物理學家的兩個定律

2021-01-18 中國物理學會期刊網

作者：姬揚 (中國科學院半導體研究所)


物理學研究包括實驗和理論，而物理學家需要技巧和信心。


李政道先生曾經提出過關於物理學家的兩個定律[1]，用來說明理論和實驗的相互促進。第一個定律是：「沒有實驗物理學家，理論物理學家就要漂浮不定。」第二個定律是：「沒有理論物理學家，實驗物理學家就會猶豫不決。」他還舉了幾個例子，其中一個是μ子衰變中「密歇爾參量」的測量史。密歇爾參量ρ表徵了μ子衰變產生的末態電子的動量分布。從1949 年開始的20 年時間裡，進行了大量的實驗測量，得到的結果不斷漂移(圖1)，直到理論精確地預言了ρ=3/4 以後，實驗值才穩定下來。有趣的是，每次新實驗的結果都落在前一次實驗的誤差範圍以內，但同時又穩定地朝著最終值前進。


圖1 密歇爾參量ρ 逐年的變化[1]


這個例子很好地說明了，許多科研工作者其實是很「保守」的。雖然每個人都知道，奇特的結果可能意味著重大的發現，但是大家首先要排除的就是不要犯愚蠢的錯誤。克利青就說過，在初次測到量子霍爾效應的平臺時，他的第一反應就是去踢兩腳測量設備——這傢伙不會又在關鍵時刻掉鏈子了吧？謝赫特曼堅信他觀測到的五重對稱性衍射來自於全新的晶體結構(準晶)，但很多人卻在考慮其他更加普通的來源，而泡令(Pauling)在很多年以後還堅持認為那不過就是孿晶而已。


大部分人都能而且也只能看到自己願意看到的現象，科研工作者也不例外，只是他們經過嚴格的訓練，會時刻提醒自己不要犯這種一廂情願的錯誤。堅定的信心是從事艱苦實驗的必要前提，但只有精巧的設計才能保證得到正確的結果，比如赫茲驗證麥克斯韋電磁理論的實驗工作，或者密立根的電荷測量實驗；如果設計不周或者過於熱情，就有可能被誤導。比如韋伯測量引力波的實驗工作，或者布朗洛發現「N射線」 的研究歷程。正確的實驗結果當然能經受住歷史的考驗，但是有可能錯過一時的影響。比如趙忠堯先生當年關於正電子的產生和湮沒方面的重要工作沒有得到國際認可，就是因為其他實驗組的錯誤結果在當時太有影響力。


這樣的事情並不是只發生在以前，現在可能還更嚴重一些，因為科研活動正在變得越來越需要「 注意力」了。並不是人人都那麼「保守」。類似的結果，平凡的解釋也許正確，但肯定不如奇特的解釋更得到關注。再說，宣傳新發現的時候通常是轟轟烈烈，而需要進行更正的時候往往是悄無聲息。比如說，如果位於磁性隧道結中的磁性納米顆粒能夠在強磁場下形成自旋電池，那就太好了，卻忽略了能量守恆的要求；如果具有微小磁矩的蛋白質分子能夠感應小磁場，那就太好了，卻不知道環境的熱漲落就足以消滅這種可能性。我想每個人都聽說過類似的故事，但大多只是在口頭流傳，甚至可能還會看到相關的文章繼續獲得引用。


當然，還有玩過界了的。比如最近有兩位印度學者宣稱發現了新的簡單的「高溫超導體」，還沒來得及高興多久，就被發現其測量結果具有驚人的「可重複的噪音模式」(圖2)，真是「為他人做嫁衣裳」。這不禁讓人想起20 年前的風雲人物肖恩，他那光輝燦爛的研究歷程，同樣是因為幾個不同器件具有完全相同的實驗結果而突然終結(圖3)。這兩位研究高溫超導的學者，難道就對歷史一無所知嗎？也許，「我們從歷史中學到的唯一教訓就是，我們從來不接受任何歷史教訓」。也許就像最近流傳的那個預印本所暗示的那樣，高溫超導領域的某些研究主體和研究客體可能都是豬腦子？


圖2 「高溫超導體」電阻測量結果中的「可重複噪音模式」[2]


圖3 揭露「肖恩學術造假事件」的關鍵證據：不同器件的測量結果具有完全相同的數據[3]


這些還不算大的。畢竟就像老話說的那樣，「非同尋常的結論需要非同尋常的證據」。吸引注意力固然重要，但終究還是要經過他人的檢驗。這些實驗都還不太難做，需要的人力和資源也不太多，總是會有關心的人去重複它們，或者是發現它們的漏洞，比如說違反了某個基本物理定律。然而，現在有些科研工作是需要大量的人力和物力資源、需要很長的時間才能得到結果的，懷疑者也許只能懷疑而已，可能因為沒有簡單的判別性證據，也可能沒有足夠的資源和精力去開展驗證工作。雖然我們都相信林肯的話，「你可以一時欺騙所有人，也可以永遠欺騙某些人，但不可能永遠欺騙所有人。」 但是，永遠有多遠呢？肖恩只做到了兩三年，「闢爾唐人」堅持了大概四十年，而哈佛大學的心臟病專家安韋薩教授，更是開闢了能夠再生心肌的幹細胞研究新領域，並且領導潮流十幾年，誤導和浪費了多少寶貴的科研資源啊！


當然， 這些只是科研大潮裡偶爾泛起的些許沉渣而已，更多的是理論和實驗完美結合的工作。比如中國科學家做出了重要工作的拓撲絕緣體和反常量子霍爾效應、鐵基高溫超導體系，以及對高壓條件下可能出現高溫超導相的理論預言等等。


我們在從事研究工作的時候，或者在聽到科學新聞的時候，不要忘記李政道先生提出的這兩個物理學家定律，應該就會少走一些彎路。


參考文獻

[1] 李政道. 粒子物理的挑戰，取自《李政道文選(科學與人文)》. 上海科學技術出版社，2008

[2] Skinner B. Repeated noise pattern in thedata of arXiv：1807.08572，Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures. arXiv：1808.02929

[3] Brumfiel G. Bell Labs launches inquiry into allegations of data duplication. Nature，2002，417：367

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