物理學發展過程中的一次偉大變革

【摘要】本文從物理學史和哲學的角度闡述了物理學發展過程中的一次偉大變革。到19世紀末物理學理論已接近最后完成，人們都認為物理學已發展到頂峰的時候，物理學上空卻出現了兩朵“烏云”——“以太飄移問題”和“紫外災難”。對這兩朵“烏云”的研究揭開了這次革命的序幕，也直接導致了相對論和量子力學的誕生。對這兩朵“烏云”的研究也標志著近代物理學時代的到來。

【關鍵詞】相對論 量子力學 變革

一、引言

由伽利略（1564-1642）和牛頓（1642-1727）等人于17世紀創立的經典物理學，經過18世紀在各個基礎領城的拓展，到19世紀得到了全面、系統和迅速的發展，然后達到了它輝煌的頂峰。到19世紀末，已建成了一個包括力、熱、聲、光、電諸學科在內的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經典力學、經典電動力學、經典熱力學和統計力學已臻于成熟和完善。它們所蘊涵的十分明晰和深刻的物理學基本觀點，對人類的科學認識產生了深遠的影響，也成就了近代物理的輝煌。當時物理學家很自豪地說，物理學的問題基本解決了，一般的物理現象都可以從以上某一學說獲得解釋。唯獨有幾個物理實驗還沒找到解釋的途徑，而恰恰就是這幾個實驗為我們打開了一扇通向微觀世界的大門——量子概念和相對論的建立。

二、19世紀科學的概貌

近代自然科學產生于文藝復興后期（15世紀），是拌隨資本主義生產而產生的、并成為它的有力支柱。16、17世紀是近代科學建立時期，無論在科學知識、科學思想還是在科學方法上都開創了一個新紀元。特別是物理學和天文學在17世紀都達到一個高峰。另外隨著微積分的創立、血液循環的發現、顯微鏡的發明以及化學元素概念的建立，數學、生物學和化學也都取得了重大進展。18世紀，科學發展緩慢。但18世紀是以英國工業革命（第一次技術革命）和法國民主革命載入史冊的。這兩次偉大革命，顯示了科學對社會的巨大影響，也為科學的進一步發展提供了物質基礎和社會保證。

經過18世紀各方面的準備，19世紀成為科學技術全面發展的時期。近代科學在進入19世紀下半葉后，出現生物進化論（1859年）和電磁理論（1864年）兩座高峰。它們各自顯示生命現象與物理現象的內在統一性，都顯示出了科學理論的巨大綜合能力。這些成就使不少科學家以為科學的發展基本上已經大功告成，特別是在理論比較成熱的物理學領域中普遍出現了這種情緒。

在物理學發展史上，曾有過物理學理論的3次大綜合。第一次是英國物理學家牛頓在伽利略、開普勒、笛卡兒等人工作的基礎上，把物體的運動規律歸結為3條基本運動定律和1條萬有引力定律，由此建立起一個完整的力學理論體系。這樣，他將過去認為是截然無關的地球上的物體（世俗的）運動和天體（“天堂的”）運動規律概括在一個嚴密的統一理論中。這是物理科學，也可以說是人類認識自然的歷史中的第一次理論大綜合。這一偉大成就，使機械唯物論的自然觀取得統治地位，它統治整個自然科學領域達200年之久。到了19世紀中葉，牛頓力學顯示出無比強大的威力。1846年海王星的發現，完全證實了牛頓理論所作的預言。19世紀40年代能量守恒定律的發現，揭示了各種物質運動形式不但可以相互轉化，而且在量上還有確定的關系。這樣，力學、熱學、化學甚至生物學就都貫穿在一起，使牛頓力學成為各門物理科學的理論基礎。這是物理學第二次偉大的綜合，氣體動理論就是這次大綜合的產物。氣體動理論是用牛頓理論研究大量分子運動，這是人類第一次進入微觀領域進行定量描述。由此，大至日月星辰小至分子原子，無不為牛頓體系所包羅。之后，法拉第、麥克斯韋電磁理論的建立，又把電學、磁學和光學合成一體，完成了物理學第三次偉大的綜合，并為現代人類文明開辟了道路。雖然法拉第的一些思想已經超出了牛頓的框架，但本質上仍屬經典理論體系。

