張漢壯

(吉林大學 物理學院，吉林 長春　130012)

物理學史與物理學家

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物理的邏輯與歷史(續(xù))

張漢壯

(吉林大學 物理學院，吉林 長春130012)

4.5物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和量子現(xiàn)象研究領域(20世紀中葉以前完成規(guī)律體系的建立)

研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)以及微觀粒子的個體運動規(guī)律，所形成的基本理論體系包括早期的半經(jīng)典量子理論以及后來建立的量子力學.量子力學是描述微觀客體的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的理論體系，是現(xiàn)代物理學的基礎.在量子力學的基礎之上，物理學家們又先后建立了量子場論及量子統(tǒng)計等理論體系，總稱為量子理論.量子理論是迄今為止能夠正確描述微觀世界物理狀態(tài)和運動規(guī)律的科學理論.

微觀結(jié)構(gòu)與微觀粒子的運動規(guī)律是20世紀中葉以前完成規(guī)律體系建立的.從歷史的發(fā)展角度上看，規(guī)律所形成的先后順序是半經(jīng)典量子理論、量子理論.半經(jīng)典量子理論發(fā)展先后順序是微觀粒子的發(fā)現(xiàn)、原子的核式模型、玻爾-索末菲道模型.量子理論發(fā)展的先后順序是海森伯矩陣力學、薛定諤波動力學、狄拉克表示的量子力學、相對論量子力學、量子場論等.

4.5.1量子理論誕生的背景

由伽利略和牛頓等人于17世紀創(chuàng)立的經(jīng)典力學，經(jīng)過二百余年在各個分支學科的拓展，到19世紀得到了全面系統(tǒng)的發(fā)展，達到了輝煌的頂峰.到19世紀末，經(jīng)典物理學已形成包含力、熱、聲、光、電磁等學科的成熟完整的理論體系.特別是他的三大支柱——經(jīng)典力學、經(jīng)典電磁場論、經(jīng)典熱力學和統(tǒng)計力學已日臻完善，結(jié)合成一座宏偉的經(jīng)典物理學大廈.當時的多數(shù)物理學家們以為物理學的基本規(guī)律都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，剩下的只是對物理學規(guī)律的完善而已.然而事實上，隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，物理學研究深入到高速和微觀領域，理論與實驗的矛盾逐漸顯現(xiàn).最為突出的兩個矛盾，一是經(jīng)典時空觀與尋找以太的邁克耳孫-莫雷實驗結(jié)果的不一致；二是經(jīng)典的能量均分定則與氣體比熱及輻射能譜實驗結(jié)果的不一致，尤以基于經(jīng)典電動力學和統(tǒng)計物理學推導出的黑體輻射“紫外災難”為突出.英國著名物理學家開爾文勛爵于1900年4月在皇家學會所做的演講中將這兩個矛盾稱為“物理學晴朗天空漂浮著的兩朵烏云.”

隨著經(jīng)典時空觀與尋找以太的邁克耳孫-莫雷實驗的矛盾解決，以及經(jīng)典理論與黑體輻射能譜曲線矛盾的解決，分別誕生了狹義相對論和量子理論，建立了近代物理學的基礎.

4.5.2微觀粒子發(fā)現(xiàn)與原子結(jié)構(gòu)

微觀世界的實驗發(fā)現(xiàn)始于19世紀末，1895年的X射線、1896—1899年的放射性元素以及1897年的電子等三大發(fā)現(xiàn)拉開了微觀物質(zhì)世界發(fā)展的帷幕.這三大發(fā)現(xiàn)分別由德國的倫琴，法國的貝克勒爾及居里夫婦，英國的湯姆孫等物理學家完成的.

針對原子結(jié)構(gòu)的研究，1890年瑞典物理學家里德伯總結(jié)了原子光譜線頻率的規(guī)律，1911年英國物理學家盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型.

