引用引用對物理學(xué)歷史的透視

1、.引用 引用 對物理學(xué)歷史的透視引用清風(fēng)飄舞的引用對物理學(xué)歷史的透視引用真水無香的對物理學(xué)歷史的透視對學(xué)科的發(fā)展進行歷史透視有助于了解其現(xiàn)狀，展望其未來。物理學(xué)的歷史很長，不能樣樣都講到,僅從牛頓開始，牛頓以前的很多先驅(qū)性的工作只好從略了。20世紀(jì)前物理學(xué)的三大綜合17世紀(jì)至19世紀(jì)，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大的綜合。牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著物理學(xué)的首次綜合，第二次綜合是麥克斯韋的電磁理論的建立，第三次則是以熱力學(xué)兩大定律確立并發(fā)展出相應(yīng)的統(tǒng)計理論為標(biāo)志。第一次綜合-牛頓力學(xué)17世紀(jì)，牛頓力學(xué)構(gòu)成了完整的體系?？梢哉f，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓將天上行星的運動與地球上蘋果下墜等現(xiàn)象概括到一個規(guī)律

2、里面去了，建立了所謂的經(jīng)典力學(xué)。至于蘋果下墜啟發(fā)了牛頓的故事究竟有無歷史根據(jù)，那是另一回事，但它說明了人們對于形象思維的偏愛。牛頓力學(xué)的建立牛頓實際上建立了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律。運動定律描述在力作用下物體是怎么運動的；萬有引力定理則描述物體之間的基本相互作用力。牛頓將兩個定律結(jié)合起來運用，因為行星的運動或者地球上的拋物體運動都受到萬有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個重要的力學(xué)規(guī)律總結(jié)出來的同時，也發(fā)展了數(shù)學(xué)，成為微積分的發(fā)明人。他用微積分、微分方程來解決力學(xué)問題。由運動定律建立的運動方程，可以用數(shù)學(xué)方法把它具體解出來,這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的威力-能夠解決實際問題。比如,如果

3、要計算行星運行的軌道，可以按照牛頓所給出的物理思想和數(shù)學(xué)方法，求解運動方程就行了。根據(jù)現(xiàn)在軌道上行星的位置，可以倒推千百年前或預(yù)計千百年后它們的位置。海王星的發(fā)現(xiàn)就充分體現(xiàn)了這一點。當(dāng)時，人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的預(yù)期，問題出在哪里呢?后來發(fā)現(xiàn)，在天王星軌道外面還有一顆行星，它對天王星產(chǎn)生影響，導(dǎo)致天王星的軌道偏離了預(yù)期的軌道。進而人們用牛頓力學(xué)估計出這個行星的位置，并在預(yù)計的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星-海王星。這表明，牛頓定律是很成功的。按照牛頓定律寫出運動方程，若已知初始條件-物體的位置和速度，就可以求出以后任何時刻物體的位置和速度。這一想法經(jīng)拉普拉斯推廣，表述為一種普適的確定論：既

4、然組成世界的全部粒子在某一瞬間各自具有特定的位置與速度，而且都遵從確定的定律，因而隨后世界上任何情況都將毫無例外地完全確定。這就是拉普拉斯確定論。它和宿命論的思想不謀而合，但與我們?nèi)粘Ｉ畹母惺懿煌?日常生活中經(jīng)常碰到不確定、不可預(yù)知的情況)。這個內(nèi)涵豐富的問題到20世紀(jì)才解決。牛頓力學(xué)的新表述19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家用新的、更簡潔的形式重新表述牛頓定律，如拉格朗日方程組、哈密頓方程組等。這些表述形式不一，實質(zhì)并沒有改變。這是19世紀(jì)牛頓力學(xué)發(fā)展的一個方面。另一方面，就是將牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題中去，出現(xiàn)了彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。在這一方面，20世紀(jì)有更大的發(fā)展，特別是流體

