淺談19世紀(jì)末20世紀(jì)初的物理危機(jī)

潘志脫

摘 要：19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)出現(xiàn)了危機(jī)，因為經(jīng)典物理學(xué)的理論無法解釋新發(fā)現(xiàn)的重大物理知識，從而引發(fā)物理學(xué)革命，為現(xiàn)代物理學(xué)的到來埋下伏筆。本文以歷史事實為繩，以歷史時間順序為軸，從三方面寫起。第一，經(jīng)典物理學(xué)；主要是寫17世紀(jì)初到19世紀(jì)末的物理學(xué)萌芽階段到經(jīng)典物理學(xué)理論的建立。第二，物理學(xué)危機(jī)；邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗的零結(jié)果，引發(fā)經(jīng)典物理學(xué)理論的困難，而物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)則直接沖垮了經(jīng)典物理學(xué)理論，經(jīng)典物理學(xué)就此進(jìn)入危機(jī)。第三，物理危機(jī)的意義；物理學(xué)危機(jī)之后，物理學(xué)進(jìn)入現(xiàn)代物理學(xué)，現(xiàn)代物理學(xué)對人們的衣食住行及生命健康、生活條件乃至科技發(fā)展等等都有積極的意義，危機(jī)的出現(xiàn)，也是挑戰(zhàn)和機(jī)遇的到來，本文對挑戰(zhàn)和機(jī)遇的到來時的把握有一定的研究，可以為大家借鑒。

關(guān)鍵詞：19世紀(jì)末；經(jīng)典物理學(xué)；物理學(xué)危機(jī)；挑戰(zhàn)；機(jī)遇

19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)理論產(chǎn)生困難，物理學(xué)進(jìn)入危機(jī)，其實不是物理學(xué)的危機(jī)，而是物理更新的革命，是對過去經(jīng)典的質(zhì)疑和對真理的不懈追尋。經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的出現(xiàn)，對物理學(xué)乃至整個科學(xué)界都有積極的意義。

1 經(jīng)典物理學(xué)

在經(jīng)典物理學(xué)建成之前，是經(jīng)驗物理，是物理學(xué)的萌芽階段，是勞動人民從事生產(chǎn)活動中總結(jié)出來的經(jīng)驗，主要是通過對物體的觀察和哲學(xué)的思辨 。那時與生產(chǎn)勞動息息相關(guān)的，聲、光、天文等物理知識得到較快的發(fā)展。當(dāng)時中國在這些方面的研究都處于世界領(lǐng)先地位，和古希臘形成了兩個東西不同文化的世界文化中心。

隨著資本主義國家的建立和工業(yè)革命的到來，資本主義國家經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，促進(jìn)各類文化的進(jìn)步，其中物理學(xué)科發(fā)展比較迅速，科學(xué)的實驗和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，形成了比較完整的物理體系。到了19世紀(jì)末時，經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)和經(jīng)典電磁場的理論都已經(jīng)比較成熟和完善，多種物理學(xué)的發(fā)展使物理學(xué)的發(fā)展達(dá)到了它的顛峰。經(jīng)典物理學(xué)體系的大廈就此建成。

2 經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)

經(jīng)典物理學(xué)體系的建立，標(biāo)志一個科學(xué)時代的來臨。19世紀(jì)是經(jīng)典物理學(xué)最輝煌的時代，很多物理理論的建立和很多重大物理發(fā)現(xiàn)都發(fā)生在這個時代，造就了很多有名的物理學(xué)家。科學(xué)技術(shù)發(fā)展的迅速并產(chǎn)生了廣泛的社會影響，由光學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)構(gòu)建經(jīng)典物理學(xué)的大廈。也可以說19世紀(jì)是經(jīng)典物理學(xué)最輝煌的時代。

到19世紀(jì)末期時，物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟的階段。物理學(xué)的卓越成就，使得一大部分的物理學(xué)家已經(jīng)失去了研究的動力，認(rèn)為物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，已經(jīng)沒有了發(fā)展的空間。于是他們沉淪在過去的成果中，認(rèn)為以后的物理已經(jīng)沒有了大的發(fā)現(xiàn)了，物理學(xué)基本框架已經(jīng)建成，以后只需把數(shù)據(jù)等算得精確一點就行了。

