第15章 理論科學(xué)家與實驗科學(xué)家

1、第15章 理論科學(xué)家與實驗科學(xué)家    克里克既不像布拉格那樣的理論家，也不像佩魯茲那樣的實驗家。他介于這兩種類型的科學(xué)家之間。他偶爾也做點實驗，但更多的是埋頭考慮解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論。他經(jīng)常會有什么新發(fā)現(xiàn)，變得非常激動，立刻把它告訴任何愿意聽的人。過了一兩天他經(jīng)常會意識到他的理論站不住腳，于是又回到實驗中去，一直到百般無聊之中又產(chǎn)生了對理論的新想法為止。        沃森    從科學(xué)的結(jié)構(gòu)來看，科學(xué)由實驗(包括觀察)和理論兩部分構(gòu)成，科學(xué)家的隊伍也可以分為實驗

2、科學(xué)家和科學(xué)家。對理論沒有興趣而在實驗方面做出成績的科學(xué)家稱為實驗科學(xué)家，對實驗沒有興趣而在理論方面做出成績的科學(xué)家就成為理論科學(xué)家。對一些科學(xué)家而言，這可能是一個相對的概念，因為他們在實踐和理論方面都有建樹，且把自己理論和實驗方面的貢獻看得同樣重要。    以物理學(xué)為例，阿西莫夫?qū)嶒炍锢韺W(xué)家和理論物理學(xué)家給出了一個描述性的定義。    “有的物理學(xué)家會致力于在特定條件下進行精確的測量?；蛟S，他打算測定在某些化學(xué)反應(yīng)中所釋放出來的熱量的精確數(shù)量；或許，他打算度量某一種亞原子粒于在分裂成其他粒子、并釋放出能量時的精確方式；或許，他打算

3、知道大腦的微弱電勢在某些藥物作用下的精確變化。在這些工作中，他都可以稱得上是位“實驗物理學(xué)家”。另一方面，一位物理學(xué)家也可能特別有興趣去仔細鉆研早已得到的測量結(jié)果，希望從中發(fā)現(xiàn)具有普遍意義的思想。或許，他能推導(dǎo)出某些數(shù)學(xué)關(guān)系式來，這些公式能夠解釋這些測量結(jié)果為什么是這樣的，而且，如果他找出了這些關(guān)系，就能用它們來預(yù)言某些還沒進行過的測量結(jié)果。而一旦進行了這些測量，其結(jié)果又和所預(yù)言的相一致的話，他很可能就發(fā)現(xiàn)了一條被稱做"自然法則"的東西。試圖用這種方法來獲得自然法則的物理學(xué)家，就是“理論物理學(xué)家”?！?#160;   我們很難分出究竟是理論科學(xué)家還是實驗

4、科學(xué)家對科學(xué)貢獻大。科學(xué)研究活動中，理論科學(xué)家和實驗科學(xué)家相互配合，協(xié)同發(fā)展。在著名的英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室從創(chuàng)始人到歷任實驗室主任共10位科學(xué)家中，第一任主任麥克斯韋、第六任主任.莫特(1977年獲諾貝爾物理獎)、第八任主任愛德華茲是理論物理學(xué)家，卡文迪什本人、第二任主任第三代瑞利男爵(1904年獲諾貝爾物理獎)、第三任主任J.J.湯姆遜(1906年獲諾貝爾物理獎)、第四任主任盧瑟福(1908年獲諾貝爾化學(xué)獎)、第五任主任W.L.布拉格(1915年與其父W.H.布拉格獲諾貝爾物理獎)、第七任主任派帕德和第九任主任弗倫德是實驗物理學(xué)家。    1、理論科學(xué)家的

