物理學史上三次著名的科學爭論

物理學史上三次著名的—科學爭論-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN物理學史上三次著名的科學爭論一、對熱的本性的認識對熱的本性的認識，在歷史上有“熱質(zhì)說”與“熱的運動說”之爭，其間經(jīng)歷了兩百余年.直到19世紀中葉熱力學第一定律確立，熱的運動說才獲得決定性的勝利.熱是組成物體的粒子的運動這一學說，使得熱和機械功的等效性在概念上是可以理解的，并為機械功和熱的相互轉(zhuǎn)化提供了一個解釋的基礎，也為氣體動理論奠定了基礎.熱的運動說17世紀初，英國哲學家培根從摩擦生熱等現(xiàn)象中得出“熱是一種膨脹的、被約束的而在其斗爭中作用于物體的較小粒子之上的運動”，這種看法影響了許多科學家.英國物理學家波意耳看到鐵釘捶擊后會生熱，想到鐵釘內(nèi)部產(chǎn)生了強烈的運動，所以認為熱是“物體各部分發(fā)生的強烈而雜亂的運動.”胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱“并不是什么其他的東西，而是一個物體的各個部分的非?；钴S的和極其猛烈的運動.”牛頓也指出物體的粒子“因運動而發(fā)熱.”洛克甚至還認識到“極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止.”俄國學者羅蒙諾索夫在18世紀40年代提出了如下的見解：“熱的充分根源在于運動”，即熱是物質(zhì)的運動，運動著的是物體內(nèi)部那些為肉眼所看不見的細小微粒.他認為熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因是由于高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，它自身便會變冷.這些分析肯定了運動守恒在熱現(xiàn)象中的正確性，表明了氣體分子的運動呈現(xiàn)一種“混亂交錯”的狀態(tài)，是雜亂無規(guī)則的.但總的說來，當時熱是運動的觀點尚缺乏足夠的實驗根據(jù)，所以還不能形成為科學理論.熱質(zhì)說的提出隨著古希臘原子論思想的復興，熱是某種特殊的物質(zhì)實體的觀點也得以流傳.法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的.它們非常細致，具有球的形狀，又非?；顫?，因而能滲透到一切物體之中.這個觀念把人們引向“熱質(zhì)說”，認為熱是由無重量的某種特殊物質(zhì)組成的.熱質(zhì)說的主要倡導者，英國化學家布萊克主張把熱和溫度兩個概念區(qū)分開來.他引進了“熱容”的概念，得出了量熱學的基本公式△Q=cmZ.其中c稱為比熱，表示單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高1K所吸收的熱量.他在研究冰和水的混合時發(fā)現(xiàn)，在冰的熔解中需要一些溫度計覺察不出的熱量，進而發(fā)現(xiàn)各種物質(zhì)在發(fā)生物態(tài)變化時都存在這種效應，他由此引進了“潛熱”的概念，指出使冰熔解的過程是潛熱發(fā)生的過程，使水凝固的過程是潛熱移出的過程.在熱質(zhì)說觀點指引下，熱學研究取得了一定的進展.在18世紀前半葉人們開始明白一個有意義的事實：在對混合物所做的實驗中，亦即把溫度不同的諸物體放到一起，熱既不會被創(chuàng)生也不會被消滅.這就是說，不管熱在混合物或保持密切接觸的各種不同物體中間如何重新分布，熱的總量保持不變.現(xiàn)在可以將這條熱量守恒定律表述為：在一個不受外界影響的絕熱系統(tǒng)中，物體A失去的熱量等于物體B得到的熱量，即△QA+AQB=O.這樣一個熱量守恒定律非常自然地使人聯(lián)想到物質(zhì)守恒的概念，有力地使熱質(zhì)說的觀點占了上風.