世纪之交的物理学革命

世纪之交的物理学革命

19世纪理论科学的巅峰状态以及其中隐含的危机以物理学最为典型。海王星的发现显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”有一个故事很可以说明在人们心目中，古典物理学的完善程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”

1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光的动力理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵乌云。实际上，物理学天空上的乌云何止两朵。大量新现象与已成完美体系的古典理论之间的矛盾日渐突出，酿成了深刻的危机。正是这朵朵乌云带来了世纪之交的一场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。

1、第一朵乌云：以太漂移实验

开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。古典物理学统一诸种物理现象的主要方式，是找出该类物理现象的一个力学模型。例如，当我们把声音看成是声源振动在物质媒介中的纵向传播时，我们就将声学统一在关于振动的力学之中；当我们把热看成是细微分子的运动之后，我们就将热学统一在关于大量分子运动的力学之中。电磁学似乎与力学距离较远，但也有统一它们的方式。比如，我们同样可以将电磁波看成是某种电磁振荡在某种物质媒介中的传播，如果这种模型是成立的，那么，电磁学与力学之间也可以统一起来了。事实上，物理学家们就是这么做的，因为在他们看来，“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上”。开尔文也说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解”。

用力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是，它是在什么物质媒介中振荡传播的。我们知道，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨等，没有这些东西，声音便不能传播。可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明；它在真空中也能传播，这就说明，这种媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用希腊词“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型。在他那里，以太正好就是看不见膜不着的一种新物质。物理学家们于是认为，电磁传播的媒介是以太。

问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它对物体的运动会产生阻力吗？它的密度有多大？但这些问题都非常难于回答。电磁波是一种横波，为了能传播这样一种波，以太媒介必得很硬，但行星运动中又看不出受到阻力的迹象，这使物理学家们感到十分为难。

更困难的问题是以太漂移问题。如果确实有以太存在，那么最好是假定它相对于太阳静止而相对于地球运动，因为只有这样才能很好地解释光行差现象。如果以太相对于地球运动，那么我们就应该可以通过某种方式探测出来。1879年，著名物理学家麦克斯韦提出了一种探测方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间：1881年，美国实验物理学家迈克尔逊（1852～1931）依此原理设计了一个极为精密的实验，未发现任何时间差。1887年，迈克尔逊再度与美国化学家莫雷（1838～1923）合作，以更高精度重复实验，得到的依然是“零结果”。作为一名以“探测以太漂移”为目的的实验物理学家，迈克尔逊认为自己的实验是失败的。

为了解释“零结果”，1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851～1901）提出了物体在以太风中的收缩假说。他认为，在运动方向上，物体长度将会缩短，以致我们无法在光学实验中探测出以太漂移的迹象。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）也独立地提出了收缩假说，并且给出了著名的洛伦兹变换。该变换使得相对于以太运动以及相对于以太静止的两种坐标系均满足同样形式的麦克斯韦方程，使经典物理学得以消除乌云，保全形式上的完美。但洛伦兹的工作已经大大修改了许多传统的观念，例如，运动粒子的质量不再是不变的，速度均以光速为上限等。

法国数学家、物理学家、哲学家彭加勒（185—1912）是相对论的重要先驱。1895年，在《谈谈拉摩

先生的理论卜文中，他已经以其高超的哲学智慧为“以太问题”的解决指出了新的方向。他认为，像洛伦兹这样为新的实验引进新的孤立假设的做法是不经济的，以太漂移实验的零结果应该被看成是如下原理的自然结果，即用任何实验手段都不可能测量到物质的绝对运动，所有的实验都只可能测量到物质相对于物质的相对运动。1902年，在《科学与假设》中，彭加勒把这个原理称为“相对性原理”。此外，他还提出“光速不变”是一个不能诉诸实验检验的公设，同时还讨论了同时性问题。

2、爱因斯坦与相对论

洛伦兹的工作主要是对；日体系的修正，彭加勒的工作也只给出了一个概念框架，真正揭开物理学革命之序幕的是爱因斯坦。这位犹太血统的物理学家1879年3月14日生于德国南部的小城乌尔姆。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未表现出智力超群，相反，到了四五岁他还不会说话。家里人生怕他是个低能儿。上中学之后，他的学业也不突出，除了数学很好外，其他功课都不怎么样。尤其是拉丁文和希腊文课，爱因斯坦学得一塌糊涂。他对这些古典语言太不感兴趣了。老师劝他退学算了，说他不会有大出息的。就这样，人类历史上最伟大的天才中途退学了。