5、特征    關(guān)于理論科學(xué)家的特征，可以直接引用楊振寧先生的有關(guān)物理學(xué)家的精彩的描述。楊振寧給出了物理學(xué)的劃界，并說明了玻爾、海森伯、薛定諤、狄拉克、愛因斯坦等幾位理論物理學(xué)家的區(qū)別。物理學(xué)的三個部分和其中的關(guān)系：唯象理論(phenomenological theory)(2)是介乎實驗(1)和理論架構(gòu)(3)之間的研究。(1)和(2)合起來是實驗物理，(2)和(3)合起來是理論物理，而理論物理的語言是數(shù)學(xué)。    狄拉克最重要的貢獻是提出了狄拉克方程。海森堡最重要的貢獻是海森堡方程，是量子力學(xué)的基礎(chǔ)?？墒菍懗鲞@兩個方程的途徑卻截然不同：

6、海森堡的靈感來自他對實驗結(jié)果(1)與唯象理論(2)的認識，進而在摸索中得到了海森堡矩陣方程式；狄拉克的靈感來自他對數(shù)學(xué)(4)的美的直覺欣賞，進而天才地寫出了狄拉克方程。他們二人的喜好和注意的方向不同，所以他們的工作的領(lǐng)域也不一樣，如圖2所示。此圖也標明玻爾、薛定諤和愛因斯坦的研究領(lǐng)域。愛因斯坦興趣廣泛，在許多領(lǐng)域中，自(2)至(3)至(4)，都曾做出劃時代的貢獻。    理論科學(xué)家需要非常好的數(shù)學(xué)才能。這是演繹法所必不可少的。愛因斯坦在談到牛頓時說“他(牛頓)不僅作為某些關(guān)鍵性方法的發(fā)明者來說是杰出的，而且在善于運用他那是地的經(jīng)驗材料上也是獨特的，同時他對于數(shù)學(xué)和

7、物理學(xué)的詳細證明方法有驚人的創(chuàng)造才能”。愛因斯坦本人的數(shù)學(xué)已經(jīng)是很好的了，但他說：“我總是為同樣的數(shù)學(xué)困難所阻”。由于研究的需要，他專門請了一個很強的年輕的數(shù)學(xué)助手。    盡管理論科學(xué)家不親自在實驗室進行實驗，但他們必須提出驗證科學(xué)假說的實驗方法。通常他們根據(jù)新的假說或者已有的科學(xué)原理進行實驗設(shè)計，以頭腦思維的方式展開和完成實驗過程。這種實驗稱為思想實驗。愛因斯坦與玻爾關(guān)于量子理論的概率與不確定性解釋和因果與決定性解釋的爭論中，雙方就多次應(yīng)用思想實驗。    在第五屆索爾威會議上，愛因斯坦企圖用一些理想實驗來反駁測不準原理。首先，他

8、設(shè)計了一個讓電子通過單狹縫繞射的實驗，認為這個實驗可以提供一個精確的時空坐標，同時又能提供對此過程中能量和動量交換平衡的詳細說明。然而玻爾很快的指出，他不能避免在測量時儀器對電子的干擾，即電子與狹縫邊緣的相互作用。    愛因斯坦見單狹縫難不倒玻爾，又想出了新的實驗。他承認用確定位置坐標的同一系統(tǒng)來精確測量動量是不可能的，所以他以分開的裝置，一個測位置，一個測動量。他設(shè)計了一個電子通過雙狹縫干涉的實驗，當雙狹縫開啟時，從屏幕出現(xiàn)的亮點可以知道電子垂直方向的動量，分別關(guān)上其中一個狹縫，就可以知道電子的確實位置。    然而玻爾在仔細思考

9、后發(fā)現(xiàn)，如果關(guān)上其中任何一個狹縫，實驗的狀態(tài)就完全改變了。當雙狹縫開啟時，即便電子一個個發(fā)射出來，最后仍會在屏上形成干涉條紋。假如輪流開啟一個狹縫，雖然可以得知電子究竟經(jīng)過那個狹縫，但最后卻不會再有干涉條紋了。就這樣，這個本來是愛因斯坦用來反駁量子力學(xué)的理想實驗，經(jīng)由玻爾的解釋在今日已成了說明測不準關(guān)系和互補原理的標準范例。    在三年后的第六屆索爾威會議上，愛因斯坦在黑板上畫了一個盒子，盒上有一個小孔，可由快門來啟閉。快門則由盒中的時鐘機械置來控制，小盒的重量是可以測量的，盒中裝有一些輻射物質(zhì)。我們可以調(diào)節(jié)快門使得剛好放出一個粒子之后就關(guān)閉。透過時鐘，可以精確