當(dāng)時很多物理學(xué)家都沒有意識到，經(jīng)典物理學(xué)理論體系本身就存在問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，到20世紀(jì)初時，精密、大型儀器引入生產(chǎn)，這時物理學(xué)呈加速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。但經(jīng)典物理學(xué)理論體系的不足，也逐漸呈現(xiàn)出來。第一個質(zhì)疑經(jīng)典物理學(xué)理論體系的是，1887年的邁克爾遜-莫雷的“以太”實驗，第二個是黑體輻射實驗。

第一個“以太”實驗是隨著光的波動理論而開始出現(xiàn)的。物理學(xué)家菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論，它有這樣一個問題：地球是如何通過“以太”這樣的彈性固體而又對光產(chǎn)生影響的呢？這個實驗的新發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、氣體分子運(yùn)動論的理論產(chǎn)生了困難。而經(jīng)典力學(xué)的相對性原理，認(rèn)為空間中絕對靜止和絕對勻速運(yùn)動物體都是不存在的，都是相對于某一參考系的相對運(yùn)動。牛頓也充分意識到了確定“絕對運(yùn)動”的困難，但為了完整解決萬有引力的傳播介質(zhì)，最后只能復(fù)活了“絕對空間”的存在作為避難所，因此，也間接的接受了麥克斯韋的電磁場理論。就這樣，“以太”就成為一切物體運(yùn)動的參考系。既然“以太”是一種物質(zhì)，或者說它象征物理與化學(xué)的絕對空間，那么就可以通過實驗測出它是一切物體運(yùn)動的參考系。但是，1887年美國的兩位物理學(xué)家邁克爾遜和莫雷利用干涉儀所進(jìn)行的精密光學(xué)實驗，得到的卻是否定的結(jié)果，根本找不到“以太”的存在。

第二個黑體輻射實驗涉及到經(jīng)典物理學(xué)的一部分。當(dāng)時，為了獲得準(zhǔn)確的解釋黑體輻射實驗的結(jié)果，德國物理學(xué)家維恩、英國物理學(xué)家瑞利和金絲，他們從實驗推導(dǎo)出的黑體輻射公式，是不正確的。因為出發(fā)點不正確，他們只建立在波長比較短、溫度比較低或波長比較長、溫度比較高的局限條件下是正確的，但相反條件時，結(jié)果卻相差十萬八千里，是根本不可能的。

邁克爾遜-莫雷的“以太”實驗，使人們開始對經(jīng)典物理學(xué)理論體系的懷疑，而黑體輻射實驗的結(jié)果則使人們直接對經(jīng)典物理學(xué)質(zhì)疑。然而不久，邁克爾遜-莫雷實驗中卻降生了相對論，緊接著從黑體輻射實驗中降生了量子論。由于相對論和量子論與經(jīng)典物理學(xué)的理論發(fā)生了尖銳的對立，就這樣經(jīng)典物理學(xué)的理論體系就受到嚴(yán)重的質(zhì)疑。

然而在這兩個實驗之后的幾年，物理學(xué)上又出現(xiàn)了三大物理發(fā)現(xiàn)，即X射線、放射性和電子。這些新的物理發(fā)現(xiàn)，與道爾頓之前所建立原子是不可分割的理念產(chǎn)生嚴(yán)重沖突，從此打開了原子核內(nèi)部和原子結(jié)構(gòu)的大門。就這樣在之前一向被認(rèn)為是天經(jīng)地義物的許多基本物理原理和基本概念都受到懷疑和重新審視，就這樣經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底的動搖。

