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摘要 试论现代物理学革命的创新教育价值 课程教学论专业 研究生：高志华指导教师：孙成立教授 现代物理学革命是在经典物理学取得重大成就、接受了长时间的实践检验、 人们对它普遍接受的背景下发生的。这次革命革新了经典物理学的基础、创建 了崭新的理论、开创了现代物理学的新时代。本工作立足于知识经济的时代背 景、从教育角度反思这段历史，总结现代物理学革命的创新特点，挖掘、提炼 蕴涵在这段历史中的创新教育价值，力图给我们今天倡导的创新教育提供有益 的启示。 本文第一部分简要概括了经典物理学的基本特征和认识方法：1 、力学规 律具有普遍适用性的机械论特征，2 、基本规律决定论特征，3 、科学理论绝对客 观化特征，4 、时间、空间绝对性的假定特征，5 、人与自然分离和直观反映特 征，6 、认识方法以实验归纳方法为主的特征。尽管现代物理学已经取得了极大 的成功，由于这些观念在经验范围内的有效性，人们没有对它们加以怀疑就理 所当然地接受下来，这些观念是如此地根深蒂固，至今还深深地影响着人们的 思想观念，阻碍着人们创造性的培养。本文还勾勒出了现代物理学革命的粗略 历史线条：1 、经典物理学的局限，2 、现代物理学革命的思想启蒙运动 马赫对经典力学的批判，3 、经典物理学的危机理论和实验的矛盾，4 、 彭加勒对物理危机的精辟论述为物理学革命指引了方向，5 、现代物理学 革命的序幕世纪之交的三大发现以及量子力学和相对论两大支柱理论的建 立。 本文第二部分总结了现代物理学革命的创新特点，主要包括：i 、现代物 理学革命是对经典物理学的基本概念和基本思想的革命，这种革命是深刻的、 摘要 2 带有投本性的。2 、这次革命突出地表现了人在认识事物过程中的主体能动作 用。3 、要产生新思想和新观念、创建新理论，科学方法必须创新，所以最后 还分毫蓐总结了建立量子力学和相对论的科学方法的新特点。 本文第三部分以前两部分为基础，从建立现代物理学的概念、形成现代物 理学思想的创新特征中提炼出了创新教育的价值因素：l 、树立在物理教育中 重视物理科学发现过程的新理念。2 、为了培养学生的创新鹗气，要正确理解 科学的本质和掌握科学发现规律，敢于怀疑成熟的科学理论。3 、利用崭新的 现代物理思想方法可鞭培养学生翻新能力。4 、利弼物理学的发震历史，在秘 理教育中融合人文教育与创新教育。5 、在物理教育中加强培养学生创新心理 和饿耨人格。6 、大力培养学生批翔聋鞋怀疑静剁耨耪棒。7 、钛现 弋镌理学知谈 自由创造的特征得出结论：谯物理学潮实践巾应该以创新性学习观念作为指导 观念，在教学实践中蜜施课瑟探究式教学；8 、最后搔如了戆褒学家在培养学生 创造热情与创造动机中具有巨大的榜样力量。 麓键词：物理学革命创新教育价值 竺塑篓! 上 o nt h ei n n o v a t i o no fe d u c a t i o n a lv 矗l u e i nt h er e v o l u t i o no fm o d e r n p h y s i c s m a j o r ：p h y s j c st e a c h j n gm e f h o d o j o g y s u p e r v i s o r ：p r o s u n w e i l i a u t h o r ：g a oz h i h u a a b s t r a c t t h eo c c u r r e n c eo f 也er e v o l u t i o ni nm o d e mp h y s i c si sb a s e do na b a c k g o u n da g a i n s tw h i c hc l a s s i c a lp h y s i c sh a sa c h i e v e d “sg r e a tt r i u m p ha n d s t o o dal o n gt e s t i m o n yo fp r a c t i c ea n dh a sb e e ng e n e r a l l ya c c e p t e d t h e r e v o l u t i o nh a si n n o v a t e dt 1 1 ef o u n d 撕o no fc l a s s i c a ip h y s i c sa n de s t a b 】i s h e da c o m p i e t e i yn e wt h e o r y ，w h i c hm a r k sa ne p o c hi nm o d e mp h y s i c s t h i s 心s e a r c h 、v o r ki sar e n e c t i o no ft h eh i s t o r yi nt l l el i g h to f e d u c a t i o n ，a g a i n s tab a c k g m u n d o fk n o w l e d 2 ee c o n o m y a n a l y z j n gt h en e wc h a r a c t e d s t