近代物理学产生的背景.doc

物理教育网隶属于学科教育网(),是目前国内最大的中小学免费教育网站平台！近代物理学产生的背景- 3 -在学习了力学、热力学、电磁学和光学等经典物理学的内容后，有必要回过头来重新回顾一下经典物理学的知识体系。在此基础上，用历史的眼光审视近代物理学产生的背景。1.1 十九世纪科学的概貌近代自然科学产生于文艺复兴后期（十五世纪），是伴随资本主义产生而产生的，并成为它的有力支柱。十六、十七世纪是近代科学建立时期，无论在科学知识、科学思想还是在科学方法上都开创了一个新纪元。特别是物理学和天文学在十七世纪都达到一个高峰。另外随着微积分的创立、血液循环的发现、显微镜的发明及化学元素概念的建立，数学、生物学、化学也都取得了重大进展。在十八世纪，科学发展缓慢。但十八世纪是以英国工业革命（第一次技术革命）和法国民主革命载入史册的。这两次伟大革命，显示了科学对社会的巨大影响，也为科学的进一步发展提供了强大的物质基础和有力的社会保证。共产党宣言说：“资产阶级在它不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比过去一切时代所创造的全部生产力还要多、还要大。”法国大革命起源于启蒙运动，启蒙运动是人类历史上最彻底的反对封建专制的思想解放运动，它的中心内容就是科学、民主。经过十八世纪各方面的准备，十九世纪成为科学技术全面发展的时期。在文化史上，十九世纪被称为“科学世纪”，主要表现在：开始出现了科学对生产的指导作用，引起了第二次技术革命；许多科学部门开始从经验的描述上升为理论的概括，逐渐形成自己的统一整体，新学科纷纷成立，各门科学之间的间隙也逐渐得到填补，科学精神、科学思想和科学方法深入人心。近代科学进入十九世纪下半叶，出现生物进化论（1859年）和电磁理论（1864年）两座高峰。它们各自显示了生命现象和物理现象的内在统一性，显示了科学理论的巨大综合能力。这些成就使不少科学家以为科学的发展基本上已经大功告成，特别是在理论比较成熟的物理学领域中，普遍出现了这种情绪。在物理学发展史上，曾有过物理学理论的三次大综合。第一次是英国物理学家牛顿在伽利略、开普勒、笛卡尔等人工作的基础上，把物体的运动规律归结为三条基本运动定律和一条万有引力定律，由此建立起一个完整的力学理论体系。这样，他将过去认为是截然无关的地球上的物体（世俗的）运动和天体（“天堂的”）运动规律概括在一个严密的统一理论中。这是物理科学，也可以说是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合。这一伟大成就，使机械唯物论的自然观取得统治地位，它统治整个自然科学领域达二百多年之久。牛顿力学到了十九世纪中叶，显示出无比强大的威力。1846年海天星的发现，完全证实了根据牛顿理论所作的预言。四十年代能量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式不仅可以相互转化，而且在量上还有确定的关系。这样，力学、热学、化学甚至生物学就都贯通在一起，使牛顿力学成为各门物理科学的理论基础，这是物理学第二次伟大的综合。分子动理论就是这次大综合的产物，分子动理论是用牛顿理论研究大量的分子运动，这是人类第一次进入微观领域进行定量描述。由此，大至日月星辰，小至分子原子，无不为牛顿理论体系所包罗。法拉第、麦克斯韦电磁理论的建立，又把电学、磁学和光学合成一体，完成了物理学第三次伟大的综合，并为现代人类文明开辟了道路。虽然法拉第的一些思想已经越出了牛顿的框架，但本质上仍属于经典理论体系。物理学的巨大成功，使当时不少物理学家认为，物理理论已接近最后完成，今后只能在细节上作些补充和发展，物理学已发展到顶峰。1.2 十九世纪末的物理学危机正当人们为经典物理学的全面胜利欢呼万岁的时候，它的体系本身却开始出现了危机。不久以后，这些危机发展成为一场翻天覆地的革命大风暴。危机是从不可捉摸的媒质“以太”开始的。1887年迈克尔孙莫雷的寻找“以太”实验，实验结果同理论预测相反，否定了以太的存在，引起了物理学家的震惊。当时，英国的一名著名实验物理学家曾大声疾呼：“我们仍然期待着第二个牛顿来给我们一种关于以太的理论，它将不仅包括电和磁的事实，光辐射的事实，而且还可能包括引力的事实。”为送别旧世纪，英国科学界最有地位的开耳芬勋爵（本名威廉汤姆逊），于1900年4月27日作了题为热和光的动力学理论上空的十九世纪之云的长篇讲话，这位思想保守的“元老”认为经典物理学理论在本世纪末出现了两朵云。