20世紀(jì)初的兩個實驗和物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)等等。使人們對經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生了懷疑和不信任，更不知未來物理學(xué)路在何方。然而當(dāng)時，卻有一部分科學(xué)家認(rèn)為，物理學(xué)的發(fā)展不過遇到了幾個較為嚴(yán)重的困難而已，這些困難能夠通過適當(dāng)?shù)姆桨钢鹨患右越鉀Q，而無須觸動整個物理學(xué)的基礎(chǔ)。有些科學(xué)家則認(rèn)為，物理學(xué)不存在危機(jī)，只是物理的哲學(xué)方面存在危機(jī)而已。更有科學(xué)家認(rèn)為沒有危機(jī)。而在危機(jī)面前，科學(xué)家卻沒有清楚的認(rèn)識問題的本質(zhì)和嚴(yán)重性，再加上看法和意見的不統(tǒng)一，使當(dāng)時物理界的科學(xué)家進(jìn)入了一種迷茫和混亂，卻沒有意識到危機(jī)已經(jīng)到來，一場科學(xué)革命即將到來。最終由20世紀(jì)初的兩個實驗及物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)引發(fā)了物理學(xué)的一場大變革，開辟了現(xiàn)代物理學(xué)體系的新時代。

3 經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的意義

在發(fā)展的社會中，我們常常會遇到不同的問題，在解決這些問題時，我們會發(fā)現(xiàn)過去經(jīng)典的理論很難滿足日新月異的社會發(fā)展，這就需要我們展開對過去經(jīng)典的質(zhì)疑，以及在懷疑中為新發(fā)現(xiàn)帶來機(jī)遇。19世紀(jì)末物理學(xué)上出現(xiàn)了兩個著名的物理實驗和三大物理發(fā)現(xiàn)，兩個著名實驗的出現(xiàn)，使人們對不可質(zhì)疑的經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生了懷疑，而三大物理發(fā)現(xiàn)的結(jié)果則直接沖垮了經(jīng)典物理學(xué)的神圣地位，誘發(fā)了經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)。

3.1 經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)對科學(xué)和社會的影響

經(jīng)典物理學(xué)危機(jī)的出現(xiàn)，使人們對于科學(xué)有更深的認(rèn)識，特別是三大發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，揭露了微觀世界原子和原子核內(nèi)部的奧秘。物理學(xué)理論被引入化學(xué)以后，把物理和化學(xué)的理論進(jìn)行融合，可用來判斷化學(xué)反應(yīng)的狀況，從而建立了物理化學(xué)，把化學(xué)從理論上和生產(chǎn)應(yīng)用上提高到更高的水平。而化學(xué)又與材料科學(xué)有聯(lián)系，為發(fā)展材料科學(xué)提供了重要的理論依據(jù)。材料科學(xué)的建立和發(fā)展，為人類從事勞動生產(chǎn)、解決社會問題、衣食住行和健康水平等方面做出了很大奉獻(xiàn)。

3.2 經(jīng)典的危機(jī)帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

在科技發(fā)達(dá)的今天，我們很多時候會遇到類似于20初的物理危機(jī)一樣，新的發(fā)現(xiàn)與原有的經(jīng)典理論產(chǎn)生沖突，而帶來一系列的危機(jī)，這既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。當(dāng)原有的經(jīng)典理論很難去解釋新發(fā)現(xiàn)的問題，這時就需要我們向傳統(tǒng)發(fā)出挑戰(zhàn)。而經(jīng)典物理學(xué)又長期占據(jù)人們的思想，當(dāng)遇到這種事情的時候，很多人不敢涉足下去，被經(jīng)典物理學(xué)綁住了思維，只能在一定的空間范圍內(nèi)思考問題，而又用本來就有問題的理論去解釋新出現(xiàn)的事物，這就是機(jī)遇。這就需要我們打破原有經(jīng)典的約束，創(chuàng)造出新的理論體系，這就是機(jī)遇，但這要面對經(jīng)典崇拜者的質(zhì)疑，我們到底是要放棄還是堅持，這就需要勇氣。