i c so ft h er e v o l u t i o ni n m o d e m p h y s i c s ，e x p l o r i n ga n dr e t j n i n gt h eo r i g i n a l i t yo f m ee d u c a t i o n a lv a l u ei n t h i sh i s t o r y ，s oa st oo 玎e rau s e f u le n l i g h t e l l l l l e n tf o rt l l ei n n o v a t i o no fe d u c a t i o n a d v o c a t e dt o d a y ， c h a p t e ro n eg i v e sag e n e r a li n t r o d u c t i o no f m eb a s i cf b a t u r e so f t h ec i a s s i c a i p h y s i c sa 1 1 di t sm e t h o do fc o g n i t i o n ：t h eu n i v e r s a lm e c h a n i c a lf e a t u r eo ft h ei a w o f d y n a m i c s ；t l ed e t e r m i n i s t i cf e a t u r eo fm eb a s i cl a w ：t h ea b s o l u t eo b i e c t i v i t y f e a t u r eo fs c i e m i f i ct l l e o r y ；t h es u p p o s i t i v ef e a t u r eo fm ea b s o l u t i s mo ft i m ea 1 1 d s p a c e ；m ef e a t u 诧o f m a n ss e p a r a t i o nw i 如n a t u r ea n di n l u i t i v er e f l e c j o n ；a n d 也e f e a t u r eo ft h em e t h o do f c o g n i t i o nm a i n l yb a s e do ne x p e r i m e n ta i l di n d u c t i o n i n s p i t eo f t h eg r e a tt r i u m p hi nm o d e m p h y s i c s ，o w i n gt ot l l ee m p m c a lv a l i d i t yo f t h e s ec o n c e p t s ，w i t h o u tad o u b t ，t h es t u d e m sh a w t a k e nt h e mf o rg r a n t e d t h e s e c o n c e p t sa r es od e e p l yr o o t e di nt h es t u d e m s m i n dt l a tt h e vh a v es e v e r e 】y h i n d e r e dt h ed e v e l o p m e n to f t h e i r o r i g i n a j i t yt h ec h a p t e ra l s oo u t l i n e st h eh i s t o r y 一! 鳖竺壁l _hh_*_”h。h_mh。_r“”“。一 o f h e 豫v o 越i o ni nm o d e r n 曲v s i c s ：t h el i m i t a t i 蝴so fc l a s s i c a l 曲y s i c s ；t h e e n l i 2 h t e n m e n to ft h er e v o l u t i o n i nm o d e r n p h y s i c s ac r i t i q u e o fm a 嘲e s c l a s s i c a lp h y s i c s ；t h ec r i s i so fc l a s s i c a lp h y s i c s t 1 1 ec o n t 豫d i c t i o nb e t w e e nt h e o 叫 瓣dp 越 i e e ；p e 毽j i a l e si 稳e i s i v ei n | e r p 糟1 8 l i 龃氆ee 疽s i so f 曲y s i c s a 科i d e t ot h ed i r e c t i o no fm er c v o l u t i o ni np h y s i c s ；t h ep r e l u d eo fm er e v o l u t i o ni n m o d e mp h y s i c s 一伽et h r e eg r e a td i s c o v e r i e sa tt h et 啪i n gp