自然科学概论作业(DOC)

世纪之交的物理学革命及其哲学论争

摘要：古典物理学在19世纪已经取得了全面的发展，力学、光学、电磁学、热力学都已经形成了完整的体系，一般物理现象似乎都可以从相应的理论中得到说明，于是人们乐观地认为物理学已经具备了十分完备的原理和方法，足以去理解整个自然界。但是，19世纪后几年至20世纪初，物理学的发展完全打破了这种盲目的乐观。X 射线、放射性和电子的发现，相对论和量子论的建立，揭开了物理学革命的序幕，同时也使得物理学基本观念发生了根本变革，并对一系列物理学哲学问题展开了激烈争论。此时的物理学处在一个充满了怀疑、困惑和争论的时期。实际上，这一时期物理学领域中真正出现的“危机”，并不在于物理学本身，而在物理学的哲学层面。

关键词：相对论，量子力学，测不准关系，形而上学，唯心主义，马赫主义，唯物主义辩证法

一、19世纪末20世纪初的物理学革命

1、物理学的三大发现

电子、X射线、放射性现象，预示着现代物理学革命的方向，即向微观领域方向发展。1895年11月，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，偶然发现从阴极射线管中还能发出一种看不见的射线，他在不断改换方式方法作了一系列检验性实验之后，证实了他的看法。他的结论是，一些物质在受到阴极射线的冲击时发出另一种射线，它同阴极射线有本质的区别，能或多或少的透过许多物质。伦琴的发现震惊了世界。伦琴在研究X射线时曾观察到X射线照射在涂有荧光物质的屏幕上能使其发光，X射线与荧光之间究竟有什么关系呢？这个问题引起了物理学家的兴趣。法国物理学家贝克贝克雷尔发现了铀盐在没有阳光照射的情况下，也就是说没有发出荧光的情况下，却使底片强烈地感光了，针对这个发现，他对铀进行了多次实验，肯定了铀能放出一种穿透力极强的射线，这种射线就是现在人们时常说的X射线。通过居里和玛丽的研究发现，能放出这种射线的不止铀。1881年，英国物理学家汤姆逊提出了阴极射线粒子带负电，速度极高并沿直线运行。1895年，法国物理学家佩兰证实了阴极射线粒子

带负电荷。1895年，汤姆逊重新设计了真空管，使它发出的阴极射线能同样受到电场和磁场的作用。由此，他测定了这种粒子的“荷质比”，即所带电荷与电量之比。经过进一步的分析，汤姆逊断定，阴极射线是由质量比氢离子小得多的微粒组成，这些微粒带负电荷。后来通过英国物理学家斯通尼的说法可以确定，这种微粒就是“电子”。

2、物理学危机

正当古典物理学达到顶峰时，它本身却出现了危机和革命。当人们正陶醉于“尽善尽美”的境界时，却出乎意料的发生一系列震惊物理学界的事件。首先是麦克耳逊和莫雷为了寻找地球相对于绝对静止的以太运动进行了著名的以太运动漂移实验，但实验结果却同古典理论的预测相反；在对比热和热辐射研究中又出现了“紫外灾难”等古典理论不可克服的矛盾。物理学上空出现了两朵乌云，古典物理学再次受到了严重的挑战，第三次面临重大危机。

3、相对论和量子力学的建立

与以前的研究者不同，爱因斯坦不是牵强附会地去解释光速不变的事实，以弥合实验与经典理论之间的裂痕，他所关心的是力学与电磁学形式上的不一致。这样的出发点，是与爱因斯坦所受的教育和一贯的追求分不开的。爱因斯坦经过多年的思考和实验，得到了狭义相对论的两条基本原理：一是光速不变原理，即在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的。这一原理表明，在这些惯性系中，光速与光源和光的接受者的运动状态无关，这就意味着必须对经典物理学的理论进行修改。他认为自然界的物质运动是统一的，作为自然规律正确反映的科学理论就要显示出应有的简单性来。经典力学从本质上来讲，又需要一个与任何具体事物无关的绝对静止的参考系，因为任何一个与具体事物相联系的参考系如地面参考系甚至太阳参考系等，都会由于该事物自身的运动而不具备严格的惯性系的要求。因此爱因斯坦根据自然界的物质统一性思想，爱因斯坦摒弃了“绝对静止”的概念，而将相对性的原理保留，推广为狭义相对论的另一条基本原理，即狭义相对论原理，一切彼此作匀速直线运动的参考系，对于描述运动的一切规律来说都是等价的。它表明，绝对静止的参考系是不存在的，没有一种在一个系统中所做的实验能够确定这一系统的“绝对”运动，这些实验对于运动的描写只有相对意义。狭义相对论不仅改变了经典

物理学中有关质量和能量的传统看法，并且为人们今天利用原子能提供了理论依据。爱因斯坦认为，运动的相对性原理必须进一步推广，即自然定律对于任何参考系而言都应具有相同的数学形式。这一思想被爱因斯坦提升为广义相对论的一条基本原理，广义协变原理。然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另一条基本原理即等效原理的保证。以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼几何，爱因斯坦于1916年又建立起广义相对论的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本属性及其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。在广义相对论中，时空的性质直接取决于物质本身的分布，空间也可以发生弯曲，这就从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。

19世纪中叶，物理学家们已经认识到热辐射与光辐射一样，也是一种电磁波，并开始研究物体对热的辐射和吸收等问题。1900年，英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论，推出了黑体辐射的能量分布公式。该理论的长波部分与实验比较符合，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果是趋于零。这部分严重的背离，被称之为“紫外灾难”。后来德国物理学家普朗克经研究，提出了能量子假说，这个假说认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是像粒子一样一个一个的被发射或吸收的。这种能量变化的最小单元称为“能量子”、或“量子”。爱因斯坦从普朗克的思想中得到启发，并发展了能量子假说，提出了光量子理论，即光在传播过程中，能量不连续地分布于空间，它由独立的能量子组成。光量子理论使人们重新认识了光的粒子性，对光本性的认识产生了一个飞跃。爱因斯坦用它来解释当时用经典型理论无法解释的光电效应问题，取得了圆满的成功。1927年海森堡在研究了微观粒子波粒二象性的基础上，提出了测不准关系，为量子力学做出了又一贡献。测不准关系表明，粒子的位置测量得越精确，那么对它的动量的测量就越不精确，即动量和位置是不可能同时地被测量的。波尔以测不准关系为基础提出了“互补原理”。认为在量子领域里总是存在互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。波尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦不同意。他始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种“绥靖哲学”。起因斯坦与波尔之间的争论持续了半个世纪，直到他们去世也没有完结。量子力学为我们描绘了一幅与