物理学发展史概述.pdf

物理学发 展史概述 沈小峰陈浩元 科学的发生和发展一开始就是由生产决定的 在生产发展的推动下 通 过实 践 理 论 实践的辩证运动 物理学不断地发生分化和综合 经历了从萌芽时期 经典物理学时 期到现代物理学时期等不同的发展阶段 逐步形成了严密的理论体系 并在科学技术和生 产的各个部门得到广泛的应用 成为现代 自然科学体系中一门重要的基础学科 一 物理学的萌芽时期 劳动创造了人本身 而劳动是从创造工具开始的 人类从开始制作第一把 石刀 的时 候 就认识到它锐利的刃部可以集中较大的压力 工具的进一步发展和改进 导致简单机 械的出现 由于运输 举重物的需要 逐步出现了杠杆 滑轮 斜面等装置 我国战国出 土的文物中已有权衡 天平 庄子 一书中有桔棉打水的记载 在 墨 经 中甚至形成了 力的概念 力 刑之所以奋也 由此可见 人类开始运用工具进行劳动时 力学的萌芽就 破土而出了 由于古代生产水平的低下 人们对 自然规律的认识除了直接的 生产经验积累外 就是 靠对自然界的观察和在这些观察 经验的基础上进行的天才的 直觉的 思辨的猜测 在 这个时期 静力学包括简单机械 杠杆原理 浮力定律等首先有所发展 在光学方面 积 累了光的直进 折射 反射 小孔成象 凹凸面镜等方面的知识 例如 墨经 上有八条关 于光学知识的记载 古希腊的欧几里德 公元前 一 7 物理学的新境界 第 页 当德国著名的物理学家 普朗克 一 年轻时向他的老师求教 是选择音乐还是物理作为自己终身的职业 时 得到的答复是 物理 学基本上是一门已完成了的科学 因此 对于物理学 的研究实际 上是不会有多大成果的 劳埃 物理学史 第 页 正当物理学家们踌躇满志 在 物理学晴朗天空 下面陶醉于对自然界的胜利之中 时 科学实验却揭示了许多经典物理学所无法解释的关于 自然界的奥秘 特别是 关于微观 世界和高速领域许多新现象的发现 给形而上学的自然观以致命打击 导致了物理学的一 场伟大而深刻 的革命 科学实验的新发现 电子 和放射 性物质的发现动 电发现以后 人们普遍认为 电流是一种没有重量的机 械流体 提出了所谓 电液说 十九世纪四十年代 韦伯 一 在电解实验基础 上提出了 电流是带电离子流动的假说 年 克鲁克斯 一 通过阴极射线实 验得到了 阴极射线是带负电的微粒流的结论 这是电子 学说的萌芽 年 斯通尼 一 0 第一次提出 电子 这一名称 用以表示电 的一个最小的单位电量 年 汤姆孙 一 精确测定和计算了阴极射线粒子的荷质比 所带的电量及 一 它的质量 指出这种粒子就是电子 这样 电子是电的不连续结构的最小粒子就被确认 了 电子已不再仅是一个抽象的概念 而是一个为实验所证实的比原子要小得多的实物粒 子 关于放射性物质 年 柏克勒尔 一 发现 铀盐可以发射一种看不见 1的射线 使照相底片 感光 兮年 皮埃尔 居里 一 和玛丽 居里 一 又发现了针和镭这两种放射性物质 并测出 了它们的放射性比铀高出几百万倍 放 射性物质的发现 在当时轰动了世界 接着卢瑟福 一 等人通过反复实验证明 放射性物质放出的射线 是一些带正电 的 射线 带负电的口射线和不带电的 射线 它们 分别是氦原子核 电子和光子的粒子流 卢瑟福还从实验 中总结出了放射性元素的衰变规 律 指出一种元素的原子放出射线后 就变成了另一种元素的原子 恩格斯 早就予言 原子决不 能被看作简单的东 西或已知的最小的实物粒子 自然辩证法 第 页 电 子和放射性物质的发现 完全证实了这一予见 原子并不是坚硬的不可分 不可人的最小 实物粒子 电子就是比原子更小的实物粒子 它是原子的组成部分之一 1 不同元素的原子 之间可以发生相互转化 正是这两大激动人心的发现 突破了机械物质观的框框 打开了 原子的大门 揭开 了物理学史上新的一页 黑体辐射和光电效应 实验黑体辐射是十九世纪末卢梅尔 一 等人所做的 一个著名实验 所谓黑体 是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体 实验发现了前所未见的事实 黑体辐射的能量不是连续的 它按波长的分布仅与黑体的温 