o i n to ft h e 19 m c e n t u f ya n d 啦ee s t a b l i s h l e n to f 氇e 氇e o f yc f q u 锄l u mm h 鑫n i c sa 聪斑et 弧e o 拶 o f r e l a t i v i 填 e h a p e rt w oe p i t o m i z e s 也ef e n o v a t i o nf e 融u r eo f 也er e v o l u 也m 汹m o d e m p h y s i c s ：t h er e v o l m i o ni nm o d e mp h y s i c si sp r o f o u n da n d 矗l n d a m e n t a lt ot h e b a s i c c o n c e p t s o fc l a s s i c a l p h y s i c s a i l di t s p r i n c i p a l i d e a s ； t h er e v o l u t i o n e 弼如a s i z e d 氇es v 谤e c 童i v ea c 鼍i v i 宅y o fm 秘a s 蠲i n d i v i d 豫li nt kp c e s so f c o g n i t i o n ；m ei n n o v a t i o n0 fs c i e n t m cm e t h o d sm u s tg o b e f o r et h ef o r m a t i o no f n e wi d e a s 删dn e w c o n c e p t sa n db e f o r et 1 1 ee s t a b l i s h m e n to fn e wt h e o r ya sw e l l ； a n dl a s t l y ，i s u m s “pt kn e wc 珏甜a c 毫e 蠢s i c so f 强ee s 穗b l 主s h m e 珏lo f 穗es e i e n t i f l e m e t h o d si nq u a n t l l mm e c h a n i c sa i l dt h et l l e o r yo f r e l a t i v i t y ， o nt h eb a s i so f 也ep r e v i o u sc h a p t c r s ，c h 印t e rt h r e ee x p l o r e st h ev a 】u a b l e o l o m e n t s 岛rl h eo r i g i n a l i t yo fe ( 耋u c a l i o ni nt h el i g h to f e s t a b l i s h i n gt h ee o n c e p t o f m o d e mp h y s i c sa n d f o r m i n g t h er e n o v a t i o nf e a t l l r eo fm o d e mp h y s i c s ： d e v e l 印i n g l h e n e w n c 婶i o no fp l a c i n ge m 曲a s i so n h ep r o c e s s o f 氇e s c i e n t 诋cd i s c o v e r yi np h y s i c se d u c a t i o n ；e n c o u 豫g i n gt h es t u d e n t s i n n o v a t i o n s p i r i tb yh a v i n gac o r t e c tu n d e r s t a n d i n go f t h en a n l r eo fs c i e n c ea n dt h el a wo f s c i e 糠萎ed i s e o v e f i e sa 堇l db yd 赢n g 耄oc h 矗l l e n g e 穗e 难a t h r es c i e 嫩i 纛e 氆e o r i e s ； d e v e l o p i n gt h es t u d e m s a b i i i t yi ni n n o v a t i o nb ye m p l o y i n gt l l en e wi d e a sa n d m e t h o d so fm o d e r n p h y s i c s ：c o m b i l l i n gh l 鞠a n i t ye d u c a t i o na n di n n o v a t i o n e d u c 8 t i o n n p h y s i c se d u e a t i o nb yu s i n g t 垂l eh i s t o f yo f t h e d e v e l o p m e n to f p h y s c s ； e m p h a s i z i n g t h e d e v e l o p m e n