【摘要】本文從物理學(xué)史和哲學(xué)的角度闡述了物理學(xué)發(fā)展過程中的一次偉大變革。到19世紀(jì)末物理學(xué)理論已接近最后完成，人們都認(rèn)為物理學(xué)已發(fā)展到頂峰的時(shí)候，物理學(xué)上空卻出現(xiàn)了兩朵“烏云”——“以太飄移問題”和“紫外災(zāi)難”。對這兩朵“烏云”的研究揭開了這次革命的序幕，也直接導(dǎo)致了相對論和量子力學(xué)的誕生。對這兩朵“烏云”的研究也標(biāo)志著近代物理學(xué)時(shí)代的到來。

【關(guān)鍵詞】相對論 量子力學(xué) 變革

一、引言

由伽利略（1564-1642）和牛頓（1642-1727）等人于17世紀(jì)創(chuàng)立的經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)過18世紀(jì)在各個(gè)基礎(chǔ)領(lǐng)城的拓展，到19世紀(jì)得到了全面、系統(tǒng)和迅速的發(fā)展，然后達(dá)到了它輝煌的頂峰。到19世紀(jì)末，已建成了一個(gè)包括力、熱、聲、光、電諸學(xué)科在內(nèi)的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)已臻于成熟和完善。它們所蘊(yùn)涵的十分明晰和深刻的物理學(xué)基本觀點(diǎn)，對人類的科學(xué)認(rèn)識產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也成就了近代物理的輝煌。當(dāng)時(shí)物理學(xué)家很自豪地說，物理學(xué)的問題基本解決了，一般的物理現(xiàn)象都可以從以上某一學(xué)說獲得解釋。唯獨(dú)有幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)還沒找到解釋的途徑，而恰恰就是這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為我們打開了一扇通向微觀世界的大門——量子概念和相對論的建立。

二、19世紀(jì)科學(xué)的概貌

近代自然科學(xué)產(chǎn)生于文藝復(fù)興后期（15世紀(jì)），是拌隨資本主義生產(chǎn)而產(chǎn)生的、并成為它的有力支柱。16、17世紀(jì)是近代科學(xué)建立時(shí)期，無論在科學(xué)知識、科學(xué)思想還是在科學(xué)方法上都開創(chuàng)了一個(gè)新紀(jì)元。特別是物理學(xué)和天文學(xué)在17世紀(jì)都達(dá)到一個(gè)高峰。另外隨著微積分的創(chuàng)立、血液循環(huán)的發(fā)現(xiàn)、顯微鏡的發(fā)明以及化學(xué)元素概念的建立，數(shù)學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)也都取得了重大進(jìn)展。18世紀(jì)，科學(xué)發(fā)展緩慢。但18世紀(jì)是以英國工業(yè)革命（第一次技術(shù)革命）和法國民主革命載入史冊的。這兩次偉大革命，顯示了科學(xué)對社會(huì)的巨大影響，也為科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和社會(huì)保證。

經(jīng)過18世紀(jì)各方面的準(zhǔn)備，19世紀(jì)成為科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展的時(shí)期。近代科學(xué)在進(jìn)入19世紀(jì)下半葉后，出現(xiàn)生物進(jìn)化論（1859年）和電磁理論（1864年）兩座高峰。它們各自顯示生命現(xiàn)象與物理現(xiàn)象的內(nèi)在統(tǒng)一性，都顯示出了科學(xué)理論的巨大綜合能力。這些成就使不少科學(xué)家以為科學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)大功告成，特別是在理論比較成熱的物理學(xué)領(lǐng)域中普遍出現(xiàn)了這種情緒。

在物理學(xué)發(fā)展史上，曾有過物理學(xué)理論的3次大綜合。第一次是英國物理學(xué)家牛頓在伽利略、開普勒、笛卡兒等人工作的基礎(chǔ)上，把物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律歸結(jié)為3條基本運(yùn)動(dòng)定律和1條萬有引力定律，由此建立起一個(gè)完整的力學(xué)理論體系。這樣，他將過去認(rèn)為是截然無關(guān)的地球上的物體（世俗的）運(yùn)動(dòng)和天體（“天堂的”）運(yùn)動(dòng)規(guī)律概括在一個(gè)嚴(yán)密的統(tǒng)一理論中。這是物理科學(xué)，也可以說是人類認(rèn)識自然的歷史中的第一次理論大綜合。這一偉大成就，使機(jī)械唯物論的自然觀取得統(tǒng)治地位，它統(tǒng)治整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域達(dá)200年之久。到了19世紀(jì)中葉，牛頓力學(xué)顯示出無比強(qiáng)大的威力。1846年海王星的發(fā)現(xiàn)，完全證實(shí)了牛頓理論所作的預(yù)言。19世紀(jì)40年代能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，揭示了各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式不但可以相互轉(zhuǎn)化，而且在量上還有確定的關(guān)系。這樣，力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)甚至生物學(xué)就都貫穿在一起，使牛頓力學(xué)成為各門物理科學(xué)的理論基礎(chǔ)。這是物理學(xué)第二次偉大的綜合，氣體動(dòng)理論就是這次大綜合的產(chǎn)物。氣體動(dòng)理論是用牛頓理論研究大量分子運(yùn)動(dòng)，這是人類第一次進(jìn)入微觀領(lǐng)域進(jìn)行定量描述。由此，大至日月星辰小至分子原子，無不為牛頓體系所包羅。之后，法拉第、麥克斯韋電磁理論的建立，又把電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)合成一體，完成了物理學(xué)第三次偉大的綜合，并為現(xiàn)代人類文明開辟了道路。雖然法拉第的一些思想已經(jīng)超出了牛頓的框架，但本質(zhì)上仍屬經(jīng)典理論體系。