物理學的巨大成功，使當時不少物理學家認為，物理理論已接近最后完成，今后只能在細節上作些補充和發展，物理學已發展到頂峰。

三、19世紀末的物理學危機

正當人們為經典物理學的全面勝利歡呼萬歲的時候，它的體系本身卻開始出現了危機。不久，這場危機發展成一場翻天覆地的大革命。危機是從媒質“以太”開始的。1887年邁克爾遜-莫雷的尋找“以太”實驗，結果同理論預測相反，否定了以太的存在，引起了物理學家們的震驚。當時，英國的一名著名實驗物理學家曾大聲疾呼：“我們仍然期待著第二個牛頓來給我們一種關于以太的理論，它將不僅包括電和磁的事實，光輻射的事實。”為送別舊世紀，英國科學界最有地位的勛爵于1900年4月27日作了題為《熱和光的動力學理論上空的十九世紀之云》的長篇講話，這位思想保守的“元老”認為經典物理學理論在本世紀末出現了兩朵烏云。第一烏朵就是“以太漂移問題”;而第二朵烏云，是與比熱有關的能量均分定理，也叫“紫外災難”。

1.第一朵烏云--“以太”學說

第一朵烏云是隨著光的波動理論而開始出現的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論，它包括這樣一個問題：地球如何通過本質上是光的以太這樣的彈性固體而運動呢？相對性原理是經典力學的一個最基本的原理，這個原理認為，絕對靜止和絕對勻速運動都是不存在的，一切可利量的、因而也是有物理意義的運動，都是相對于某一參照物的相對運動。牛頓本人也充分意識到了確定“絕對運動”的困難，最后只能以臆測性的“絕對空間”的存在作為避難所。麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之后，電磁波的載體以太，就成了物化的絕對空間，靜止于宇宙中的以太就構成了一切物體的“絕對運動”的背景框架。既然以太也是一種物質存在，或者說它表征著物化了的絕對空間，當然就可以從通過精密的實驗測出物體相對于以太背景的絕對運動。美國物理學家邁克爾遜（1852-1931）和莫雷（1838-1923）在1887年利用干涉儀進行的精密光學實驗，都未能觀察到所預期的以太相對于地球的運動。

2.第二朵烏云--“紫外災難”

第二朵烏云涉及的是經典物理學另一分支，熱力學和分子運動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的“麥克斯韋-玻耳茲曼關于能量均分的學說”，實際上是指19世紀末關于黑體輻射研究中所遇到的嚴重困難。選級變化的物理量。為了解釋黑體輻射實驗的結果，物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區（紫外光區）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數據相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災難”。

事實上，到了19世紀末，由于X射線（1895年）、放射性（1896年）、電子（1897年）以及鐳（1898年）的發現，物理學上空已不是兩朵云，而是危機四伏，大有山雨欲來風滿樓之勢。在世紀交替時，經典物理學領城中，幾乎所有的原理、基本概念都受到懷疑和重新審查，如物質的不滅性、能量守恒性、原子的不可分割和不變性、時空的絕對性、運動的連續性等。物理學在醞釀一次偉大的革命。

四、物理學的革命

20世紀初的這兩朵烏云最終導致了物理學的一場大變革。第一朵烏云“以太”學說導致了相對論的誕生。第二朵烏云“紫外災難”導致了量子力學的產生。

1.量子概念的建立

量子物理世界的大門是在黑體輻射問題的研究中打開的。1879年德國物理學家斯特藩從實驗結果中得出了黑體單位表面積單位時間的熱輻射總能量與絕對溫度的四次方成正比的定律，這個結果在1884年被玻耳茲曼從光的電磁理論和熱力學理論做出了論證。這就是斯特潘-玻耳茲曼定律。1893年維恩也由電磁學和熱力學理論得出了輻射能量最強的波長與黑體的溫度成反比的“位移定律”，但這兩個定律都不能具體反映輻射能量隨頻率和溫度的分布情況，只能在一定的范圍和條件下與實驗曲線相吻合。維恩因為在黑體輻射方面的研究成果獲得了1911年諾貝爾物理學獎。1900年，對熱力學有長期研究的德國物理學家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-金斯公式，利用內插法，引入了一個自己的常數，結果得到一個公式，而這個公式與實驗結果精確相符，它就是普朗克公式，即普朗克輻射定律。普朗克在1900年12月發表了論文《正常光譜輻射能的分布理論》，給出了一個猜測性質的黑體輻射定律和它的理論根據，他認為能量在輻射過程中不是連續的，而是一股“再不可分”的涓流被釋放或吸收。普朗克的能量子假說：輻射黑體的分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發射和吸收輻射能，但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態，在這些狀態中，諧振子的能量并不像經典物理學所允許的可具有任意值，相應的能量是某一最小能量（能量子）的整數倍。能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統的觀念，揭示了微觀世界中一個重要規律，開辟了物理學的一個全新領域。由于普明克發現了能量子，對建立量子理論做出了卓越貢獻，獲得了1918年諾貝爾物理學獎。普明克的量子理論是牛頓以后自然科學所經受的最巨大、最深刻的變革，能量的量子思想奠定了近代微觀物理的基礎。