t o f _ 【l l es t u d e n t s i n n o v a t i o n p s y c h o i o g y a 1 1 d p e f s o 船l 毋p s y c h o l o g y 趣砖y s i c sc d a 耋主o n ；s 糠v i 鹋t od e v e l o p 搬es t u d e n t s i 1 1 n o v a t i o ns p i r i ti nt h el i g h to fc r i t i c i s ma n dc h a l l e n g e ；d f a w i n gac o n c l u s i o n f r o mt h ef 沁ec r e a t i v ef e a t u r eo fm ek n o w l e d g eo fm o d e mp h y s i c s u s i n gt h e e o 主l e e p 童i o no fi n 魏o v 鑫疰o ns 圭l 妇y 鑫st h eg 珏i d i n gp 蠢n e i 露。i np h y s i e ss 抛d ya 摊d p r a c t i c e ，a n dc a r r y i n go u ti n q u i s i t i v em e t l l o di nt i l et e a c h i n g ；a i l di a s t l y ，p o i m i n g o u tt h e g r e a ts i g m 矗c a n c eo fp h y c i s 招e x a m p l e si nt h ed e v e l o p m e n to f 如e s t u d e n t s c r e a t i v j t ya n dc f e a t 、，em o t i v a t 主o n 薹【e yw o r d s ：p h y s i e s 辩v o l u 娃。魏螽嫩o v 毡蛀o n e 畦u e 蘸i o n 耩至v 蠢 刚吕 前言 知识经济的本质在于创新，创新是新世纪的普遍价值观，是新时代精神的 集中体现。创新是社会进步的动力，民族的创新意识、创新精神、创新技能、 创新人格是创新时代的支柱，培养高素质的创新人才是提升一个国家创新能力 的关键。创新也是人的自我价值的实现，还是人的本质的重要体现。因此教育 要在培养个人的创新能力与促进社会进步两方面有机结合。 “教育是知识创新、传播和应用的主要基地，也是培养创新精神和创新人 才的重要摇篮。”【l 】教育是创新资源开发的根本途径，因为创新教育是创新观 念的形成过程、是创新思维的训练过程、是创新能力的提高过程。所以知识经 济对教育的挑战、对教育改革与发展的要求最终集中到了创新的层面：教育不 仅要给创新以知识支持，更重要的是要给予创新人才支持。所以创新人才的培 养是知识经济时代的本质要求，也是学科教育的重要使命。作为对时代要求的 应答，许多学科都把培养学生的创新能力作为重要目标。物理学作为自然科学 的基础，物理学科教育更应当如此。 纵观人类社会的发展，物理学对人类社会的进步起着至关重要的作用。尤 其是近代以来，物理学的丰硕成果和物理学的思想方法极大地促进了社会生产， 在很大程度上提高了人们的生活质量、改变了人们的生活方式和思维方式。物 理学特定的研究对象、已经取得的研究成果以及饱含人文精神和创新精神的物 理学发展历史决定了物理学科在培养和造就具有良好科学素质和创新能力的公 民方面具有它自身独有的、比其它学科更为鲜明的优势作用。物理教育不仅要 为人们在科学素质上的提高和将来的发展提供必要的、与时代进步相适应的物 理学知识，物理教育更应该把物理学家认识世界的模式和科学思想方法贯穿在 教学过程中，使学生在学习前人所积累的知识基础上创造性地开拓前人没有涉 及的领域，因此物理教育要把培养学生的创新意识和创新精神放在重中之重。 在物理教育中引入物理学史，不仅能激发学生的学习兴趣，更重要的是可 以在他们眼前点燃智慧之光，使学生迸发出创新的火花。利用物理学史对学生 进行创新教育，可以引导学生步入科学的殿堂。物理学史在物理教育中具有培 养学生的刨薪精神秘剑新能力的这秘不可取代的作臻，是得到国内狲物理学家、 物理教育家和广大物理教师所公认的。【2 l 物理学史与物理教学结合怒很早就被 提出豹问题，物理化学之父、诺贝尔奖获缮者奥斯特瓦耳德在他静精密科学 的经欺作家书中讲到：“风然，用现在的教授方法很成功地讲授了在其现今 发展状态中麴科学知识，但是杰出的靼远见卓识静人不得不两荐她指出时常 出现在当前我们的青年科学教育中的一个缺点，就是缺乏历史感和缺少关于作 为科学大厦基础的一些重大研究的知识”。诲多著名艘物理学家都很重视物理学 史的研究和教学。美国从2 0 世纪5 0 年代就装起了“新物理运动”，即谍程改革 运动。指导这改革的“啥佛物理规划”( h a f v a dp r o i e c tp h y s i c s ) 提出了这样 的教学原则：激材登须现代化，必须反映最新科学成就，要让教师和学生戬物 理学家认识物理世界的本来丽目去认识物理世界，获得认识世界和进行科学研 究的能力和方法。