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1、物理学史上三次出名的科学争论 作者：佚名 文章来源：互联网收集整顿 点击数：451 更新时间：-12-8 一、对热的本性的结识对热的本性的结识，在历史上有“热质说”与“热的运动说”之争，其间经历了两百余年直到19世纪中叶热力学第一定律确立，热的运动说才获得决定性的胜利热是构成物体的粒子的运动这一学说，使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的，并为机械功和热的互相转化提供了一种解释的基本，也为气体动理论奠定了基本 1热的运动说 17世纪初，英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种见解影响了许多科学家英国物理学家波意耳看到铁
2、钉捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，因此觉得热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动”胡克用显微镜观测了火花，觉得热“并不是什么其她的东西，而是一种物体的各个部分的非常活跃的和极其剧烈的运动”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热”洛克甚至还结识到“极度的冷是不可察觉的粒子的运动的停止” 俄国学者罗蒙诺索夫在18世纪40年代提出了如下的见解：“热的充足本源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内部那些为肉眼所看不见的细小微粒她觉得热量从高温物体传给低温物体的因素是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒导致的，它自身便会变冷这些分析肯定了运动守恒在热现象中的对的性，表白了气体分
3、子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的但总的说来，当时热是运动的观点尚缺少足够的实验根据，因此还不能形成为科学理论 2热质说的提出 随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得以流传法国科学家和哲学家伽桑狄觉得，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的它们非常细致，具有球的形状，又非常活泼，因而能渗入到一切物体之中这个观念把人们引向“热质说”，觉得热是由无重量的某种特殊物质构成的 热质说的重要倡导者，英国化学家布莱克主张把热和温度两个概念辨别开来她引进了“热容”的概念，得出了量热学的基本公式Qcmt
4、其中c称为比热，表达单位质量物质温度升高1所吸取的热量她在研究冰和水的混合时发现，在冰的熔解中需要某些温度计察觉不出的热量，进而发现多种物质在发生物态变化时都存在这种效应，她由此引进了“潜热”的概念，指出使冰熔解的过程是潜热发生的过程，使水凝固的过程是潜热移出的过程 在热质说观点指引下，热学研究获得了一定的进展在18世纪前半叶人们开始明白一种故意义的事实：在对混合物所做的实验中，亦即把温度不同的诸物体放到一起，热既不会被创生也不会被消灭这就是说，不管热在混合物或保持密切接触的多种不同物体中间如何重新分布，热的总量保持不变目前可以将这条热量守恒定律表述为：在一种不受外界影响的绝热系统中，物体A失
5、去的热量等于物体B得到的热量，即 这样一种热量守恒定律非常自然地使人联想到物质守恒的概念，有力地使热质说的观点占了上风事实上，热质说对热传导现象给出了一种简朴的可信的图像，即剩余的热质要从较热的物体不断地流向较冷的物体，直达到到平衡状态为止而用那种把热视为粒子运动方式的观点来阐明这一观测的成果的确很困难 除此之外，热质说还简易地解释了当时发现的大部分热学现象，例如物体温度的变化是吸取或放出热质引起的，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质传播，物体受热膨胀是由于热质粒子间的互相排斥，等等热质说的成功，自18世纪80年代起几乎使整个欧洲都相信了热质说的对的性，从而压倒了热的运动说 但是，热质说对
6、热学的发展又起着严重的阻碍作用既然把热当作一种物质，而不是物质的一种运动形态，那就不也许有多种物质运动形态的转化在热质说看来，摩擦因此生热，只是由于摩擦把“潜热”挤压出来，使潜热变成显热，使摩擦后物体的比热比摩擦前小，因此温度升高，而热质的量并没有增长因此，在热质说占统治地位的18世纪，人们就不也许对的理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系 运动说的复兴 到了18世纪末，热质说受到了严重的挑战随着实验材料的增多，越来越表白热质说不能阐明物体因摩擦力做功而生热的现象1798年英国物理学家伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一种报告“论摩擦激起的热源”，说她在慕尼黑兵工厂监督大炮镗孔工作时，注
7、意到炮筒温度升高，钻削下的金属温度更高，她提出了大量的热是从哪里来的这个问题她敏锐地感觉到彻底研究这一课题，对热的本质可望获得进一步结识，从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题做出合理的推测 接着，她写道：“热与否来自钻腔机所切开的金属片？如果情形的确是这样的话，那么根据现代的潜热和热质学说，则金属片的热容不仅应当变化，并且此变化还应当大到足以成为产生所有热的源泉”但是，她通过在绝热条件下所做的一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻削不会变化金属的比热她还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒升高70F，金属碎屑只有54，相称于炮筒质量的1948，这一小部分的碎屑可以
8、放出这样大的“潜热”吗？于是，她做出结论：“这些实验所产生的热，不是来自金属的潜热或综合热质”她在论文的末尾写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的不待说，任何与外界隔绝的物体或物体系，可以无限制提供出来的东西，决不也许是具体的物质实体；在我看来，在这些实验中被激出来的热，除了把它看做是运动以外，似乎很难把它看做是其她任何东西” 1799年，英国化学家戴维在论文中描述了实验：在一种同周边环境隔离开来的真空容器里，运用钟表机件使里面的29F的两块冰互相摩擦而熔解为水她在论文中写道：“如果热是一种物质的话，它一定是从这几种方式之一产生的：或者是由于冰的热容减少，或者是两物体的氧化，