5、力學(xué)，最終導(dǎo)致航空甚至航天的出現(xiàn)。因此，牛頓定律到現(xiàn)在還是非常重要的，牛頓定律還是大學(xué)課程中不可缺少的一個組成部分。當(dāng)然，其表達方法應(yīng)隨時代發(fā)展而有所不同。牛頓關(guān)于力學(xué)研究的成果，寫在一本叫自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理(簡稱原理)的巨著中。只要稍微翻一下這本書，就會發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個重要貢獻是從萬有引力定律和運動定律把行星運動的軌道推導(dǎo)了出來。現(xiàn)在在學(xué)習(xí)理論力學(xué)時，行星運動的橢圓軌道問題是不太難的，解微分方程就可以求出來。但牛頓在原理里沒有用微積分，更沒有用解微分方程的方法，而純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來的?，F(xiàn)代科學(xué)家就不一定能看懂他這一套東西。理論物理學(xué)家費恩曼曾說他對現(xiàn)代數(shù)學(xué)比牛頓強得多

6、，但對17世紀(jì)牛頓熟悉的幾何學(xué)他就不一定能全部掌握。他花了好些時間，想用牛頓的思路把行星的橢圓軌道全部證明出來，結(jié)果還是有些環(huán)節(jié)證不出來。最后他不得已調(diào)整了方法。雖然沒有完全依照牛頓的方法，但基本上還是用幾何方法把這個問題證明出來了。科學(xué)理論的表達是隨時間變化的?，F(xiàn)在看來，牛頓運動定律的關(guān)鍵問題，譬如行星運動是橢圓軌道，應(yīng)有可能在普通物理中講授，因為簡單的微分方程已經(jīng)可以用計算機求解了。由于計算機的發(fā)展，也許今后講牛頓定律時，就可以在課堂上把行星運動橢圓軌道的一些基本概念說清楚了。這也可以說明，教學(xué)問題與現(xiàn)代科技是息息相關(guān)的。不可積問題牛頓定律取得了很大的成功，它具有完全確定的規(guī)律性。但它和拉

7、普拉斯的確定論究竟是什么關(guān)系?這值得探討。另一個值得一提的，是所謂的三體問題。一體問題最簡單，一個物體在固定的中心力場中運動。兩體問題也不復(fù)雜，就是兩個互相吸引的物體的運動問題，結(jié)果是兩個物體都繞質(zhì)心運動，大質(zhì)量物體的軌道小一些，小質(zhì)量物體的軌道大一些。如果再加一個物體，即三個物體之間存在著吸引力，它們的運動規(guī)律就是天體力學(xué)上很有名的三體問題。天體力學(xué)上的軌道計算就涉及到三體問題，這通常是通過微擾論來解決，即把第三個物體的影響當(dāng)作微擾來處理。譬如，地球與太陽是兩體問題，加上月亮就構(gòu)成了三體問題。月亮對地球軌道也有影響，但這個影響很小，這就可以用微擾的方法來處理。當(dāng)三個物體都不能當(dāng)作微擾來對待時

8、，就是三體問題了。在19世紀(jì)，三體問題是天體力學(xué)的一個非常引人注目的問題。為解決太陽系的穩(wěn)定性問題，當(dāng)時的挪威國王曾設(shè)立一筆獎金。這筆獎金最后頒給了法國著名的數(shù)學(xué)家龐加萊。龐加萊證明了三體問題是不可解的，或更確切地說是不可積分的。有解的運動方程，其位置與時間的關(guān)系最終總可以表達為一個積分，在最理想的情況下，這個積分是積得出來的，即使積不出來也至少能表達為定積分。這就是物理學(xué)常見的可積問題。在大學(xué)物理課程中講授的幾乎都限于可積問題，諸如行星的運動和單擺系統(tǒng)中擺的運動等。這類可積問題的規(guī)律是確定的，計算出的軌道也是確定無疑的，知道了初條件，以后的所有情況都能一一推出來。如果問題不是可積的，像龐加萊

9、證明的三體問題，情況就完全不同了，就會出現(xiàn)所謂"對初始條件的敏感性"。如果是可積問題，初始條件作微量調(diào)整，最終軌道也只要作微量修正就行了；如果是不可積問題，初始條件的微小變動就會導(dǎo)致軌道完全不一樣。中國有句古話-"差之毫厘，失之千里"，說的就是存在一些對初始條件敏感的情況。通過對三體問題的研究，人們發(fā)現(xiàn)，有些運動對初始條件極其敏感。20世紀(jì)如果說經(jīng)典力學(xué)有所發(fā)展的話，其中一個是在四五十年代發(fā)展的KAM理論。在可積與不可積之間，存在一個近可積區(qū)域，KAM理論是講這種近可積區(qū)域里運動規(guī)律是怎樣的。KAM理論是由前蘇聯(lián)科學(xué)家科爾莫戈羅夫(A.N.Kolmogo

