经典物理学为什么经典.doc

论“经典物理学”中“经典”的含义物本081摘要：在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的意义,物理学的发展表明，任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的,这种守恒性质的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性.但是,经典物理学所取得成就充分说明,“经典”之所以经典是有根据,而且是有说服力的.关键词：物理学史 经典物理 引言：物理学是研究物质的能量（运动）、力（相互作用）和结构的基本规律以及空间和时间的物理性质的科学,小到基本粒子大到天体，从实物物质到不可称量物质，从宏观机械运动到微观量子运动，从引力到核力，从时间到空间无不是物理学研究的范畴.由于物理学内容的如此普遍才使得“物理学”这个术语在19世纪前被用来泛指自然科学,到19世纪末经典物理学大厦已基本建成.1.关于经典物理学经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科，宏观是相对于微观而言，低速是相对于光速而言.人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动.17世纪世纪初，开普勒（J.Kepler,1571-1630)在哥白尼（N.copernicus,14731543）关于太阳系日心学说的思想指引下，从第谷（Tycho Brahe,1546-1601）20多年对太阳系的精密观测结果中，总结出了行星绕日运动的三条经验规律（1609年和1619年）.差不多在同一时期，伽利略（Galileo Galilei,1564-1642）进行了落体和抛物体的实验研究（1638年），从而提出关于机械运动现象的初步理论.牛顿（Sir Isaac Newton,1643-1717）深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，1666年，从开普勒行星运动三定律推出万有引力定律，于1687年发表自然哲学的数学原理，第一次阐述牛顿力学三定律，从而奠定了经典力学的基础.亚当斯（J.C.Adams,1819-1892）根据对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论，于1845年预言了海王星的存在，以后果然在天文观察中发现了海王星（1846年），与此类似，于1930年发现了冥王星，这是经典力学理论的最直接也是最有说服力的证明.大约1895年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”，达到了它的颠峰时期.在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度。而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的.在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质，已使经典力学的严格确定性出现了缺口.在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的“以太”，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写的场，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严重背离.牛顿在前人研究的基础上,取得了非凡的成就.运动三定律和万有引力定律成功地描述了天上行星、卫星、彗星的运动，又完满地解释了地上潮汐和其他物体的运动。此后人们认为自然界的一切已知运动都可以通过牛顿(经典)力学定律来解释.因此牛顿(经典)力学被看作是科学解释的最高权威和最后标准。而经典力学建立的过程,实质上就是实验方法,逻辑思维方法与教学方法的建立和发展的过程.由此可以看出经典物理学中”经典”的含义.由著名的物理学家提出,经过反复的实验验证,最后得出最具权威最为标准最为经典的结论2经典物理学对物质世界的基本观点回顾三百余年来经典物理学的发展和成就，我们认为它给人类揭示的关于物质世界的最基本最重要的信息可以概括为如下几点： 1.世界上数不清的各种各样的物质都是由100余种基本元素组成的，原子是物质不可分割的最小单位，大量原子的运动服从热力学定律，同时它也是区分经典粒子与量子的界限；2.在实物粒子（天体、物体、粒子等）和不可称量物质（声、热、电磁和光等）的机械运动过程中，其能量、动量、角动量等都是连续变化的，即这些物理量是连续的；3.自然界存在正负电荷，电荷产生静电场，电荷运动产生磁场，磁场变化产生电场，电磁场可以脱离电荷而运动，这就是电磁波；4.热是大量分子、原子无规则运动的整体表现，热力学和统计物理学都能基本描述热现象的运动；5.时间和空间与物质运动无关，它们的度量具有绝对性，是各自独立的.接下来我们继续浅谈经典物理学的一些情况. 经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力学系统在某一时刻的状态，由它的每一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示:对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式（如热运动、电磁运动等）的力学系统来说，它的总机械能及其它物理量就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定.早在19世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容，例如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等:经典力学的应用范围涉及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域.当然，工程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决.机械运动中，很普遍的一种运动形式就是振动和波动!声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科!人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等再说经典物理学与近代物理学. 如果说广义相对论将经典物理学推向极致,并在爱因斯坦这里终结:那么量子物理是近代物理的开端,量子力学体系在波尔这里形成.现在 回到前面的问题:为什么有些人像爱因斯坦一样觉得量子力学的哥本哈根诠释很难接受呢?原因是爱因斯坦和波尔是处于不同的科学范式中看量子论问题 他们就像处于不同世界的人看待同一个问题,或者进一步说,爱因斯坦是处于经典物理学这个旧范式中,而追随波尔的哥本哈根学派的“信徒”们则处于近代物理这个新范式中.库恩认为“改换所效忠的范式是一种不能被迫的改宗经历.”爱因斯坦在量子论的粒子理论发展阶段起了很大的推动作用,比如其光电效应.后来却倾向于量子论的波动学说而反对波尔.他对新理论并无好感,当他知道波尔的原子模型后,说道：“好吧,这一切离开我也能接受的不那么远.但是,如果这一切是正确的,那么这就是物理学的终结.”这是因为他不想改换 自己的经典物理学范式,不想摒弃自己的哲学信念.“这种抗拒,源自于确信旧范式终将解决它的所有问题,自然界终可塞进那范式所提供的盒子之中”,他期望通过对旧范式的修改来维护自己的“信仰”而拒绝新范式“在过去通过世界和自身的相互作用所形成的任何词和概念,在它们的涵义方面都不是真正严格地规定了的我们知道能将它们应用于广阔范围的内外经验,但实际上我们永远不能准确地知道它们适用的范围”。这是海森伯对量子力学的总结.现代物理学包含的经典物理学术语和概念,但这些术语 和概念只是一种借鉴,已经不是一般的传统方式,比如“动量 ”和 “位置”只是一个几 率函数.旧东西包含在新思想里面,但是旧东西在新思想里的意义和形式已经改变.新的思想和理论比旧的更能解释和解决导致 “危机”的问题.从哲学角度看,爱因斯坦和波尔都是客观实在论者.只是两者是不同的,爱因斯坦受斯宾诺莎和笛卡尔的影响很深,他更趋向于“离开我们人类而独立存在”,他所要求的客观实在是不参与人的主观意识.并且他认为的因果关系是确切的.但波尔没有受过系统的哲学影响.他自己所形成的哲学思想是在探索大自然真理的时候形成的. 从某种意义上讲，波尔也是属于辨证唯物主义思想的.他认为世界的运行是一个概率的过程，虽然其运动规律不符合人们自由选择意志,但也是自然的一种表现方式.为什么每次新范式的出现都是年纪较轻的起推动作用的?这是因为他们受到旧范式的影响较小,能很快的接受新的事物、新的思想.虽然哥本哈根学派的量子力学能较成功的解释卢瑟福原子模型的电子塌缩问题,但是接受一个新的范式却是要付出一代或几代人的努力,才能被公众接