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什麼是理論物理和實驗物理,它們的區別是什麼?

2017年02月28日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 60 ℃ 次

【黃豆子的回答(94票)】:

謝邀:)

利益相關:做實驗的

理論學家費紙,實驗學家費電,理論實驗物理學家費米」——這是一個奪麼妙的段子啊233

零,前言

問題是「什麼是理論物理和實驗物理,它們的區別是什麼?」前面是定義問題,後面既然都說到區別了也會說說它們之間的關係。我答的也許並不完全嚴謹,會有一些自己的想法和理解。

一,什麼是物理學

wiki說

物理學探索分析大自然所發生的現象,以瞭解其規則。

總結得奪好啊,物理學的目的就是瞭解大自然的規則,手段則是分析大自然所發生的現象。我覺得這多少可以解釋理論和實驗的分工,理論學家是最終達到瞭解規則的人,實驗學家是分析現象的人。當然後面我們將看到苦哈哈的實驗學家們不止要分析現象,也不是每個理論學家用一根筆一張紙就能揭示自然的規律的。

二,什麼是理論物理

wiki對理論物理的定義:

理論物理學通過為現實世界建立數學模型來試圖理解所有物理現象的運行機制。通過「物理理論」來條理化、解釋、預言物理現象。

所以理論物理要做的就是把自然規律用數學模型(可以理解為公式)的形式展示出來。具體來說理論學家做的事可以列舉為

  • [有未解釋的現象]從現象中總結規律

  • [有未解釋的現象&&基本理論]根據現象修正現有理論,或推翻現有理論建立新理論

  • [有基本理論]從基本理論出發,預言可能發生的現象

  • [有未解釋的現象&&基本理論]從基本理論出發,解釋現象

  • 建立最簡單,最基本的理論體系

三,什麼是實驗物理

wiki對實驗物理的定義:

實驗物理學是直接觀察物理現象,以獲取關於宇宙中從大到小各種資料的學科分類。

所以實驗物理要做的就是觀察物理現象,收集並解釋所得到的數據資料。具體來說實驗學家做的事可以列舉為

  • 收集測量記錄現象(以備理論學家使用(劃掉

  • 用實驗創造可以檢驗理論的現象(以備理論學家使用(劃掉

  • 將數據解釋為可以理解的物理現象(以備理論學家使用(劃掉

  • 創造觀察紀錄「反常」新現象(以備理論學家使用(劃掉

四,物理學研究的方法(理論和實驗所扮演的角色)

這裡說的只是一個泛泛的方法和思路,並不是說所有物理研究都必須遵從這樣的過程。

簡單說,一個物理理論的發展,往往先是遇到一個現有理論解釋不了的現象→總結規律→得到解釋現象的理論(唯象)→結合現有理論進行修正→發展為更基本的理論體系→用新的現象驗證理論。我認為這是一個非常自然的邏輯

我畫了一個示意圖來顯示這個過程:

現在我們看看理論學家和實驗學家在其中所扮演的角色:

  • 實驗:收集自然現象或設計實驗創造現象

  • 實驗:測量數據,並將數據轉化為有物理含義的結果

  • 理論:總結歸納

  • 理論:用數學模型描述解釋實驗結果

  • 理論:檢驗和現有理論的兼容性,修正現有理論

  • 理論:得到更基本的理論體系

  • 理論:用創建的理論預測應該發生的現象

  • 實驗:設計實驗驗證是否會發生理論預測的現象

可以看出理論和實驗是互相依賴的。如果沒有理論,實驗結果是膚淺的;如果沒有實驗,理論則是和不知正確性的想像。

五,栗子

上面說的比較抽像,下面我用兩個例子來說明(寫完我才覺得這兩個例子怪怪的……)

  • 庫倫定律

實驗:人類意識到有「電」現象

實驗:觀察到靜電力的現象(摩擦生電,同性相斥異性相吸等)

理論:發現靜電力的行為和萬有引力相似(均勻帶電球殼內部感受不到靜電力作用)

理論:猜測靜電力數學描述也是平方反比形式

實驗:槓桿實驗驗證

理論:總結多種電磁理論得到理論體系「麥克斯韋電磁理論」

  • 中微子的發現

實驗:β衰變四動量守恆不符合

理論:假設有一種現在不知道的粒子產生

理論:預測β衰變產物和質子反應會產生檢測到相關的三束gamma

實驗:實驗證實以上預測

理論:完善基本模型

六,其他

  1. 理論和實驗在同一個人身上是不互斥的,比如費米。

  2. 在物理學不同領域中,理論和實驗的分工深度非常不同。
  3. 既然用中微子做的例子,用這張世界奇妙物語的截圖作為結尾吧:)

【大龍的回答(5票)】:

zhihu.com/question/2715

This imagining process is so difficult that there is a division of labor

in physics: there are theoretical physicists who imagine, deduce, and guess at new

laws, but do not experiment; and then there are experimental physicists who experiment,

imagine, deduce, and guess.

—— The Feynman Lectures on Physics, Volume 1, Chapter 1 Atoms in Motion

【nanhu的回答(1票)】:

謝邀。

如何劃分實驗和理論物理學家? - nanhu 的回答

【張浩的回答(5票)】:

Sheldon和Leonard的區別。

【肯博齊的回答(0票)】:

凝聚態專業,實驗室的一個哥們對做實驗的物理系學生有非常精準的描述,Experimental physicists are kids with very expensive toys.

做實驗的的基本上是在地下室調天天壞的儀器,理論則是在空調房的電腦前憋idea.

【微醺的回答(0票)】:

實踐是檢驗真理的唯一標準

【衣文的回答(0票)】:

我就用比薩邪塔的實驗舉例子吧。關於重量不同仍然加速度是否一樣的結論,理論物理學家會用「重量不同的兩個球用繩子栓在一起往下扔會怎麼樣」這種設想提出悖論然後得出重力加速度應該一致的結論,實驗物理學則會聽說或者想到這種悖論之後實際測量一下實驗一下再得出結論

【盛清秋的回答(0票)】:

一個是吹牛逼,一個是正在吹牛逼。

【TimChen的回答(0票)】:

物理學專業的我來簡單回答下,樓上姐們的答案太誠意了。其實在解決這種劃分類問題的時候,回到原始狀態就很容易得到答案。物理學最初的名字想必很多人都清楚:自然哲學的數學原理,好了,答案出來了:1,自然,你需要親身體會與操作。2,數學,你需要計算和思考。

發展一下前者就是實驗,後者是理論。至於二者關係類似於這樣:實驗哲學的理論原理的實驗哲學的理論原理的實驗哲學。。。。。

【李梓然的回答(0票)】:

一個給學生留下公式,一個給老師留下實驗

標籤:-物理學 -理論物理 -實驗物理


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