p 程他们为此目的编写静教材中，采取了嗣历史的瓣点统一 阐述物理学内容的崭新形式，弓l 入了大量的物理学史资料，倪进了物理教育的 革新。与挖褶适应，美国许多高等学校都开设了物理学史课程，并注意在基磷 物理教学中发挥物理学史的作用。有然大学还建立了物理学史实验室，选择 些在翰理学发矮史土有重要意义的基本实验，按照舔来的设诗和装黉潋及实骏 操作方法布置出来，使学生跟踪伟大先驱们的创造足迹，领会他们的思路，获 得从露舰教学中褥不到的才黢。这些工作，丰富了凌疆教学瓣内容，在定稔 度上推动了创新人才的培养。 麸上面戆绪况毳爨，人们已经酱遮意识裂；把黪理学史孳 入物理教学，对 培养学生的创新能力具有现实意义。物理教育工作者应该从社会发展的现状与 趋势，从物璎科学磺突与历雯科学磅究以及培养学生剑新能力多个羯发，去寻 找物理学史与物理教学结合点。从已有的文献来看，我国在如何利用物理学史 培养学生创掰能力上尽管有不少研究，在利弼物理学史激发学生学习兴趣方嚣 也有不少论述。但大多还局限于般的阐述，不够深入和详尽。主要漤现在雌 下几个方面：一是缺乏理论依据，不鼹从根零上说明为什么物理学雯其有创薪 教育价值。二是对众多史料没有精心选择，即总是针对整个物理学史泛泛而论。 事实上，在漫长的物理学发晨中，并不是每一个发震阶段静历史对培券学生豹 仓0 造性都具有同样有效的作用，在利用物理学史培养学生创新能力时应该对众 剐言 多的物理学史料加以精心选择。三是没有深深挖掘蕴涵在某一段具体历史中的 创新教育价值，物理学史包含丰富的内容，但物理学史的教育价值不是明显地 存在着，需要不断挖掘和提炼。 本人认为：在物理学史中，那些能够启迪人们深刻地理解物理学的基本知 识、帮助提高人们创新精神和创新能力的历史内容应该受到高度重视。电子衍 射现象的发现者汤姆生指出：“研究科学史有许多理由，最好的理由是要从典型 例子看科学发现是怎样作出的。我们需要了解许多事例。因为道路有各种各样， 很难找到什么捷径”。借助于物理学史进行创新教育当然不能简单等同于物理事 件的回放和历史史料的堆积，面应该深深挖掘和清理在物理学基本概念和基本 思想发展转折关头的、具有代表性的重大事件、最能体现创新本质、最能引起 学生深入思考、激发学生创新意识和创新精神的内容为题材。基于上述理念， 本工作选取了1 9 世纪末2 0 世纪初物理学的基本思想、基本观念的演变进化历 史作为研究对象，因为创新是这段历史的鲜明特点。本文首先简要概括了经典 物理学的基本观念的基本特征。它们是：一切自然现象都可以用力学规律来解 释的机械论特征；基本规律的决定论特征；时问、空间绝对性的假定先验论特 征，在认识中人与自然分离和直观反映的特征。经典物理学基本观念的这些特 征约束了人们的思想，不利于人们对它批判和进行理论刨新。然而事实上，正 是在经典物理学经受了长时间的实践检验、取得了重大成就、人们普遍接受的 背景下发生了现代物理学革命，这次革命革新了几乎整个经典物理学的基础， 创建了崭新的理论。本文分析、总结了在现代物理学革命中形成现代物理思想、 观念和建立基本定律的创新特点，结合时代的创新本质特征和个人全面发展的 需要，提炼出了蕴涵在现代物理学革命中的创新教育价值。主要包括以下几个 方面：( 1 ) 在物理教育中重视科学发现过程教育的新理念，在物理教学中还物 理学发展的本来面日，按照物理学家认识世界的方式去认识世界，使学生有机 会间接地体验科学创新活动。可是传统的教育却更加重视科学认识的成果的教 育。( 2 ) 正确认识科学和科学发现的规律，树立新的物理科学教育新理念，敢 于怀疑经过实践充分检验的成熟理论，培养人的创新勇气。可是传统教育过分 重视科学的有效性与绝对客观性。教师的作用是使学生接受这些知识、掌握这 些知识，而不能对这些知识加以怀疑，更不敢创造新的知识，这在很大程度上 刖a 约束了人的创新勇气和创新意识。( 3 ) 现代物理新思想方法可以开阔学生视野、 启迪学生智慧，激发学生创造热情，这启发我们在教学中要重视总结物理思想， 充分发挥物理学思想方法的育人作用。( 4 ) 人文教育和创新教育在素质层面上 是相通的，可以利用现代物理学史融合创新教育和人文教育，进而培养符合新 世纪需要的全面发展的创造型人才。( 5 在现代物理学革命过程中，物理学家 的创新活动中伴随着创新心理和创新人格，创新思维与创新心理和创新人格紧 密结合，这启示我们在物理教育中要重视培养学生创新心理和塑造创新人格。 而在传统的物理教育中却忽视了对学生这方面的教育。( 6 ) 在现代物理学革命 中，物理学家表现出了强烈的批判和怀疑精神，这启示我们在物理教育中应该 大力培养学生敢于怀疑和批判的创新精神。( 7 ) 现代物理学基本概念在很大程 度上是依据一定的实验事实的自由创造，这启发我们在创新教育中要以创新性 学习和课题探究教学观念为指导观念。( 8 ) 现代物理学革命中涌现出了一大批 睿智的物理学家。他们的成长道路对学生学习和教师教学有特殊的参考价值。 他们对待困难的态度、顽强拼搏的毅力、灵活的研究风格、对大自然的沉思和 敏锐的洞察力都具有强大的榜样力量。这种榜样力量对培养学生的创新热情具 有不可忽视的作用。总之，结合时代、研究历史，分析现代物理学革命的创新 特点，试图从前人的创造足迹、探索历程中获得对创新教育的有益启示是本文 的宗旨。 堡堡竺型兰兰塑笪坌一! 