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五次物理学史上的理论大综合

(2013-09-20 21:47:02)
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物理

文化

一、第一次物理学史上的大综合,诞生了牛顿的经典力学

今天我们看来,古代物理学严格的讲还不能叫做物理学,因为它只是从一些朴素的自然界、社会、生产生活中所看到、听到、体验到的一些现象的简单归纳和总结出来的一些假说、假设、结论等等,还没有用到现代科学、现代物理学的基本的研究方法——即实验科学方法。而将实验科学的方法引入物理学领域的正是意大利的物理学家伽利略,将实验科学的方法引入物理学的研究领域这是伽利略对物理学的最大贡献,我们可以这样说,伽利略是近代物理学之父。他的贡献不仅是提出了实验科学这一物理学的研究方法,而且还创造性的用这个方法进行研究、归纳总结出一些重要的物理学结论和原理,为牛顿进行的第一次物理学大综合奠定了坚实的基础。

1582年伽利略利用实验科学方法发现了摆钟的“等时性原理”,否定了亚里士多德的“摆幅短需时少”的错误观点,这一年他刚入大学,只有18岁。1589年伽利略研究了落体运动与斜面问题,做了著名的“比萨斜塔实验”,否定了亚里士多德的关于“物体下落的速度与物体的重量成正比”的说法,得出了“物体下落的速度与物体的重量无关”的正确结论;这年他还做了著名的“斜面实验”,推理、归纳和总结得到了“惯性原理”,过了50多年,笛卡尔1644年也清晰的叙述了这一点。伽利略对物理学的贡献有如下三个方面:(1)在物理学的研究中确立了以观察和实验为基础的研究方法。(2)在物理学的研究中首先运用实验与数学相结合的研究方法。(3)在物理学的研究中建立了一套完整的科学思想和研究方法。因此,伽利略是近代物理学的创始人,是近代物理学之父。从1601年开始德国天文学家开普勒师从丹麦天文学家第谷到捷克进行天文学的学习与研究,不过他们的师生情谊只有几个月时间,1601年只活了55岁的第谷撒手西归了,在逝世前第谷将自己近40年时间对于天体运动的详细准确的观察记录留给了开普勒。1571年出生的开普勒从30岁开始进行第谷的未竟事业,他的主要工作就是运用第谷的观则数据进行反复的计算,提出新的观点与理论。艰难的计算、枯燥的计算、精确的计算、长期的计算,10年之后的1809年开普勒出版了《火星之论述》,书中提出了行星运动的第一、第二定律。再过10年他在《宇宙和谐论》一文中提出了行星运动的第三定律。此外开普勒还发明了天文望远镜即折射式望远镜,开普勒行星运动三定律几乎是牛顿万有引力定律的直接前提。

牛顿曾经谦虚的说自己之所以能够取得一些成就,那是因为站在巨人的肩膀上。这些巨人应该就是伽利略、开普勒、胡克等人,牛顿在伽利略、开普勒等人的基础上把物体运动规律归结为三条基本的运动定律和一条万有引力定律,把过去一向以为截然无关的地上物体和天体运动规律统一起来,并且运用自己发明的数学理论微积分创立了完整的经典力学体系,完成了物理学历史上的第一次大综合。这年是1685年,43岁的牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书,将自己的研究成果在该书中进行了完整的阐述,建立了经典力学。从伽利略(1564-1642年)到开普勒(1571-1630年)到牛顿(1642-1727年),经过几代物理学家们的共同努力,终于完成了物理学的第一次大综合,成就了经典力学的理论以及有史以来最为伟大的物理学家牛顿。而且这种理论经过200余年的发展达到了完善的地步,谁也不去怀疑,谁也不会怀疑,现在我们中学所学习的物理学知识还是牛顿的经典力学。

二、第二次物理学的大综合确立了能量转化和守恒定律。

经典力学的体系建立起来了,随着科学技术与生产力的发展,特别是十八世纪末十九世纪初蒸汽机的发明和推广,促进了人们对于热的本质和热与机械运动的相互关系及能量转化问题的研究。热的本质是什么?最早十八世纪中叶的苏格兰科学家布莱克等人提出了“热质说”理论,认为热是由一种特殊的、没有重量的流体物质即热质或热素组成。一开始“热质说”就像“燃素说”一样可以解释一切热现象,因此为当时的一些物理学家们所接受,成为十八世纪热学中占统治地位的理论。

