浅谈２０世纪的物理学革命.docx

浅谈世纪的物理学革命 【摘 要】 在20 世纪物理学的上空，充满着“两朵乌云”，它们的存在使得经典物理学体系大厦的根基奄奄一息拨开物理学上空这“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洁回顾及其带来的物理学革命阐述，探讨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楚、完整的图画，几乎能完备地说明全部已经视察到的物理现象然而，在19世纪末20世纪初,正值物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学试验却发觉了很多经典物理学无法说明的事实首先是世纪之交物理学的三大发觉：电子、X射线和放射性现象的发觉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”这些试验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的冲突，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击,经典物理发生了“严峻的危机”由此引起了物理学的一场宏大的革命 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， 理论必需听从肯定的基本原理，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视察者必需是相同的为什么会有和坐标系没有关系的不变光速呢？ 这是经典物理学说明不了的问题麦克斯韦等从经典物理学观点动身，用想象中的“以太”来说明光波的传播“以太”的存在也被麦克儿孙-莫雷的试验否定这样以来，经典物理学无法说明这个问题，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，提出了由于支配改变(运动)磁场产生的电压的定律出现了不一样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行能影响在该系统中所测量的物理定律，但是假如该系统在加速，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世纪物理学上空的其次朵“乌云”是在探讨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，并且由于他的起先吸引了一大批科学家投入到革命的阵营中去，这其中就有闻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其次朵“乌云”，建立了量子力学的宏大理论体系 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，他们都运用了志向试验的方法 科学探讨离不开想象，尤其是当代科学探讨越来越抽象时，想象方法越加显得重要，几乎可以说缺乏想象实力的人，不行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志向试验的方法，科学家都是在思想中塑造志向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 爱因斯坦注意科学想象方法，不管是狭义相对论还是广义相对论，几乎都难以与阅历印验起来，假如没有科学想象方法的运用，简直难以进行探讨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志向试验，在高速运动的列车上视察闪电的志向试验和自由下落的升降机的志向试验，这些试验富有创建性的想象力和大胆的揣测， 包含着机敏的直觉和精致的设计正是以这些志向试验为前提，才逻辑的演绎出尺缩效应，质量等效等结论 而在量子力学的探讨中，也较多的运用了想象的方法，如玻尔作为一个宏大的科学家，玻尔对于想象方法的运用达到了完备的境地，如其原子模型提出过程中的大胆想象，既如和爱因斯坦围围着互补原理而绽开的论战，也可以说时两位科学家想象方法实力的较量再如，“光子箱”志向试验的提出和反对，是玻尔运用志向试验模型的典型代表 其次，爱因斯坦注意演绎法而玻尔等人注意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，正在让位给探究性的演绎法”，这的确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探讨范围是阅历世界， 而归纳法必需依据大量的阅历事实来完成，当科学探讨越来越抽象而原理干脆的阅历事实以后，归纳法的运用便受到了极大地限制 追踪玻尔等人的探讨历程，可以发觉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探讨的材料，谁的综合实力强，谁就可以站在微观粒子探讨的前列而事实上，玻尔正是以自己超群的综合思维实力，在大量的光谱数据和阅历公式，特殊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似乎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 爱因斯坦注意数学的方法，假如他不注意数学方法的运用，他的任何一项科学探讨都将搁浅他说：“在物理学中，通向更深化的基本学问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，物理理论及图景的说明的“澄清”在后而广义相对论的建立时运用的数学方法， 就非常不同，它是对其物理图像的推想在前， 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“波函数及其所满意的薛定谔方程并不是对微观客体自由状态及其改变状况的干脆表述，而显示原子和亚原子现象的依旧是宏观仪器用宏观仪器观测原子和亚原子现象，其结果依旧要借用经典物理概念来加以描绘微观体系听从统计规律，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，对于波函数则给予玻恩几率波解答” 最终，爱因斯坦无疑是个人探讨;而量子力学的探讨则是科学家群体的工作爱因斯坦从事的是个人探讨，是在个人的剧烈的爱好的支撑下从事的科学探讨;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探讨单凭一个人就获得巨大成就是特别不易的，现代的科学探讨已经进入了一个大科学的时代， 科学探讨变成了科学家群体的活动 三、物理学革命的作用和影响 20世纪的物理学革命对人类社会产生了广泛和深远的影响，对现代科学技术和社会经济的发展有着巨大的推动作用，也在哲学思想领域引起了巨大振动11018年的诺贝尔医学/生理学奖得主李特曼估计，当今世界国民经济总值中25%来自与量子现象有关的技术狭义相对论和广义相对论为人类建立了新的时空观，时间、空间和物质成为一体，建立了全新的自然观量子力学的建立为人类描述微观世界供应了新的表达方法和思索方法相对论和量子力学的建立突破了牛顿经典力学的局限，为人类探究宏观世界和微观世界供应了新的理论基础，为人类探究自然供应了全新的思想工具新的时间、空间和物质一体的观念，微观粒子的运动状态不再受经典规律的支配，不再遵从“确定论”或严格的“因果律”，而是听从一种统计性的规律的观念对传统的哲学思想有很大的冲击，在哲学思想领域引起了巨大振动，也推动了哲学的进一步发展 从相对论和量子力学的建立过程中，可以清晰地看到学术沟通的重要性海森堡的名言“科学扎根于探讨”生动的反映了当时学术沟通的情形从相对论理论的形成到旧量子论的发展和量子力学的建立，始终有着良好的学术沟通、沟通环境而良好的学术探讨、学术沟通氛围为新事物的成长供应了肥沃的土壤对比物理学革命的历史，我们的教化，特殊是科学教化有必要进行不断的改革，不仅传授科学学问、科学方法，还要塑造和培育科学看法和科学精神要营造“勇于提问、勇于探究、勇于争辩与相互探讨、相互学习、相互激励”的良好学习环境，培育创新意识和团队精神同时，在学科和专业教化中要融入科学技术史的学问，以史为鉴，加强对科学看法、科学精神的塑造和培育 参考文献： 1申漳简明科学技术史话中国青年出版社M11010，12 2李佩珊，许良英20世纪科学技术简史M北京：科学出版社，11015 3萧子健主编简明科学技术史M西北电讯工程学院出版社，11017，6 4潘永样等物理学简史M武汉：湖北教化出版社，11010 5王德云量子论的建立和发展J现代物理学问，11015，(1)：38-41 6施若谷20世纪初物理学三大成就及其对现代科学的影响J漳州师范学院学报(自然科学版)，11019，(4)：35-39 7杨福家量子一百零一年话创新J自然杂志，2001，(2)：63-68 8沈葹哥本哈根学派量子论刍议世界科学J2004，8 9刘道军广义相对论科技文萃J2004，8 10编写组科学家传记一百零一科全书上卷 华夏出版社 11杨振宁爱因斯坦对二十一世纪理论物理学的影响科技中国J2004，创刊号 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页