10、的量出粒子放出的時間。另外，測量粒子放出后盒子的重量，我們也可以知道粒子的質(zhì)量。經(jīng)由愛因斯坦的質(zhì)能公式E=mc²，能量也可以準確地計算出來，于是違反了測不準關(guān)系，這就是著名的愛因斯坦光盒實驗。由于實驗根本不涉及觀測儀器的問題，根本沒有外來粒子會改變粒子的運動，所以測不準關(guān)系破滅了，因果律和準確性都恢復(fù)了。    玻爾遇到了嚴重的挑戰(zhàn)，無法馬上找到問題的答案。他和他的同事一夜未眠，檢查實驗的每一個細節(jié)，想要找出愛因斯坦到底錯在那里。經(jīng)過通宵的奮戰(zhàn)，玻爾發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦思想實驗的問題。第二天，玻爾也在黑板上畫了一個草圖，和愛因斯坦不同的是，他給出稱量小盒重量的

11、方法。他用彈簧把小盒吊起來，盒上有一指針，可以沿固定在支架上的標尺移動，這樣就可以讀出小盒在粒子跑出前后的重量了。玻爾請大家回憶愛因斯坦的廣義相對論中的等效原理：當時鐘在重力場中發(fā)生位移時，它的快慢會發(fā)生變化。當粒子跑出盒子而導(dǎo)致盒子重量變化時，盒子將在重力場中移動一段距離，這樣子讀出的時間也會有所改變，因而導(dǎo)出測不準關(guān)系。這是廣義相對論中著名的紅位移公式，表示一個在重力場中移動的時鐘，在移過一個位勢差時在某個時間內(nèi)時鐘快慢的改變，玻爾隨即用紅位移公式導(dǎo)出了測不準關(guān)系。    愛因斯坦不得不承認玻爾的推論是無懈可擊的。他自己在設(shè)計這個理想實驗的時候，居然沒有考慮到

12、廣義相對論的效應(yīng)。玻爾用愛因斯坦的相對論駁倒了他本人，取得了第二回合的勝利。玻爾的勝利獲得了大多數(shù)物理學(xué)家的贊同，哥本哈根解釋也被奉為是量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋。    2、實驗科學(xué)家的特征    有效地進行科學(xué)實驗(包括觀察和測量)是實驗科學(xué)家的生命。實驗科學(xué)工作者必須要學(xué)會自己動手去制作儀器，親手去做實驗，通過基本實驗技巧的訓(xùn)練，在科學(xué)理論指導(dǎo)下去觀察、解釋和發(fā)現(xiàn)未知現(xiàn)象，才能成為一個優(yōu)秀的科學(xué)家。    科學(xué)實驗的類型有多種分類方法。按實驗的學(xué)科領(lǐng)域，可以分為物理實驗、化學(xué)實驗、生物實驗等等；按實驗所處的

13、環(huán)境，可以分為實驗室實驗(室內(nèi)實驗)和自然實驗(室外實驗)；按實驗中質(zhì)與量的關(guān)系，可以分為定量實驗、定性實驗和結(jié)構(gòu)分析實驗；按實驗的步驟可以分為預(yù)備性實驗、決斷性實驗和正式實驗；按實驗在科學(xué)認識中的作用，可以分為析因?qū)嶒灐φ諏嶒?、模擬試驗；按實驗的對象，可以分為物的實驗、動物實驗和人的實驗；按實驗的直接目的可以分為探索性實驗和判決性實驗。    判決性試驗是指這個實驗的結(jié)果可以決定一個假說和理論的命運，如邁克耳孫莫雷實驗。探索性實驗是對一個全新的領(lǐng)域的預(yù)備性探討。或者說科學(xué)實驗有兩個目的：一是觀察迄今未知的或者未加解釋的新事實，一是判斷未某一理論提出的假說是否符

