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1、论物理学实验的潜科学特征与潜科学形态摘要：本文对物理学实验卡文迪许扭秤实验的潜变进化进行系统的潜科学分析。首先，概述了物理学实验卡文迪许扭秤实验由潜到显得进化过程，阐述其主要的研究方法；其次，揭示了物理学实验卡文迪许扭秤实验潜变进化的创造性、待定性、模糊性、高难性、趋显性等潜科学特征；而后，探讨了科学问题、科学幻想、科学猜测、科学经验、科学悖论、科学失误、科学伯乐、科学潜才、科学团队、科学疑难等潜科学形态对于物理学实验卡文迪许扭秤实验潜变进化的作用与意义；最后，给出几点建议。1.潜科学的主要特征与形态1.1潜科学及其研究对象潜科学，是指孕育中的科学，是科学胚胎、科学幼芽。任何一种科学理论或学说
2、的产生，都必然要经历一个酝酿、孕育和发展的过程，都有一段潜在期或孕育期。每一门科学在创建初期，往往以科学家头脑中的思想火花、瞬时灵感和科学家想像等形成出现，经过不断筛选、雕琢、组合，向某些难点发起集中思维攻势，终于形成一股定向的思维潜流，推动其跨入科学理论之列，这类似胚胎的个体发育过程。如果把已经成熟并被社会承认的科学称为显科学的话，那么，对于那些尚未成熟，还处于幼芽阶段的科学则可称为潜科学。1.2潜科学的主要特征1.2.1 创造性：潜科学是未来科学的先导，而科学的本质又是批判的、革命的，因而潜科学思维必然是创造性思维。 1.2.2 待定性：既然我们把孕育中的科学思想称之为潜科学，那么它就是不
3、够成熟的东西，就是一个在认识上尚待进一步深化、完善和确定的过程，其结果可能被肯定，也可能被否定。 1.2.3 隐变性：潜科学作为孕育中的科学思想，常常表现为人们头脑中的潜意识流，因而具有鲜明的隐变性。 1.2.4 反常性：一个新的潜科学思想，在它刚刚诞生时，未免显得离奇古怪，不相容于流行的已有理论，使人感到难以理解。 1.2.5 高难性：潜科学与显科学都有艰难性，但相比之下，潜科学更加艰难，即它具有高难度。 1.2.6 趋显性：潜科学是相对显科学而言的，两者相互依存，共处于同一体中。没有显科学就谈不上潜科学，没有潜科学也就谈不上显科学。潜与显既有区别又有联系，在一定的条件下相互转化。1.3 潜
4、科学的主要形态1.3.1 科学问题科学探索始于问题。科学问题是建立再某种已经完成了的科学知识基础上的、为解决未揭自然之谜而提出对它的发问题目。科学问题是潜科学创造的前提条件，只有当我们发现并确立了一个明确的科学问题，选准了科学探索的具体领域和主攻方向，我们才能着手目的明确的科学创造活动。1.3.2 科学幻想科学幻想是对已有信息进行加工、改造、组合而创造出的实现世界不存在的或尚未发现的新形象。1.3.3 科学猜测科学猜测是人们根据已知的事实和科学知识，对未知的事实及其规律性提出的一种推测性看法，它同科学问题、科学幻想相比，思想结构更完善一些，同科学理论的距离更接近一些。在潜科学形态的发展过程中，
5、科学猜测是一个不可或缺的中间环节。1.3.4 科学经验相对于科学理论而言，科学经验正是孕育中的尚未上升到理论层次的潜科学，是人们在科学探索过程中，通过各种感觉器官对客观事物的形态、属性、过程和规律性的体验和感受。2.物理学实验的潜变进化2.1 物理学实验的重要性实验物理开创了近代物理学发展的新局面，在实验物理学三百多年的发展进程中，涌现了众多具有里程碑意义的物理学实验。它们为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想，开创出解决问题的途径和方法。 所以说物理学实验在物理学的发展中占有极其重要的地位，离开了物理实验，就无法了解物理学的发展，特别是在现代物理学的研究中，物理学的实验方法不仅促成了现代物理学