1905年6月，愛因斯坦在德國《物理學記事）上發表的《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》，為研究輻射問題帶來了一個嶄新的觀點。他認為，在普朗克量子理論中只考慮了腔壁上諧振子能量的量子化，但對空腔內電磁輻射的處理，還是用的麥克斯韋電磁波動理論，這種觀點是不徹底的。在愛因斯坦看來，電磁場能量本身也是量子化的，輻射場不是連續的，而是由分立的能量子組成的。他把這種能量子稱為“光量子”。后來美國物理學家路易斯把它改稱為“光子”。愛因斯坦研究了用光的能量連續分布理論難以解釋的光電效應現象。由于愛因斯坦在數學物理學的成就，特別是光電效應現象的發現獲得了1921年諾貝理學獎。愛因斯坦的量子化觀點比普朗克更進了一步，即：輻射能量在傳播過程中也是分立的。偉大的丹麥物理家玻爾以普朗克的量子理論和愛因斯坦的光子概念為基礎，提出原子能級及電子在能級間躍遷的假設。1913年弗蘭克-赫茲實驗利用電子來撞擊原子，直觀地證實了能級的存在。

1924年德布羅意提出波粒二象性假設，電子銜射實驗證實了他的假定，薛定諤進一步推廣了德布羅意的概念，于1926年提出了波動力學，后與海森堡、玻恩的矩陣力學統一為量子力學。從而，以量子概念為基礎的量子力學在微觀領域代替了經典的牛頓力學。

2.相對論的建立

20世紀初，物理學中除了普朗克的量子假設之外的另一項偉大成就就是愛因斯坦的相對論，相對論在物理學界引起的世界觀變革按其深刻性和后果，只有哥白尼創造的宇宙說引起的改革才能與之相比。愛因斯坦在1905年的德文科學雜志《物理年鑒》上發表了論文《論動體的電動力學》，這篇論文已相當全面地論述了狹義相對論。狹義相對論不是憑空出現的，而是在解決運動物體的電動力學問題過程中形成的。

從19世紀中葉開始，物理學家想證實電磁波的傳播介質-以太的存在，到19世紀末，被認為最能自圓其說和最像真理的是靜止的以太模型，這種以太充滿所有空間，不參與物體的運動。靜止的以太似乎可以充當絕對靜止參照系，當年牛頓似乎就是相對于這種參照系研究物體“真正”的運動的。在理論上，利用邁克爾遜-莫雷實驗，可以算出地球相對于“以大”的“絕對”速度，但事實上卻得到否定的結果：在任何過程中地球相對于“以太”總是靜止不動的。因此，否定了絕對靜止參照系的存在。運動物體的電動力學問題還有另一方面，我們知道牛頓力學方程經過伽利略變換后其形式保持不變，即牛頓力學方程相對于經典力學的變換形式來說是協變的。而麥克斯韋電磁場方程相對于經典力學的變換形式來說是非協變的，因此經典力學和電磁理論之間存在鴻溝。

愛因斯坦根據實驗事實概括出兩個假設：相對性原理和光速不變原理。拋棄了以太的假設，得到了使牛頓力學和麥克斯韋電磁場方程都保持協變的洛侖茲變換，從而建立了狹義相對論。相對論主要是關于時空的理論，牛頓力學是相對論力學的低速極限。發生在20世紀初的這場偉大革命，為現代物理學的發展奠定了堅實的基礎，也揭開了現代物理學的序幕。

五、結論

這次變革把現代科學技術的發展推向了一個新的階段;這次變革對人類社會、對世界經濟發展、對社會生活、對國際關系和全球問題等產生了深遠的影響;同時也產生了生態環境惡化、資源能源的過度消耗、核威脅、環境污染等負面影響，對人類造成了巨大威脅，這需全世界各國共同關注。

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注：本文為陜西省自然科學基金（2016JM1027）;西安航空學院科研基金（2018ky0204）。

作者簡介：張陳俊（1978-），男，山西榆社人，博士，講師，主要從事納米材料的結構和性能研究。