物理学发展过程中的一次伟大变革

【摘要】本文从物理学史和哲学的角度阐述了物理学发展过程中的一次伟大变革。到19世纪末物理学理论已接近最后完成，人们都认为物理学已发展到顶峰的时候，物理学上空却出现了两朵“乌云”——“以太飘移问题”和“紫外灾难”。对这两朵“乌云”的研究揭开了这次革命的序幕，也直接导致了相对论和量子力学的诞生。对这两朵“乌云”的研究也标志着近代物理学时代的到来。

【关键词】相对论 量子力学 变革

一、引言

由伽利略（1564-1642）和牛顿（1642-1727）等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础领城的拓展，到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展，然后达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱——经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学已臻于成熟和完善。它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观点，对人类的科学认识产生了深远的影响，也成就了近代物理的辉煌。当时物理学家很自豪地说，物理学的问题基本解决了，一般的物理现象都可以从以上某一学说获得解释。唯独有几个物理实验还没找到解释的途径，而恰恰就是这几个实验为我们打开了一扇通向微观世界的大门——量子概念和相对论的建立。

二、19世纪科学的概貌

近代自然科学产生于文艺复兴后期（15世纪），是拌随资本主义生产而产生的、并成为它的有力支柱。16、17世纪是近代科学建立时期，无论在科学知识、科学思想还是在科学方法上都开创了一个新纪元。特别是物理学和天文学在17世纪都达到一个高峰。另外随着微积分的创立、血液循环的发现、显微镜的发明以及化学元素概念的建立，数学、生物学和化学也都取得了重大进展。18世纪，科学发展缓慢。但18世纪是以英国工业革命（第一次技术革命）和法国民主革命载入史册的。这两次伟大革命，显示了科学对社会的巨大影响，也为科学的进一步发展提供了物质基础和社会保证。

经过18世纪各方面的准备，19世纪成为科学技术全面发展的时期。近代科学在进入19世纪下半叶后，出现生物进化论（1859年）和电磁理论（1864年）两座高峰。它们各自显示生命现象与物理现象的内在统一性，都显示出了科学理论的巨大综合能力。这些成就使不少科学家以为科学的发展基本上已经大功告成，特别是在理论比较成热的物理学领域中普遍出现了这种情绪。

在物理学发展史上，曾有过物理学理论的3次大综合。第一次是英国物理学家牛顿在伽利略、开普勒、笛卡儿等人工作的基础上，把物体的运动规律归结为3条基本运动定律和1条万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。这样，他将过去认为是截然无关的地球上的物体（世俗的）运动和天体（“天堂的”）运动规律概括在一个严密的统一理论中。这是物理科学，也可以说是人类认识自然的历史中的第一次理论大综合。这一伟大成就，使机械唯物论的自然观取得统治地位，它统治整个自然科学领域达200年之久。到了19世纪中叶，牛顿力学显示出无比强大的威力。1846年海王星的发现，完全证实了牛顿理论所作的预言。19世纪40年代能量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式不但可以相互转化，而且在量上还有确定的关系。这样，力学、热学、化学甚至生物学就都贯穿在一起，使牛顿力学成为各门物理科学的理论基础。这是物理学第二次伟大的综合，气体动理论就是这次大综合的产物。气体动理论是用牛顿理论研究大量分子运动，这是人类第一次进入微观领域进行定量描述。由此，大至日月星辰小至分子原子，无不为牛顿体系所包罗。之后，法拉第、麦克斯韦电磁理论的建立，又把电学、磁学和光学合成一体，完成了物理学第三次伟大的综合，并为现代人类文明开辟了道路。虽然法拉第的一些思想已经超出了牛顿的框架，但本质上仍属经典理论体系。

物理学的巨大成功，使当时不少物理学家认为，物理理论已接近最后完成，今后只能在细节上作些补充和发展，物理学已发展到顶峰。

三、19世纪末的物理学危机

正當人们为经典物理学的全面胜利欢呼万岁的时候，它的体系本身却开始出现了危机。不久，这场危机发展成一场翻天覆地的大革命。危机是从媒质“以太”开始的。1887年迈克尔逊-莫雷的寻找“以太”实验，结果同理论预测相反，否定了以太的存在，引起了物理学家们的震惊。当时，英国的一名著名实验物理学家曾大声疾呼：“我们仍然期待着第二个牛顿来给我们一种关于以太的理论，它将不仅包括电和磁的事实，光辐射的事实。”为送别旧世纪，英国科学界最有地位的勋爵于1900年4月27日作了题为《热和光的动力学理论上空的十九世纪之云》的长篇讲话，这位思想保守的“元老”认为经典物理学理论在本世纪末出现了两朵乌云。第一乌朵就是“以太漂移问题”;而第二朵乌云，是与比热有关的能量均分定理，也叫“紫外灾难”。

1.第一朵乌云--“以太”学说

第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光的以太这样的弹性固体而运动呢？相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可利量的、因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所。麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以从通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。美国物理学家迈克尔逊（1852-1931）和莫雷（1838-1923）在1887年利用干涉仪进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动。

2.第二朵乌云--“紫外灾难”

第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的“麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说”，实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。选级变化的物理量。为了解释黑体辐射实验的结果，物理學家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。