度有关 光电效应就是物质在光的照射下释放出电子的现象 年 赫兹 一 首先发现这种效应 后来 勒纳德 一 等人进行深入的实验研究 指出 只有 当光的频率大于一定值时 才有电子释放出来1电子的能量与光的强度无关 只与光的频 率有关 光的频率越高 电子 的能量就越大 光 的强度只影响电子的数目 在经典理论看 来 这两个实验的结果都是不可思议的 迈 克 尔逊一莫雷 实验 年 为了验证以太的存在 迈克尔逊 一 和莫 一 雷 一 做了一个有名的光的干涉实验 实验证明 光在任何一个惯性参考系中 在一切方向上都是以相同的速度传播 实验否定了以太的存在 确定了光速不变的事实 对于经典物理学来说 这一 实验结果是绝对无法理解的 物理学的 危 机 一系列新的发现和实验事实 与经典理论发生了尖锐的矛盾 这本来是物理学继续前 进的起点 是物理学革命风暴到来的标志 如何解释这些新发现 许多人一筹莫展 思想 上发 生了严重 的混乱 著名物理学家二 少 年 爱因 斯坦进一步把狭义相对论上升为广义相对论 他提出了引力质量和惯性质量等效的原理与 物理规律在任何参考系中都可以表示为相同的数学形式的广义相对性原理 从而把物质 运动 时间 空间进一步统一起来 把物体运动的物理本质和时间空间的几何描述统一起 来 建立了现代的时空和引力理论 广义相对论不仅能很好地说明水星近日点进动 光线 在引力场中弯曲和光谱线红移等现象 而且 它所予言的引力波不久前也为天文学的观测 所初步证实 相对论从本质上区别于经典力学 是现代物理学的一个重要的基础理论 但 是 它并没有否定或推翻经典力学 它给经典力学指出了适用 的界限 看作是 自己在低速情 况下的近似 正如德 布罗意 一 说的 相对 论力学只打乱了人们对于时间和空间的传 统观念 它在某种意义上 却完成并给经典力学加上了皇冠 8 6 5 力学史 由经典物理学向现代物理学发展 的另一个重要标志 是量子力学的建立 年 为 了解释黑体辐射实验 普朗克提出了能量子的假说 指出被认为是连续的能量 在传播过 程中是分立的 一份一份的 即都是 的整数倍 这是一个大胆的革命性的假说 它否定 了光辐射是一个连续波动的经典观点 因此也否定了用 以太的机械运动来解释电磁现象的 机械论观点 开辟了现代物理学的新纪元 在普朗克假说的启示下 年 爱因斯坦提 出了光量子论 指出连续的光波具有粒子性 光既是波动 也是粒子 园满地解释了经典 理论无法说明的光 电效应等实验 光量子说的创立 在物理学史上第一次揭示了波动性和 粒子性的对立统一关系 闪烁着辩证法的光辉 年 德布罗意发展了爱因斯坦的光具 有波粒二象性的思想 他认为 既然光波具有粒子性 那末实物粒子是否也具有波动性呢 就在这一辩证思想的启示下 他提出了物质波的假说 指出实物粒子也具有波粒二象性 并很快得到了电子衍射等实验的证实 年薛定愕 一 在物质波假设的基础 上 建立了著名的薛定愕方程 创建了波动力学 并证明它同玻尔 一 海森堡 一 玻恩 一 等人在 年建立的矩阵力学是等价的 以后统称 为量子力学 量子力学找到了微观世界粒子运动的基本规律一一薛定愕方程 使人的认识 实现了由宏观领域到微观领域的飞跃 微观粒子的运动有许多新的特点 新的矛盾 因此 量子力学中出现了诸如 波函数 测不准关系 等描述微观运动 的新概念 这样 描述 宏观现象的牛顿力学就成了量子力学的一种极限情况 这是物理学发展史上又一次大的综 合和突破 量子力学能很好地统一说明分子 原子 电子等微观粒子的运动规律 成为现 代物理学的不可缺少的重要基础理论之一 本世纪二十年代末 狄拉克 一 把狭义相对论和量子力学结合起来 提出了粗 对论量子力学 建立了狄拉克方程 进一步把微观粒子的运动和场的运动结合起来 引入 了真空场 的概念 作出了存在反粒子的予言 正电子及后来其他一系列反粒子的发现证明 了他的论断的正确 为了研究高能粒子的运动 研究粒子和场的相互作用 粒子的产生 与 湮灭 又 发展出量子电动力学和量子场论 量子场论的理论计算和实验结果达到了惊人的 一致 误差只有百亿分之几 这说明了理论的巨大威力 近年来 人们又在进行把广义柑 