10、rov)、阿諾爾德(V.I.Arnold)和瑞士科學(xué)家莫澤(J.K.Moser)三人證明的。20世紀(jì)力學(xué)的另一個發(fā)展，就是70年代出現(xiàn)的混沌理論，這說明不可積系統(tǒng)中粒子軌道是不確定的。也就是說，牛頓定律本身雖是確定性的，但它所描述的具體事物，很可能出現(xiàn)隨機行為。這樣一來，拉普拉斯的確定論就站不住腳了。人們對初始條件的控制能力是有限的，不可能無限地精確下去，因此初始條件的微量變化，就有可能會造成運動軌跡完全不可預(yù)測。這表明經(jīng)典力學(xué)具有非常豐富的內(nèi)容，有些尚待進一步探索。第二次綜合-麥克斯韋電磁理論歷史上，電與磁是分別發(fā)現(xiàn)和研究的。后來，電與磁之間的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)了，如奧斯特(H.C.Oersted)發(fā)

11、現(xiàn)的電流磁效應(yīng)和安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流之間相互作用的規(guī)律。再后來，法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，這樣電與磁就連成一體了。19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場理論，實現(xiàn)了物理學(xué)的第二次大綜合。電磁定律與力學(xué)規(guī)律有一個截然不同的地方。根據(jù)牛頓的設(shè)想，力學(xué)考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題(當(dāng)然，用現(xiàn)代觀點看，引力也應(yīng)該有傳遞問題),而電磁相互作用是場的相互作用。從粒子的超距作用到電磁場的"場的相互作用"，這在觀念上有很大變化。場的效應(yīng)被突出出來了。電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，這一點由赫茲在實驗室中證實了。電磁波不但包括無線電波，

12、實際上包括很寬的頻譜，其中很重要的一部分就是光波。光學(xué)在過去是與電磁學(xué)完全分開發(fā)展的，麥克斯韋電磁理論建立以后，光學(xué)也變成了電磁學(xué)的一個分支了，電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)得到了統(tǒng)一。這個統(tǒng)一在技術(shù)上有重要意義，發(fā)電機、電動機幾乎都是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。電磁波的應(yīng)用導(dǎo)致現(xiàn)代的無線電技術(shù)。直到現(xiàn)在，電磁學(xué)在技術(shù)上還是起主導(dǎo)作用的一門學(xué)問，因此，在基礎(chǔ)物理學(xué)中電磁學(xué)始終保持它的重要地位。電磁學(xué)牽涉到在什么參考系統(tǒng)中來看問題，牽涉到運動導(dǎo)體的電動力學(xué)問題。直觀地說，"電流即電荷的流動產(chǎn)生磁效應(yīng)"，但判斷電荷是否流動就牽涉到觀察者的問題-參考系問題。光學(xué)是電磁學(xué)的一部分，所以這個問題也可表

13、達成"光的傳播與參考系統(tǒng)有什么關(guān)系"。邁克耳孫-莫雷實驗表明慣性系中真空光速為不變量。這樣一來，也就肯定了在慣性系統(tǒng)中電磁學(xué)遵循同一規(guī)律。這實際上導(dǎo)致了后來的愛因斯坦狹義相對論。狹義相對論基本上是電磁學(xué)的進一步發(fā)展和推廣。邁克耳孫-莫雷實驗在19世紀(jì)還沒能解釋清楚，這是19世紀(jì)遺留的一個重要問題。物理學(xué)的第三次綜合-熱力學(xué)基本定律物理學(xué)的第三次綜合是從熱力學(xué)開始的，是關(guān)于大量物體運動規(guī)律的問題。這次綜合牽涉到熱力學(xué)的兩大基本定律-熱力學(xué)第一定律與第二定律，即能量守恒定律和熵的恒增原理。這兩條定律確定了熱力學(xué)的基本規(guī)律，但是人們不滿足于這樣單純地、宏觀地描述物理現(xiàn)象，于是發(fā)展

