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发表于 2009-1-17 10:57
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9.其实,在《力学史评》出版前后,一些实验事实就在经典物理学家心头投下了难以化解的暗影。从19世纪光的波动说复活以来,人们对作为光媒质的以太与有质物质,尤其是与地球的关系问题争论不休。由于菲涅耳的静止以太说圆满地解释了光行差现象,因而得到普遍赞同。但是,通过测量地球公转相对于以太运动的所谓“以太漂移”实验,在当时实验能够达到的一阶量上均给出“零结果”。何况,麦克斯韦的电磁理论隐含着光现象和电磁现象要求一个优越的参照系,即以太在其中静止的参照系,所以以太漂移的二阶效应(地球公转速度与光速之比的平方)理应存在。可是,迈克耳逊和莫雷在1887年所作的精密实验表明,其结果依然是否定的。反常现象接踵而来。经典能量均分定理(所有分子每个自由度平均分配1/2KT的能量)也与气体比热的实验结果发生了尖锐的冲突:对于双原子和多原子气体,实测的定压热容量与定容热容量之比显著大于理论计算值。在19世纪最后10年,物理学对这个问题多方探讨,依然百思不得其解。这二者就是开耳芬勋爵所谓的“两朵乌云”。
10.其实,当时物理学的天空何止“两朵乌云”!早在开耳芬讲演之前,就已经是“黑云压城城欲摧”、“山雨欲来风满楼”了。事实上,在19世纪末,黑体辐射、光电效应、原子光谱等实验事实也接二连三地冲击着经典力学和经典物理学的基础,物理学已陷入严重危机之中,物理学革命的急风暴雨已经在一些领域降临了。
11.可以说,物理学革命的序幕是从1895年揭开的。这年底,伦琴发现了具有惊人贯穿能力的X射线。紧接着,在1896年,贝克勒尔发现铀元素具有放射性。1897年,J.J.汤姆逊和塞曼分别测定了阴极射线的荷质比,确认了电子的存在。1898年,居里夫妇发现了放射性极强的新元素29科技导报10/2000钋和镭。1899年,卢瑟福把注意力转向辐射本性的研究,他和索迪于1902年提出了元素嬗变学说。
12.在当时老一辈科学家当中,法国数学家、物理学家和科学哲学家彭加勒对物理学发展的形势看得最为清楚。这位曾把镭誉为“当代伟大的革命家”的哲人科学家,在世纪初敏锐地察觉到,新实验与旧原理的尖锐冲突已使物理学陷入危机之中。他认为危机是好事而不是坏事,危机能加速物理学的根本改造,是物理学进入新阶段的前兆。他肯定了旧理论的固有价值,尖锐地批评了“科学破产”的流行观点。他预示了新力学的大致图景,指明物理学危机是物理学“革命的前夜”。
13.彭加勒眼光明睿,他的有关预言也一语中的。1900年12月14日,普朗克在德国物理学会宣读了他的论文“论正常光谱的能量分布定律”,把一个与经典理论全然不相容的崭新概念——能量子——引入物理学,一举打破了“自然无飞跃”的古老格言。这是量子论的开端,标志着物理学革命正式开始。1905年,爱因斯坦在德国《物理学年鉴》17卷上发表了狭义相对论论文和光量子论文,把物理学革命推向高潮。狭义相对论彻底打破了牛顿的绝对时空观。
14.爱因斯坦不愧为物理学革命的主将。1905年9月,他又在一篇短论中导出著名的质能关系式E=mc2。这标志着原子能时代已经到来。1906年11月,爱因斯坦证明量子概念对热的分子论的修正,说明了固体和低温下的多原子气体的比热异常。爱因斯坦一举驱散了物理学上空的“两朵乌云”。在狭义相对论创立后,爱因斯坦看准目标,一鼓作气,经过10年的冥思求索,终于在1915年建成广义相对论。相对论是人类理性思维的杰作,它构成现代物理学的两大理论支柱之一。