对论和量子力学结合起来建立新理论的尝试 量子力学和相对论等的建立 是物理学革命的产物 标志着物理学的发展进人了新的 阶段 即现代物理学阶段 现代物理学的理论成果已经被广泛应用于生产和科学技术领 域 取得了辉煌的成功 正极大地推动着新的科学技术革命 自然观的深刻革命 科学新发现和新理论引起了自然观的深刻革命 如果说以往物理学家在一切根本问题 上彼此是一致的话 那末 在这个物理学思想急剧变化的时代 则是严重的分岐代替了从 前的一致 而且这种分岐不是在细节上 而是在基本的 主导的思想上 新的自然观与机 械论的形而上学的自然观分道扬镰了 在物质观上 电子 放射性物质等的发现 彻底打破了原子不可分 是组成物质的最 小粒子的形而上学观点 建立起了原子可分 元素可变 物质世界是不可穷尽的等全新的 认识 在运动观上 机械论把适合于宏观低速运动的规律绝对化 认为运动物体的质量是 不会改变的 运动和物质彼此毫无联系等等 1 新物理学则认为 物质的质量随运动速度的 变化而变化 质量与作为物质运动的量度的能量之间有着紧密联系 遵循 少的规律 在时空观上 新物理学打破了绝对时间 空间的观念 揭示了时间 空间 物质和运动之 间的不可分割的联系 时间和空间是相对的 运动物体的长度在平行于运动的方向上要缩 短 运动的时间会随运动速度的增加而延迟 空间的结构和时间的性质都取决于物质的分 布 在因果观上 新物理学突破了机械决定论的框框 指出自然界中还存在着新的统计性 的因果律 深刻地揭示了偶然性与必然性的辩证关系 这是一套全新的自然观 年 正当物理学的大革命轰轰烈烈进行的时候 列宁就断言 现代 物理学是在 临产中 它正在生产辩证唯物主义 分娩是痛苦的 除了生下一个活生生的 有生命力的 生物 它必然会产生一些死东西 一些 应 当扔到垃圾堆里去的废物 唯物主义和经验 批判主义 第 页 实践的发展 完全证实了列宁的论断 在激烈的斗争中 现代物理 学建立了起来 它战胜了各种唯心主义和形而上学观点 艰难曲折地 自发地走向唯一正确 的方法和唯一正确的 自然科学的哲 学 以丰富的实践和理论 为辩证唯物主义提供 了令人 信服的论据 四 现代物理学的新发展 如果说十九世纪末期和二十世纪前三十年是物理学发展史上的黄金时代 建立了现代 物理学最重要的基础理论 那么 三十年代以来的现代物理学则方兴未艾 它在已有成就 的基础上 继续 向理论的深度和应用的广度进军 进人 了一个全面发展 的新时期 毛泽东 同志曾指出 物质结构 天体演化和生命起源是当代 自然科学 的三大基础理论课题 几十 年来 现代物理学正 向这三个方向发展 酝酿着重大的突破 向微观的深处探索 物质世界是不可穷尽的 人们在认识了原子可分 基本上弄清楚原子是 由电子和原子 核构成以后 很自然地提出原子核的结构及电子等的可分性问题 要求深人探索微观世界 深处的奥秘 革命导师列宁早在 年就提出了 电子和原子一样 也是不可穷尽的 科 学予言 同上 第 页 年 查德威克 一 发现了中子 这是一种质量和质子差不多相同的中 性粒子 接着 海森堡等人提出了原子核由质子和中子组成的理论 年 汤 川秀 树 一 提出了核力理论 作出存在传递核力作用的介子的予言 四十年代末 这一予 言获得实验的证实 年 安德逊 一 利用字宙线在云室中发现了反电子 它是 带有正电荷和近似于电子质量的粒子 证实了狄拉克的存在反粒子的予言 需要指出 的 是 在查德威克发现中子和安德逊发现反电子的过程中 理论的指导都起着重要的作用 四十年代以后 一系列的基本粒子 如中微子 召 子 二 介子 超子 共振态粒子等等 如雨后春笋般地被发现 这样 人们对物质结构的认识 就从原子 原子核进入到了 基 本 粒子的领域 近二十年来 越来越多的高能物理实验事实有力地证明 基 本 粒 子其实并不基本 它还有内部结构 可以继续一分为二 为了描述基本粒子的结构和相互作用规律 人们提 出 了各种模型和理论 其中著名的有坂田模型 夸克模型 层子模型等 人的认识正在走 向比基本粒子更深的一个层次 探索 层子 夸克 的存在 层子间可能存在的超强作用 以 及弱作用与电磁作用甚至还有强作用 之 间的统一等问题 