14、了分子動力學(xué)，從微觀的角度來說明氣體狀態(tài)方程等宏觀規(guī)律。同時，也建立了玻爾茲曼的經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)。這些研究都是為理解物質(zhì)的性質(zhì)，特別是熱力學(xué)性質(zhì)而進行的。這方面的發(fā)展促進了物理學(xué)與現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展。一些有實證論哲學(xué)傾向的學(xué)者，如馬赫(E.Mach)等人，對玻爾茲曼的原子論提出了猛烈的批評，形成了19世紀(jì)末物理學(xué)界的一場大辯論：原子到底是真的，還是人們?yōu)榱苏f明問題而提出的假設(shè)?這直到1905年愛因斯坦提出布朗運動理論，并得到實驗證實后，才得到圓滿解釋。原子論終于得到了學(xué)術(shù)界的公認。19世紀(jì)末還提出過很多問題，如黑體熱輻射能譜問題、多原子氣體的比熱問題等。這些問題在經(jīng)典統(tǒng)計理論中都得不到解釋?，F(xiàn)代物理學(xué)

15、-20世紀(jì)物理學(xué)20世紀(jì)初，物理學(xué)就取得了兩大突破：一個是普朗克提出了作用量子的概念，一個是愛因斯坦提出的狹義相對論的時空觀。量子力學(xué)和相對論的建立1900年，英國物理學(xué)家開爾文在贊美19世紀(jì)物理學(xué)成就的同時，指出："在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的、令人不安的烏云。"這兩朵烏云，指的是當(dāng)時物理學(xué)無法解釋的兩個實驗，一個是黑體輻射實驗，另一個是邁克耳孫-莫雷實驗。正是這兩朵烏云導(dǎo)致了量子論與相對論的誕生。1905年，愛因斯坦在論運動物體的電動力學(xué)一文中系統(tǒng)地提出了后來被稱為"狹義相對論"的理論。之所以叫"相對論"，是因為這個理論

16、的出發(fā)點是兩條基本假設(shè)，第一條是"相對性原理"，即在一切慣性系中物理規(guī)律都相同；第二條是真空中光速不變，不管在哪個慣性系中，測得的真空光速都相同。這兩條假設(shè)是不矛盾的，在一切慣性系中，麥克斯韋方程組都相同，就必然在一切慣性系中有相同的真空中電磁波速即光速。狹義相對論摒棄了牛頓的絕對時空觀，認為空間、時間與運動有關(guān)，得出了質(zhì)量與能量的簡單關(guān)系，以及關(guān)于高速運動物體的力學(xué)規(guī)律。這對隨后發(fā)展粒子加速器技術(shù)是至關(guān)重要的。1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，從而彌補了經(jīng)典力學(xué)的另一漏洞，即無法解釋物體在強引力場中的行為。由牛頓定律計算出來的水星近日點的進動，要比天文觀測值小。廣義相

17、對論是一種引力理論，認為引力是時空彎曲的結(jié)果，它非常好地解釋了水星近日點的進動問題。廣義相對論預(yù)言引力會引起光的頻率變化，即引力頻移。它同時預(yù)言光線在引力場中會彎曲。這些都被天文觀察所證實。廣義相對論盡管取得了很大成功，但對地球上的問題很少有影響，同時它用到的數(shù)學(xué)太復(fù)雜，故普通物理學(xué)往往不予討論。廣義相對論引入物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量兩個概念。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，它們的值是相同的，在牛頓力學(xué)中對此僅加以承認，而無法解釋。愛因斯坦基于這兩種質(zhì)量相等，提出了等效原理。承認等效原理，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等也就是自然的事了。事實上，大量實驗證實，在一定精確度(比如10-9)內(nèi)，二者確實是一樣的。相對論