15.与此同时,物理学革命也在另一条战线上进行着。1913年4月,丹麦物理学家玻尔把量子概念用于原子结构的研究,提出对应原理,构造出半量子化的原子结构模型,说明了原子物理学、光谱学和化学中的一些实验事实。在早期量子论的发展中,普朗克、爱因斯坦、玻尔完成了一个漂亮的“三级跳”。量子论为自己的合法存在已争得了立足之地。此后,量子论沿着两条独立的路线发展着:一条由爱因斯坦关于辐射的波粒二象性出发,途经德布罗意的物质波概念,于1926年到达薛定谔的波动力学;另一条由玻尔的对应原理开始,于1925年导致海森堡、玻恩、约尔丹的矩阵力学。由于波动力学和矩阵力学在数学形式和物理概念上的差异,曾引起双方创始人之间激烈的争执。1926年,薛定谔和泡利各自独立地证明两种力学是等价的,同年狄拉克和约尔丹发明了一种变换理论,使二者可以相互过渡。于是,波动力学和矩阵力学合二而一。1928年,狄拉克通过建立电子运动方程,成功地构造了相对论性的量子力学的完整理论体系。量子力学是现代物理学理论的又一根支柱。至此,物理学革命大功告成。
16.物理学的迅猛发展及其两大理论支柱的确立,使物理学成为20世纪科学的带头学科。在物理学两大理论支柱的基础上,其后粒子物理、量子场论、大统一理论的发展方兴未艾,硕果累累。物理学作为带头学科,也对其他学科的进展产生了举足轻重的影响。1900年孟德尔遗传定律的再发现开辟了遗传学研究的新天地,正是一批量子物理学家的加盟,才导致分子生物学的异军突起和DNA双螺旋结构的发现。宇宙学的兴起和繁荣直接萌生于相对论和量子论。20世纪主要的高新技术,诸如原子能、激光、计算机、微电子、超导技术等,哪一个不是新物理学理论的衍生物呢!
17.20世纪的科学以其衍生物技术导致了巨大的生产力,大大地提高了人们的物质生活,这是一个有目共睹的事实。然而,科学不仅仅能变为物质力量,作为一种知识体系、研究活动和社会建制的科学,其精髓或菁华在于科学思想、科学方法和科学的精神气质,它们毋宁说是文化和智慧。大凡科学思想都具有革命性。它能扩大人们的视野、开阔人们的心胸、启迪人们的心智。它是愚昧的天敌、教条的对头、迷信的克星。科学思想为人们提供了观察问题的视角,此即“科学的眼力”或“科学的透视”,科学思想甚至塑造了人们的世界观。科学的统一不在于它的材料,而在于它的方法。科学的实证方法、理性方法和臻美方法分别体现了科学的实证精神、理性精神和审美精神,它能潜移默化地使人们养成崇实、尚理、爱美的思想情操。尤其是,科学方法中蕴含的怀疑和批判精神不仅是科学的生命,也是消除迷信和盲从等政治痼疾的灵丹妙药。科学的精神气质包括普遍性、公有性、无私利性、独创性、有条理的怀疑主义。它们内在化为科学家的科学良心,外在化为公众的科学意识。这些精神气质或规范结构不仅是稳定科学共同体秩序的基石和科学发展的保证,而且它与社会文明的进步和人的自我完善的大目标完全相通或一致。这一切,构成科学的最高的精神价值和深层的文化意蕴,构成科学精神的核心——科学的智慧。
18.毫无疑问,科学的衍生物技术是一把“双刃剑”。由于人文精神在某种程度上的失落和社会技术或社会工程约束不力或缺乏前瞻性,技术的发展和产业化也导致了人口暴涨、资源破坏、环境污染、核武器威胁等“现代病”。这是全球面临的严重问题,是人类必须妥善解决的燃眉之急!办法是有的。这就是高扬人文精神和人文情怀,发掘科学自身的文化意蕴和智慧,摆正社会持续发展之的,彻悟人类健康生存之道,并辅之以高新技术的开发和利用,从而达到标本兼治的目标。反科学的道路是行不通的,是因噎废食之举。有理由相信,人类能够从正反两方面的经验中学会生存和发展的智慧。也许正是出于抑恶扬善和促进科学、人文与和平之目的,诺贝尔临终立下遗嘱,用大部分财产设立诺贝尔奖金。首届诺贝尔奖恰恰在20世纪开初的1901年颁发,授予X射线的发现者伦琴。 |
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