物理學(xué)的巨大成功，使當(dāng)時(shí)不少物理學(xué)家認(rèn)為，物理理論已接近最后完成，今后只能在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和發(fā)展，物理學(xué)已發(fā)展到頂峰。

三、19世紀(jì)末的物理學(xué)危機(jī)

正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理學(xué)的全面勝利歡呼萬歲的時(shí)候，它的體系本身卻開始出現(xiàn)了危機(jī)。不久，這場危機(jī)發(fā)展成一場翻天覆地的大革命。危機(jī)是從媒質(zhì)“以太”開始的。1887年邁克爾遜-莫雷的尋找“以太”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果同理論預(yù)測相反，否定了以太的存在，引起了物理學(xué)家們的震驚。當(dāng)時(shí)，英國的一名著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家曾大聲疾呼：“我們?nèi)匀黄诖诙€(gè)牛頓來給我們一種關(guān)于以太的理論，它將不僅包括電和磁的事實(shí)，光輻射的事實(shí)。”為送別舊世紀(jì)，英國科學(xué)界最有地位的勛爵于1900年4月27日作了題為《熱和光的動(dòng)力學(xué)理論上空的十九世紀(jì)之云》的長篇講話，這位思想保守的“元老”認(rèn)為經(jīng)典物理學(xué)理論在本世紀(jì)末出現(xiàn)了兩朵烏云。第一烏朵就是“以太漂移問題”;而第二朵烏云，是與比熱有關(guān)的能量均分定理，也叫“紫外災(zāi)難”。

1.第一朵烏云--“以太”學(xué)說

第一朵烏云是隨著光的波動(dòng)理論而開始出現(xiàn)的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個(gè)理論，它包括這樣一個(gè)問題：地球如何通過本質(zhì)上是光的以太這樣的彈性固體而運(yùn)動(dòng)呢？相對性原理是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)最基本的原理，這個(gè)原理認(rèn)為，絕對靜止和絕對勻速運(yùn)動(dòng)都是不存在的，一切可利量的、因而也是有物理意義的運(yùn)動(dòng)，都是相對于某一參照物的相對運(yùn)動(dòng)。牛頓本人也充分意識到了確定“絕對運(yùn)動(dòng)”的困難，最后只能以臆測性的“絕對空間”的存在作為避難所。麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之后，電磁波的載體以太，就成了物化的絕對空間，靜止于宇宙中的以太就構(gòu)成了一切物體的“絕對運(yùn)動(dòng)”的背景框架。既然以太也是一種物質(zhì)存在，或者說它表征著物化了的絕對空間，當(dāng)然就可以從通過精密的實(shí)驗(yàn)測出物體相對于以太背景的絕對運(yùn)動(dòng)。美國物理學(xué)家邁克爾遜（1852-1931）和莫雷（1838-1923）在1887年利用干涉儀進(jìn)行的精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)，都未能觀察到所預(yù)期的以太相對于地球的運(yùn)動(dòng)。

2.第二朵烏云--“紫外災(zāi)難”

第二朵烏云涉及的是經(jīng)典物理學(xué)另一分支，熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論中的一個(gè)重要問題。開爾文明確提到的“麥克斯韋-玻耳茲曼關(guān)于能量均分的學(xué)說”，實(shí)際上是指19世紀(jì)末關(guān)于黑體輻射研究中所遇到的嚴(yán)重困難。選級變化的物理量。為了解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，物理學(xué)家瑞利和金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個(gè)公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。

事實(shí)上，到了19世紀(jì)末，由于X射線（1895年）、放射性（1896年）、電子（1897年）以及鐳（1898年）的發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)上空已不是兩朵云，而是危機(jī)四伏，大有山雨欲來風(fēng)滿樓之勢。在世紀(jì)交替時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)城中，幾乎所有的原理、基本概念都受到懷疑和重新審查，如物質(zhì)的不滅性、能量守恒性、原子的不可分割和不變性、時(shí)空的絕對性、運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性等。物理學(xué)在醞釀一次偉大的革命。

四、物理學(xué)的革命

20世紀(jì)初的這兩朵烏云最終導(dǎo)致了物理學(xué)的一場大變革。第一朵烏云“以太”學(xué)說導(dǎo)致了相對論的誕生。第二朵烏云“紫外災(zāi)難”導(dǎo)致了量子力學(xué)的產(chǎn)生。