一 1 现代物理学革命简介 十九世纪末二十世纪初，在物理学领域内爆发了一场举世瞩目的大革命。 在不太长的时间内，涌现出了一系列的新实验和新理论，革新了经典物理学最 基本的概念和最基本的思想，涤荡了整个经典物理学的基础。这次革命的成果 还渗透到天文学、化学、生物学等自然科学领域，极大地推动了这些学科的迅 猛发展，导致了许多新兴的交叉学科和边缘学科的诞生。2 0 世纪中叶相继出现 的尖端技术，也是在物理学革命的丰硕成果基础上建立和发展起来的，这大大 促进了现代化生产的进展和人类社会生活的变革。这次物理学革命，还大大变 革了人们的世界观和思维方式。奇妙的原子结构、抽象的四维世界和弯曲时空、 神秘的量子跃迁、意义深远的波粒二象性等诸如此类的新理论在短时间内突现 出来。它们“推翻了一切关于最终的绝对真理和与之相应的人类绝对状态的想 法”。f 4 j 它无可辩驳地表明：“一切僵硬的东西融化了，切固定的东西消散了， 切被当成永久存在的特殊东西变成了转瞬即逝的东西”。【5 】发生在1 9 世纪末 2 0 世纪初的这次物理学革命，经历时问如此之短，获得的成果如此之多，在科 学史上是罕见的。因此，考察这次革命的历史，从教育的角度探讨这次革命的 意义，从中得出一些关于色口新教育的启示，是一件很有意义的工作，本文的着 眼点就在于此。 1 1 经典物理学的基本观念和基本特征 现代物理学是以往物理学发展的继续，而且将进一步向前发展。只有清楚 地认识以往的物理学，才能深刻地理解现代物理学革命的创新本质以及这次革 命蕴涵的创新教育价值。立足知识经济时代的背景，反思物理学的这一段发展 历史，挖掘提炼其中蕴涵着的创新教育价值，可以从中获得教益与启示。 物理学的发展大致经历了三个阶段，即：古代物理学、经典物理学和现代 物理学。从一个阶段到另个阶段都经历了重大的革命变革。分析变革的特点， 总结物理学发展创新的规律，对于培养创造性人才，具有很大的现实意义。古 代物理学，如中国古代物理学和古希腊物理学，都只是自然哲学的重要组成部 现代物堙学蕾命简介 分，其基本特征是真观性与臆想性，其基本形态是现象的经验描述与思辩性的 自然哲学。古代物理学的这种状况与近代物理学的那种以系统科学实验为基础、 在科学抽象的基础上以严密逻辑与数学构成的理论体系是根本不同的。在此阶 段：实验的作用没有被认识到，抽象思维、逻辑推理的方法尚未建立，科学的 社会功能不显著，物理学发展非常缓慢。经典物理学有三大理论支柱，即；经 典力学、经典热力学与统计物理以及经典电磁场理论。经典力学是从否定亚里 思多德的力学观点开始的，由伽利略、牛顿奠定基础的，是近代自然科学所确 立的第一个成熟的科学理论体系。在创立理论体系的同时，也奠定了近代自然 科学的一般理论观念和科学方法观念以及基本的物理思想。尽管经典热力学与 统计物理把不可逆观念与统计观念引进物理学中，经典电磁理论把场观念引进 物理学中，但它们的基本物理思想仍然以经典力学的一般观念为基础的。因此， 当我们分析经典物理学的基本假定与基本特征时，就以经典力学为代表。那么 经典力学有哪些基本假定与基本特征呢? 第一、世界简单性假定，认为事物的 复杂性是表面上的，一切复杂性都可以约化为简单性。第二、物质本性不变性 假定，认为不变性是物质的本性，如物体具有惯性及其不变性，原子具有不可 分性与不变性。第三、机械论特征，认为世界上一切变化都可以归结为机械运 动，力学规律具有普适性，从原子到天体，从无机到有机界，力学规律普遍适 用，物理量连续变化，这些观念对物理学的迸一步发展产生了极大的影响，并 且在热学和电磁学领域内得到比较好的说明。第四、基本规律决定性特征，认 为物质世界的规律是既定的，运动定律加上初始条件既可以推知世界的过去， 也可以预测世界的未来。第五、时间与空间绝对性假定，认为时间、空间、物 质、运动彼此无关。第六、入与自然分离和直观反映特征，认为人是站在自然 之外来认识自然的，象个旁观者一样，外部世界直观地反映在人的头脑中， 与之相对应，自然规律具有绝对客观性。第七、认识方法是以经验归纳为主， 认识就是把事物分解，寻求简单性，并且通过经验得到。主要研究方法有：第 一、系统的有目的的观察实验和验证，确立了物理学是实验科学。第二、系统 的观察实验，形成了科学经验与抽象思维相结合，形成了系统的演绎、归纳、 推理的思维方法。第三、用严密的数学滨绎表达物理规律，物理规律数学化成 为科学技术的主流之一。第四、基础理论与生产技术有机结合，相互促进，交 一 堡堡塑竺竺羔鱼塑坌 一 ! 一 一 替上升。第五，科学假说与物理模型的方法广为应用。这些研究方法极大地推 动了物理学的发展，并且取得了举世瞩目的成就。与此同时，物理学的各个分 支学科也取得了惊人的成功。经典物理学体系之完美，实用威力之强大，使大 多数物理学家相信，天地万物，古往今来的一切自然现象都能还原为力学描述。 人们相信，用不变的物体之间的简单的作用力来解释所有自然现象是可能的， 这样的一种企图有意识或无意识地表现在当时几乎所有的科学著作中。忡j 相当 一些物理学家相信，经典物理学已经充分掌握了理解整个自然界的原理和方法， 已经发现的物理定律适合于任何情况，永远不会改变。物理学家以后的工作无 非是把以不变的原予概念为基础的物质学理论和以充满连续介质为基础的以太 理论结合起来，这一步一旦完成，物理学家将无事可干。