自然科学概论作业

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宏观世界迥然不同的微观世界的图画，是人类的视野延伸到了一个全新的领域。

量子力学的发展，已经给人们带来了丰盛且有实效的成果，量子力学是20世纪物理学发展的主要标志。

在哲学上，量子力学不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，而且进一步揭示了连续性与间断性、偶然性与必然性，以及决定论与因果律之间的辩证关系，宣告了机械论自然观的破产。

这些都充分说明了量子力学在科学上和哲学上的极为重要的作用和意义。

二、物理学三大发现引起的哲学论争1、三大发现对形而上学观点的冲击x射线、天然放射性和电子这三大发现，开始冲破了物理学中当时占绝对优势的乐观主义的僵化局面，使长期禁锢人们思想的形而上学的原子论观点陷入了危机。

三大发现猛烈地冲击着原子不可分、不可变的形而上学观点。

X 射线的发现严重地冲击了“原子是坚硬的、不可人的最小实体”的机械唯物论的观念。

电子的发现打破了“原子不可再分”的形而上学观点,电子就是比原子更小的实物粒子，它是原子的组成部分。

放射性的发现，展示出由一种元素的原子衰变为另一种元素的原子的事实，对“原子永恒不变”的绝对观念直接发难，使原子失去了形而上学的“不变性”和“固定性”。

这一切都动摇了原子不可分的基本观念。

在原子不可分到原子可分、可变的转变过程中，绝大多数物理学家经受住了这场革命风暴的考验，他们坚持以实验为突破口，走上了认识真理的光明大道，并取得了前所未有的新成就。

但是，在物理学的新发现与旧理论的矛盾面前，有些物理学家则陷入了思想混乱，不能抵挡唯心主义思潮的侵袭，最后滑进了唯心主义的泥坑。

2、物理学唯心主义的观点在物理学革命的风暴中，一些唯心主义哲学家有意识地将物理学的新发现加以歪曲利用，使物理学唯心主义的思潮在这一时期膨胀和流行起来。

首先，物理学唯心主义者歪曲利用了一些物理学家对于物理学一系列重大发现的不确切的，否认物质界及其发展规律的客观实在性。

他们把电子的发现和原子的可分性看作是物质论的破产，认为既然原子电子组成的，而电子是电、是一种运动，那末电子的发现就是“电代替了物质”、“原子非物质化了”、“物质消失了”。

其次，物理学唯心主义完全否定已获得的物理学规律的客观真理性。

法国物理学家彭加勒(1854—1912) 在《科学的价值》一书中断言：镭的永恒发热和强放射性的发现推翻了能量守恒定律，电子电磁质量随速度变化的发现推翻了质量守恒定律，以太漂移实验的否定结果推翻了伽利略相对性原理，等等。

在彭加勒看来摆在我们面前的是物理学旧原理的“废墟”，是“原理的普遍毁灭”，他把物理学的革命性称作“现代物理学的危机”，说什么以物质为研究对象的物理学也跟着毁灭了。

最后，物理学唯心主义者得出结论说：各个基本原理的“崩溃”，证明了自然科学不是自然界的复写、映像，不是对意识之外的客观实在的摹写，而只是人们意识的产物，是人为了“方便”和“思维的经济”而创造的符号和记号。

英国唯心主义数学家、哲学家毕尔生在《科学入门》一书中说，科学规律与其说是外部世界的因子，不如说是人心的产物。

法国唯心主义哲学家哈特曼进一步宣称：原子、电子、以太是简单的符号和“作业假说”；必须以心理的东西普遍代替整个物质自然界。

3、列宁对形而上学和唯心主义观点的批判在列宁的哲学笔记中,解决了许多对自然科学发展有直接意义的哲学问题。

在不同的时期中，列宁研究和摘录了许多有关自然科学哲学问题的著作。

列宁对所摘录的著作作了极其准确的评价,并对其中经过透彻研究的问题给予了深刻的评论。

一、列宁对马赫主义的批判。

十九世纪末二十世纪初,马赫主义者在自然科学中掀起了反对唯物主义的斗争。

他们企图在哲学中创立一条“超越”唯物主义和唯心主义之上的第三条路线。

马赫主义的基本原理就是硬说物是“感觉的复合”,而这些则又是彻底中性的东西,也就是既不是唯物主义的义也不是唯心主义的。

列宁在其《唯物主义和经验批判主义》一书中指出,马赫主义者用新术语简单地掩盖了陈旧的、贝克莱的主观唯心主义。

同时,列宁尖锐地揭露了马赫主义者回避哲学根本问题的企图,他把这种企图称做为“愚蠢的奢望”,这是根本办不到的。