6、新理论的诞生，而且愈来愈成为现代物理学各分支研究的重要工具。2.2物理学实验的分类依据实验的直接目的可以分为探索性实验和验证性实验；依据实验中质和量的关系可以分为定性实验和定量实验；依据实验的手段可以分为直接实验、模拟实验和理想实验。3.物理学实验之卡文迪许扭秤实验3.1背景人类对地球是一个球体的认识经历了一个漫长的过程，当大家都接受这一观点后，又有新的问题出来了，那我们的地球的质量究竟有多大呢，这一疑惑曾困惑了一代又一代的科学家，很多科学家都去试图找到“称量地球”的方法。有人试过用M=*V来算地球的质量，但是这种方法马上就被否定了，地球上有高山，也有大海，各部分的密度相差很大，况且地球深处以
7、及地心的密度根本无法知道。事情终于出现了转机，1687年，牛顿出版了自然哲学的数学原理一书，在书中第一次提出了万有引力定律。 牛顿用定律成功地解释了月球的运动，说明了木星的和太阳系行星的运动与月球绕地球的运动都是同一类型的运动，并且他对行星运动的解释与大文学观测的数据相符；他用太阳和月球对海洋有引力解释了海洋的潮汐；他证明了彗星的轨道是扁长椭圆或抛物线。当哈雷根据牛顿的理论预一颗彗星将于1758年出现并获得了光辉的证实时，全世界都为之震惊和叹服。牛顿发现，利用万有引力定律似乎可以求出地球的质量，他认为，只要知道了万有引力系数，就可以求出地球的质量了，于是求地球的质量的问题转变为如何求出万有引力
8、系数的值。牛顿为此做过不少的实验，都因为引力太小导致无法观察而一一失败了。失望之余，牛顿当众宣布：在地球上想利用测量引力来计算地球质量的努力，将是徒劳的！一时之间，“称量地球”似乎成了一道人类无法攻克的难题。但是还有有一些科学家在继续努力着。增加质量不是会增加万有引力吗，带着这样的想法，1750年，法国科学家布格尔带着大批科学测量仪器登上了南美洲陡峭的琴玻拉错山顶，沿着悬崖吊下一根铅垂线。他认为，既然铅球的质量已知，山的质量可以计算出来，那么只要测量出铅球因受山的吸引偏离的角度，就可以得知山和铅球之间的引力大小，从而可以计算出万有引力系数的数值，进而推算地球的质量。他的原理没错，但是由于山风等
9、环境的影响远远超出了山和铅球之间的微小引力，因此实验测量一次又一次的都失败了。所以在牛顿的原理问世后100多年，还没有任何事实能证明在任意的物体之间确实存在引力 ， 以及这一引力的大小，就是说，把地球与月球、太阳与行星、落体与地球的引力推广到任意两个物体之间而称为万有引力，以及这种引力遵循的规律，还没有得到完全的证明。 3.2称量地球的第一人卡文迪许也致力于这项“称量地球”的研究工作许多年，一直以来都没有找到好的实验方法，但是他对用牛顿的万有引力公式可以得到地球质量这一点深信不疑。当年库伦在实验中发现，两电荷之间的作用力与其距离的平方成反比，这与两物体之间的作用力即引力是相似的，利用这种相似性
10、，库伦大胆的将两电荷之间的作用与物体之间的引力作用进行类比，假借两物体之间的万有引力定律来说明两电荷之间的相互作用，幻想电荷具有相似于质量的量，其作用力大小与两电荷的这种量的乘积成正比，与其距离的平方成反比。借助于这一幻想，他提出了两电荷相互作用规律的假说，后来得到科学实践的确证，发现了电荷具有电量，从而转化为科学定律库伦定律。卡文迪许想，库仑定律与万有引力定律是类似的，库伦用这样的实验可以测得电场力，是不是也可以用这样的实验装置测量两物体间的万有引力呢？可以测出的话万有引力系数不是可以算出来了吗？而在当时，卡文迪许的老师米歇尔设计了一种扭秤，用来测量磁力。但后来米歇尔去世了，他的扭秤由物理学