4.5.3半經(jīng)典量子理論

微觀粒子運動規(guī)律理論誕生的標志是德國物理學家普朗克的能量子的提出.早在19世紀初，人們就開始了對熱輻射現(xiàn)象的研究，至19世紀末逐步認識到熱輻射和光輻射都是電磁波.為了研究電磁輻射規(guī)律，1859年德國物理學家基爾霍夫引進黑體概念，用熱力學理論證明黑體輻射只和物體的溫度有關(guān)，而與構(gòu)成黑體的材料組成、形狀大小等其他因素無關(guān).1895年德國物理學家維恩提出一個黑體的空腔模型作為電磁輻射的研究對象.此后，科學家門針對黑體的電磁波輻射功率與頻率的實驗關(guān)系曲線，試圖從已有的經(jīng)典理論給予解釋.1896年，維恩由熱力學出發(fā)推導出的公式稱為維恩公式；1900年，英國物理學家瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典電動力學和統(tǒng)計物理學導出的公式稱為瑞利-金斯公式.維恩公式在高頻率波段與實驗符合得很好，但在低頻率波段與實驗有偏離.而瑞利-金斯公式在較短的低頻率波段與實驗相吻合，而在高頻率波段上與實驗結(jié)果大相徑庭.按照瑞利-金斯公式預言，黑體輻射的態(tài)密度將與輻射波頻率的平方成線性增長，意味著自然界會充滿著大量的紫外線，稱為黑體紫外輻射災難.

在此背景下，1900年德國理論物理學家普朗克依據(jù)實驗結(jié)果，給出了長短頻率波都與實驗曲線十分吻合的公式，稱為普朗克輻射公式.但是普朗克得到這個公式的前提是需要一個假定，即，黑體輻射腔的諧振子能量是不連續(xù)的，也就是能量子假說.這是量子化思想第一次被引入到物理學中來.在這一思想基礎上，1905年，德國物理學家愛因斯坦提出了光的能量子(光子)概念，成功地解釋了自1888年以來人們探討的光電效應問題，并被1923年的康普頓效應以及后來的其他實驗所驗證.

在普朗克、愛因斯坦、盧瑟福以及里德伯工作的基礎上，1913年，丹麥物理學家玻爾針對電子軌道問題提出了氫原子電子的行星軌道模型.1916年，索末菲發(fā)展了玻爾的理論，將電子運動軌道由圓型軌道推廣到橢圓軌道.1924年，德國科學家泡利為了解決實驗和正在發(fā)展的量子理論不自恰問題，提出了泡利不相容原理.

4.5.4量子理論

玻爾-索末菲理論雖然繼承了能量量子化的思想，但仍然是對經(jīng)典理論的修補，屬于半經(jīng)典理論.直到1925年德國物理學家海森伯建立了非時間演化的矩陣力學，才結(jié)束了舊量子論時代.

1924年，法國物理學家德布羅意受光的波粒二象性啟發(fā)，提出適用于有質(zhì)量粒子的 “物質(zhì)波”的概念.在此基礎上，1926年，奧地利物理學家薛定諤給出了態(tài)函數(shù)隨時間演化的薛定諤方程，建立了波動力學.隨后，薛定諤證明他本人提出的波動力學和海森伯的矩陣力學是等價的.同年，德國猶太裔物理學家玻恩賦予物質(zhì)波的概率解釋，即，大量微觀粒子出現(xiàn)在空間位置的概率統(tǒng)計行為遵從波動規(guī)律，從而建立了物質(zhì)波粒二象性的物理圖像.1927年，美國物理學家戴維孫和革末、英國物理學家小湯姆孫等各自獨立地實驗證實了電子的波動性.

1927—1928年間，英國物理學家狄拉克綜合已有研究成果，闡述了量子力學不同表述的數(shù)學本質(zhì)，并進一步提出了電子的相對論性方程，用以描述高速運動的電子體系.20世紀中葉，美國物理學家費因曼等人發(fā)展了狄拉克的思想，完善了量子電動力學的計算.為了能夠以量子力學為基礎進一步描述有限溫度下的凝聚態(tài)物性等物理問題，經(jīng)過后續(xù)許多杰出物理學家的不懈努力，在量子力學的基礎之上又相繼建立了量子統(tǒng)計及多體量子論等理論體系.至此，以相對論和量子理論為核心的現(xiàn)代物理理論體系基本形成.