9、或者是从周边的物体吸引了热质”可是明显的事实是，水的热容比冰的热容大得多，而冰一定要加上一定量的热才干变成水，因此摩擦并没有减少冰的热容“也不是由于物体氧化引起的，由于冰主线不能吸引氧气”最后，她得出结论：“既然这些实验表白，这几种方式不能产生热质，那么，即就不能当做物质因此，热质是不存在的”她明确指出热是物体微粒的运动她说：物体因摩擦而膨胀，则很明显，它们的微粒一定会运动或互相分离既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的成果，那么，我们就可以做出合理的结论：热是物体微粒的运动或振动 伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的，可以说为后来热质说的最后崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据但她
10、们的实验在当时没有被人们所注重，大多数学者并没有因此而变化自己有关热的本性的观点这个问题始终到19世纪热力学第一定律问世时，才真正得到解决 二、光的微粒说与波动说的论争 光学是一门最古老的物理学分支之一光的本性问题始终是人们十分关怀和热衷探讨的问题17世纪以来，随着科学技术的发展，这种争论达到了空前剧烈的地步，也就是物理学史上出名的微粒说与波动说之争 根深蒂固的微粒说 世纪的科学巨匠牛顿，也是光学大师，有关光的本性，牛顿是这样觉得的：光是由一颗颗像小弹丸同样的机械微粒所构成的粒子流，发光物体接连不断地向周边空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这
11、就是光的微粒说牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象由于微粒说通俗易懂，又能解释常用的某些光学现象，因此不久获得了人们的承认和支持 但是，微粒说并不是“万能”的，例如，它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边沿拐弯传播等现象 为理解释这些现象，和牛顿同步代的荷兰物理学家惠更斯，提出了与微粒说相对立的波动说惠更斯觉得光是一种机械波，由发光物体振动引起，依托一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象波动说不仅解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播，并且解释了光的反射和折射现象，但是在解释折射现象时，惠更斯
12、假设光在水中的速度不不小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反谁是谁非，拉开了近代科学史上有关光究竟是粒子还是波动的剧烈论争的序幕 尽管波动说可以解释不少光学现象，但由于它很不完善，解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的来源等问题，因此没有得到广泛的支持再加上当时受实验条件的限制，还无法测出水中的光速，便无法判断牛顿和惠更斯有关折射现象的假设谁对谁错特别是牛顿在学术界久负盛名，她的拥护者对波动说横加指责，全盘否认，终于把波动说压了下去，致使它在很长时间内几乎销声匿迹而微粒说盛极一时，居然在光学界称雄整个18世纪 2英姿焕发的波动说 进入19世纪后来，曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来一
13、种个崭新的实验事实，使波动说雄姿英发，应付自如，进入了一种“英雄时期” 第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯?杨18，年轻的托马斯?杨一针见血地说：“尽管我仰慕牛顿的大名，但我并不因此非得觉得她是百无一失的我遗憾地看到，她也会弄错，而她的权威也许有时阻碍了科学的进步”托马斯?杨为了证明光是一种波，她在暗室中做了一种举世闻名的光的干涉实验我们懂得，干涉现象是波动的一种特性，托马斯?杨的成功，证明了光的确是一种波，它只有用波动说才干解释，微粒说对此一筹莫展 给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验衍射现象也是波的基本特性之一，这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物，或穿过小孔、狭缝而不沿直
14、线传播的现象法国物理学家菲涅尔设计了一种实验，成功地演示了明暗相间的衍射图样，在微粒说看来，光的衍射现象则是不可理解的 给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时，对于水中光速的假设是截然相反的，谁是谁非，难以证明到了19世纪中叶，法国物理学家菲索和付科，分别采用高速旋转的齿轮和镜子，先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三又一次证明了波动说的对的性 通过反复较劲，波动说终于压过了微粒说，获得了稳固的地位到19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立了光的电磁理论到80年代，赫兹通过实验证明了电磁波的存在，并证明电磁波的确同光同样，可以
15、产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象运用光的电磁说，对于此前发现的多种光学现象，都可以做出圆满的解释这一切使波动说锦上添花，使它在同微粒说的论战中，获得了无可争辩的胜利 3重整旗鼓的微粒说 合法波动说欢庆胜利的时候，意外的事情发生了，以太存在的否认和光电效应的发现，这些新的实验事实又一次要置波动说于死地 波动说觉得，光是依托布满于整个空间的持续介质以太做弹性机械振动传播的为了验证以太的存在，1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器，设计了一种精致的实验成果证明，地球周边主线不存在什么机械以太没有以太，光波和电磁波是如何传播的呢？面对这一波动说难以克服的困难，微粒说跃跃欲试光电效应的发现，使微粒说再次“复辟登基”所谓光电效应，就是指金属在光的照射下，从金属表面释放出电子的现象，所释放的电子叫做光电子大量的实验证明，光电效应的发生，只跟入射光的频率有关，只要入射光的频率足够高，不管它强度多弱，一旦照射到金属上，立即就有光电子飞出而从波动说的观点看，光电效应是绝对无法理解的因此，波动说完全陷入了困境而爱因斯坦运用光量子说全新意义上的微粒说，把光电效应解释得一清二楚至此，光的微粒说又昂首挺胸活跃在科学的舞台