难怪科学泰斗开耳芬 断言：“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找。”也难怪当普朗 克要立志献身物理学时，他的老师约利规劝他说“年轻人，你为什么要断送自 己的前途呢，把自己的一身献给这一事业值得吗? ”1 7 】1 8 9 4 年，正在读研究生 的密立根也受过类似的劝告。根据密立根的回忆，当时与他住在一起的三位从 事社会学和政治学研究的同学经常和他开玩笑说：“社会科学这一新颖的、活生 生的领域正敞开着大门，密立根这个傻瓜却钻在物理学这一门没有搞头的、而 且已经僵死了的学科之中。”佯1 可以说，十九世纪的几乎所有物理学家，都把 经典力学看成是全部物理学的，甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础。 物理学的现有理论已经完美无缺了，物理学的发展已经暗淡无光了。往后的研 究只能是追求较高的精确性和下一个小数位，可用的方法无非是单调而机械地 提供科学数据。在1 9 世纪后期，许多物理学家的看法就是如此。 1 2 经典力学的局限性 物理学难道真的走到尽头了吗? 回答当然是否定的。“科学从认识的较低 阶段上升到较高阶段，愈升愈高，但永远不能通过所谓绝对真理的发现而达到 这样一点，在这一点上它再也不能前进一步，除了袖手一旁惊愕地望着这个已 经获得的绝对真理出神，就再也无事可做了。” 9 】物理学也是如此，物理学从 来不具有一种对一切时代都是完美无缺的形式，因为它的内容的有限性总是和 可能观察到的事物无限丰富多样性对立。这两者的对立统一，永远是物理学持 墨垡塑堡兰兰鱼塑坌 一! 一 续发展的动力。 创造历史的人们总是不可避免地受到历史的制约，牛顿当然也不例外。尽 管牛顿力学取得了辉煌的成就，尽管牛顿的解决办法是天才的，但是由于受到 时代的局限，牛顿在否定亚里思多德以来有关错误论述和含糊概念、创立牛顿 力学的同时，在他的理论体系中也隐含着一些基本的矛盾。但由于牛顿把他的 体系表现为由经验必然性所决定的，特别是由于经典力学在实践上的巨大成就， 在应用上的极大成功，足以阻碍后来的人们去思考那些基本概念和基本原理的 先验特征，以致于在相当长的时期内，无论谁也没有想到，整个物理学的基础 可能许需要从根本上加以改造。人们似乎忘记了牛顿理论的经验来源，面打上 了“思维的必然”、“先验的给予”等烙印【i 。经典力学的基本概念和基本原理 在物理学中造成了一种权威性，把它们看成了永恒不变的真理。可以说人们对 牛顿力学的崇拜达到了迷信的程度。要使物理学家意识到经典力学基本概念和 基本原理的局限性，下决心变革经典力学的基础，就必须使他们挣脱机械自然 观和力学先验论的束缚，破除对经典力学的迷信，一场新的思想启蒙运动势在 必行。马赫应运时代的潮流，于1 8 8 3 出版了力学史评这一跨时代意义的著 作，为现代物理学革命作了思想准备。 1 3 马赫的理性批判 正是在经典物理学取得极大成功，人们对经典物理学理论崇拜到迷信程度 的历史背景下，当动摇经典力学理论基础的新实验和新发现还未涌现时，马赫 就看出了经典力学理论框架的局限性。在力学史评一书中，他在肯定了经 典力学固有价值的前提下，同时提出了有力的证据，以改造经典力学的基本概 念和基本原理，从而对经典力学进行了全面深入的批判，揭示出了经典力学的 先验论本质。马赫具体地考察了一些力学原理的“证明”，他指出，在所有这些 “证明”的背后，都隐含着某种人为的先入之见。马赫认为，在牛顿力学中， 应该把基于经验的部分与任意约定的部分区别开来。马赫力图使人们相信，自 然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造，而只应该从经验中引出。他 断言：“一个超出认识范围的东西，一个不能被感觉到的东西，在自然科学中是 没有意义的。”马赫力图用消灭假设的方法来洗清经典力学的基本概念和基本原 墁挖物理学年命筒升 理。马赫不喜欢牛顿的质量的概念，也反对把惯性看成是物体固有的性质，而 把他看成是物体与宇宙之间动力学联系所规定的本质。他断言：“把惯性看作是 自明的，或者企图从因果持续这个原则推出惯性，无论如何是完全错误的。” 力学史评中对绝对时空观的批判格外引人入胜。马赫批判道：“我们不应该 忘记，世界上的一切事物都是互相联系，互相依赖的，并且找们本身和我们所 有的思想也是自然界的一部分。”同样，时间不言而喻也是不能独立自存的，“时 间是一种抽象”，“利用和通过事物的相互联系，我们达到我们的时间观念，这 些观念是我们描述事物的最深刻的最普遍的观念。”然而，绝对时间无法根据比 较运动来量度，无法与经验观察相联系。因此“它既无实践价值，也无科学价 值，没有个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是一种 无用的形而上学的概念”根据同样的理由，马赫建议取消绝对空问和绝对运动 的概念。他认为，从这两个概念不能演绎出可观察的事物，“因为它们是纯粹的 思维产物，纯粹的理智构造，它们不能产生于经验之中。”所以只不过是干巴巴 的概念而已。如果我们以事实为出发点，我们就不难发现，我们知道的仅仅是 相对空间和相对运动。马赫指出：“回到绝对空间是大可不必的，因为参照系如 同在其它任何情况中一样，都是被相对地确定的。”