14、合大量可觀察到的事實。有時這兩個目的是互不相干的，有時又殊途同歸。    一個具體的科學(xué)實驗可以簡單地分為5個步驟。首先，科學(xué)家必須掌握問題的有關(guān)理論基礎(chǔ)，即實驗科學(xué)家也需要一定的理論作指導(dǎo)。其次，進行實驗方案的制定與設(shè)計。第三，實驗儀器的制造與準備。第四，觀察與記錄實驗結(jié)果。第五，處理實驗結(jié)果并給出合理的解釋，形成科學(xué)論文。    實驗科學(xué)家在實驗過程中必須克服主觀上和客觀上的困難，防止誤觀察與未觀察。設(shè)備，先進的實驗設(shè)備是科學(xué)實驗不可缺少的前提。有些儀器是現(xiàn)成的，根據(jù)不同的實驗?zāi)康倪M行合理的組裝；有些儀器必須是自己制作的。由于經(jīng)費

15、的限制或者制作工藝的限制，不能獲得最先進的設(shè)備，就不能做出最新的發(fā)現(xiàn)。錯覺，觀察都是人為的感知活動，容易受到外界環(huán)境的干擾產(chǎn)生錯覺。粗心，科學(xué)實驗是一項十分細致的工作，需要周密的觀察，不容許有疏漏和誤差，粗心導(dǎo)致實驗的不準確、不精確是科學(xué)研究的大敵。偏見，科學(xué)家的實驗是在科學(xué)理論指導(dǎo)下進行的，但過分相信理論就會在潛意識里產(chǎn)生先入為主的偏見。    實驗科學(xué)家在對實驗結(jié)果的解釋方面也容易犯錯誤：根據(jù)不完善的理論或者不充分的證據(jù)得出結(jié)論；錯誤地把不相干的兩個事實判定為因果關(guān)系；錯誤地運用推理。    3、實驗物理學(xué)家舉例：邁克爾孫與阿斯頓

16、    真空中的光速是最古老的物理常量之一。1676年，丹麥天文學(xué)家羅邁第一次提出了有效的光速測量方法，惠更斯根據(jù)羅邁提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑，第一次計算出了光的傳播速度約為200000千米/秒；1728年，英國天文學(xué)家布拉德雷得出光速為310000千米/秒；1849年，法國人菲索測得光速是315000千米/秒；1850年，法國物理學(xué)家傅科測出光速是298000千米/秒；1874年，考爾紐測得光速為299990千米/秒。接下來以光速測定為終身目標的是邁克耳孫。    邁克耳孫1873年畢業(yè)于美國海軍學(xué)院，并留校教物理和化學(xué)。大約在5年后

17、，開始進行光速的測量工作，隨后游學(xué)歐洲，在德國和法國學(xué)習(xí)光學(xué)。回國后離開海軍成為凱斯學(xué)院物理學(xué)教授。邁克耳孫因為精密光學(xué)儀器和和借助這些儀器進行的光譜學(xué)和度量學(xué)的研究工作作出的貢獻獲得1907年的諾貝爾物理學(xué)獎。    邁克耳孫自己設(shè)計了旋轉(zhuǎn)鏡和干涉儀，用以測定微小的長度、折射率和光波波長。1879年，他得到的光速為299910±5千米/秒；1882年，他得到的光速為299853±6千米/秒。這個結(jié)果被公認為國際標準，沿用了40年。邁克耳孫最后一次測量光速在加利福尼亞兩座相差35千米的山上進行的，光速測量精確度最后達到了299798±