事实上，到了19世纪末，由于X射线（1895年）、放射性（1896年）、电子（1897年）以及镭（1898年）的发现，物理学上空已不是两朵云，而是危机四伏，大有山雨欲来风满楼之势。在世纪交替时，经典物理学领城中，几乎所有的原理、基本概念都受到怀疑和重新审查，如物质的不灭性、能量守恒性、原子的不可分割和不变性、时空的绝对性、运动的连续性等。物理学在酝酿一次伟大的革命。

四、物理学的革命

20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。

1.量子概念的建立

量子物理世界的大门是在黑体辐射问题的研究中打开的。1879年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出了黑体单位表面积单位时间的热辐射总能量与绝对温度的四次方成正比的定律，这个结果在1884年被玻耳兹曼从光的电磁理论和热力学理论做出了论证。这就是斯特潘-玻耳兹曼定律。1893年维恩也由电磁学和热力学理论得出了辐射能量最强的波长与黑体的温度成反比的“位移定律”，但这两个定律都不能具体反映辐射能量随频率和温度的分布情况，只能在一定的范围和条件下与实验曲线相吻合。维恩因为在黑体辐射方面的研究成果获得了1911年诺贝尔物理学奖。1900年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-金斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律。普朗克在1900年12月发表了论文《正常光谱辐射能的分布理论》，给出了一个猜测性质的黑体辐射定律和它的理论根据，他认为能量在辐射过程中不是连续的，而是一股“再不可分”的涓流被释放或吸收。普朗克的能量子假说：辐射黑体的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能，但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值，相应的能量是某一最小能量（能量子）的整数倍。能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的观念，揭示了微观世界中一个重要规律，开辟了物理学的一个全新领域。由于普明克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了1918年诺贝尔物理学奖。普明克的量子理论是牛顿以后自然科学所经受的最巨大、最深刻的变革，能量的量子思想奠定了近代微观物理的基础。

1905年6月，爱因斯坦在德国《物理学记事）上发表的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。他认为，在普朗克量子理论中只考虑了腔壁上谐振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻底的。在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的。他把这种能量子称为“光量子”。后来美国物理学家路易斯把它改称为“光子”。爱因斯坦研究了用光的能量连续分布理论难以解释的光电效应现象。由于爱因斯坦在数学物理学的成就，特别是光电效应现象的发现获得了1921年诺贝理学奖。爱因斯坦的量子化观点比普朗克更进了一步，即：辐射能量在传播过程中也是分立的。伟大的丹麦物理家玻尔以普朗克的量子理论和爱因斯坦的光子概念为基础，提出原子能级及电子在能级间跃迁的假设。1913年弗兰克-赫兹实验利用电子来撞击原子，直观地证实了能级的存在。

1924年德布罗意提出波粒二象性假设，电子衔射实验证实了他的假定，薛定谔进一步推广了德布罗意的概念，于1926年提出了波动力学，后与海森堡、玻恩的矩阵力学统一为量子力学。从而，以量子概念为基础的量子力学在微观领域代替了经典的牛顿力学。

2.相对论的建立

20世纪初，物理学中除了普朗克的量子假设之外的另一项伟大成就就是爱因斯坦的相对论，相对论在物理学界引起的世界观变革按其深刻性和后果，只有哥白尼创造的宇宙说引起的改革才能与之相比。爱因斯坦在1905年的德文科学杂志《物理年鉴》上发表了论文《论动体的电动力学》，这篇论文已相当全面地论述了狭义相对论。狭义相对论不是凭空出现的，而是在解决运动物体的电动力学问题过程中形成的。

从19世纪中叶开始，物理学家想证实电磁波的传播介质-以太的存在，到19世纪末，被认为最能自圆其说和最像真理的是静止的以太模型，这种以太充满所有空间，不参与物体的运动。静止的以太似乎可以充当绝对静止参照系，当年牛顿似乎就是相对于这种参照系研究物体“真正”的运动的。在理论上，利用迈克尔逊-莫雷实验，可以算出地球相对于“以大”的“绝对”速度，但事实上却得到否定的结果：在任何过程中地球相对于“以太”总是静止不动的。因此，否定了绝对静止参照系的存在。运动物体的电动力学问题还有另一方面，我们知道牛顿力学方程经过伽利略变换后其形式保持不变，即牛顿力学方程相对于经典力学的变换形式来说是协变的。而麦克斯韦电磁场方程相对于经典力学的变换形式来说是非协变的，因此经典力学和电磁理论之间存在鸿沟。

爱因斯坦根据实验事实概括出两个假设：相对性原理和光速不变原理。抛弃了以太的假设，得到了使牛顿力学和麦克斯韦电磁场方程都保持协变的洛仑兹变换，从而建立了狭义相对论。相对论主要是关于时空的理论，牛顿力学是相对论力学的低速极限。发生在20世纪初的这场伟大革命，为现代物理学的发展奠定了坚实的基础，也揭开了现代物理学的序幕。

五、结论

这次变革把现代科学技术的发展推向了一个新的阶段;这次变革对人类社会、对世界经济发展、对社会生活、对国际关系和全球问题等产生了深远的影响;同时也产生了生态环境恶化、资源能源的过度消耗、核威胁、环境污染等负面影响，对人类造成了巨大威胁，这需全世界各国共同关注。

参考文献：

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注：本文为陕西省自然科学基金（2016JM1027）;西安航空学院科研基金（2018ky0204）。

作者简介：张陈俊（1978-），男，山西榆社人，博士，讲师，主要从事纳米材料的结构和性能研究。

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