11、教授沃拉斯顿转赠给了卡文迪许。原理1卡文迪许对米歇尔的扭秤进行了改进，他用一根石英丝横吊着一根“T”形横杆（长2L），横杆的两端各安放着一个小铅球，另外用两个大铅球M分别去靠近两只小铅球m，当大小铅球逐渐接近时，由于万有引力力矩M1的作用，那两只吊着的小铅球必定会带动横杆发生微小的偏转，石英丝就会发生扭转而产生一个反向的扭转力矩M2。当引力的力矩和石英丝的扭转力矩大小相等时，“T”形横杆就会达到平衡。由于“T”形横杆长度和扭转系数K均为已知，因此只要仔细的测量出石英丝扭转的角度，就可以计算出大小铅球之间的引力F了，这样再有万有引力公式推算出万有引力系数的数值，地球的质量就可以推算得到了。所以在
12、地球表面万有引力非常近似于重力，所以则地球质量为原理2 也有一种说法是杆在平衡位置根本不可能静止，它会继续扭转，到达相反的位置-，然后在与-之间振动。由转动方程可求得石英丝的扭转常数：通过转动惯量I和测量扭秤扭转周期T就可以得到石英丝的扭转系数K又因为 因此万有引力系数为同理，地球的质量为 卡文迪许扭秤实验中的第一次转折卡文迪许反复实验许多次，都以失败告终：他根本看不到石英丝的丝毫扭转。现今我们知道，由于一般物体间的引力实在太微弱了，比如两个一公斤的铅球，当他们相距十厘米时，相互之间的引力只有百万分之一克，即使是空气中的微尘，也能干扰测量的准确度，这么微小的引力所引起的石英丝的变化，单靠肉眼是
13、无法测量的。所以当时要求的实验仪器要更加的精密，而扭秤似乎根本达不到这个要求。卡文迪许陷入了深深的思考。一天，他猛然意识到：是不是因为两球之间的引力太小，石英丝的扭转用肉眼根本无法直接观察到呢？能不能设法把这种扭转放大，变得明显一些，是不是问题的答案就可以迎刃而解了呢？虽然找到了问题的症结所在，但是卡文迪许仍然为没有适合的“放大”方法而苦恼着。所以万有引力系数的数值再一次陷入了沉入水面，这一次还会再等100年吗？不会！卡文迪许绝对不允许它再向后拖100年！有一天，他到皇家学会去开会。天气无比灿烂，阳光也出奇的好。走在半路上，他看到几个小孩子，正在作一种有趣的游戏：他们每人手里拿着一面小镜子，用
14、来反射太阳光，互相照着玩。镜子只要稍一转动，远处光点的位置就发生很大变化。“真有意思！”看着那些活泼的孩子，卡文迪许想。突然之间，他茅塞顿开。他掉头跑回实验室，对自己的实验装置进行了一番革新。他把一面小镜子固定在石英丝上，用一束光线去照射它。光线被小镜子反射过来，射在一根刻度尺上。这样，只要石英丝有一点极小的扭动，反射光就会在刻度尺上明显地表示出来。扭动被放大了！实验的灵敏度大大提高了！ 装上小镜后的卡文迪许扭秤实验中的第二次转折按照道理，最大的困难被攻克了，实验应该很快就可以完成的，但是万有引力系数躲在那里说“NO”，每次测量时的石英丝扭转的角度变化的幅度非常大，结果很不稳定，反复进行了大量
15、的实验依然无法使万有引力系数露出真面目。难道外界环境的影响太大？卡文迪许决定改善外界环境，看看扭转的角度还会不会变化。现今我们知道，真的由于万有引力太小太小了，任何的空气流动，震动或者温度的变化都有可能引起相对于引力来说是很大的误差。人在实验装置前走动会导致空气流动与震动，更严重的是，扭秤处于运动状态，以一定频率周期扭动，也会造成空气流动与震动。另一个严重的问题就是温度变化导致扭秤测量结果变化。卡文迪许以大胆的想象，史无前例般的天才的解决了上述问题。卡文迪许当时就考虑到了这些，他把扭秤放在一个封闭的房间里，加强了实验装置的防震系统，努力把外界震动的影响降到最低；利用望远镜在房间外通过窗户观察反射光点的移动，以避免空气气流扰动带来的影响；年复一年的观察，有效的降低了温度和扭秤周期性摆动对观察误差的影响。卡文迪许在房间外用望远镜观察实验结果经过近3年的努力，卡文迪许才成功改进了实验装置和实验方法。又经过2年多的观测，他才得到了17个自己认为有价值的测量数据，以极高准确度测出了万有引力系数G=6.717*10-11牛顿*米2/千克2,进一步推出了地球的重量为5.976*1024千克。国际科学联盟理事