18、4千米/秒。他就在這次測量過程中中風(fēng)，于1931年去世。    邁克耳孫的一個著名實驗是被稱為邁克耳孫莫雷的測定以太是否存在的實驗。邁克耳孫用干涉儀考察與地球運動同一方向傳播的光線是否慢于與地球表面垂直方向傳播的光線，這樣就可以考察“以太”是否存在，而過去假設(shè)以太是一種除了地球的大氣以外在整個空間存在的物質(zhì)。因為以太被假設(shè)為靜止不動的，地球穿過以太而運動，于是與地球同一方向傳播的光線就會比與地球表面垂直方向傳播的光線受到更大的障礙，產(chǎn)生干涉條紋。1881年邁克耳孫第一次在柏林進行了這項實驗，得到一種否定結(jié)果，即沒有干涉條紋出現(xiàn)，結(jié)果不能證明兩束光線是以不同速度傳播

19、的。他在不斷提高精度的條件下，幾次重復(fù)了這個過程。直到1887年他又在凱斯學(xué)校同美國化學(xué)家愛德華·莫雷一起以近乎完美的條件作了這個實驗。物理學(xué)家不得不認真考慮以太確實并不存在，這種結(jié)果向正統(tǒng)的物理理論提出了許多問題，并直接導(dǎo)致了愛因斯坦狹義相對論的提出和解釋。    制作更好的儀器，做更多的觀察和測量是實驗科學(xué)家的追求目標。1922年獲得諾貝爾化學(xué)獎的英國物理學(xué)家阿斯頓就是一個典型的例子。    阿斯頓從伯明翰大學(xué)畢業(yè)后阿斯頓來到卡文迪什實驗室，改進當時他做陽射線研究的氣體放電實驗裝置，用來測定同位素及其原子量。后來，阿斯頓

20、根據(jù)他原先改進的測定陽射線的氣體放電裝置，又參照了當時光譜分析的原理，設(shè)計出一個包括有離子源、分析器和收集器三個部分組成的，可以分析同位素并測量其質(zhì)量及豐度的新儀器，這就是質(zhì)譜儀。該儀器對于測量的結(jié)果精度達到千分之一。他用這一新的儀器對氖作重新測定，證明氖的確存在Ne20和Ne22兩種同位素，又因它們在氖氣中的比例約為10：1所以氖元素的平均原子量約為20.2(后來的研究又發(fā)現(xiàn)氖存在第三種同位素Ne21，氖元素的平均原子量為20.18)。隨后，阿斯頓使用質(zhì)譜儀測定了幾乎所有元素的同位素。阿斯頓在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素。    阿斯頓運用質(zhì)譜儀對眾多元素所

21、作的同位素研究，不僅指出幾乎所有的元素都存在同位素，而且還證實自然界中的某元素實際上是該元素的幾種同位素的混合體，因此該元素的原子量也是依據(jù)這些同位素在自然界占據(jù)不同比例而得到的平均原子量。    在他榮獲1922年的諾貝爾化學(xué)獎后，他仍然堅持工作在實驗室，對質(zhì)譜儀作進一步的改進和完善，從而使他后來又制成了3臺質(zhì)譜儀，其倍率達兩千倍，精度達十萬分之一。    4、理論物理學(xué)家舉例：愛因斯坦、楊振寧和霍金    20世紀三個最偉大的理論物理學(xué)家可能是愛因斯坦、楊振寧和霍金。   

22、; 愛因斯坦一生中最重要的貢獻是相對論。1905年他發(fā)表了題為論動體的電動力學(xué)的論文，提出了狹義相對性原理和光速不變原理，建立了狹義相對論。這一理論把牛頓力學(xué)作為低速運動理論的特殊情形包括在內(nèi)。它揭示了作為物質(zhì)存在形式的空間和時間在本質(zhì)上的統(tǒng)一性，深刻揭露了力學(xué)運動和電磁運動在運動學(xué)上的統(tǒng)一性，而且還進一步揭示了物質(zhì)和運動的統(tǒng)一性(質(zhì)量和能量的相當性)，發(fā)展了物質(zhì)和運動不可分割原理，并且為原子能的利用奠定了理論基礎(chǔ)。    隨后，經(jīng)過多年的艱苦努力，1915年愛因斯坦又建立了廣義相對論，進一步揭示了四維空時同物質(zhì)的統(tǒng)一關(guān)系，指出時空不可能離開物質(zhì)而獨立存在，空間的