事實上，熱質(zhì)說對熱傳導現(xiàn)象給出了一個簡單的可信的圖像，即剩余的熱質(zhì)要從較熱的物體不斷地流向較冷的物體，直到達到平衡狀態(tài)為止.而用那種把熱視為粒子運動方式的觀點來說明這一觀察的結(jié)果確實很困難.除此之外，熱質(zhì)說還簡易地解釋了當時發(fā)現(xiàn)的大部分熱學現(xiàn)象，比如物體溫度的變化是吸收或放出熱質(zhì)引起的，對流是載有熱質(zhì)的物體的流動，輻射是熱質(zhì)傳播，物體受熱膨脹是因為熱質(zhì)粒子間的相互排斥，等等.熱質(zhì)說的成功，自18世紀80年代起幾乎使整個歐洲都相信了熱質(zhì)說的正確性，從而壓倒了熱的運動說.但是，熱質(zhì)說對熱學的發(fā)展又起著嚴重的阻礙作用.既然把熱看成一種物質(zhì)，而不是物質(zhì)的一種運動形態(tài)，那就不可能有各種物質(zhì)運動形態(tài)的轉(zhuǎn)化.在熱質(zhì)說看來，摩擦所以生熱，只是由于摩擦把“潛熱”擠壓出來，使?jié)摕嶙兂娠@熱，使摩擦后物體的比熱比摩擦前小，所以溫度升高，而熱質(zhì)的量并沒有增加.因此，在熱質(zhì)說占統(tǒng)治地位的18世紀，人們就不可能正確理解由蒸汽機的發(fā)明所揭示的熱和機械運動之間的關系.3.運動說的復興到了18世紀末，熱質(zhì)說受到了嚴重的挑戰(zhàn).隨著實驗材料的增多，越來越表明熱質(zhì)說不能說明物體因摩擦力做功而生熱的現(xiàn)象.1798年英國物理學家倫福德伯爵向英國皇家學會提出了一個報告“論摩擦激起的熱源”，說他在慕尼黑兵工廠監(jiān)督大炮鏜孔工作時，注意到炮筒溫度升高，鉆削下的金屬溫度更高，他提出了大量的熱是從哪里來的這個問題.他敏銳地感覺到徹底研究這一課題，對熱的本質(zhì)可望獲得進一步認識，從而對于熱質(zhì)存在與否這個自古以來哲學家們眾說不一的問題做出合理的推測.接著，他寫道：“熱是否來自鉆腔機所切開的金屬片？如果情形的確是這樣的話，那么根據(jù)現(xiàn)代的潛熱和熱質(zhì)學說，則金屬片的熱容不僅應該變化，而且此變化還應該大到足以成為產(chǎn)生所有熱的源泉.”但是，他通過在絕熱條件下所做的一系列鉆孔實驗，比較了鉆孔前后金屬和碎屑的比熱，發(fā)現(xiàn)鉆削不會改變金屬的比熱.他還用很鈍的鉆頭鉆炮筒，半小時后炮筒升高70°F，金屬碎屑只有54g，相當于炮筒質(zhì)量的1/948，這一小部分的碎屑能夠放出這么大的“潛熱”嗎？于是，他做出結(jié)論：“這些實驗所產(chǎn)生的熱，不是來自金屬的潛熱或綜合熱質(zhì).”他在論文的末尾寫道：“看來在這些實驗中，由摩擦產(chǎn)生熱的源泉是不可窮盡的.不待說，任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無限制提供出來的東西，決不可能是具體的物質(zhì)實體；在我看來，在這些實驗中被激出來的熱，除了把它看做是運動以外，似乎很難把它看做是其他任何東西.”1799年，英國化學家戴維在論文中描述了實驗：在一個同周圍環(huán)境隔離開來的真空容器里，利用鐘表機件使里面的29°F的兩塊冰互相摩擦而熔解為水.他在論文中寫道：“如果熱是一種物質(zhì)的話，它一定是從這幾種方式之一產(chǎn)生的：或者是由于冰的熱容減少，或者是兩物體的氧化，或者是從周圍的物體吸引了熱質(zhì).”可是明顯的事實是，水的熱容比冰的熱容大得多，而冰一定要加上一定量的熱才能變成水，所以摩擦并沒有減少冰的熱容.“也不是由于物體氧化引起的，因為冰根本不能吸引氧氣?”最后，他得出結(jié)論：“既然這些實驗表明，這幾種方式不能產(chǎn)生熱質(zhì)，那么，即就不能當做物質(zhì).所以，熱質(zhì)是不存在的.”