但是,好景不长,1798年英国一个工厂的技师汤普森(1753-1814年)即伦福德伯爵发现当用钻头钻炮筒时,炮筒和铁屑的温度同时升高了,钻头越钝产生的热量越大,他用一支钝得无法切削的钻头连续钻了20小时45分钟,致使18磅水达到沸点。这突然增加的“热质”从何而来?他在发现了“热质说”的缺陷后提出了唯动说。1827年苏格兰的植物学家布朗发现了“布朗运动”,从而证实了物质分子的永不停息的无规则运动。19世纪二十年代,法国工程师卡诺(1796-1832年)集中研究了蒸汽机即热机的内部矛盾问题,于1824年发表了《关于火的力学考查》一书,这是他一生发表的唯一著作。他提出了卡诺循环以及热机效率等问题,提出了热力学第二定律的基本内容。随着对热机的研究,19世纪四十年代有十几位不同的物理学家几乎同时提出了能量转化和守恒定律即热力学第一定律,彻底推翻了“热质说”,进一步导致了热学理论的系统化、完善化。六十年代英国的威廉.汤姆生(1824-1907年)以及德国的克劳修斯(1822-1888年)总结了卡诺的工作,分别提出了热力学第二定律

通过焦耳、迈尔、亥姆霍兹、克劳修斯等一大批物理学家的共同努力,导致了热力学第一、第二定律的发现,特别是能量转化和守恒定律的建立,揭示了热、机械、电化学等各种运动形式之间的相互联系和相互转化的关系,从而实现了物理学的第二次大综合。这次大综合不仅由第一次动力革命而来,而且还直接引起了18世纪的工业革命,带来了生产力的巨大发展和社会领域的重大变革。

三、第三次物理学的大综合和统一电磁场理论的确立。

人们对于电磁本质的认识远远在力学、热学之后,这当然与现实生活和科学技术的发展水平有很大的关系。1600年英国的医生、物理学家吉尔伯特出版了《论磁石》一书,被认为是近代电学的开始,他创造了“电”这个名字,研究了磁石之间的引力。1660年德国的马德堡市的市长格里凯发明制成了第一个起电机,1709年豪克斯克改进了格里凯的起电机,并且能够得到较强的电火花。1729年英国人格雷引入了导体的概念。1745年荷兰莱顿大学教授马森布洛克(1692-1761年)发明了第一个蓄电器——莱顿瓶。美国人富兰克林(1706-1790年)在电学领域取得了突出的成就,他用实验证实了天上的雷电与起电机上产生的电是同样的;他创造了许多电学上的专门词汇如正电、负电、电容器、充电、放电、电击、电枢电刷等概念,发明了避雷针;他还用平行板电容器解释了莱顿瓶的原理,建立了电现象的第一个理论。不过这一时期牛顿等巨人们的才智并没有用在对电磁学的研究方面,静电学理论的系统研究是从库仑开始的。

我们知道,一种理论只有将数学引入进来,从定性进入定量研究才能够形成精密、科学、系统、严谨的理论,而且任何理论都必须接受实验的检验,物理学的创立和发展就是这样。法国物理学家库仑(1736-1806年)原来是研究实用力学的,他在扭转力方面的研究取得了突出的成果,因而在1781年被当选为法兰西科学院院士,也正是他在扭转力方面的研究使他在静电学的研究领域取得了巨大的成功。1775年他利用扭秤原理制成了一个静电计,1785年库仑从大量实验中发现电力的增长与距离的平方成正比,从而进一步研究得出了我们大家熟悉的库仑定律,这个结论是库仑利用万有引力定律的公式进行类比推理而得到的。后来,库仑又把电荷之间的这一相互作用的规律推广到磁场,得到了磁极之间相互作用的规律。(事实上早在1771年英国的物理学家卡文迪许就研究通过实验得到了库仑定律的结果,只是没有发表出来,后来由麦克斯韦整理他的遗物时发现并发表)。库仑定律是电学中的第一个定量的定律,由于他把力学方法移植到了电学领域,打开了数学通向这个领域的道路,在数学的参与下,电学开始成为一门独立的学科。经过高斯、韦伯等物理学家们的共同努力,终于建立了以库仑定律、高斯定律和环流定律等三条基本电学定律为基础的静电学理论体系,构成了整个电学理论的基础。

