20世纪物理学革命的启示

回顾百年前发生的物理学革命是令人激动不已的，那一段时期发生的故事可以说是百听不厌，给我们的启示则是既深刻又发人深省的．

19世纪末，人类完全掌握自然规律来造福人类的梦想、似乎已经到了实现的边缘．1894年美著名科学家迈克尔逊兴高采烈的宣称：“尽管谁也不会轻率断言，未来物理科学再也不会提出什么使人惊奇的东西来，未来物理学的真理将在小数点后第六位寻找．”

然而物理学大厦却已经山雨欲来风满楼．19xx年4月27日，开尔文勋爵在英国皇家学会上以“19世纪热和光的动力理论上空的乌云”为题的长篇演讲中指出：“动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色．第一朵是地球如何通过本质上是光的以太这样的弹性固体而运动的，第二朵是麦克斯韦一玻耳兹曼关于能量均分的学说．”经典物理出现的这些灾难性的后果使被某些人认为已经完美无缺的经典物理大厦摇摇欲坠． 19xx年10月19日，普朗克凭他的丰富经验得出了一个与实验结果符合得天衣无缝的公式．随后的两个月工作，普朗克描述为：“经过一生中最紧张的几个星期的工作之后，我从黑暗中见到了光明，一个以前完全意想不到的崭新景象展现在我的眼前．”终于在12月14日，普朗克在“关于正常光谱能量分布定律的理论”为题的演讲中提出了能量只能以“能量子”．为最小单元作不连续变化．物理理论发生了一个巨大的跃变．

过了5年，科学巨匠爱因斯坦闪亮登场，立即震惊世人．在19xx年，他所完成的题为“论动体的电动力学”的论文发表在德国《物理学年鉴》的杂志上．成为物理学的一个里程碑．其中指出了“电动力学与光学定律也一定适用于对力学方程适用的坐标系．此外论文又列出了另一重要原理，即光速不变性．同年，爱因斯坦又在利用了两列反向传播的平面光波的假想实验作为开头，以严密的逻辑推理导出了著名的质能公式．由此狭义相对论成功地建立，以大学说被无情地抛到了历史尘埃之中．

同年，爱因斯坦在著名论文“关于光的产生和转化的一个试探性观点”中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，成功解释了1887年赫兹就已经观察到的，经典物理无法理解的光电效应现象．进一步阐释了，不仅吸收或发射辐射时能量是一份份的，而且，辐射本身是量子化的．由于此项重大发现，爱因斯坦在19xx年获得了诺贝尔物理学奖．

又过了 8年，丹麦物理学家玻尔在（哲学杂志）上发表了著名的“三部曲”题名“原子构造和分子构造”——1、fi、Ill的3篇论文，取得了巨大的成功．完满地解释了30年之谜——氢光谱的巴耳末公式．并且成功地解释了元素周期表．把量子观念引人了原子．玻尔理论提出了一个动态原子结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系．在他发表论文3个月后的英国科学促进协会召开的年会上对玻尔的理论作出了肯定．称赞它为“对光谱线规津的一种最发人深思的??令人信眼的解释”．玻尔由于这一杰出的工作，获得了19xx年诺贝尔物理学奖．

与此同时，爱因斯坦的思考并没有止步，他认为狭义相对论还有许多问题没有解决．刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？他感到极大的疑惑，他坚信自然界的和谐和统一．终于，有一天，他的脑子里突然闪出一个念头：如果一个人正自由下落，他决不会感到有重量．由此新的引力理论诞生了．又经过了几年，爱因斯坦又用柔性度规代替直线度规来度量时间，完成了广义相对论这一20世纪最伟大的创建． 让我们再次回到玻尔．在玻尔获奖后一年，为庆祝玻尔的成就，世界物理学中心之一的德国哥丁根举行了玻尔节，玻尔应邀发表演讲，在听众中一位年仅20岁的大二学生海森伯怀着崇敬的心情来到演讲厅．一方面他体验到大师的演讲每个字都经过精推细敲，而且背后隐藏着深邃的思考．另一方面他初生牛犊不怕虎，面对物理大师，居然敢提出极具挑战性的问题．玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的概念．会后他邀请海森伯外出散步，作颇为深入的讨论．后来，海森伯不止一次地说，这是他一生中最为重要的散步，决定他命运的散步．“我的科学生涯从此散步开始．”不久，玻尔邀请海森伯去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物理研究所（19xx年改名为玻尔研究所）的阁楼上．从此诞生了海森伯的名言：科学扎根与讨论．在海森伯与玻尔相遇10年后因创建量子力学而一人获得19xx年诺贝尔物理奖．随后又经过了泡利．薛定谔、狄拉克、波恩等一批人的努力，终于发展成了一门20世纪最伟大的科学——量子力学．