對于經(jīng)典物理學(xué)理論體系的危機(jī)，它是在理論和實驗設(shè)備體系有限的前提下產(chǎn)生的，由局限的研究條件得到的結(jié)果，是不完整的。但是，對于那個時候已經(jīng)是一個非常了比起的發(fā)現(xiàn)和理論體系，但隨著人們認(rèn)識水平的提高和科學(xué)實驗技術(shù)的進(jìn)步，會對科學(xué)有更高的要求。

科學(xué)發(fā)展是沒有界線的，而我們要做的就是善于觀察和分析，當(dāng)面對問題和挑戰(zhàn)真理時，要勇于去發(fā)現(xiàn)和對真理的不懈追尋。挑戰(zhàn)真理，并不代表是研究的異類，而是對真理的渴望。當(dāng)面對從未想象過的事情時，就需要這種品質(zhì)和自身對問題的執(zhí)著。愛因斯坦就是一個很好的例子，20世紀(jì)初他的相對論打破了傳統(tǒng)的束縛，顛覆了人們對傳統(tǒng)認(rèn)識，預(yù)示了物理學(xué)大發(fā)現(xiàn)的時代到來。相對論的提出，可謂是跨時代的，對現(xiàn)代物理學(xué)有深遠(yuǎn)的影響。愛因斯坦的成功，我們是否想過，是什么成就了愛因斯坦，愛因斯坦的成功靠的是什么？是他面對經(jīng)典的挑戰(zhàn)時的態(tài)度，是敢于對經(jīng)典提出質(zhì)疑和對自己的堅持。

當(dāng)經(jīng)典遇到質(zhì)疑時，我們要做的就是補(bǔ)缺經(jīng)典的缺失，需要創(chuàng)造出新的理論體系。我們知道科學(xué)的發(fā)展是沒有盡頭的，當(dāng)經(jīng)典遇到危機(jī)時所帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，我們在把握機(jī)遇時，也要尊重經(jīng)典，這樣才不會偏離研究方向，畢竟那個是我們新發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)和質(zhì)疑的對象。在機(jī)遇來的時候，要把握好方向，探索出機(jī)會。

3.3 經(jīng)典物理危機(jī)對未來物理學(xué)發(fā)展的積極意義

其實，19世紀(jì)末的物理學(xué)面對的不是危機(jī)，而是一場偉大的物理學(xué)革命，對于物理學(xué)的發(fā)展來說，是好事而不是壞事，物理危機(jī)的出現(xiàn)是物理學(xué)進(jìn)入新階段的前兆。要擺脫這種危機(jī)，就要在新的實驗事實的基礎(chǔ)上更新和擴(kuò)展物理學(xué)。物理學(xué)只有在觀念、理論體系上徹底變革，才能適應(yīng)新的現(xiàn)代物理學(xué)。

物理學(xué)革命的歷程使人們意識到，任何科學(xué)不可能是一成不變的，隨著社會的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，實驗技術(shù)的不斷完善，理論必須不斷更新，甚至徹底改變。這場革命還帶動了其他各門科學(xué)的發(fā)展，使整個20世紀(jì)成為科學(xué)技術(shù)革命的世紀(jì)。

綜上所述，我們可以知道，物理學(xué)史經(jīng)歷了經(jīng)驗物理學(xué)、經(jīng)典物理學(xué)、現(xiàn)代物理學(xué)三個階段，每一個階段的出現(xiàn)都和當(dāng)時的時代背景息息相關(guān)。20世紀(jì)初是科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展期，經(jīng)典物理學(xué)理論體系在那個時代背景下發(fā)生了危機(jī)。經(jīng)典物理學(xué)理論體系危機(jī)的出現(xiàn)，是經(jīng)典物理學(xué)理論體系內(nèi)在的缺陷，是開辟行新的物理理論體系和時代發(fā)展的必然結(jié)果。同時危機(jī)的出現(xiàn)也是挑戰(zhàn)和機(jī)遇來臨的時候，如何應(yīng)對挑戰(zhàn)和把握機(jī)遇，就要求我們要對真理的不懈追求和產(chǎn)生的問題時自身對問題的執(zhí)著。

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指導(dǎo)教師：張小偉副教授