物理学对于动电(即电流)的研究是从发现电池并且得到稳定电流开始的,1786年意大利波伦亚大学解剖学和医学教授伽伐尼(1737-1798年)从解剖青蛙的实验研究中提出了“动物电”的概念;1791年意大利帕维亚大学教授伏打(1745-1807年)两种不同的金属接触产生了微弱的电流,1794年他把铜片和锌片成对叠加40-30对,在这些金属间夹进盐水浸湿的布块,制成伏打“电堆”,产生可以连续通几个小时的“动电”即电流。这样伏打就制成了电池,而且立即在实践中得到了广泛的应用。伏打电池为科学研究提供了稳恒电流,也促进了科学理论的发展。经过德国的两位科学家欧姆(1787-1854年)、基尔霍夫(1824-1887年)等的共同努力,使“动电”的理论得以完整的建立好,并且为电磁学开启了新的研究领域。

对于电与磁的关系的研究是由奥斯特、安培、法拉第、特斯拉等人的卓越工作之下完成的。1820年7月21日,丹麦哥本哈根大学的物理学教授奥斯特在给高年级学生进行演讲所做的实验中,极其偶然的发现了电流的磁效应,他的发现使人们认识到电与磁不是独立无关的事件,而是有联系的。奥斯特的发现使当时的许多物理学家受到鼓舞并且开始沿着两个不同的方向开拓电磁学领域。思想敏锐的法国数学家、物理学家安培(1775-1853年)立刻懂得了奥斯特发明的重要意义,1820年9月他就转而研究电磁学问题。他先后得出了右手安培定则、左手安培定则以及磁场对电流的作用力的公式F正比于电流I,反比于R的平方。后来经过毕奥和沙伐尔等物理学家的共同努力,从宏观上奠定了电动力学的数学理论基础。

对于电磁关系的研究,另一个必须要提的是英国著名的自学成才淡泊名利的物理学家法拉第(1791-1867年)。当奥斯特发现电流的磁效应之后,年轻敏锐的法拉第立即开始进入这个领域进行研究,1821年(时年20岁)法拉第在自己的日记中向自己提出的任务是“把磁变为电”。10年磨一剑,1831年8月29日法拉第的研究终于取得了突破,达到了“把磁变为电”的目的。从1831年起,他开始发表关于《电学实验研究》方面的论文,一直到1855年为止,详细的阐述了电力线、磁力线、电场、磁场以及电磁感应定律等方面的电磁学理论,为麦克斯韦经典电磁学理论的建立奠定了坚实的基础。

19世纪六十年代,麦克斯韦(1831-1879年)把从库仑定律开始一直到法拉第电磁感应定律等所有的电磁学理论系统进行系统的归纳和总结,在此基础上提出了联系电荷、电流和电场、磁场的4个偏微分方程组。他提出了位移电流的假设,认为不仅传导电流产生磁场,而且空间电场的变化也会产生磁场;同样,变化的磁场不仅在导体上产生感应电流,也会在空间产生电场。即变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,电场和磁场的相互转化产生电磁波。在这个理论的基础上他推导出电磁波在真空中的速度等与光在真空中的速度相等,在此的启发下,麦克斯韦又提出光的电磁场理论,即光是频率介于某一范围内的电磁波。在这个意义上,麦克斯韦把电磁、光现象的本质统一起来了,完成了物理学的第三次大综合。尽管麦克斯韦至死也没有看到电磁波,但是在他死了10年后,德国的物理学家赫兹通过实验产生了电磁波,并且计算出电磁波的波长,结果与麦克斯韦的理论完全吻合。应该说第三次物理学理论的大综合即电磁理论的建立对人类社会的影响是非常深远的,它直接导致了第二次动力革命。电力技术的发展是在电磁学有关理论建立起来以后自觉的运用科学原理并进行科学实验的结果。蒸汽时代的动力靠的是蒸汽机,而电力时代的动力靠的是电动机,从原始电动机到工业上应用的电动机人类花去了40多年的时间。先是研究发展直流电动机,之后是研究发展发电站(开始是住户式发电站),再后来是研究出单相交流发电机以及三相交流发电机,在此基础上又推动了输电技术的发展,最后我们得到了现在在工厂里广泛应用的能够产生动力的三相交流电动机,使工厂里的动力供应完全满足我们的需求。能源、动力技术的新突破,必将会引起工业技术乃至整个社会的大变革与大发展,电力的应用导致了第二次动力革命。下面我简单介绍一下电的其他一些应用。1、电报机的发明。(1)有线电报及其发明者莫尔斯。(2)无线电报及其发明者意大利的马可尼1895年)和德国人布劳恩,此二人同获1909年诺贝尔物理学奖。还有俄国人波波夫。2、电话的发明。1876年美国人贝尔在美国申请发明专利,1877年以后推广使用。3、电灯的发明。1879年美国人爱迪生发明的灯泡连续亮过45小时,取得决定性的突破,1880年发明的灯泡连续点亮超过1200小时,完全可以投入大批量生产和应用。1913年开始使用钨丝作为灯丝。