爱因斯坦在相对论中抛弃了绝对的时空观．量子力学又否定了因果性和决定论．在物理学历史上堪称一场重大的革命．物理学不仅将人类对自然界的认识和领域不断推向更基本、更深层次，而且不断从中孕育新的科学思想和新技术，对于人类文明的昌明以巨大推动．

1

20世纪物理学的革命告诉我们：科学的每一次崭新境界的开辟，都必须要有敢于向旧理论旧思想说“不”的勇气．玻尔说过：“一个正确陈述的对立面是一个错误的陈述，而一个深刻真理的对立面则有可能也是一个深刻的真理．”爱因斯坦（19xx年时26岁）、玻尔（19xx年时28岁）正处于风华正茂的年代．年轻的心、沸腾的血和活跃的头脑使他们走了出来，带领海森伯等一批又一批的年轻人，勇敢地向旧理论旧思想挑战．在此期间每一个“不”字的出现都响彻云霄，宛如春雷一般．普朗克提出能量是“不”连续的；爱因斯坦不仅更深人地提出辐射也是不连续的；海森伯更是提出了量子力学中最关键的一个关系式即“测不准关系式”；此外华裔物理学家李政道．杨振宁，又向守恒说出了“不”，提出了“宇称个守恒”，每一个“不”字都带给物理学以飞跃，可见挑战孕育着创新，勇气孕育着力量，信心带来了成功．

科学的每一次重大的发现和突破的背后都隐藏着激烈的争论．其中最令世人注目的是爱因斯坦和玻尔旷日持久的世界性论战．爱因斯坦拒绝把量子力学接受为终极理论，并对以玻尔为代表的哥本哈根学派的正统解释发动了猛烈的攻击．这场争论使世人明白，量子力学的理论是非局域性的理论．它涉及到类空关系，即比光速还快的信号传播；而狭义相对论则是局域性理论．这场世界性和世纪性的科学争论，无疑对科学和哲学的发展产生了深远的影响．此外玻尔和海森伯的散步、普朗克和爱因斯坦的争论都对20世纪的物理学产生了极为深远的影响．讨论并没有完，现在在英国的牛津和剑桥，科学怪杰霍金和彭罗斯的讨论还在继续着，物理学还将有着重大发展，因为“科学扎根于讨论．”

科学神奇之树的每一次萌芽、成长、开花、结果都有孕育着它的科学土壤．1871年建立的卡文迪什实验室、19xx年成立的哥本哈根大学物理研究所，19xx年成立的贝尔实验室等等，都为物理学的发展提供了孕育之地．在这里特别要提一下哥本哈根理论物理研究所．在这里既有22岁当讲师、27岁当教授、31岁获得诺贝尔奖的海森伯，有作为“上帝的鞭子”不断地指出他人论文缺陷的泡利，有开玩笑不讲分寸的朗道，还有“几乎把画漫画和打油诗作为主要职业而把物理当成副业”的伽莫夫．哥本哈根大学的氛围使人感到繁忙、激动、活泼、热血沸腾、无拘无束、和蔼可亲、充满着挑战．在那里能聆听到大师们的演讲，在实验室、办公室、餐厅都有机会和大师们接触，在几次交谈讨论后，他们对你的水平、努力程度、业绩就一清二楚，你自己也就感到一种无形的压力，新的想法和努力方向就印在脑海中．哥本哈根大学的精神已成为物理学界最宝贵的精神财富．

科学那漫长、艰辛、曲折的道路上不无年轻人的贡献和创举．爱因斯坦26岁提出光量子和狭义相对论；玻尔28岁提出原子量子论；薛定谔、海森伯．泡利创建量子力学时分别是37岁、24岁和25岁；狄拉克25岁完成相对论量子力学；汤川秀树28岁建立核力基础理论；朝永振一朗36岁、施温格28岁．费曼29岁完成量子电动力学的基础理论；李政道30岁、杨振宁34岁发现宇称不守恒；格拉肖29岁．温伯格34岁统一了电磁作用与弱作用．可见青年时代是一个人的黄金时代，年轻人那活跃的头脑、年轻的血液、开拓的精神是人类社会飞速发展的宝贵财富，我们中国的未来、民族的振兴无不需要年轻人的力量．