第一朵就是“以太漂移问题”；而第二朵云，是与比热有关的能量均分定理。事实上，到了十九世纪末，由于X射线（1895年），放射性（1896年），电子（1897年）以及镭（1898年）的发现，物理学上空已不是两朵云，而是危机四伏。大有山雨欲来风满楼之势。在世纪交替时，经典物理学领域中，几乎所有的原理、基本概念都受到怀疑和重新审查，如物质的不灭性、能量守恒性、原子的不可分割和不变性、时空的绝对性、运动的连续性。第一个对当时物理学的危机进行全面、深入分析的是法国数学家彭加勒，他于1905年出版的科学的价值一书中的第八章标题就是“数学物理学当前的危机”。物理学在酝酿一次伟大的革命。1.3 物理学革命的序幕X射线、放射性和电子的发现揭开了二十世纪物理学革命的序幕。X射线的发现起源于阴极射线的研究。阴极射线是在研究真空放电现象中发现的，它是当时普遍关注的一个中心论题，伦琴于1895年11月发现了真空管发出的谁也没有发现过的本质不明的射线，成为第一位诺贝尔物理学奖得主。但他没有进一步了解X射线的本质。放射性是由法国的居里夫妇发现的，他们揭开了原子物理学的伟大序幕。新西兰物理学家卢瑟福根据用粒子轰击原子的实验结果，提出了原子的核模型。放射理论、原子核模型和元素的人工蜕变理论，都来自他的奠基性工作，他被尊为核物理之父。X射线的发现也促进了电子的发现，而电子的发现是历时四十年的阴极射线研究的直接结果，它最后搞清了阴极射线的本性问题。英国物理学家JJ汤姆逊对阴极射线作了定性和定量的研究，他设计了一个巧妙的实验装置，证明阴极射线在电场和磁场中发生偏转，且同带负电的粒子的路径相同，测出了荷质比约为H+荷质比的千分之一，无可辩驳地证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，这个荷质比对所有材料都不变，由此汤姆孙得出阴极射线粒子比原子小，是“建造一切化学元素的物质”的结论，阴极射线粒子后来改称为“电子”，它所带的电量是电荷的最小单位。量子概念的建立和相对论的建立，是二十世纪初发生在物理学领域的一场革命。1.4 量子概念的建立量子物理世界的大门是在黑体辐射问题研究中打开的，德国的普朗克在1900年12月发表了论文“正常光谱辐射能的分布理论”，给出了一个猜测性质的黑体辐射定律和它的理论根据：能量在辐射过程中不是连续的，而是一股股的“再不可分”的涓流被释放或吸收。普朗克的量子理论是牛顿以后自然哲学所经受的最巨大、最深刻的变革，能量的量子思想奠定了现代微观物理的基础。爱因斯坦在1905年提出电磁场能的能量量子化，把光子引入物理学，创立了固体热容量的量子理论，解释了光电效应。爱因斯坦的量子化观点比普朗克更进了一步：辐射能量在传播过程中也是分立的。伟大的丹麦物理学家玻尔以普朗克的量子理论和爱因斯坦的光子概念为基础，提出原子能级及电子在能级间跃迁的假设。1913年弗兰克赫兹实验利用电子来撞击原子，直观地证实了能级的存在。1924年德布罗意提出波粒二象性假设，电子衍射实验证实了他的假定。薛定谔进一步推广了德布罗意的概念，于1926年提出了波动力学，后与海森堡、玻恩的矩阵力学统一为量子力学。从而，以量子概念为基础的量子力学在微观领域代替了经典的牛顿力学。1.5 狭义相对论的建立本世纪初，物理学中除了普朗克的量子假设之外的另一项伟大成就就是爱因斯坦的相对论。相对论在物理学界引起的世界观变革按其深刻性和后果来说，只有哥白尼创造的宇宙说所引起的改革才能与之相比。爱因斯坦在1905年的德文科学杂志物理年鉴在发表了论文论动体的电动力学，这篇论文已相当全面地论述了狭义相对论。狭义相对论不是凭空出现的，而是在解决运动物体的电动力学问题过程中形成的。从十九世纪中叶开始，物理学家想证实电磁波的传播介质以太的存在。到十九世纪末，被认为最能自圆其说和最像真理的是静止的以太模型，这种以太充满所有空间，不参与物体的运动。静止的以太似乎可以充当绝对静止参照系，当年牛顿似乎就是相对于这种参照系研究物体“真正”的运动的。在理论上，利用迈克尔逊和莫雷实验，可以算出地球相对于“以太”的“绝对”速度，但事实上却得到否定的结果：在任何过程中地球相对于“以太”总是静止不动的。因此，否定了绝对静止参照系的存在。运动物体的电动力学问题还有另一方面。我们知道牛顿力学方程经过伽利略变换后其形式保持不变，