马赫在对经典力学进行批判 的时候，其矛头直指先验论。马赫指出：“我们思考的最重要的结果是，即使表 面上看起来最简单的力学定律，实际上也具有十分复杂的特征，这些定律停留 在未完成的，甚至永远也不会终止的经验上，绝对不应该把它们看作数学上确 定了的真理，而宁可看作不仅能够被经验永远支配，而且也需要由经验来永恒 支配的定理。”在马赫看来，尽管力学原理从历史的观点来讲是明白易懂的，它 的缺陷也是可以谅解的，并且在个时期内具有重大的价值，“但是总的来说， 它却是一种人为的概念”。“即使它们现在一些领域内被认为是有效的，但是它 们不会，也从来没有不预先经过实践检验就被接受。没有一个入敢担保能把这 些原理推广到经验界限之外。事实上这样的推广是无意义的。”马赫觉得，要了 织力学原理，实际上只能凭人们在科学探索中所积累的经验，而不是根据没有 被检验的先验观念。马赫的批判，解放了人们的思想，正如爱因斯坦所说，马 赫依据经验论的哲学，把经典力学的基本概念从强如给它们的禁忌中解放出来， 揭露了它们的世俗血统。马赫还比较集中地批判了机械自然观，马赫指出，纯 ，堡堡望篓望芏鱼堡垒一一l 粹兹力学瑷象楚不存在的，它总是与其它理象俸照蓑，“缝搏魅力学现象只是我 们为了便于理解事物谢意或出于需要而作出的抽象”。马赫断言，力学并不其静 凌驾予其它学辩之上盼特毅，规援鼹楚毫无遂理豹，“把力学当作物理学其余分 支的鏊础，以及所有物理现象都要用力学观念来解释的看法楚一种偏见。”马赫 对经典力学躬批刿，对于削弱当对占统治地位的力学先验论秘规槭魍然观，认 清经典力学蕊础的虚构性质茏疑起了积极住褥。它有勘子破酴迷信，解放思想， 为瓤发现和耨避论豹提出刨逖了一秘必不可少的自由气氛。攀实上物理学在每 一个掰史时期都有它爵已的赫本概念和基本麟理，雨继后的时期天稍往往叉夸 大它们的作照，不适逝地把它们应用到其所能及豹撼圈之外。为了消除这种误 用，簿一个琢史时麓帮需要一种薪豹扁蒙。正是这释永不监惑的痘蒙精 串方谈 科学不致变为僵化的教条。马赫对经舆力学的批判和他的哲学思想衣物理学中 阊产生了较为深远酌影响，嚣致了对经典穗理学舱斟拳与哲学基醢鹣生气裁麓 的讨论。正如鼗因斯媳所说；“马赫以箕历史的批判的藩作，对我们这代自然 科学家起过巨大的黪镌，在这些著传中，链戳深协鹣感情注意鑫门科学豹或长， 追踪这些领域中起开创作用的研究工作者，直到他们的内心深处。找甚至相 信，那些自认为骂赫反对派酌入，可议说豆乎不知道憩霄j 暖敷了马赫多少愚考 方式。”马赫熙不可摧的怀疑态度和独立性，对于力学先验论和机械自然观的熊 绞摇捌以及对经典力学基醚瓣深邃滴察无一不绘爱毽斯垣以激聚窝盛适。马赫 的哲举思想也直接或间接地影响了一批量子物理学家，特别媳哥本哈根学派的 些主要成员，玻絮豹科学爨想中不乏骂赫鲍愚想或分，渡惑认为马赫兹实诞 主义在科学中是一胶生气勃勃的力量，它促成了相对论和量予力学的建立。海 森稿攒出，骂赫的器想途径凭疑促进了飙普麴克发现欲来豹物理学黪发震，艘 是与衙本哈根学派思想不相同的薛定谔也采纳了马赫的科学方法论。 1 4 经典物理学的危机：理论颓富与实验的矛盾 科学没裔永恒的壤论，一令理论艨预言麴论据毒尉娆被实验所接翻，饪姆 一个理论都有它的逐渐发展和成熟时期，经过这个时期以后，他就很快地衰落。 1 i j 科举土的塑大避步般都怒由于捆理论遇到了危捉，通过尽办寻找解决困难 的方法而产生的，我们必须稔查旧的观念和l 聒的理论，虽然他们过时了，然黼 现代物理学革命简介 只有先检验毽们，彳镟了群掰观念秘新理论豹重要牲，也才熊了解颞观念积新 理论的正确程度。【1 2 i 经典物理学理论的正确与否，归根结底蕞用实验来检验。 马赫理性的拯判动摇了经典力学的基捌；，但是要最终摧毁它，还需要一系列灼 实验事实，即所谓“反常现象”的涌现，才能导致旧理论的危机，促成新理论 的诞生。从1 9 世纪光的波动说复活以来，人们对传光媒质以太议论不体，其中 个羹要问题就是以太和可称量物质的关系问题。由于静止以太学说能圆满地 解释光行差现象，困聪得到普遍赞网。但是通过测量地球公转相对于以太运动 的所淆“以太漂移”实验，在当时实验能达到的一阶羹上均给出“零结果”。逼 克耳孙面对事实不褥不认为：“静止以太的假设被证聪是不正确的，并且可以褥 到一个必然绪论：该假设是镄误的。”“这个结论与迄今被普遍接受的光行纛 现象的解释赢接矛盾”。迈克耳孙焚雷实验似乎排除了静止以太学说，可是 静止以太学说也受到光行差现象和斐索实验的支持。葳常现象接踵而束，能量 均分定理也与气体比热的实验结果发生了尖锐的冲突，在1 9 世纪最后l o 年， 物理学家对这个问题多方探讨，依然谣愚不褥其解。歪妇开耳芬在1 9 髓纪末纛 称的那样，在物理学晴朗的上空还有两朵乌云。然而开耳芬把物理学的天空糟 得过予晴朗了，其实，当时耪理学酶天空鹰正“两条乌云”l 事实上，在1 9 畿 纪末，黑体辐射，光电效应，原子光谱等实验事实也接二连三地和经典力学的 理论发生了尖锐的对立。冲者了经典物理学懿基础，动摇7 经典镌理学的一麴 基本观念，震撼了两酉多年来在物理举领域站统治地位的机械观，经典物理学 陷入了严重豹危机之中。危撬是科学发展遴穰中的一令重要黔段，只鸯清醒谈 识到危机和产生危机的根源，才有可能抛弃旧理论的框架