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1、科技史与自然观 -20世纪的物理学革命主讲人:陈红兵 东北大学文法学院哲学系现代自然科学一、20世纪初的物理学革命n序幕:三大发现电子、X射线和天然放 射性n起因:两朵乌云“黑体辐射”和“以太风”实 验n成就:相对论与量子力学的提出 二、现代自然科学的新发展n粒子世界的新发现n凝聚态物理和天体物理n结构化学和高分子化学n分子水平的生物学研究20世纪初的物理学革命19世纪的力学、光学、热学、电磁学取 得了辉煌的成果,物理学家们怀着无 比自豪的心情进入到20世纪。当时的 绝大部分物理学家认为,物质世界的 运动已经构成了一幅清晰的画面,基本 问题都已研究清楚了,留给下一代人 所做的工作,将不过是把已
2、有的实验 做得更精密一些,使测量数据的小数 点后面再增加几位有效数字而已。1900年,当时英国物埋学界最有地位的凯尔 文勋爵在送别旧世纪和瞻望20世纪的文章 中说,物理学的理论框架已经基木建成, 后辈要做的只是一些零碎的修补工作。但 是,他毕竟还有一些远见,还承认在物理 学晴朗天空的远处,尚有两朵小小的令人 不安的乌云,这就是当时的物理学无法解 释的热辐射实验和迈克尔逊一莫雷实验。 然而凯尔文和当时的许多科学家都没有料 到,正是这两朵小小的乌云和19世纪末一 系列新的实验,却降下了20世纪物理学革 命的暴风骤雨,并使整个自然科学进入了 个崭新的阶段。电子、x射线和天然放射性n实验对象:低压放电
3、阴极射线现象辉光 针对射线的组成和性质的研究发现电子 针对射线引起的荧光现象的研究发现X射线 针对X射线生成的研究发现天然放射性 1897年汤姆生测定电子速度、电荷、质量及荷质 比 1895年伦琴发现伦琴射线 1896年贝克勒尔发现铀元素的天然放射性 1897年居里夫妇定量测定铀的放射性强度,后发 现镭,证明了放射性元素的射线同X射线不同 1900年卢瑟福分解放射性射线并命名n原子物理学产生汤姆生的“面包夹葡萄干”原子模型被卢瑟福 通过a粒子轰击铂片实验证伪,进而提出原 子的有核模型(原子结构的行星模型)n经典物理学的缺口 原子非最小;元素非固定不变;质量不守恒; 能量不守恒;能量和质量相联系
4、经典物理学的质量守恒、能量守恒、运动定 律等基本定律层面临挑战n19世纪末和20世纪初的这些发现打开了经典物理学的缺口,使人们认识到以往的物理学的基础决不是已经充分牢固和完善,物理学家们决不只是要在小数点后面做文章,而是要研究原子世界内部的奥秘,从根本上改变原来的自然观。n原来认为原子是不可分割的最小质点;现在,原子里面蹦出了电子,还发射出来X射线和射线,铁板一块的原子解体了,微妙复杂的原子内部结构摆在人们的面前。n原来认为元素是固定不变的;现在,一种元素可以蜕变为另一种元素,同一种元素也可以有不同的原子量。n原来认为物质的质量与运动无关;现在,电子的质量随运动速度的变化而改变质量似乎“不守恒
5、了。n原来认为能量守恒只存在于机械能、热能的相互转化之中现在,一块静止的放射物质本身就是热源,即使没有外力的作用能量也源源不断,能量好像也“不守恒”了。n原来质量和能量互不搭界;现在,放射性物质 由于能量不断释放,质量也不断减少,质量与 能量联系在一起了。n电子、射线和天然放射性这三大发现,猛烈 地冲击着牛顿力学的物质、质量、能量、运动 等基本概念,经典物理学巾的质量守恒、能量 守恒、运动定律等基本定律面临严峻考验,物 理学的革命风暴来临了。爱因斯坦的相对论n起因乌云之一“迈克尔逊莫雷实验” 由光学研究开始牛顿的光的“粒子说” 直观经验同新研究领域的矛盾光的“介质” 牛顿和麦克斯韦的回答理想参