21世纪的钟声已离我们远去，作为世界上仅存的文明古国的中国，5000年的灿烂文化已不能使我们傲视诸国．50多年的奋发与图强，还掩饰不住科技的落后，我们的路还很漫长．两弹一星、长征火箭发射、神州号升空、a磁谱仪的建造、基因组的测序，我们正在努力着．

面对新世纪，我们惟一的对策便是“科教兴国”，“创新、创新、再创新”．

2

第二篇：20世纪物理学革命的回顾及思考

广西民族学院学报(自然科学版)

第11卷第2期　　　　　　　　JOURNALOFGUANGXIUNIVERSITYFORNATIONALITIESVol.11No.220xx年5月(NaturalScienceEdition)　　　　　　　　　　　　　　　　　May2005

20世纪物理学革命的回顾及思考

刘建华,曲用心

(北京科技大学冶金与材料史研究所,北京　100083)3

摘　要:20世纪初期发生的现代物理学革命,建立了相对论和量子力学,理学的转变.本文通过对物理学革命的回顾,关键词:物理学革命;相对论;量子力学

中图分类号:O413　文献标识码:A文章编号)--今年,距1905百年.速的一个百年,也是物理学发展最迅速的一个百年.

在这一百年中发生了物理学革命,建立了相对论和量

子力学,完成了从经典物理学到现代物理学的转变.

在20世纪二三十年代以后,现代物理学在深度和广

度上有了蓬勃的发展,产生了一系列的新学科、交叉

学科和边缘学科,人类对物质世界的规律有了更深刻

的认识,物理学理论达到了一个新高度.回顾上一个

世纪之交物理学发展的情况,思考其发展规律,对我

们今天的教育,特别是科学教育具有重要意义.为物理学的大厦已经建成,物理学的发展基本上已经完成,人们对物理世界的解释已经达到了终点.物理学的一些基本的、原则的问题都已解决,剩下来的只是进一步精确化的问题,即在一些细节上作一些补充和修正,使已知公式中的各个常数测得更精确一些.然而,在19世纪末20世纪初,正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际,科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实.首先是世纪之交物理学的三大发现:电子、X射线和放射性现象的发现.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”.这些实

验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐

的矛盾,经典物理学的传统观念受到巨大的冲击,经

典物理发生了“严重的危机”.由此引起了物理学的一

场伟大的革命.1　19世纪经典物理学大厦及危机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

一幅物理世界的清晰、完整的图画,几乎能完美地解

释所有已经观察到的物理现象.由于经典物理学的巨

大成就,当时不少物理学家产生了这样一种思想:认2　相对论的建立和发展相对论是现代物理学的重要基石.它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一,对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响.相对论是科学技术发3收稿日期:2005201212.

作者简介:刘建华(19662),男,河南西平人,北京科技大学科学技术史专业博士研究生,河南职业技术学院副教授,研究方

向为科学技术史,科学计量学.

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广西民族学院学报(自然科学版)　　　　　　　20xx年5月　第11卷

展到一定阶段的必然产物,是电磁理论合乎逻辑的继

续和发展,是物理学各有关分支又一次综合的结果.

211　迈克尔逊实验

(以按照经典力学和电磁学理论,认为“以太”“

太”这个词起源于古希腊,原意是高空.法国科学家笛

卡儿首先把它引入科学,赋予它能够传递力的性质)

是一个理想的参考系,而且无所不在,电磁波就是以

它为介质来传递的.

如果“以太”果真充满宇宙空间,那么,地球以每

秒30公里的速度绕太阳运动,必然会有一股“以太

风”迎面吹来,也一定能测量出来.1887年,美国科学

家迈克尔逊在化学家莫雷的帮助下,设计了一台“干

涉仪”,来证明“以太”的存在.它利用一块镀膜的半

透射、半反射镜,将一束光分成两束,一束穿过镜面继

续向前射去,另一束被镜面反射到与前束垂直的方

向,然后让两束光通过两面反射镜沿原路返回,最后

进入目镜中.由于光的干涉效应的缘故,要到达目镜的时间有差别,,干涉条纹.然而,,

实验结果为“零”.“否定了绝

对静止坐标的存在,同时对“以太”是否存在也提出了

怀疑,它强烈地冲击了牛顿力学的时空观,使得整个

经典物理学大厦面临倒塌的危险,从而震惊了整个物

理学界.

