浅谈20世纪的物理学革命

浅谈２０世纪的物理学革命

【摘要】在20 世纪物理学的上空，弥漫着“两朵乌云”，它们的存在使得经典物理学体系大厦的根基岌岌可危．拨开物理学上空这“两朵乌云”的任务落到了爱因斯坦和普朗克及其后来者的身上，由于他们的工作，最终拨开了“乌云”，建立了相对论和量子力学的理论体系．本文主要是通过对这两大科学历史的简单回顾及其带来的物理学革命阐述，讨论了物理学革命对人类社会的作用和影响，并分析了其中的科学方法．

【关键词】物理学革命；相对论；量子力学；科学方法

19世纪末20世纪初，经典物理学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立,经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象．然而，在19世纪末20世纪初,正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实．首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现．其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”．这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击,经典物理发生了“严重的危机”．由此引起了物理学的一场伟大的革命．

一、拨开20 世纪物理学上空的“乌云”，建立相对论和量子力学理论

在经典物理学中，理论必须服从一定的基本原理，首先就是“相对性原理”．这些物理学定律在宇宙中任何地方对做匀速相对运动的一切观察者必须是相同的为什么会有和坐标系没有关系的不变光速呢？这是经典物理学解释不了的问题．麦克斯韦等从经典物理学观点出发，用想象中的“以太”来解释光波的传播．“以太”的存在也被麦克儿孙-莫雷的实验否定．这样以来，经典物理学无法解释这个问题，它自身的危机日益的加重了．

荷兰物理学家洛仑兹和乔治•斐兹杰拉德为了弥补新事物和经典物理学之间的裂痕，提出了由于支配变化(运动)磁场产生的电压的定律出现了不一致的问题而修改了关于长度、时间间隔和速度的定义，即洛仑兹变换．但是尽管洛仑兹懂了相对论的数学，却没有读懂其中的物理学的真正意义，也就是没有领悟“同时性”是相对的这个革命性的概念．爱因斯坦则正好相反，他吸取了洛仑兹变换的精髓，同时又有了新的突破，最终建立了狭义相对论．狭义相对论把空间、

时间、质量、能量联系在一起，是物理学的一场空前的革命．

虽然在狭义相对论中，一个系统的匀速运动不可能影响在该系统中所测量的物理定律，但是如果该系统在加速，那么就会出现一种阻碍这种加速运动的明显的力(惯性)，使得系统中的物体受到向后的压力，这和狭义相对论是存在冲突的．因此，爱因斯坦有经过十年的努力，在数学家的帮助下，运用非欧几里得几何学，建立了广义相对论．广义相对论表明时间和空间跟引力场有关，空间在本质上是弯曲的，其程度由物质的质量和运动速度有关．

爱因斯坦的狭义相对论原理，统一了低速运动的经典力学和高速运动的电动力学;他的广义相对论，统一了狭义相对论和引力理论．爱因斯坦相对论的建立，拨开了20 世纪物理学上空的第一朵“乌云”．

20世纪物理学上空的第二朵“乌云”是在研究黑体辐射过程中产生的“紫外灾难”．拨开这朵“乌云”的重大任务首先落到了德国物理学家普朗克(Planck)的身上，并且由于他的开始吸引了一大批科学家投入到革命的阵营中去，这其中就有著名的哥本哈根学派及其领导人玻尔．正是在众多科学家的共同努力下，才拨开了物理学天空中的第二朵“乌云”，建立了量子力学的伟大理论体系．

二、相对论和量子力学理论建立过程中所运用的科学方法

首先，他们都运用了理想实验的方法．

科学研究离不开想象，尤其是当代科学研究越来越抽象时，想象方法越加显得重要，几乎可以说缺乏想象能力的人，不可能在科学前沿有所突破．20 世纪物理学的两次革命无一例外的运用了理想实验的方法，科学家都是在思想中塑造理想模型在纯化的条件下的运动过程，进行严密的逻辑推理，从而可以更本质、更生动地演绎出客体的规律．