他明確指出熱是物體微粒的運動.他說：物體因摩擦而膨脹，則很明顯，它們的微粒一定會運動或相互分離.既然物體微粒的運動或振動是摩擦和撞擊必然產(chǎn)生的結(jié)果，那么，我們就可以做出合理的結(jié)論：熱是物體微粒的運動或振動.倫福德和戴維的實驗與論證是令人信服的，可以說為以后熱質(zhì)說的最終崩潰和熱的運動說的確立提供了最早的論據(jù).但他們的實驗在當時沒有被人們所重視，大多數(shù)學者并沒有因此而改變自己關于熱的本性的觀點.這個問題一直到19世紀熱力學第一定律問世時，才真正得到解決.二、光的微粒說與波動說的論爭光學是一門最古老的物理學分支之一.光的本性問題一直是人們十分關心和熱衷探討的問題.17世紀以來，隨著科學技術的發(fā)展，這種爭論達到了空前激烈的地步，也就是物理學史上著名的微粒說與波動說之爭..根深蒂固的微粒說17世紀的科學巨匠牛頓，也是光學大師，關于光的本性，牛頓是這樣認為的：光是由一顆顆像小彈丸一樣的機械微粒所組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺，這就是光的微粒說.牛頓用微粒說輕而易舉地解釋了光的直進、反射和折射現(xiàn)象.由于微粒說通俗易懂，又能解釋常見的一些光學現(xiàn)象，所以很快獲得了人們的承認和支持.但是，微粒說并不是“萬能”的，比如，它無法解釋為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨立前時，為什么光線并不是永遠走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播等現(xiàn)象.為了解釋這些現(xiàn)象，和牛頓同時代的荷蘭物理學家惠更斯，提出了與微粒說相對立的波動說.惠更斯認為光是一種機械波，由發(fā)光物體振動引起，依靠一種特殊的叫做“以太”的彈性媒質(zhì)來傳播的現(xiàn)象.波動說不但解釋了幾束光線在空間相遇不發(fā)生干擾而獨立傳播，而且解釋了光的反射和折射現(xiàn)象，不過在解釋折射現(xiàn)象時，惠更斯假設光在水中的速度小于在空氣中的速度，這與牛頓的解釋正好相反.誰是誰非，拉開了近代科學史上關于光究竟是粒子還是波動的激烈論爭的序幕.盡管波動說可以解釋不少光學現(xiàn)象，但由于它很不完善，解釋不了人們最熟悉的光的直進和顏色的起源等問題，所以沒有得到廣泛的支持.再加上當時受實驗條件的限制，還無法測出水中的光速，便無法判斷牛頓和惠更斯關于折射現(xiàn)象的假設誰對誰錯.尤其是牛頓在學術界久負盛名，他的擁護者對波動說橫加指責，全盤否定，終于把波動說壓了下去，致使它在很長時間內(nèi)幾乎銷聲匿跡.而微粒說盛極一時，居然在光學界稱雄整個18世紀.2.英姿煥發(fā)的波動說進入19世紀以后，曾被微粒說壓得奄奄一息的波動說重新活躍起來.一個個嶄新的實驗事實，使波動說雄姿英發(fā)，應付自如，進入了一個“英雄時期”.第一位向微粒說發(fā)起沖擊的是牛頓的同胞托馬斯?楊.1801年，年輕的托馬斯?楊一針見血地說：“盡管我仰慕牛頓的大名，但我并不因此非得認為他是百無一失的.我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威也許有時阻礙了科學的進步.”托馬斯?楊為了證明光是一種波，他在暗室中做了一個舉世聞名的光的干涉實驗.我們知道，干涉現(xiàn)象是波動的一個特性，托馬斯?楊的成功，證明了光確實是一種波，它只有用波動說才能解釋，微粒說對此一籌莫展.給微粒說以沉重打擊的第二個實驗是光的衍射實驗.衍射現(xiàn)象也是波的基本特性之一，這是一種波在傳播過程中可以繞過障礙物，或穿過小孔、狹縫而不沿直線傳播的現(xiàn)象.法國物理學家菲涅爾設計了一個實驗，成功地演示了明暗相間的衍射圖樣，在微粒說看來，光的衍射現(xiàn)象則是不可理解的.