[讨论] 物理理论当代实验验证的根本性困难（3）：阅读笔记（《物理学报》2022年一文）

   孙昌璞院士

http://casad.cas.cn/ysxx2022/ysmd/sxwl/200912/t20091203_2681352.html

的《当代理论物理发展趋势之我见 —杨振宁学术思想启发的若干思考》一文，

   阅读笔记如下：

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212307

   3  理论物理与实验关系“非常谈”

   爱因斯坦的观点: “如果一个理论的基本概念和假设接近于经验, 它就具有一种重要的优越性, 人们对这样的一种理论自然就有更大的信心. …然而, 随着认识的深入, 我们要寻求物理理论基础的逻辑简单性和一致性, 因而我们要放弃上述的这种优越性”.

   在李政道、杨振宁发现宇称不守恒并建立中微子二分量以前, 关于μ子到正负电子衰变的实验分支比在一定范围内是random. 后来, 李政道和杨振宁的1956—1957年理论预言的分支比是3/4. 此后10年, 人们进行多次实验, 最后分支比的测量值稳定逼近3/4 (图3). 意味深长的是, 每一次实验的误差条都落在前一个实验误差条里边[16]. 这个事例告诉大家, 如果“理论-实验-再实验”不能“背靠背”地进行, 单次实验观察一定不能完全独立于理论去无偏地验证理论预言, 仅凭一次实验通常无法给出理论正确性的客观检验, 只有多次实验才能逼近理论描述“客观实在”.

图 3  1957年李-杨的理论预言影响了测量μ子到正负电子衰变的分支比的误差处理: 测量每一次实验的中值都落在前一次实验误差范围内, 10年后逼近预言3/4而稳定

Fig. 3.  Li and Yang’s theoretical prediction in 1957 had affected the error processing in measurement about the branching ratio of decays of μ to positron and electron: the median value of each experiment fell within the error range of the previous experiments, and after 10 years, it approached and became stale on the predicted value of 3/4.

   实验物理学家对“理论”有时会盲目地深信不疑, 从而导致实验数据使用主观倾向错误理论预言的严重科学问题. 其实, 实验物理学家看到的“理论”预言有可能只是某种“有效理论”的结果, 或只是近似简化模型对实际系统的描述, 可能忘记了近似成立的条件有时会十分苛刻.

   如果实验家相信了并不符合实验条件的有效模型理论预言, 有取向地处理数据(甚至可以在误差范围内), 就可能得到与理论相符合的错误结论.

   3) 实验上的结论盲从“理论”—过分相信实验发现重要性依赖“理论”; 4) 实验数据使用不客观—有取向地处理数据以拟合已有的“理论”. 由此看来, 谈及理论预言的实验验证, 我们必须追问到底实验“验证”了什么? 一个真实的物理系统, 一个实际的实验, 跟理想模型都是有距离的, 理论结果到模型给出的预言也是有距离的(图5). 很多时候验证的只是近似化后模型的预言,而非关于真实系统的理论结果. 在量子物理模拟的实验中, 此类问题甚多, 必须提高警惕.

   一个好的理论-实验的结合工作, 必须是双盲的、背靠背的, 否则的话就会出现互相人为拟合趋同的科学诚信问题.

   著名化学家Irving Langmuir[21] 曾经指出: “可能科学家完全是诚实的, 十分热衷于自己的研究……但完全自己欺骗了自己”, “这些事件中没有任何弄虚作假, 但由于作者不了解作为一个人完全可以被主观的因素、一厢情愿的想象, 而引入歧途, 以致完全陷入错误的泥塘之中”.

   一个好的理论物理成果, 要独立放在那里, 实验物理学家背靠背独立地验证它的预言. 一个好的实验, 要开放所有认真测量得到的数据, 最好让不同理论组背靠背地解释新发现. 事实上, 当代物理学的重大发现几乎没有几个是理论和实验直接合作在一起发表的.

