｅｒｓｔｅｄ）发现电流的磁效应，法　拉第（Ｍ．Ｆａｒａｄａｙ）及时抓住了这一科学发现，他　富于想象力，认为应该存在奥斯特发现的逆效应．　在１８２２年的日记中他写下了“由电产生磁，由磁　产生电”的大胆设想，并着手开始做让磁铁产生电　流的实验，但一直没有成功．直到１８３１年，法拉第　又进行了这一实验，他在软铁环的一边（Ａ边）绕　上线圈接到电池组上，在另一边（Ｂ边）以同样的　方向绕上线圈接到检流计上，当Ａ边线圈的电路　接通时，法拉第看到Ｂ边线圈上检流计的指针立　即发生明显的偏转、振荡，然后停止在原来的位置　上，这表明Ｂ边的线圈中出现了感应电流；当Ａ　边电路断开时，他又看到检流计指针向相反方向　偏转．他看到Ｂ边的感应电流是明显的，又是瞬　时的，只在Ａ边断开和接上电源时的瞬问产生．　这使法拉第想到了这就是他寻找了将近１Ｏ年的　由磁产生电流的现象，此后，法拉第又做了许多实　验，终于制作出第一台原始的发电机　］（　．正　是法拉第的这一大胆的设想，才让他能够敏锐地　捕捉到检流计指针发生偏转的瞬间，从偶然现象　中发现了电磁感应．　生理学家莱恩・杜波斯说过：“构成科学的原　材料不仅是科学家的观察、实验、计算，而且还有　他们的冲动、梦想和愚蠢．”而“冲动、梦想和愚蠢”　这是想象力在科学发现中的体现形式之　一嘲（Ｐ　２２”．　阿基米德（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ）是一个富于想象力　的科学家，当他正在为鉴定王冠是否是纯金一筹　莫展时，碰巧在沐浴跨进澡盆时，看到满盆的水溢　了出来，流在地上，他立即联想到鉴定王冠的方　法，从而发现了区别不同物质的比重定理和浮力　定理，可以说阿基米德的科学发现和他的想象力　是密不可分．可见，想象力在物理发现中具有巨大　的激励作用．正如英国物理学家伯纳尔所说：“发　现问题比解决问题不知困难多少．前者需要想象，　而后者只凭本领．”　］（　∞。　２．２　充分的相关理论知识　在科学发现中，要能够准确及时对观察到的　现象进行解释，要求科学研究者具有丰富的理论　知识．巴斯德曾经说：“在观察的领域中，机遇只偏　爱那种有准备的头脑．”［１］（　只有研究者有了充　分的理论知识，才能对客观事件的进程和事件的　偶然现象时刻保持警觉，这样一旦意料不到的偶　然事件出现，研究者就能主动注意到．例如，在伦　琴发现Ｘ射线之前，在１８７６年和１８８７年，英国　物理学家克鲁克斯（Ｗ．Ｇｒｏｏｋｓ）不止一次发现，　在通电的阴极射线管附近照片干板坏了，他认为　这是产品质量不好，便到厂家退了货．　］（　还有　英国牛津的物理学家斯密士（Ｆ．Ｓｍｉｔｈ）发现放在　克鲁克斯型放电管附近盒中的底片变黑了，他只　让助手以后把底片放到别处保存．［６］（　㈣这些物　理学家他们都看到过ｘ射线产生的效果，但由于　缺乏对于认识ｘ射线充分的理论知识，因此他们　都只是看到了这一偶然现象，并没有真正认识到　产生这一现象的本质原因，没能及时作出科学的　预见，当然也就不可能发现Ｘ射线．　再如查德威克（Ｓｉｒ　Ｊａｍｅｓ　Ｃｈａｄｗｉｃｋ）因为发　现了中子而获得１９３５年的诺贝尔物理学奖．在查　德威克进行寻找中子的踪迹的实验的同时，在巴　黎居里实验室的约里奥・居里夫妇也正在进行类　似的实验．他们把石蜡放在放射源和游离室之间，　突然发现静电计偏转激增．面对这一现象，由于约　里奥・居里夫妇不知道卢瑟福关于中子的假说，　于是作出了错误的判断，他们肯定石蜡发出的是　质子流，但是却把铍辐射看成是７射线，从而错过　了这一重大发现的机会．其实，早在１９２０年，卢瑟　福就假设了中子的存在．后来，居里夫妇回顾当年　的工作时说，如果他们读过并且领会１９２０年卢瑟　福的演讲内容时，了解中子的假说，肯定会对这个　实验作出正确的解释［２］（　¨”．后来，查德威克受到　约里奥・居里夫妇的实验的启发，他意识到这种　奇异效应该是某种中性粒子的作用，于是开始用　实验证明，于１９３２年用实验证明了卢瑟福假设的　中子的确存在．可见，具有充分的相关理论知识是　抓住机会的重要步骤，对科学发现起着不可取代　的作用．　２．３科学正确的解释　在科学研究中，如果及时注意到并抓住了偶　然事件，严格来说，只是掌握了线索，并没有解决　问题，真正的科学发现是需要及时抓住有希望的　线索不放，追根究底，作出科学的解释，这是科学　研究中的最重要、也是最难的一步．勒纳德（Ｐ．　Ｌｏｎａｒｄ，１８６２－１９４７）在研究阴极射线时也观察到　阴极射线管附近照相底片变黑的现象．勒纳德在　・　６９　・　