23、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，它并不是平坦的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間。根據(jù)廣義相對論的引力論，他推斷光在引力場中不沿著直線而會沿著曲線傳播。這一理論預(yù)見，在1919年由英國天文學(xué)家在日蝕觀察中得到證實，當時全世界都為之轟動。1938年，他在廣義相對論的運動問題上取得重大進展，即從場方程推導(dǎo)出物體運動方程，由此更深一步地揭示了空時、物質(zhì)、運動和引力之間的統(tǒng)一性。    20世紀60年代以來，由于實驗技術(shù)和天文學(xué)的巨大發(fā)展，廣義相對論和引力論的研究受到重視。另外，愛因斯坦對宇宙學(xué)、用引力和電磁的統(tǒng)一場論、量子論的研究都為物理學(xué)的發(fā)展作出了貢獻。 

24、60;  楊振寧原本想做個實驗物理學(xué)家，但他的實驗?zāi)芰懿?，動手時總是顯得笨手笨腳的。在芝加哥大學(xué)艾里遜實驗室進行加速器實驗時，哪里炸得乒乓作響，哪里就有楊振寧。他羨慕那些實驗?zāi)芰姷耐瑢W(xué)的天賦，“實驗室里的一些同學(xué)具有神秘莫測令我驚愕的第六感覺，他們知道在什么地方可以找到漏氣孔；當定標電路失常時，他們知道應(yīng)該在什么地方踢一腳”。但是他能現(xiàn)場解決同學(xué)們遇到的理論方面的難題。在泰勒的建議下，楊振寧最終選擇了理論物理學(xué)作為自己一生的研究對象。    楊振寧在理論物理學(xué)上有三項重要成就。1954年與米爾斯發(fā)表了同位旋守恒和一種廣義規(guī)范不變性和同位旋守恒合同位旋

25、規(guī)范不變性兩篇論文，建立了楊米爾斯規(guī)范場，規(guī)范場是關(guān)于包括引力作用在內(nèi)的四種相互作用的理論。1956年楊振寧和李政道合作發(fā)表了弱相互作用中的宇稱守恒問題，打破了曾被物理學(xué)家奉為金科玉律的宇稱守恒原理，他們因此獲得1957年的諾貝爾物理學(xué)獎。1967年和1968年，楊振寧發(fā)表了兩篇論文，建立了一個方程，后來被稱為楊巴克斯特方程。后來，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)此方程也是一個最基本的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。    理論科學(xué)家更多地使用腦子進行思考，身體的好壞不會影響其科學(xué)成就。史蒂芬·霍金是一個典型的例子。史蒂芬在17歲時進入牛津大學(xué)學(xué)習(xí)物理，21歲時診斷患了盧伽雷病，即運動神經(jīng)細胞病

26、，醫(yī)生宣判他活不了多久了?；艚鹬荒茴B強地與疾病對抗。與此同時，霍金開始沉入對世界的思索中，向愛因斯坦這位前輩偉人的相對論邁出批判的第一步。不過，霍金身體狀況的確越來越糟糕，他漸漸失去了行動的能力，在1985年因肺炎造成的手術(shù)中，甚至失去了講話的能力。在一段時間中，他飛馳的思想只能被封閉在自己的大腦中。無法與人交流，這使他覺得生不如死。所幸的是，科技的發(fā)達最終使他得以借助電腦和語言合成器，重新表達自己的思想，甚至能夠在眾人面前演講。    在這期間，他的思想在廣闊的宇宙中遨游他指出愛因斯坦的廣義相對論將在所謂“大爆炸奇點”失效，因此如果將量子力學(xué)引入對宇宙誕生的探索

