发生时间
20世纪初
入选理由
1.打开了原子世界的大门,促使人们深入研究物质结构;
2.推动了原子核物理学与粒子物理学的诞生;
3.把物理学和哲学结合在一起,推动了物理学的发展。
事件简介
19世纪末,物理学家普遍沉浸在经典物理学的成果当中,认为物理学已经走到尽头了。X射线、放射线和电子的发现,打开了原子世界的大门。后来,在马赫经验哲学的引导下,普朗克率先明确支持狭义相对论,客观上揭开了物理学革命的序幕。实验物理学家卢瑟福提出嬗变理论,冲破了传统的物质观。1905年,爱因斯坦的三大发现全面打开了物理学革命的局面。
事件经过
如果人人都说,太棒了,你真是太完美了。你会怎么样呢?
对有些人来说,普世的赞美,会带来无上的荣光,而对有些人来说,却意味着危机的潜伏。
19世纪末期,物理学被认为达到一个完美、成熟的地步,人类可见的一切物理现象,都能从已有的物理理论中找到答案。一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释,牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场的统一理论,这种理论还可以用来阐述波动光学的基本问题。至于热学现象,也已经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能做出合理的说明。总之,经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学,成为经典物理学大厦中的三个支柱,它们交相辉映,共同构筑了物理学辉煌灿烂的殿堂,仿若奥林匹亚的宙斯神殿熠熠发光,宣告着人类非凡的智慧与美。在这光芒的照耀下,大多数的物理学家都心神荡漾,认为物理学已成为“完美”,“往后难有作为了”。
19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家们齐聚一堂,英国的著名物理学家开尔文在会上发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩的只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。第一朵乌云出现在光的波动理论上,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦—波尔兹曼理论上。”
开尔文在1900年4月发表了题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云,主要是指A。迈克尔逊的实验结果和以太漂移说相矛盾;他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论所出现的“紫外灾难”最为突出。但是,正如赞美并不意味着完美,乌云带来的是大雨过后更加明净的蓝天。正是靠着这“两朵乌云”,引发了后来著名的“三大实验发现”,最终引起了“物理学革命”。
马赫像1895年,伦琴发现X射线,贝克勒尔后来在此基础上发现了更为重要的放射。1898年4月12日,居里夫人宣布钍像铀一样具有放射性,从而表明放射性绝不只是某个元素独有的现象,将放射性研究推向了一个新的高度。1899年卢瑟福等人通过实验发现,天然放射线是由带正电的射线α和带负电的射线β组成的。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。稍后汤姆逊发现,所有的阴极射线粒子,不论来源于那种物质,本质上都是一样的,而且其质量和电荷比值相同,是比原子小得多的粒子。汤姆逊的这一发现彻底打破了原子不可再分的传统观念,一举敲开了亚原子的大门,后来洛伦兹把这种阴极射线粒子命名为“电子”。
变革总是痛苦的,新事物的诞生也注定不会一帆风顺。三大实验发现,猛烈地冲击了牛顿力学的物质质量、能量、动量等基本概念,也动摇了经典物理学中质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律。面对这些冲击和危机,一些固步自封的物理学家悲观失望,唯心主义开始趁虚而入。
乌云带来了电闪雷鸣,传统物理学界注定会有一场滂沱大雨。开尔文开始宣称,X射线的发现是一场“精心策划的骗局”;他将自己曾经做过巨大贡献的热力学第二定律置于脑后,对于镭的热效应的发现,硬说热能是从周围得到的;对于元素嬗变理论他也竭力反对,原因则是近乎可笑的认为该理论与“原子”的词源(原子在希腊语中意味着不可分)相矛盾。有些物理学家,如荷兰的洛伦兹,则想在不触犯经典理论框架的前提下,把力学和电动力学调和起来,他一直认为以太是具有一定优点的概念。
同样,也有物理学家站出来支持新的理论。奥地利哲学家、物理学家马赫认为,概念不是绝对永久有效的,而是可以嬗变的。如果概念不适用,这些概念就会很快地被事实改正过来。当一个狭隘的专门科学领域的有效概念无法用于新的研究领域时,就需要创造一种适用于更广泛的研究范围的概念。经过嬗变的概念,既能说明不同的科学,还能超出它们的范围获得广泛的应用。马赫认为科学应该与时俱进,应该是不断修正的。
在这场物理学的争论中,马赫的说法显然具有积极意义。马赫的经验哲学是物理学革命的指导思想,也直接催生了相对论和量子力学的实证主义。从这个意义上说,马赫是物理学新时代行将到来的启蒙者和相对论的先驱。
马赫之后,批判学派的其他人物也对经典力学的基本观念展开了批判。德国物理学家普朗克吸收了马赫哲学中有益的部分,认为不应该将经典理论教条化,在1900年12月14日作出了划时代的选择——在追求客观规律哲学思想的指引下,他第一个明确支持狭义相对论。他鼓励他的学生审查该理论在广泛的物理过程中的应用,他本人也撰写了好几篇论文,出色地论证了相对论富有启发性的作用。尽管相对论当时还没有什么实验性的支持证据,但普朗克的发现,在客观上揭开了物理学革命真正的序幕。
卓越的实验物理学家卢瑟福也是物理学革命过程中勇敢的斗士。他从不祟拜偶像、迷信权威,不论世界上哪个实验室宣布取得了重大成果,他几乎都要亲自动手,进行实验,以判断其可靠性和准确性。他提出的嬗变理论冲破了传统的物质观。
蓝天和乌云,并不总是矛盾,永远万里无云,并不意味着就永远阳光明媚。雷电交加,换来了绚烂彩虹,回顾一路风雨,都充满了意义。爱因斯坦曾说,马赫的概念嬗变原则曾给了他很大的启示,他完全赞同这一原则,并以此为基础进行了重要的引申和发挥。爱因斯坦说,在科学探索的活动中,“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础”。最终在1905年,爱因斯坦发展了量子论,提出光量子假说,解决了光电效应问题,一举作出了三项惊人的大发现,全面打开了物理学革命的局面。物理学迎来了一个全新的时代。
影响和评价
物理学革命中提出的量子论,是自牛顿以来自然哲学所经历的最伟大、最深远的革命。量子论和相对论是现代物理学的两大基石,它们共同构成了现代物理学的基础。相对论和量子力学的确立是物理学革命的高潮,以物理学革命为先导,化学、生物学、天文学、地学等学科的理论也都发生了革命性的突破。
量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学,指导了制造原子弹、氢弹和建立核电站,给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。物理学革命第一次将哲学视角引入物理学研究中,标志着人类对客观规律的认识,开始从宏观世界深入到了微观世界。他们不仅对物理学本身,对自然科学,对整个人类的思维都产生了不可磨灭的影响。