給微粒說以致命打擊的是對光速值的精確測定.牛頓和惠更斯在解釋光的折射現(xiàn)象時，對于水中光速的假設是截然相反的，誰是誰非，難以證實.到了19世紀中葉，法國物理學家菲索和付科，分別采用高速旋轉(zhuǎn)的齒輪和鏡子，先后精確地測出光在水中的傳播速度只有空氣中速度的四分之三.又一次證明了波動說的正確性.經(jīng)過反復較量，波動說終于壓過了微粒說，取得了穩(wěn)固的地位.到19世紀60年代，麥克斯韋總結(jié)了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，建立了光的電磁理論.到80年代，赫茲通過實驗證實了電磁波的存在，并證明電磁波確實同光一樣，能夠產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象.利用光的電磁說，對于以前發(fā)現(xiàn)的各種光學現(xiàn)象，都可以做出圓滿的解釋.這一切使波動說錦上添花，使它在同微粒說的論戰(zhàn)中，取得了無可爭辯的勝利.3重整旗鼓的微粒說正當波動說歡慶勝利的時候，意外的事情發(fā)生了，以太存在的否定和光電效應的發(fā)現(xiàn)，這些新的實驗事實又一次要置波動說于死地.波動說認為，光是依靠充滿于整個空間的連續(xù)介質(zhì)一一以太做彈性機械振動傳播的.為了驗證以太的存在，1887年，美國物理學家邁克爾遜和莫雷使用當時最精密的儀器，設計了一個精巧的實驗.結(jié)果證明，地球周圍根本不存在什么機械以太.沒有以太，光波和電磁波是怎樣傳播的呢？面對這一波動說難以克服的困難，微粒說躍躍欲試.光電效應的發(fā)現(xiàn)，使微粒說再次“復辟登基”.所謂光電效應，就是指金屬在光的照射下，從金屬表面釋放出電子的現(xiàn)象，所釋放的電子叫做光電子.大量的實驗證明，光電效應的發(fā)生，只跟入射光的頻率有關，只要入射光的頻率足夠高，不管它強度多弱，一旦照射到金屬上，立刻就有光電子飛出.而從波動說的觀點看，光電效應是絕對無法理解的.因此，波動說完全陷入了困境.而愛因斯坦運用光量子說一一全新意義上的微粒說，把光電效應解釋得一清二楚.至此，光的微粒說又昂首挺胸.活躍在科學的舞臺上.但是，愛因斯坦并沒有拋棄波動說，而是把二者巧妙地結(jié)合在一起，并辨證地指出：“光一一同時又是波，又是粒子，是連續(xù)的，又是不連續(xù)的.自然界喜歡矛盾……”，這一思想充分體現(xiàn)在他的光量子理論的兩個基本方程E=hv和p=（h/入）中，把粒子和波緊密地聯(lián)系在一起.三、愛因斯坦與玻爾的歷史性論爭20世紀最偉大的兩位物理學家阿爾伯特?愛因斯坦和尼爾斯?玻爾對于量子力學的創(chuàng)立與發(fā)展，都做出了重大的貢獻.有趣的是，在1927年9月科漠國際物理會議上，當玻爾正式提出了他有名的“互補原理”之后，受到了愛因斯坦的強烈反對.從此，這兩位同時代、同行業(yè)的科學巨星，直到他們死去之前，共進行了近40年具有濃厚哲學色彩的大爭論.即使是現(xiàn)在，仍可感到這一爭論對現(xiàn)代物理學理論基礎研究所產(chǎn)生的沖擊.1.論爭的淵源提及這場大爭論，首先得從哥本哈根學派說起.在20世紀20年代，丹麥著名物理學家玻爾在哥本哈根理論物理研究所以其嚴謹?shù)闹螌W作風、尊重他人首創(chuàng)精神的領導作風，吸引了大批對量子物理學有著基本相同的理解的科學家，成為當時世界上力量最雄厚的物理學派.諸如，海森伯、泡利、狄拉克等年輕的物理學家都先后在這里工作著，其中，玻爾對海森伯提出的測不準關系非常贊賞.1927年9月在意大利科漠召開的國際物理學會議上，玻爾提出了著名的“互補原理”，從哲學上對測不準關系加以概括，用以解釋量子理解的基本特征一一波粒二象性.這一著名的互補原理，被稱之為量子力學的哥本哈根解釋，正是這一解釋受到了愛因斯坦的尖銳批評，從而拉開了這場大爭論的序幕.