Эксперимент — базис теории
Фактическая история развития современной физики достаточно ясно говорит о том, что своими успехами она практически в каждом случае, за важным исключением предсказания Юкавой мезона, была обязана открытиям, делавшимся в процессе экспериментов, и что эти эксперименты приводили к тому, что не было порождено теорией, в то время как теория была позднее призвана объяснить эксперименты. Между тем природа теоретического объяснения представляет собой нечто большее, чем изложение средствами языка; физическая теория полностью выражается уравнениями, связывающими комплекс символов. Ценность формул заключается, однако, не в красоте или простоте формулы, но в том количестве экспериментальных фактов, которые могут быть с ее помощью объяснены. Вот почему великие обобщения XX века имеют такое большое значение.
Теория относительности и квантовая теория охватывают значительно более широкую область экспериментов, чем это делали классические теоретические синтезы XIX века. Они указывали путь к новым экспериментам, которые часто бывали плодотворными. Однако эти теории систематически терпели неудачу в попытках надлежащим образом объяснить все, что не было включено в них, в первую очередь путем эксперимента.
Новая квантовая теория
Лучше всего это иллюстрирует следующий этап в истории физики XX века. Первоначально созданная Бором квантовая теория атома в принципе должна была бы объяснять структуру всех атомов и молекул. На практике, однако, было обнаружено, что здесь мы сталкиваемся с весьма досадной трудностью. Квантовые числа, приписываемые уровням энергии в единичных атомах, оставались, как этого требовала теория, целыми числами, однако в следующей простейшей модели, модели двухатомной молекулы, квантовые уровни энергии с самого начала, вместо того, чтобы иметь порядок 0, 1 2, 3, вдруг самым досадным образом приняли значения 1/2, 1х/8, 21/а. Эта и другие аномалии к 1924 году показали, что с формой квантовой теории что - то было не совсем в порядке. Она выливалась в своего рода формальную алгебру — чуть ли не каббалистику, как это называлось в те дни, — где можно было найти комплект чисел для объяснения большинства вещей, но не какое - либо обоснование — иначе как с точки зрения удобства — для выбора этих чисел. Ни электрон, ни теория его движения не могли быть столь простыми, как первоначально думал Бор. Первым средством, использованным для объяснения этой трудности, было постулировать, как это сделали в 1924 году Гаудсмит и Уленбек, что электрон представляет собой маленький магнит — равно как и заряд, что он имеет «спин». Однако главные трудности по - прежнему оставались неразрешенными.