18、使經(jīng)典物理學(xué)達到登峰造極的境地。1900年德國科學(xué)家普朗克提出能量子概念，1925-1926年海森伯和薛定諤最終建立了量子力學(xué)，解決了原子物理、光譜等基本問題，取得了巨大成功。之后，量子力學(xué)有兩個重要發(fā)展方向，一是將量子力學(xué)向更小(如原子以下的)尺度應(yīng)用。原子的中心是原子核，原子核又是由中子、質(zhì)子構(gòu)成，因此進一步就是把量子力學(xué)用到原子核。原子核有各式各樣的衰變，還可以人工蛻變，原子核物理學(xué)就是在量子力學(xué)指引下發(fā)展的。再進一步，就是現(xiàn)代所謂的基本粒子物理學(xué)，"基本"這兩個字，常常只是在一段時間內(nèi)被當(dāng)作基本的?，F(xiàn)在認為物質(zhì)的基本構(gòu)成單元是最微小的輕子、夸克、膠子和其他中間玻色子

19、。量子力學(xué)的另一個發(fā)展方向，就是把量子力學(xué)用于處理更大尺度上的問題,比如分子的問題(即量子化學(xué)問題)和固體物理或凝聚態(tài)物理的問題。從研究對象的尺度看，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理和宇宙物理，其研究范圍越來越大。奇怪的是,宇宙的研究又和基本粒子的研究聯(lián)系起來了，兩個不同的發(fā)展方向，回環(huán)曲折，最后又歸攏在一起了。統(tǒng)一理論在發(fā)展過程中，物理學(xué)逐步加深了對相互作用的認識?，F(xiàn)在歸結(jié)為四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。引力和電磁相互作用是大家都熟悉的，而弱相互作用和強相互作用是短程的，基本上就是在原子核的尺度上表現(xiàn)出來。在大塊物質(zhì)里,一般來說，看不到弱相

20、互作用與強相互作用的痕跡。各種相互作用在強度上有差異，如果以強相互作用的強度為1的話，那么比強相互作用稍弱一點的是電磁相互作用，其值約為10-2；更弱一點的是弱相互作用，其值約為10-1310-19；引力相互作用似乎日常生活都感覺到，但它是最弱的，僅為10-39。物理學(xué)家一直企圖將四種作用力統(tǒng)一，愛因斯坦晚年幾乎花了半生的時間，試圖將電磁相互作用與引力相互作用進行統(tǒng)一。應(yīng)該說他的研究方向是對的，但沒有取得實在的成果。真正取得進展的是量子場論。20世紀(jì)三四十年代，量子電動力學(xué)的發(fā)展成功地解釋了電磁相互作用。60年代，又發(fā)展了解釋強相互作用的量子色動力學(xué)。隨后，就將弱相互作用與電磁相互作用進行統(tǒng)一

21、，即溫伯格-薩拉姆電弱統(tǒng)一理論，這為各種相互作用統(tǒng)一理論邁出了成功的第一步。后來有人希望把強相互作用也統(tǒng)一起來，稱之為大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論到現(xiàn)在為止還缺乏實驗證據(jù)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)有不同的層次。隨著物質(zhì)尺度的減小，能量越來越高。根據(jù)電弱統(tǒng)一理論，對應(yīng)原子尺度(10-10米)的能量是10-2吉電子伏左右?，F(xiàn)在最大的加速器在費米實驗室，它能夠達到2000吉電子伏。為建造更高能量的加速器，美國有一個超導(dǎo)超級對撞機(superconducting supercollider，SSC)計劃，設(shè)計能量為40太電子伏，但是這個計劃已經(jīng)被否定了，因為花錢太多，要100多億美元。現(xiàn)在可能建成的是歐洲的大型強子對撞機(LHC)，設(shè)計能量是14太電子伏。弱電統(tǒng)一所需的能量是現(xiàn)在可及的范圍，因此這個理論得到了證實。大統(tǒng)一所需的能量幾乎就是不可及的了，再大的加速器似乎也達不到那么大的能量。將四種相互作用都統(tǒng)一時，對應(yīng)的長度是普朗克尺度，用人工方法可能是做不到這一點的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)提出了大爆炸理論。大爆炸的瞬間應(yīng)該是能量最高的瞬間。從理論上估計，大約在大爆炸后10-43秒時出現(xiàn)普朗克尺度。在這個瞬間，四種相互作用都統(tǒng)一在一起，是超大統(tǒng)一的情形。隨著時間的推移，大爆炸之后10-35秒，引力作用已經(jīng)分離出去，是大統(tǒng)一的情形；隨后強相互作用分離出去，