27、，最終會得到宇宙無始無終的結(jié)論，并創(chuàng)造出“虛時間”這一概念；他指出“黑洞”事實上一直都在發(fā)“光”，只是極其微弱而已；他以幽默的方式證明了上帝的虛無    霍金這個名字漸漸在人類科學(xué)的世界顯露出自己的光彩：1975年，教皇在梵蒂岡步下圣壇，將嘉獎“有杰出成就的年輕科學(xué)家”的勛章授與霍金，而他的前任在多年前曾經(jīng)嚴酷地迫害過布魯諾、伽利略；1985年霍金英國皇家學(xué)會吸納為有史以來最年輕的院士；他在劍橋大學(xué)擔(dān)任著牛頓曾經(jīng)就位多年的重要教職，被世界公認為是繼愛因斯坦后最杰出的理論物理學(xué)家之一，是對20世紀人類觀念產(chǎn)生了重大影響的人物。    5

28、、理論實驗雙料物理學(xué)家舉例：牛頓與費米    在整個科學(xué)史上，牛頓被認為是最偉大的科學(xué)家，因為他是一個真正集實驗科學(xué)家、理論科學(xué)家和數(shù)學(xué)家三位一體的人物。    牛頓的理論貢獻最輝煌的成就是萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。他認為太陽吸引行星，行星吸引行星，以及吸引地面上一切物體的力都是具有相同性質(zhì)的力，還用微積分證明了開普勒定律中太陽對行星的作用力是吸引力，證明了任何一曲線運動的質(zhì)點，若是半徑指向靜止或勻速直線運動的點，且繞此點掃過與時間成正比的面積，則此質(zhì)點必受指向該點的向心力的作用，如果環(huán)繞的周期之平方與半徑的立方成正比，則向心力與半徑的平方

29、成反比。牛頓還通過了大量實驗，證明了任何兩物體之間都存在著吸引力，總結(jié)出了萬有引力定律。    牛頓的理論貢獻得益于數(shù)學(xué)。在同一時期哈雷和胡克等科學(xué)家都在探索天體運動奧秘，其中以胡克較為突出，他早就意識到引力的平方反比定律，但他缺乏象牛頓那樣的數(shù)學(xué)才能，不能得出定量的表示。    1687年，牛頓出版了代表作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，這是一部力學(xué)的經(jīng)典著作。牛頓在這部書中，從力學(xué)的基本概念(質(zhì)量、動量、慣性、力)和基本定律(運動三定律)出發(fā)，運用他所發(fā)明的微積分這一銳利的數(shù)學(xué)工具，建立了經(jīng)典力學(xué)的完整而嚴密的體系，把天體力學(xué)和地面上的物體力

30、學(xué)統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大的綜合。    牛頓的實驗才能表現(xiàn)在光學(xué)方面。他利用三棱鏡試驗了白光分解為的有顏色的光，最早發(fā)現(xiàn)了白光的組成。他對各色光的折射率進行了精確分析，說明了色散現(xiàn)象的本質(zhì)。牛頓還提出了光的“微粒說”，認為光是由微粒形成的。他的“微粒說”與后來惠更斯的“波動說”構(gòu)成了關(guān)于光的兩大基本理論。此外，他還制作了牛頓色盤和反射式望遠鏡等多種光學(xué)儀器。    牛頓的研究領(lǐng)域非常廣泛，他在幾乎每個他所涉足的科學(xué)領(lǐng)域都做出了重要的成績。他研究過計溫學(xué)，觀測水沸騰或凝固時的固定溫度，研究熱物體的冷卻律，以及其他一些只有在與他自己的主要成就想比較時，才顯得遜色的課題。    在現(xiàn)代科學(xué)史上，費米則是理論與實驗俱佳的著名科學(xué)家，他在現(xiàn)代物理理論和實驗物理學(xué)方面都有重大貢獻。    19251926年，費米根據(jù)泡利不相容原理，與英國物理學(xué)家狄拉克各自導(dǎo)出量子統(tǒng)計中的“費米狄拉克統(tǒng)計”。1934年，費米開始了史無前例的關(guān)于中子引起的核反應(yīng)的研究，提出熱中子的擴散理論。他在用中子轟擊鈾原子的核反應(yīng)實驗中，得到了一種“新元素”。當時他