4.6時空結(jié)構(gòu)研究領域(20世紀初完成規(guī)律體系的建立)

時空結(jié)構(gòu)領域的研究內(nèi)容主要是相對論，而相對論分為狹義相對論和廣義相對論，由德國物理學家愛因斯坦分別于1905年和1915年創(chuàng)立.狹義相對論給出的是兩個相互運動的慣性參考系之間的時空以及物理定律的變換規(guī)律，廣義相對論給出的是引力場與時空幾何之間的關(guān)系，并在等效原理的作用下，將狹義相對論內(nèi)容推廣至引力場中.二者結(jié)合給出了任何兩個參考系之間的時空以及物理定律的變換規(guī)律.

4.6.1依據(jù)經(jīng)典時空觀尋找以太

狹義相對論的產(chǎn)生主要源于人們對電磁和光現(xiàn)象的理解.1865年，麥克斯韋成功地建立了麥克斯韋方程組，并預言了電磁波的存在，并被1888年德國科學赫茲的實驗所證實.由麥克斯韋方程組可求得電磁波在真空中的傳播速度c與光的傳播速度相同，由此認定光也是一定頻率范圍內(nèi)的電磁橫波.麥克斯韋方程組在建立之后的一段時期內(nèi)，所存在的主要問題是麥克斯韋方程組在伽利略變換下不具有協(xié)變性.所體現(xiàn)的結(jié)論是，如果保持伽利略變換下麥克斯韋方程的形式不變，光速將發(fā)生變化.眾多科學家試圖從經(jīng)典角度去理解和解決麥克斯韋方程組所面臨的這一問題.解決的辦法就是設想宇宙中廣泛存在著一種假想的媒質(zhì)，稱為“以太”.將其作為一種絕對靜止的空間，麥克斯韋方程組所包含的光速是相對該絕對參考系的.按照這一經(jīng)典研究思路，地球也在相對以太運動，因此，在地球上測量光的速度就不應該是c.在這樣的研究背景下，驗證“以太”的存在也就成了科學家們研究的重要內(nèi)容.1881年至1887年間，美國物理學家麥克耳孫和莫雷不斷改進實驗，最終確認光速c不依賴“以太”的存在.至此，試圖從經(jīng)典途徑去理解和解決麥克斯韋方程組所面臨的協(xié)變性問題困難重重.

4.6.2愛因斯坦的兩個基本假設

德國物理學家愛因斯坦獨辟蹊徑，他僅從將麥克斯韋電磁感應現(xiàn)象應用到動體上的研究，就解決了這一問題，建立了狹義相對論.1905年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論的第一篇論文《論動體的電動力學》.該文以一永久磁鐵和一線圈做相對運動所產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象為例，分析了感應電動勢的來源.在相對磁鐵靜止的觀察者看來，感應電動勢為動生電動勢，它來源于磁場的洛倫茲力；在相對線圈靜止的觀察者看來，感應電動勢為感生電動勢，它來源于渦旋電場的非靜電力.對于這種同一客觀事物，為什么會出現(xiàn)在不同的參考系下有不對稱的物理解釋？愛因斯坦認為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根源在于把參考系在放了一個重要的位置.二者的根本是感應電動勢所產(chǎn)生的電流，它僅取決于永久磁鐵和線圈的相對運動，而參考系并不重要.由此，他猜想，自然界并不存在絕對的空間，反倒應該把引起客觀事物發(fā)生的規(guī)律提升為一種公設，即，相對性原理.由麥克耳孫-莫雷測量光速等實驗結(jié)果，愛因斯坦引入了另外一條假設——光速不變原理.