实践表明 由于基本粒子涉及到极短的时间 极小的空间范围 极大的速度和巨大的 能量 因此开展这方面的理论研究工作 除了需要理论指导 辩证思维 还必须有规模巨 大和高度精密的实验设备 目前 世界上一些发达国家投人了大量的人力物力 竞相开展 基本粒子 的实验和 理论研究 可以予见 随着实验水平的不断提高 在一个不很长的时间 内 人们在向微观深处的探索中 一定会取得新的突破 一旦层子 夸克 模型和弱作用 与 电磁作用统一的 理论得到科学实验的完全证实 其意义完全可以与当年发现电子和统一电 和磁相比拟 它不仅会给社会生产力的发展带来巨大的促进 而且将给物质具有无穷层次 的唯物辩证法观点提供新的证明 向广裹无垠的宇宙扩展 宇宙从小 的方面说是 无限的 从大的方面说也是无限的 近几十年来 由于大型望远 镜 射电望远镜的发明和使用 尤其是大气外观测的实现 大大地扩大了人类的视野 二 十年代人们 的观测只能到达几亿光年的距离 到四十年代末就扩展到 了一百亿光年 借助 现代化的观测手段 六十年代以来陆续得到类星体 脉冲星 微波背景辐射 星际有机分 子和致密 一射线源等的新发现 物理学与天文学结合起来 研究大尺度天区 的结构 运 动和演化 形成了相对论天体物理 现代宇宙学 早在 年 爱因斯坦就尝试用广义相 对论去描述宇宙的大尺度行为 提出了有限无界的静态模型 开始把观测到的宇宙作为一 个整体来加以考察 从而开创了宇宙学的研究 后来 又有人提出宇宙膨胀学说 大爆炸 学说等等 把广义相对论引力理论与量子理论结合 开展量子引力的研究 这就促进了黑 洞理论的发展 为 了探索各种基本相互作用 的统一 人们还开展了引力的规范理论 超对 称与超引力理论的研究 自然界是检验辩证法 的试金石 相 对论天体物理和现代宇宙学的 产生和发展 将更深刻地揭示物质世界运动 发展和变化的普遍规律 进一步深化人类对 自然界的认识 证实辩证唯物主义 的认识论与世界观的正确 恩格斯说过 两极相通是辩证法的一个古老命题 这在微观与 宇观的物理学研究中得 到了生动的例证 今天 在宇观的研究中离不开微观的理论 如原子物理 核物理和基本 粒子理论等 1 而对于微观的研究 又需要借助宇 宙这个最庞大的实验室 那里 存在着极其 丰富 复杂而规模宏大的物理现象 例如 恒星内部有高达几十亿度以上的超高温 星际 空间保持着接近绝对零度的超低温 1 中子星的密度 达 克 厘米 比地球物质的密度高 出上千亿倍 而星际空间的星际气体却稀薄到每立方厘米只有不到一个氢原子 1 已观测到 的宇宙线粒子的能量高达 电子伏特 比目前世界上最大的高能加速器加速的基本粒子 的能量高出一百亿倍以上 等等 搞清这些现象的本质和机制 必将带来物理学理论的重 大突破 现在 一个从微观到宇观 从已知的各种物质形态到基本的 相互作用 全面反映 世界的统一性在于它的物质性的巨大综合正在酝酿之中 向其他学科的 广 泛渗透 现代 自然科学 发展 的一个重要特点 就是各门学科间的 相互交错 渗透 促进 综合 发展 现代物理学在向纵深飞速发展的同时 也向理论和应用的广度发展 更多地研究更 加复杂的物质结构和运动现象 研究化学和生物过程中的物理规律 它向其他基础学科渗 透的结果 产生了许多新的边缘学科 现在 具有 复姓 的新学科越来越多 如生物物 理 量子生物学 地球物理 数学物理 量子化学等等 这些边缘学科进一步研究更为复 杂的 对象 具有重大的理论和实践意义 例如 量子力学渗人化学 建立了量子化学 促 进了化学从实验科学向理论科学的发展 年 薛定愕写 了 生命是什么 一书 把量子 理论 热力学理论等应用于生命科学 成为量子生物学 生命热力学 的先驱 今天 利用 量子力学 非平衡态热力学和统计物理的理论和方法 探索复杂的生命现象的研究十分活 跃 人的认识正在越来越接近于揭开生命现象的奥秘 现代物理学 的理论成果迅速应用于实践 不 断派生 出新的技术学科 推动 了科学技术 和生产的高速度发展 象原子能 半导体 计算机 激光等新技术 已成为现代科学技术 高度发达的标志 反过来 这些新兴技术的发展 又有力地促进了现代物理学 理论 的 发 展