爱因斯坦注重科学想象方法，不管是狭义相对论还是广义相对论，几乎都难以与经验印验起来，如果没有科学想象方法的运用，简直难以进行研究．如爱因斯坦在创立相对论时曾设计过人以光速跟着光线运行的理想实验，在高速运动的列车上观察闪电的理想实验和自由下落的升降机的理想实验，这些实验富有创造性的想象力和大胆的猜测，包含着机敏的直觉和精巧的设计．正是以这些理想实验为前提，才逻辑的演绎出尺缩效应，质量等效等结论．

而在量子力学的研究中，也较多的运用了想象的方法，如玻尔．作为一个伟大的科学家，玻尔对于想象方法的运用达到了完美的境地，如其原子模型提出过程中的大胆想象，既如和爱因斯坦围绕着互补原理而展开的论战，也可以说时两位科学家想象方法能力的较量．再如，“光子箱”理想实验的提出和反驳，是玻尔

运用理想实验模型的典型代表．

其次，爱因斯坦注重演绎法而玻尔等人注重综合归纳法．爱因斯坦说：“适用于科学幼年时代的以归纳为主的方法，正在让位给探索性的演绎法．”，这确实点出了现代方法论的一个特点．归纳法之所以倍受近代科学家和哲学家们的青睐，是因为近代科学主要的研究范围是经验世界，而归纳法必须依据大量的经验事实来完成，当科学研究越来越抽象而原理直接的经验事实以后，归纳法的使用便受到了极大地限制．

追踪玻尔等人的研究历程，可以发现他们大量的运用了综合的方法．在“玻尔模型”提出之前，卢瑟福、普朗克和爱因斯坦等科学家已经积累了大量的有关微观粒子研究的材料，谁的综合能力强，谁就可以站在微观粒子研究的前列．而事实上，玻尔正是以自己高超的综合思维能力，在大量的光谱数据和经验公式，特别是巴耳末公式的基础上创立了新的原子模型．玻尔的理论表述都带有自己的综合思维的特点．他的理论实质是以经典物理为基础，在加上一些量子化的限制，旧的和新的物理观念好像在他那里找到了和谐的处所．再者，此外海森堡等人也大量的运用了综合的方法，互补原理则是玻尔在综合自己的思想与海森堡的测不准原理而提出来的．

第三，爱因斯坦和玻尔等人对数学方法的运用次序是不同的．

爱因斯坦注重数学的方法，如果他不注重数学方法的运用，他的任何一项科学研究都将搁浅．他说：“在物理学中，通向更深入的基本知识的道路是同最精密的数学方法联系着的．”

相应的，在量子力学的建立过程中，也广泛地运用了数学方法，但是它具有自己独特的特点，即它的数学形式建立在前，物理理论及图景的解释的“澄清”在后．而广义相对论的建立时运用的数学方法，就十分不同，它是对其物理图像的推测在前，数学形式体系建立在后，即先有弯曲时空的概念，后有借助于黎曼几何而建立的爱因斯坦引力场方程．量子力学与之相反是因为“波函数及其所满足的薛定谔方程并不是对微观客体自在状态及其变化状况的直接表述，而显示原子和亚原子现象的依然是宏观仪器．用宏观仪器观测原子和亚原子现象，其结果依然要借用经典物理概念来加以描绘．微观体系服从统计规律，乃在宏观量上反映的便是海森堡不确定性原理及其测不准关系式，对于波函数则赋予玻恩几率波解答．”

最后，爱因斯坦无疑是个人研究;而量子力学的研究则是科学家群体的工作．爱因斯坦从事的是个人研究，是在个人的强烈的兴趣的支撑下从事的科学研究;而量子力学的建立和发展是与一个科学家群体的努力分不开的，尤其是哥本哈根学派的努力．这也说明现代的科学研究单凭一个人就获得巨大成就是非常不易的，现代的科学研究已经进入了一个大科学的时代，科学研究变成了科学家群体的活动．