第３２卷　昭通师范高等专科学校学报　２０１０年（总第１３２期）　１９０５年获诺贝尔物理奖的演说词中说：“我曾经　做过好几次观测．当时解释不了，准备留待以后研　究，不幸没有及时开始．－［６３（Ｐ．　”但是，即使勒纳德　反物质的探索中，中国物理学家赵忠尧首先发现，　伴随着硬伽玛射线在重元素中的反常吸收，还存　在一种从未见过的特殊辐射现象［７］Ｉ　＂．其实这　种“特殊的辐射”就是正电子对转化为两个光子的　湮灭辐射．尽管赵忠尧观察到这一现象，却没有能　及时研究，也难于作出正确的结论，因为直到伦琴　宣布Ｘ射线的发现以后，勒纳德还坚持认为Ｘ射　线不过是速度无限大的一种阴极射线，把两者混　淆在一起．而伦琴则从本质上明确加以区分，认为　够对自己的新发现作出科学的解释．在赵忠尧实　验的启示下，安德森在云雾室中发现了正电子并　Ｘ射线是与阴极射线本质上不同的一种射线．　作出了正确的解释．　无独有偶，在１８８０年，哥尔茨坦（ＩＥ．Ｇｏｌｄ—　２．４　实验验证　ｓｔｅｉｎ）在研究阴极射线时也注意到了阴极射线管　抓住偶然事件，经过科学解释，最重要的一步　壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发　就是将一些感觉到的事物之间的显性联系，付诸　光．可惜哥尔茨坦没有能够对观察到的偶然事件，　于实验验证，作出新发现，这是质的升华过程．伯　作出科学正确的解释，他错误地认为阴极射线是　纳德・巴伯在《科学与社会秩序》中提到了证据支　以太波，而他看到的这一现象正好说明了他的观　持对于科学发现的重要性，“科学中一个严格的惯　点，于是就错过了发现Ｘ射线的机会．［６］（　㈣正　例是，发现必须以完整的理性化的形式才能发表，　如哈佛大学大哲学家闵斯特贝尔格说过的：“世界　逻辑结构和尽可能清楚而有力的证据支持是必需　上不知道已经有多少次伽伐尼效应．世界上经常　的．’’［。］‘　・　。’　充满着这样的机会，可伽伐尼和伦琴太　在伦琴发现Ｘ射线之前，在１８９４年，Ｊ．Ｊ．汤　少．”ｎ］（　３４）只有像伦琴这种，头脑中已装满这种　姆逊（Ｊ．Ｊ．Ｔｈｏｍｓｏｎ）在测阴级射线的速度时，同　素材，善于抓住微不足道的偶然事件，才能看到这　样发现了这一特殊射线，并作了详细的观察记　些事件的意义所在．　录．［６］（　但当时他正忙于研究阴极射线，没有及　再如，在１９３２年安德森（Ｃ．Ｄ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ）发　时用实验验证，只是在论文中提到，在放电管几英　现正电子之前，约里奥・居里夫妇在ｌ９３１年末就　尺远处的玻璃管也发出荧光，从而最终与Ｘ射线　观察到正电子的径迹，但他们把它理解为向放射　擦肩而过．与之不同，伦琴及时用实验验证了他对　源移动的电子，而不是从源发出的正电子，作出了　ｘ射线的判断，得到了科学界的公认．　错误的解释，错过了发现正电子的机会［５］（　∞．在　参考文献：　［１］刘大椿．科学哲学［Ｍ］．北京；人民出版社，２０００．　［２］郭奕玲，沈慧君．诺贝尔物理学奖［Ｍ］．北京：高等教育出版社，施普林格出版社，１９９９．　［３］伯纳德・巴伯．科学与社会秩序［Ｍ］．北京：三联书店，２００８．　［４３陈任政．科学方法故事［Ｍ］．北京：北京出版社，２００４．　［５］李艳平，申先甲．物理学史教程ｒＭ］．北京：科学出版社，２００９．　［６］郭奕玲，沈慧君．物理学史［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００６．　［７］青峰，简明物理学史［Ｍ］．南京：南京大学出版社，２００７．　Ｔｈｅ　Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ　ｏｎ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｆｉｎｄｉｎｇｓ　　‘ＺＨＡＮＧ　Ｙａｏ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｚｈａｏｔｏｎｇ　Ｔｅａｃｈｅｒ’Ｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈａｏｔｏｎｇ　６５７０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｅｘｉｓｔ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｉｅｓ　ｉｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ＵＳ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｃｅｓ　ｆｏｒ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｎｄ—　ｉｎｇｓ．Ｔｏ　ｍａｋｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｆｒｏｍ　ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ，ｐｌｅｎｔｉｆｕｌ　ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ，ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｙ，ａｃｃｕｒａｔｅ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｉｍｅｌｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｇｅｎｃｙ；ｐｈｙｓｉｃｓ；ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　・　７０・