2.2　狭义相对论的建立

19世纪后半叶,光速的精确测定为光速的不变

性提供了实验依据.与此同时,电磁理论也为光速的

不变性提供了理论依据.1865年麦克斯韦在《电磁场

的动力学理论》一文中,就从波动方程得出了电磁波

的传播速度.并且证明,电磁波的传播速度只取决于

传播介质的性质.

1890年赫兹把麦克斯韦电磁场方程改造得更为

简洁.他明确指出,电磁波的波速(即光速)c,与波源为地引入了大量假设,致使概念繁琐,理论庞杂,缺乏逻辑的完备性和体系的严密性.法国著名科学家彭加勒对洛仑兹理论起过积极作用.他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法.他提出了相对性原理的概念,认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化.他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式.19xx年彭加勒正式表述了相对性原理.彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理,使它的数学形式更加简洁.然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架.他们已经走到了狭义相对论的边缘,却没有能够创立狭义相对论.历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担.19xx年,,大胆地摒,:,并把时间、,,,一是,物理学规律都是相,不存在一个优于其他惯性系的绝对惯性系;二是光速不变原理———在所有的惯性系,真空中的光速不变,都是常量C.从而彻底驱散了经典物理学上空的“一朵乌云”,创建了狭义相对论.以相对论时空观对牛顿的绝对时空观进行脱胎换骨的改造,使经典物理学从此进入了一个新时代.相对论的提出是酝酿已久的.虽然在很大程度上是为了解决“以太之谜”,但是实际上却是爱因斯坦统观经典物理的理论,进行长期、周密考虑的结果.狭义相对论揭示了空间、时间和物质运动的联系,并首次提出相对运动的两个不同坐标系对“同一时空事件”的描述不同这一相对时空观念,这是人类时空观的一次飞跃.2.3　广义相对论的建立

的运动速度无关.可见,从电磁理论出发,光速的不变

性是很自然的结论.然而这个结论却与力学中的伽利

略变换抵触.

为了解决这些矛盾,洛仑兹在1892年一方面提

出了长度收缩假说,用以解释以太漂移的零结果.他

假设以太是绝对静止的,从他的电磁理论推出了菲涅

耳曳引系数.随后,又在1895年与19xx年先后建立

一阶与二阶变换理论,他力图使电磁场方程适用于不

同的惯性坐标系.然而尽管他的理论能够解释一些现

象,但却是在保留以太的前提下,采取修补的办法,人狭义相对论建立以后,爱因斯坦并没有止步.他认为狭义相对论还有许多问题没有解决.例如:为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越?为什么惯性质量随能量变化?为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度?刚刚经受住考验的狭义相对论,为什么一用到引力场中就遇到了矛盾?爱因斯坦感到极大的疑惑.他坚信自然界的和谐和统一,认为要么对惯性坐标系为什么会特别优越作出解释,要么放弃惯性坐标系的特殊优越地位.19xx年,爱因斯坦发表第一篇有关广义相对论的论文《关于相对论原理和由此得出的结论》:,文中46

20xx年第2期　　　　　　　　　●刘建华,曲用心/20世纪物理学革命的回顾及思考首次提出等价原理(等效原理)的假设,即“:引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价.”文中还提出了另一条基本原理,即广义相对性原理,他写道:“迄今为止,我们只把相对论原理,即认为自然规律同参照系的状态无关这一假设应用于非加速参照系.是否可以设想,相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也依然成立?”他假设可以用一个均匀加速的参照系来代替均匀引力场.

爱因斯坦研究广义相对论,经历了一个比建立狭义相对论更漫长的探索道路.从19xx年到19xx年的九年时间,爱因斯坦先后发表了好几篇论文,使广义相对论逐步完备.他遇到的主要困难是缺乏合适的数学工具.

19xx年,爱因斯坦与格罗斯曼合作,建立了引力的度规场理论,他们联名发表了《广义相对论和引力论》,系统地论述了广义相对论的物理原理和数学方法.他们引入了黎曼张量,广到弯曲的黎曼空间.

19xx年,对论的论文.其中动》第一次用广义相对论计算出了水星的剩余进动.同年发表了《引力的场方程》,提出了广义相对论引力场方程的完整形式.