1895年，16岁的爱因斯坦来到了瑞士苏黎世，准备投考苏黎世的联邦工业大学。本来他的年龄不够，不能参加报考，但家里托了点关系，因为爱因斯坦失学在家总不是个事。第一次爱因斯坦没有考上。那些需要死记硬背的功课像德文。法文、动物学、植物学等都没有考好，但他的数学和物理课考得很不错。教授们安慰他还年轻，下次再来，先找个中学上。这样，爱因斯坦又进了离苏黎世不远的阿劳镇中学。在阿劳期间，是爱因斯坦人生中比较快乐的一段时光。他尝到了瑞士自由的空气和阳光，决心放弃德国国籍。

1896年1月28日，爱因斯坦正式成为一个无国籍者。当年，他终于考进了联邦工业大学。在大学期间，爱因斯坦还是只对自己感兴趣的学科着迷，而忽视其他科目。这时候，他迷上了物理学而对数学反而冷落了。数学课全凭一位叫格罗斯曼的同学的笔记来应付。1900年，他大学毕业了，但一时找不到工作。1901年2月，他取得了瑞士国籍，但工作依然没有着落。到了依然是格罗斯曼帮了他的忙。格的父亲有位朋友在伯尔尼专利局当局长，经说情爱因斯坦在那里找到了一份固定职业——当技术员。1902年，爱因斯坦在伯尔尼定居了，而且在那里与几个朋友组织了一个学习小组，讨论科学和哲学的前沿问题。因常在一个叫奥林匹亚的小咖啡馆聚会，他们把自己的小组称做奥林匹亚科学院。

早在16岁时爱因斯坦就在想一个问题，如果一个人以光速运行，他将看到一幅什么样的世界景象呢？电磁波是不是就像凝固了那样静止不动呢？如果是那样，电动力学就完了。看起来，电动力学的麦克斯韦方程只对一个绝对静止不动的参考系即以太参考系是成立的。可是这与牛顿力学所遵从的惯性系等效原理相矛盾。所有的牛顿定律对于所有的惯性系都是成立的，伽利略恰当地称之为相对性原理。他的著名实验是，一个坐在船舱里的人无论用什么物理实验，也无法确定该船是否在相对于河流做均匀直线运动即惯性运动。可是，电动力学为什么不遵从伽利略的相对性原理呢？

在伯尔尼专利局的岁月里，爱因斯坦广泛关注着物理学界的前沿动态，在许多问题上深人思考，形成了自己独特的见解。1905年是科学史上值得记取的一年，这一年中，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》上发表了五篇论文，其中的三篇每篇均是划时代的成就。

一篇论文发表在《物理学年鉴》第门卷第132—148页，是关于光电效应的。当时人们已经发现，金属在光的照射下可以发射出电子，但奇怪的是，光的强度只与电子的多少有关，而不能使电子的发射能量变大。对这一点古典物理学无法解释。爱因斯坦将德国物理学家普朗克在此之前提出的量子观点大胆推广，指出光是由一定能量的光量子组成。正是这些光量子激发了金属内部的电子，而且，只有一定能量的光量子能被金属所吸收，并激发一定能量的电子。这就解释了光电效应。由于这篇论文，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理奖。

第二篇论文发表在《物理学年鉴》第17卷第549—560页，是关于布朗运动的。布朗运动是1827年英国植物学家布朗发现的显微镜下花粉颗粒的无规则运动，长期以来得不到解释。分子运动论建立之后，曾有人从大量分子无规则运动的观点解释布朗运动，但爱因斯坦第一个从数学上详尽地解决了这一问题。

最伟大的成就是第三篇论文《论动体的电动力学》，刊于《物理学年鉴》第17卷第891—921页。在这篇论文中，爱因斯坦提出了他举世闻名的相对性理论即相对论。这是他多年来思考以太与电动力学问题的结果。他从同时性的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础