四、第四次物理学理论大综合与爱因斯坦的相对论。

我们知道,物理理论原来都是假设,用它解释一些物理现象与物理实验时,如果能够解释得清清楚楚、明明白白,而且还尽量的简单易懂,那么这个假设就可以成为理论。但是,如果有新的理论能够更好的解释这些现象时,这些新的假设就会成为理论,而原来的理论有可能成为谬误。这是不是有一点像“胜者为王,败者为侯?”随着科学技术的进步,工业社会的发展,世界的面貌日新月异。在科学研究的各个领域出现了许多新的发现与现象,原来的理论可能解释不了了,那就来一场革命吧!

  19世纪末的有三次大的发现,即1895年德国的伦琴发现“伦琴射线”即“X射线”;1896年英国的汤姆生发现电子;1897年法国的贝克勒尔发现天然放射现象。还有黑体辐射1888年发现的“光电效应”现象,特别是麦克尔逊-莫雷的实验,动摇了经典物理学的基础。为了解释新的物理现象和规律,必须抛弃牛顿的绝对时空观,建立新的物理理论。这是一个需要新人、需要巨人而产生新人、产生巨人的时代。天佑宇宙,天佑地球,在48岁的麦克斯韦死于癌症的那一年,又有一个伟大的巨人诞生了,他就是德国的物理学家阿尔伯特.爱因斯坦(1879-1955年)。第四次物理学理论的大综合就是由洛仑兹、彭加勒和爱因斯坦等物理学家完成的。

1887年迈克尔逊和莫雷的实验宣判了“静止以太”的不存在,同时也宣判了以太学说的死刑。1892年著名的物理学家洛仑兹提出了著名的“洛仑兹变换”,提出了“长度收缩假设”。与此同时彭加勒也在进行着变换性质方面的研究,他着重强调了相对性,在彭加勒的关于重要的物理学原理的表述中已经包含了相对论的思想了。在这些物理学家研究的基础上,爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。在1905年爱因斯坦一共发表了五篇论文,这五篇论文应该都可以获得诺贝尔物理学奖。第一篇是《分子体积的新测定方法》使其获得了苏黎世大学哲学博士学位;《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,用普朗克提出的能量子理论解释了光电效应,为量子理论的发展做出了重大的贡献,获得1921年度的诺贝尔奖;《热的分子运动所要求静液体中悬浮粒子的运动》阐明了分子热运动可以直接观察的可能性,加上他在1906年发表的《关于布朗运动的理论》从理论上解释了1827年发现的布朗运动;《论物体的电动力学》建立了狭义相对论;这一年的第五篇论文是《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》作为相对论的一个推论,导出了质能相当的关系式E=CM2(即能量等于光速和质量的平方的乘积),在理论上为原子能的利用开避了道路。又经过8年多时间的艰苦探索于1916年创立了“广义相对论”,他提出了“一切物理定律在所有的惯性系中其形式保持不变的狭义相对性原理”和“引力场参照系的相当的加速度在物理上完全等价”的广义等效原理,把物质和运动、时间和空间进一步统一起来,把物体的物理本质和时空的几何描述统一起来,完成了物理学的第四次大综合。

第五次物理学理论大综合与量子力学

在普朗克量子学说的基础上,以爱因斯坦光量子理论为先导,1924年法国物理学家德布罗意提出和发展了波粒二象性的思想,提出了物质波的假设,指出一切物质微粒都像光一样,既有粒子性,又有波动性(这样的假设被后来的电子衍射实验所证实)。1926年奥地利物理学家薛定谔根据物质波的思想,建立了著名的薛定谔方程并且创建了波动力学。与此同时,丹麦的物理学家玻尔与德国的海森堡波恩等从另一个角度建立了微观粒子的矩阵力学。德布罗意经过证明,他建立的波动力学与矩阵力学完全等效,故人们称它为量子力学。自此,人们对物理学世界的认识实现了由宏观领域到微观领域的飞跃,描述宏观现象的牛顿力学成了量子力学的一种极限情况,这是物理学理论的又一次大综合。

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