論爭的過程愛因斯坦與玻爾的論戰(zhàn)持續(xù)了近40年之久，很令人矚目.論戰(zhàn)的內(nèi)容是圍繞著關于量子力學理論的特征和基本概念的解釋問題，而這些問題又都屬于哲學的領域，所以，爭論的實質(zhì)就是圍繞著量子力學的方法論原理及其哲學詮釋.論戰(zhàn)曲折迂回，高潮迭起，大致分成兩個階段.⑴論戰(zhàn)的第一階段1927年科漠會議上玻爾提出“互補原理”，對量子力學第一次作了互補解釋，玻爾是這樣認為的：量子力學理論是一種以能量為動量的統(tǒng)計守恒為基礎的純幾率觀點，量子力學的規(guī)律具有統(tǒng)計性質(zhì).并且，他主張在量子物理中應當拋棄因果性和決定論的概念，而代之以互補原理.1927年10月，第五次索爾維國際物理學討論會在布魯塞爾召開，愛因斯坦在會上發(fā)言，第一次在公開場合下對量子力學的發(fā)展表示不滿.他反對拋棄嚴格的因果性和決定論的概念，堅持基本理論不應當是統(tǒng)計性的，他認為在幾率解釋的后面應當有更深一層的關系，應當能夠揭示微觀世界的因果性聯(lián)系，所以他在會議上支持德布羅意的導波理論.為了揭露量子力學理論的邏輯矛盾性，從而否定測不準關系，愛因斯坦還精心設計了一系列的理想實驗，企圖駁倒玻爾，玻爾據(jù)理力爭，一次次巧妙地擺脫了困境.例如，愛因斯坦設計了一個可以稱重量，且有可控快門的光箱子實驗，并以此來否定能量對時間的測不準關系.而對此嚴重的挑戰(zhàn)，玻爾經(jīng)過一個不眠之夜的緊張思考，終于喜出望外地發(fā)現(xiàn).可以“以其人之道還治其人之身”的辦法回擊愛因斯坦，即利用愛因斯坦廣義相對論中時鐘速率與引力勢的關系，駁倒了愛因斯坦的挑戰(zhàn).因此，愛因斯坦不得不承認量子力學的邏輯一貫性.（2）論戰(zhàn)的第二階段當愛因斯坦試圖從邏輯上反駁哥本哈根學派而遭受挫折后，便放棄了這方面的努力，轉(zhuǎn)而集中于批評量子力學理論的不完備性.1931年2月26日，愛因斯坦等三人合作發(fā)表了“量子力學中過去和未來的知識”的文章，認為測不準關系式并不能提供量子力學的過去的確定知識.從而拉開了進一步的論戰(zhàn).1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森一起發(fā)表了題為“能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？”一文，提出了著名的以他們?nèi)诵彰^一個字母命名的“EPR悖論”，使這場論戰(zhàn)再次出現(xiàn)了高峰.文章首先提出了理論的完備性和實在性的定義，并建立了一種“非此即彼”的抉擇關系，即量子力學理論如果是完備的，則不可對易算子所表征的物理量不同時為實在；或者相反，如果理論是不完備的，則物理量同時為實在.其次，文章證明，如果波函數(shù)所提供的描述是完備的，那么所涉及的不可對易量必定是實在的.而根據(jù)前面所建立的“非此即彼”抉擇關系，不難看出，其唯一可能的結(jié)論是波函數(shù)所提供的描述為不完備的.愛因斯坦等人通過對兩個相干系統(tǒng)的分析，做到了不僅是完成了邏輯上的詰難，而且還具體地構造了一個滿足“排除了干擾的測量”的要求的體系，用以說明量子力學對物理實在的描述是不完備的.這稱之為“EPR悖論”.EPR悖論邏輯結(jié)構是十分嚴密的，要進行反駁是極其不易的.但EPR悖論中所提出的定義及觀點，又必須最后訴諸“測定”，既然還有賴于測量，那就恰好為玻爾的反駁提供了突破點.1935年10月，玻爾以相同的標題公開回答了上述諸難.指出既然EPR的作者在“實在性”的定義中談論了測量，那么就不應該把測量操作與被測對象割裂開來討論，而必須把現(xiàn)象同獲取現(xiàn)象的條件以及器械包括在內(nèi)進行描述.所以，玻爾在