现代物理学革命及其意义

现代物理学革命及其意义

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19世纪末，物理学领域连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性现象和电子的发现。这三大发现，使人类的认识第一次深入到了原子内部，彻底打破了原子不可分、元素不可变的传统物理学观念。以太漂移实验的零结果和黑体辐射研究中的“紫外灾难”，使经典物理学陷入不可克服的矛盾，成为推动这一时期科学发展的重要机制。牛顿力学和麦克斯韦电磁理论，在以太问题上都遇到了根本性的困难。在牛顿力学中，任何机械运动都是相对于一个参考系进行的，如果以太弥漫于整个宇宙空间，它就是一个理想的参考系，各种运动都可以看作是相对于以太进行的。在麦克斯韦电磁理论中，电磁作用（包括光）是靠以太为介质来传递的，以太无所不在。为了验证以太的存在，物理学家进行了大量的实验和观测。1887年美国物理学家迈克耳逊和化学家莫协进行了一项搜索以太风的著名实验，但是没有找到以太风或地球与以太的相对运动。这个实验被许多人所重复，所得到的是否定以太风存在的“负结果”。1905年，爱因斯坦针对经典物理学同新的实验事实之间的矛盾，在《论动体的电动力学》一文中提出了相对性原理和光速不变原理，作为狭义相对论的两条基本原理，从而导出一系列重要结论：同时性的相对性、时缓效应、尺缩效应、光速不可逾越以及物体的质速关系式和质能关系式等。狭义相对论的建立以及1915年广义相对论的建立，从根本上突破了牛顿绝对时空的旧框框，把空间、时间和物质的运动联系了起来，引起了人类时空观的革命和整个物理学的革命。“紫外灾难”是在研究黑体辐射的能量分布问题中产生的。1879年玻耳兹曼发现黑体辐射第一个经验定律，1893年维恩发现第二个经验定律。1900年，英国物理学家瑞利推算出一个不同的能量分布公式，后经英国物理学家金斯加以修正，合称瑞利—金斯公式：热物体的辐射强度正比于它的绝对温度，而反比于这个发射光线波长的平方。这个公式与维恩定律相反，只在长波部分才能很好地与实验符合，当波长变短时，这个公式就失效了。由于这一公式在紫区出了问题，故被称为“紫外灾难”。1900年，普朗克在玻耳兹曼统计观点启发下，大胆地提出了一个与经典物理学的连续性观念

根本不同的能量子假说，认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续发生变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化，即能量的变化是一份一份的进行的。他把一份一份的能量称为“能量子”或“量子”。其数学表达式为：E=hv，E为量子，h为普朗克常数，v为频率。从能量子假说出发，普朗克成功地解释了他自己提出的辐射公式，解决了“紫外灾难”的问题。量子论的诞生，是对经典物理学理论的重大突破，它把经典物理学中一切因果关系都是在连续的基础上所建立的物理思想方法彻底地变革了。尽管在当时的物理学界对这一假说的反应冷淡，但在爱因斯坦、玻尔等科学家的推动下，量子理论获得了飞速发展，成为举世公认的科学理论。到20世纪30年代，经过德布罗意、薛定谔、海森伯、玻恩、狄拉克以及泡利等青年物理学家的努力，形成了量子力学的完整体系。量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重冲击。它使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，揭示了连接与间断统一的自然观，揭示了自然规律的客观统计性，为各门科学的量子化奠定了理论基础。肇始于19世纪末20世纪初的现代科学革命，是以相对论和量子力学的诞生为主要标志。这次革命初期主要在物理学领域发生，到20世纪中叶在各个领域得到迅速发展。

这场革命的意义重大，相对论时空观丰富和发展了辩证唯物主义时空观，质能公式进一步证明了辩证唯物主义关于物质与运动是不可分割的原理；量子能阶的阶梯性进一步证明了辩证唯物主义关于物质运动多样性的原理，粒子的波粒二象性进一步证明了辩证唯物主义关于事物矛盾普遍性的原理。当我们在学习物理学史以及相对论和量子力学的基本理论时，进一步体会它的深刻的哲学内涵和哲学意义，对于确立辩证唯物主义的世界观，并在实践中运用它的观点和方法，是一个极大的促进和莫大的帮助。