   毫无疑问, 物理学本身是一门基于实验的科学. 既然理论物理是物理学的学科分支, 其正确与否最终就必须回归到实验检验. 然而, 作为一个综合交叉的核心学科, 理论物理发展必须立足于遍历整个发展过程、足够多的实验总和之上、发现共性规律, 一时一地的处理个别实验现象不是理论物理的核心任务. 因此, 在物理学发展过程中间, 有的阶段性理论研究, 开始可能看不到实验检验的可能, 但其进一步拓展和改进却可以导致重大突破和科学革命, 广义相对论和规范场论是这方面的典型例证. 必须强调, 虽然理论必须联系实际、实验必须基于理论, 但实验的目的也不只是去证实理论,理论的目的不只是去解释实验. 实验应该去发现新现象、新效应和新物质, 理论要找到新规律、建立新方法.

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212307

参考资料：

[1] 科学网，2021-06-17 10:18:31，当测试广义相对论时，微小建模误差能快速累积

https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2021/10/202110111018314267031.shtm

[1-2] Christopher J. Moore, Eliot Finch, Riccardo Buscicchio, Davide Gerosa. Testing general relativity with gravitational-wave catalogs: The insidious nature of waveform systematics. iScience, 2021, 24(6): 102577.

25 June 2021

doi:  10.1016/j.isci.2021.102577

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005459

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00545-9

[2] 孙昌璞. 当代理论物理发展趋势之我见 —杨振宁学术思想启发的若干思考[J]. 物理学报, 2022, 71(1): 010101.

doi:  10.7498/aps.71.20212307

Sun Chang-Pu. My prospective on the contemporary trend of theoretical physics inspired by Chen-Ning Yang. Acta Phys. Sin., 2022, 71(1): 010101.

https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212307

[3] 庆承瑞, 何祚麻. 科学实验中的“双盲”准则[J]. 现代物理知识, 1996, 8(01): 27-29.

http://mp.ihep.ac.cn/article/id/10464

[4] Gregory Radick. Beyond the "Mendel-Fisher controversy"[J]. SCIENCE, 2015, 350 (6257): ‏ 159-160. OCT 9 2015.

doi:  10.1126/science.aab3846

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aab3846

https://science.sciencemag.org/content/350/6257/159

[5] 刘全慧，2025-07-07 08:15，从经验到原理的飞跃--试答杨立坚教授之问 精选

https://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1492652.html

[6] 刘全慧，2025-07-04 08:27，如何评价Jaynes认为概率论是全部科学的逻辑? 精选

https://blog.sciencenet.cn/blog-3377-1492262.html

   第三，Jaynes的过人之处。他1950年代用熵或者信息理论重新表述吉布斯的理论，看上去无非把统计物理重新表述了一遍。不要忘记，爱因斯坦最为大众所知的贡献无非把狭义相对论重新表述了一遍。后来，Jaynes认为改写吉布斯的理论是不够的，概率应该是全部科学的逻辑。因此，如果把哲学家对吉布斯的评价中，把吉布斯等词替换成概率论，完全通顺也完全正确。

以前的《科学网》相关博文链接：

[1] 2025-10-24 18:41，[讨论] 物理理论当代实验验证的根本性困难（2）：测量误差可能引起物理定律公式变化的错误判断

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1507326.html

[2] 2025-10-23 16:50，[讨论] 物理理论当代实验验证的根本性困难（1）：有限的样本容量

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1507140.html

[3] 2025-10-22 21:26，[讨论] “随机性”主要来自“确定性”的信息丢失

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1507023.html

[4] 2021-12-27 20:13，[求证] 广义相对论通过迄今最严苛测试？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1318413.html

[5] 2025-05-16 22:21，[讨论，猜想，优先权] 非线性方程的解在小范围变化时：其重构方程的“变方程”与“变参数”等效

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1485997.html

[6] 2024-08-30 22:41，[物理，实验，打听] 李政道老师“测量μ子到正负电子衰变的分支比”的原始数据和图片

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1448940.html

[7] 2024-07-16 22:41，[讨论，随感] 一两个物理实验，不足以肯定一个物理理论

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1442549.html

[8] 2024-07-15 22:49，[笔记，随感] 物理理论与物理实验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1442409.html

[9] 2022-06-02 15:53，[讨论] 从孟德尔“豌豆实验”到流体力学 Navier–Stokes 方程

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1341284.html

[10] 2020-12-1 14:13，[建议] 重复孟德尔的生物学豌豆实验

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1260648.html

[11] 2025-05-14 22:29，[笔记，数学] 泰勒级数展开 Taylor series expansion

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1485748.html

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