19xx年,爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》,对广义相对论的研究作了全面的总结.在论文中,爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似,并且给出了谱线红移,光线弯曲,行星轨道近日点进动的理论预言.

在广义相对论建立之初,爱因斯坦提出了三项实验检验,一是水星近日点的进动,二是光线在引力场中的弯曲,三是光谱线的引力红移.其中只有水星近日点进动是已经确认的事实,其余两项只是后来才陆续得到证实.60年代以后,又有人提出观测雷达回波延迟、引力波等方案.认识又一次深化.它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对掌握自己命运的能力的看法.3.1　热辐射研究和普朗克能量子假说19世纪中叶,冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究.所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波.1896年,维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式,后来人们称它为维恩辐射定律.维恩辐射定律在高频部分与这实验相符,而在低频部分则与实验偏离.19xx年6月英国物理学家瑞利把统计物理学的能量均分定理用于他的一个以太振动模型,导出了一个新的辐射公式.实验证明,瑞利的辐射定律在低频部分与实验相符,在高频部分则与实验相差甚大.普朗克受到启发,.但是他回避了能量均分定理.他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布问题上,导出了振子热平衡时的能谱分布公式.若想使新得到的这个公式能说明实验曲线,则这公式必须与以前用内插法得到的公式具有同一形式.而要得到这样的统一,则要求新公式中所包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量,而这是与古典物理学关于能量是连续的观点尖锐对立的.普朗克尊重实验事实,于是提出一个大胆的假设:每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的,这些能量值只能是某个最小能量元e的整数倍.19xx年12月24日,普朗克在德国物理学会的会议上以《关于正常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果.量子论就这样诞生了.3.2　爱因斯坦的光量子论和光的波粒二象性爱因斯坦从普朗克的发现看到需要修改的不仅

是某些定律,而是重建新的理论基础.他在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》这篇论文中提出了光量子假说,把普朗克的能量子的概念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程,认为辐射本身就是由不连续的、不可分割的能量子组成的.他从热力学的观点出发,把黑体辐射和气体类比,发现在一定的条件下,可以把辐射看作是由粒子组成的,他把这种辐射粒子叫做“光量子”.作为光量子理论的推论,爱因斯坦成功地解释了古典物理学理论无法解释的3　量子力学的建立和发展量子论是在20世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的,在19xx年形成了一个严密的理论体系.它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果,而且在人类思想史上也占有极其重要的地位.如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念,那么量子论则很大程度改变了人们的实践,使人类对自然界的

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广西民族学院学报(自然科学版)　　　　　　　20xx年5月　第11卷

光电效应等.

19xx年,不相信光量子的密立肯宣布他的实验爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体.3.4　量子力学诞生

19xx年,法国物理学家德布罗意把光具有的波无歧义地证实了爱因斯坦的光电效应理论.19xx年

康普顿发现X射线散射效应必须由光量子论解释.人们这才正确评价了光量子论.爱因斯坦也由于光电效应定律的发现获得19xx年度的诺贝尔物理学奖.

光量子论并不是简单地复活光微粒说,而是揭示了光的波粒二象性.对统计平均现象光表现为波动,对瞬时涨落现象光表现为粒子.光量子论第一次确认了光的波粒二象性这个最基本的性质.

继光量子论之后,19xx年爱因斯坦又把量子假说应用到固体弹性振动上去,成功地解决了古典物理学理论在低温固体比热问题上所遇到的难题,这个结果标志着一个重要的进展,因为它表明普朗克常数也出现在与辐射无关的现象中.

3.3　玻尔的原子结构理论

1895年,德国物理学家伦琴发现X射线.粒二象性推广到一般实物粒子,从而提出了一切实物粒子也都具有波动性的新观念.19xx年11月间德布罗意向巴黎大学理学院递交了题为“量子理论的研究”的博士论文.他在论文中指出“:整个世纪以来,在光学上比起波动的研究方法,是过于忽略了粒子的研究方法;在粒子的理论上是否发生了相反的错误呢?是不是我们把关于粒子的图像想得太多,而过分地忽略了波的图像呢?”他认为“任何物体伴随以波,而且不可能将物体的运动和波的传播分开.”这就是说,波粒二象性并不只是光才具有的特性,而是一切粒子共有的属性,物质波.λ=h/P.年,..当中引起了强烈的震动.并不是简单的,可能有复杂的结构.曼彻斯特大学物理教授卢瑟福领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革和新西兰物理学家马斯登,发现金原子使α射线产生大于90°的散射角,于是卢瑟福根据他的实验于19xx年提出了一个电子绕核回转的原子结构模型.但卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难.

玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难,假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量,也就是说原子只能处在分立的定态之中,而且最低的定态就是原子的正常态.他又从光谱线的组合定律得到定态跃迁的概念.

玻尔在19xx年发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》.玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律,大大扩展了量子论的影响,加速了量子论的发展.19xx年,德国物理学家索末菲把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道,并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应,导出光谱的精细结构同实验相符.19xx年,爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程,导出了普朗克辐射定律.爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就,把普朗克、——,从而将粒子性与波.德布罗意关于物质波假设的提出,运用了几何光学中费马原理与经典力学莫培多变分原理的类比,以及爱因斯坦关于光的二象性的启示.这种新观念的建立,表现出大自然具有的和谐和对称性质.同时,它为量子力学的建立提供了重要的依据.德布罗意假设提出以后,人们希望建立一种新的原子力学理论,用以描述微观客体的运动规律.19xx年末,薛定愕怀着极大的兴趣对德布罗意假设进行了仔细的研究,并于19xx年的1月、2月、5月和6月相继发表了四篇论文,完成了波动力学的创立工作,提出了薛定愕方程,讨论了与时间无关和含时的微扰理论,用之解决氢原子问题得到了与实验相符的结果.薛定愕方程在原子物理的世界文献中属于应用最广泛的公式之一,它的地位相当于经典力学中的牛顿方程.爱因斯坦称赞薛定愕的构思具有真正的独创性.玻恩也赞扬说,在理论物理学中,关于波动力学的几篇论文是非常出色的.差不多同一时期,海森堡、玻恩、约当等人以微观客体的波动性为出发点,运用代数方法,借助于对应原理的思想创立了矩阵力学,引入了正则变换、建立了定态微扰与含时微扰,运用这种理论可以讨论角动量、谱线强度、选择定则等有关方面的问题.不久,海森堡又提出了著名的“测不准原理”,进一步揭示了微观客体的波粒二象性.48

20xx年第2期　　　　　　　　　●刘建华,曲用心/20世纪物理学革命的回顾及思考

波动力学与矩阵力学都是以微观客体的二象性为基础,通过与经典物理对比,运用不同的数学手段而建立起来的.19xx年初玻恩和维纳引入算符,从而建立起算符与矩阵之间的对应关系;尔后,狄拉克运用数学变换理论,建立了严密的理论体系,把两种力学统一了起来,并作了普遍推广,建立了相对论量子力学.狄拉克的理论,是描述微观客体运动规律的基本理论,与相对论一起称为本世纪物理学发展史上带有革命性的理论.

按照量子力学的观点,具有波动性的微观客体,由于动量与位置无法同时准确确定,轨道概念失去了意义.因此,其运动状态的描述截然区别于经典方式,是用一个状态波函数来描述.玻恩对波函数的物理思想赋予了一种统计解释.微观粒子的运动状态不再受经典规律的支配,不再遵从“决定论”或严格的“因果律”,而是服从一种统计性的规律.但是爱因斯坦不接受这种观点.天,.

又一次产生了飞跃.际,是迄今为止人们对微观客体运动规律描述中比较成功的理论.相对论和量子力学为其他学科的现代化提供了理论基础.由于量子力学成功地揭示了微观物质世界的基本规律,它的创立极大地加速了原子物理学和固体物理学的发展,为核物理和粒子物理学准备了理论基础;而且通过化学键理论,为众多化学规律提供了理论基础;同时,对分子生物学的产生也产生了启迪作用.相对论在天体物理学、宇宙学中有着广泛的应用.总之,量子力学、相对论开辟了人类认识自然、征服自然的新天地,成为当代科学技术发展的重要理论基础之一.相对论和量子力学发展出了许多新能源、新器件、新技术.爱因斯坦的质能方程引领人类进入了核能时代;量子力学的建立发展出了许多新器件和技术,对世界国民经济的发展起着举足轻重的作用.4.2　.,思考其发展规律,对现代科学;对今天的教育,特别是科学教育具有重要的意义.20世纪物理学革命的过程,也就是敢于挑战传统、创新的过程.当时,爱因斯坦、玻尔处于风华正茂

