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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