4.6.3依據(jù)兩個基本假設的洛倫茲變換

由上述兩條假設出發(fā)，愛因斯坦給出了新時空觀下的變換——洛倫茲變換.早在愛因斯坦提出狹義相對論之前，荷蘭物理學家洛倫茲就找到了這一變換公式，這也是“洛倫茲變換”這一名稱的由來.然而，由于當時洛倫茲是基于以太的觀點，附加了多種假設給出的這個變換，使得人們無法理解和接受這組變換公式.將洛倫茲變換應用到電磁感應過程中，以前電磁感應現(xiàn)象所遇到的不自洽問題都迎刃而解.洛倫茲變換的物理本質(zhì)是從根本上超越了伽利略變換所蘊含的時間、空間觀念，二者既不絕對、也不相互獨立了.

4.6.4由狹義相對論到廣義相對論

19世紀末以前的物理學規(guī)律僅限于經(jīng)典時空觀的框架，即在伽利略變換下，力學規(guī)律在任何慣性參考系下等價.1905年，隨著狹義相對論的建立，人們對時空及物理規(guī)律的理解上升到了一個新的高度，即，時空是一整體，物理規(guī)律在洛倫茲變換下在任何慣性參考系中等價.1907年，愛因斯坦提出，有必要把狹義相對性理論從勻速運動推廣到加速運動.愛因斯坦經(jīng)過8年的探索，于1915年11月份連續(xù)發(fā)表了3篇相關(guān)論文，最終解決了引力如何影響物理體系，以及引力所滿足的微分方程(引力場方程)這兩個根本性問題，標志著廣義相對論的誕生.廣義相對論理論上所預言的現(xiàn)象與觀測事實相符合，從而驗證了其正確性.

廣義相對論的建立，把時空、物質(zhì)及引力聯(lián)系起來，物質(zhì)的分布導致時空的彎曲，彎曲的時空又反過來決定物質(zhì)的運動.這使人們對時空及引力的認識更深入一步，對后續(xù)物理學的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響.

4.7凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究領域(20世紀初以來的研究)

研究由大量原子所組成的凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、相互作用及其宏觀物理性質(zhì)規(guī)律.自20世紀初以來，在已有分支學科的理論基礎之上，加上凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)屬性，形成了固體物理、凝聚態(tài)物理學等理論體系.

4.8物理學三大前沿問題研究(20世紀中葉以后)

20世紀中葉以來，隨著相對論和量子力學的建立和發(fā)展，物理學的基礎研究在微觀、宏觀與宇觀三種尺度層面上展開，形成物理學的三大前沿領域，極大地推動著物理學的進一步發(fā)展.

4.8.1微觀領域研究

探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和基本規(guī)律的研究，形成了原子物理學、原子核物理學和粒子物理學，研究對象的尺度愈來愈小.研究微觀粒子運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，已取得了十分輝煌的成就.建立的微觀粒子標準模型，與已有的實驗觀測結(jié)果一致，使人們對物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)與相互作用的規(guī)律有了更深入的理解，意義重大.

4.8.2宇觀領域研究

探索從天體物理到宇宙學的物質(zhì)大范圍結(jié)構(gòu)和基本運動規(guī)律的研究，研究對象的尺度愈來愈大.一大批物理學家和天文學家經(jīng)過長期辛勤的努力，在廣義相對論的基礎上，結(jié)合微觀粒子的研究成果，提出了關(guān)于宇宙的形成和演化的大爆炸理論.這一宇宙學標準模型的提出，對人類認識宇宙的形成及演化具有非常重大的意義.實驗觀察還發(fā)現(xiàn)，整個宇宙中大約90%以上不是已知的物質(zhì)，而是未知的暗物質(zhì)與暗能量，因此宇宙學的研究是當前物理學中意義深遠而且難度極大的研究領域.