的年代,他们举起了创新旗帜,带领海森堡等一批年轻人向旧世界宣战.他们都是敢于向旧世界说“不”的人.不管普朗克愿意不愿意,他被实验事实逼上梁山,“孤注一掷”地提出,能量是不连续的;爱因斯坦深化了这一个“不”字,而且在相对论里又说了一个“不”:光速是不变的;玻尔则说,在微观世界里,绕核运动的电子是不辐射的;海森堡更提出了量子力学中最关键的一个关系式“不确定关系式”,以一个“不”字与基于完全确定论的经典物理彻底决裂.不过,所有这些“不”都不是无中生有的,而是有坚实的实验事实为依据的.正是靠了黑体辐射实验、光电效应实验、原子光谱实验、弗兰克-赫兹实验……一连串的“不”字才能响彻云霄.“不”字并非否定一切.牛顿力学、麦克斯韦电磁理论,作为19世纪的伟大科学成果,仍然是当今科技世界的理论支柱,卫星上天、宇宙飞行、电气世界,都以它们为基础.只是当人们的探索范围深入到微观世界时,主宰分子、原子、粒子运动规律的是量子力量,描述高速(接近于光速)运动物体规律的是相对论.创新是在已有基础上的创新,有旧才有新.

从相对论和量子力学的建立过程中,可以清楚地看到学术交流的重要性.海森堡的名言“科学扎根于4　物理学革命的影响和思考4.1　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震动.19xx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提供了新的表达方法和思考方法.相对论和量子力学的建立突破了牛顿经典力学的局限,为人类探索宏观世界和微观世界提供了新的理论基础,为人类探索自然提供了全新的思想工具.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“决定论”或严格的“因果律”,而是服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震动,也推动了哲学的进一步发展.

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广西民族学院学报(自然科学版)　　　　　　　20xx年5月　第11卷

讨论”生动的反映了当时学术交流的情形.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、交流环境.特别是在丹麦哥

本哈根大学理论物理研究所的气氛使人感到繁忙、激

动、活泼、欢笑、无拘无束、和蔼可亲,哥本哈根精神随

着量子力学的诞生而诞生,并成了物理学界最宝贵的

精神财富.而良好的学术研究、学术交流氛围为新事

物的成长提供了肥沃的土壤.

对比物理学革命的历史,我们的教育,特别是科

学教育有必要进行不断的改革,不仅传授科学知识、

科学方法,还要塑造和培养科学态度和科学精神.要

营造“勇于提问、勇于探索、勇于争论与相互讨论、相

互学习、相互鼓励”的良好学习环境,培养创新意识和

团队精神.同时,在学科和专业教育中要融入科学技术史的知识,以史为鉴,加强对科学态度、科学精神的塑造和培养.[参　考　文　献][1]李佩珊,许良英.20世纪科学技术简史[M].北京:科学出版社,1985.[2]杨福家.量子百年话创新[J]1自然杂志,2001,(2):63-68.[3]潘永样等.物理学简史[M].武汉:湖北教育出版社,1990.[4]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),1999,(4):35-39.[5]王德云.量子论的建立和发展[J]1现代物理知识,1995,(1):38-41.[责任编辑　黄祖宾][责任校对　黄少梅]

HistoricalReviewandRY2xin

(UyofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083)

Abstract:Themodernphysicalrevolutioninearly20thcenturyestablishedrelativityandquantumme2chanicsandcompletedthechangefromclassicalphysicstomodernphysics.Throughthereviewofphysicalrevolution,thispaperdiscussedtheeffectofphysicalrevolutiononhumansociety

KeyWords:Physical;Revolution;Relativity;Quantummechanics

世界物理年纪念大会在北京举行

19xx年,年仅26岁的爱因斯坦发表5篇重要物理学论文,提出狭义相对论、光量子学说等重要物理学概念和理论,对20世纪物理学革命产生了极大推动作用,当年因此被誉为“爱因斯坦奇迹年”,为纪念“爱因斯坦奇迹年”100周年和爱因斯坦逝世50周年,20xx年6月,国际物理学界一致倡议并经联合国确定20xx年为“世界物理年”.

4月15日由中国科协、科技部等联合主办的世界物理年纪念大会在北京人民大会堂举行,国务委员陈至立出席大会并致辞,世界知名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁和李政道应邀出席大会并做学术报告,彭桓武、冯端、张杰等物理学家也出席大会并做了学术报告.中国科学院院士周光召、朱光亚及有关机构负责人和科研人员、中学师生等700多人出席大会.纪念大会由中国科学技术协会主席周光召院士主持.50