6、照系“以太” 实验焦点以太风是否存在 替代的推论假说垂直地球和顺地球公转方向 的光速差 结果”零结果” 存在可能重设“以太”的属性“以太”不存在 直接的问题:光波(没有介质)如何传播 结果:跨出经典物理学体系n洛仑兹假设收缩假设n爱因斯坦论动体的电动力学狭义相对 论基本假设一:对任何惯性系,一切自然定理同 样适用,不存在绝对参照系,即相对性原理, 摒弃了以太。对于基本假设二:对于任何惯性系,自由空间 中光速相同,即光速不变原理。推论一:同时性的相对性推论二:时钟延缓不存在绝对时间推论三:长度缩短不存在绝对空间推论四:物体质量随速度变化质量非恒定推论五:质能相关奠定了原子能理论的基 础n爱因斯坦
7、的广义相对论升降机(思维)实 验将狭义相对论推广到非惯性系(变速运动参考 系),得出自然定律在任何参考系中都可以表 示为相同的数学模式,即自然定律的数学形式 等效的等效定律。建立广义相对论的引力场方程,论证现实空间 不是平坦的欧几里德空间,而是弯曲的黎曼空 间。可验证推论:水星近日点的进动、引力场使光 线偏转、光谱线的引力红移等n爱因斯坦相对论的意义:新的时空观、运动观、物质观促成量子论形成的三个因素n第一,对“紫外光灾难”的解释n黑体辐射n维恩位移定律和瑞利金斯定律n普朗克的“能量原子”概念,量子=hv,h普朗克常 数,解决了“紫外光灾难”问题n第二,对光电效应的解释n1905年爱因斯坦发展
8、了普朗克的能量量子化的 概念,提出光量子假说,认为电磁波本身也是 量子化的。光量子假说的提出是光的微粒说在 更高水平上的某种复归,揭示了光既有波动性 又有微粒性的双重特性。n第三,对原子稳定性的解释n卢瑟福的原子行星模型n玻尔(18851962)丹麦人把行星模型量子 化n1924年法国物理学家德布罗意提出波粒二象性 假说n1927年美国的戴维逊等物理学家正是了电子也 是波。n波粒二象性的揭示,使人们有可能从根本上越 出经典物理学的规范,开创出一门专门研究微 观世界运动规律的统一理论量子力学量子力学n奥地利物理学家薛定谔(18871961)是量 子力学的奠基人之一。1926年他发表6篇文章 ,建
9、立了描述微观粒子运动的波动力学和波动 方程。提出波函数概念。同年德国物理学家玻 恩对波函数作出统计解释。n德国物理学家海森堡在1925年从另一途径为量 子力学创立奠定了基础,他创立矩阵力学。 1927年他推出了测不准原理和测不准关系式n由于薛定谔、海森堡、波恩、狄拉克、 泡利等人的努力,量子力学在20世纪30 年代初已形成为完整的体系。n量子论和量子力学的建立,使人们从根 本上改变了只承认联系性和机械力学决 定论的经典观念,论证了连学与间断统 一的自然观,揭示了物质世界中统计决 定论的因果观。物理学革命对科学观的冲击n对思想观念的冲击:对相对论的建立曾作出过 重要贡献的洛伦兹,一直为自己 与他
10、同时代的 人的科学发现同经典概念相抵触而十分苦恼。 他说:“在今天,人们提出了与昨天所说的截然 相反的主张。这样一来,已经没有真理的标准 了,也不知道科学是什么了。我真后悔我未能 在这些矛盾出现前五年死去。”n对科学知识真理性的怀疑:马赫、彭加勒认为 ,科学不能提供真实的知识,而只不过是人们 为了方便而创造的符号和实用的处方。物理学革命对自然观的冲击n围绕量子力学所进行的争论直到今天还 在继续。n以玻尔为首,包括海森堡、泡利等在内 的哥本哈根学派同爱因斯坦、普朗克、 薛定谔等对波函数的统计解释问题曾展 开了激烈的争论。n双方都赞成用统计的方法研究量子力学 ,都承认波动方程的波函数。n他们的分歧在于:n哥本哈根学派认为,波函数的几率解释是最后 的解释,量子力学是一个非决定论的纯统计理 论,统计规律是首要的、根本的。n爱因斯坦等人认为,统计规律只是我们对系统 知识不完备才引进来的一种临时办法,物理学 中的统计理论只不过是一种不充分的、不完善 的理论,并批评哥本哈根学派否认微观世界中 的因果规律。n哥本哈根学派则指责爱因斯坦等不充分了解波 函数意义和自然规律的统计性,认为爱因斯坦 是在把物理学拉向后退。n在对测不准关系的理解上,双方也存在 着根本的分歧。n哲学上的工具实在论、关系实在论问题