4.8.3復雜體系研究

探索宏觀尺度的凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能研究，形成了凝聚態(tài)物理學.這是物理學中最具應用價值的領域之一.這方面的研究成果極大地推動了材料科學、能源科學、光學、信息光學與生物科學等相關(guān)學科的迅速發(fā)展.近年來，有關(guān)復雜系統(tǒng)的研究更加引起人們的重視.這些學科的成就使20世紀科學教育技術(shù)有了飛速發(fā)展，使人們更加清晰地認識到物理學在提高人類的生活質(zhì)量、推動人類文明進步所起到的決定性作用.

雖然20世紀物理學的成就輝煌，但仍有大量重大的基礎性課題，如，四種基本相互作用力的統(tǒng)一、暗物質(zhì)與暗能量的性質(zhì)、凝聚態(tài)物質(zhì)及復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與運動規(guī)律等等，尚有待繼續(xù)深入地研究.目前看來，凝聚態(tài)物理、介觀物理、原子分子物理、等離子體物理、納米科學、量子信息科學等諸多領域的發(fā)展十分迅速，許多研究成果正在孕育著技術(shù)上的重大變化，必將為人類發(fā)展所面臨的，如能源、環(huán)境、生物、可持續(xù)發(fā)展等許多方面的問題的解決做出重大貢獻.

表3　本文所涉及的物理學領域相關(guān)科學家一覽表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

[1]張漢壯，王文全. 力學[M].3版. 北京：高等教育出版社，2015.

[2]牛頓. 自然哲學之數(shù)學原理[M]. 王克迪，譯. 北京：北京大學出版社，2013.

[3]愛因斯坦. 愛因斯坦文集[M].許良英，范岱年，譯. 北京：商務印書館，1976.

[4]費恩曼 (R.P.Feynman)，等.費曼物理學講義(第1卷)[M]. 鄭永令，等譯.上海：上?？茖W出版社，2005.

[10]科瓦雷A.伽利略研究[M].劉勝利，譯.北京：北京大學出版社，2008.

[11]科瓦雷A.牛頓研究[M]. 張卜天，譯. 北京：北京大學出版社，2003.

[12]梅森 S F.自然科學史[M].周煦良，等譯. 上海：上海譯文出版社，1980.

[13]霍布森 A. 物理學的概念與文化素養(yǎng)[M].4版. 秦克誠，等譯. 北京：高等教育出版社，2011.

[14]甲先申. 物理學史教程[M]. 長沙: 湖南人民出版社， 1987.

[15]倪光炯，王炎森，錢景華，等. 改變世界的物理學[M].3版. 上海：復旦大學出版社，2009.

[16]倪光炯，王炎森.物理與文化[M]. 2版.北京：高等教育出版社，2009.

[17]宣煥燦.天文學史[M]. 北京：高等教育出版社，1992.

[18]向義和. 物理學基本概念和基本定律溯源[M]. 北京：高等教育出版社，1994.

[19]秦克誠. 方寸格致——《郵票上的物理學史》[M].北京：清華大學出版社，2013.

[20]郭奕玲，沈慧君. 諾貝爾物理學獎1901—2010[M]. 北京: 清華大學出版社，2012.

[21]郭奕玲，沈慧君. 物理學史[M].2版.北京:清華大學出版社，2005.

[22]金曉峰. 詩情畫意的物理學[M].文匯報，2015年10月30日.

[23]趙崢. 物理學與人類文明十六講[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[24]施大寧.文化物理[M].北京：高等教育出版社，2011.

[25]教育部物理專業(yè)教學指導委員會. 高等學校物理學及應用物理學本科指導性專業(yè)規(guī)范[M].北京：高等教育出版社，2011.

Logic and History of Physics

ZHANG Han-zhuang

(College of Physics,Jilin University,Changchun,Jinlin 130012,China)

The logic and brief history of the knowledge systems in the seven basic physical fields are summarized. The purpose of the paper is to help the beginner of physics learning to broaden their vision and improve their enthusiasm of study physics as well as to cultivate the abilities to analyze and solve problems.

physics;knowledge area;logicality; historic

物理學史與物理學家