1.量子概念的建立

量子物理世界的大門是在黑體輻射問題的研究中打開的。1879年德國物理學(xué)家斯特藩從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出了黑體單位表面積單位時(shí)間的熱輻射總能量與絕對溫度的四次方成正比的定律，這個(gè)結(jié)果在1884年被玻耳茲曼從光的電磁理論和熱力學(xué)理論做出了論證。這就是斯特潘-玻耳茲曼定律。1893年維恩也由電磁學(xué)和熱力學(xué)理論得出了輻射能量最強(qiáng)的波長與黑體的溫度成反比的“位移定律”，但這兩個(gè)定律都不能具體反映輻射能量隨頻率和溫度的分布情況，只能在一定的范圍和條件下與實(shí)驗(yàn)曲線相吻合。維恩因?yàn)樵诤隗w輻射方面的研究成果獲得了1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1900年，對熱力學(xué)有長期研究的德國物理學(xué)家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-金斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個(gè)自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個(gè)公式，而這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確相符，它就是普朗克公式，即普朗克輻射定律。普朗克在1900年12月發(fā)表了論文《正常光譜輻射能的分布理論》，給出了一個(gè)猜測性質(zhì)的黑體輻射定律和它的理論根據(jù)，他認(rèn)為能量在輻射過程中不是連續(xù)的，而是一股“再不可分”的涓流被釋放或吸收。普朗克的能量子假說：輻射黑體的分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能，但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不像經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值，相應(yīng)的能量是某一最小能量（能量子）的整數(shù)倍。能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的觀念，揭示了微觀世界中一個(gè)重要規(guī)律，開辟了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于普明克發(fā)現(xiàn)了能量子，對建立量子理論做出了卓越貢獻(xiàn)，獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。普明克的量子理論是牛頓以后自然科學(xué)所經(jīng)受的最巨大、最深刻的變革，能量的量子思想奠定了近代微觀物理的基礎(chǔ)。

1905年6月，愛因斯坦在德國《物理學(xué)記事）上發(fā)表的《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，為研究輻射問題帶來了一個(gè)嶄新的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，在普朗克量子理論中只考慮了腔壁上諧振子能量的量子化，但對空腔內(nèi)電磁輻射的處理，還是用的麥克斯韋電磁波動(dòng)理論，這種觀點(diǎn)是不徹底的。在愛因斯坦看來，電磁場能量本身也是量子化的，輻射場不是連續(xù)的，而是由分立的能量子組成的。他把這種能量子稱為“光量子”。后來美國物理學(xué)家路易斯把它改稱為“光子”。愛因斯坦研究了用光的能量連續(xù)分布理論難以解釋的光電效應(yīng)現(xiàn)象。由于愛因斯坦在數(shù)學(xué)物理學(xué)的成就，特別是光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)獲得了1921年諾貝理學(xué)獎(jiǎng)。愛因斯坦的量子化觀點(diǎn)比普朗克更進(jìn)了一步，即：輻射能量在傳播過程中也是分立的。偉大的丹麥物理家玻爾以普朗克的量子理論和愛因斯坦的光子概念為基礎(chǔ)，提出原子能級及電子在能級間躍遷的假設(shè)。1913年弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)利用電子來撞擊原子，直觀地證實(shí)了能級的存在。

1924年德布羅意提出波粒二象性假設(shè)，電子銜射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他的假定，薛定諤進(jìn)一步推廣了德布羅意的概念，于1926年提出了波動(dòng)力學(xué)，后與海森堡、玻恩的矩陣力學(xué)統(tǒng)一為量子力學(xué)。從而，以量子概念為基礎(chǔ)的量子力學(xué)在微觀領(lǐng)域代替了經(jīng)典的牛頓力學(xué)。

2.相對論的建立

20世紀(jì)初，物理學(xué)中除了普朗克的量子假設(shè)之外的另一項(xiàng)偉大成就就是愛因斯坦的相對論，相對論在物理學(xué)界引起的世界觀變革按其深刻性和后果，只有哥白尼創(chuàng)造的宇宙說引起的改革才能與之相比。愛因斯坦在1905年的德文科學(xué)雜志《物理年鑒》上發(fā)表了論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文已相當(dāng)全面地論述了狹義相對論。狹義相對論不是憑空出現(xiàn)的，而是在解決運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)問題過程中形成的。

從19世紀(jì)中葉開始，物理學(xué)家想證實(shí)電磁波的傳播介質(zhì)-以太的存在，到19世紀(jì)末，被認(rèn)為最能自圓其說和最像真理的是靜止的以太模型，這種以太充滿所有空間，不參與物體的運(yùn)動(dòng)。靜止的以太似乎可以充當(dāng)絕對靜止參照系，當(dāng)年牛頓似乎就是相對于這種參照系研究物體“真正”的運(yùn)動(dòng)的。在理論上，利用邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，可以算出地球相對于“以大”的“絕對”速度，但事實(shí)上卻得到否定的結(jié)果：在任何過程中地球相對于“以太”總是靜止不動(dòng)的。因此，否定了絕對靜止參照系的存在。運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)問題還有另一方面，我們知道牛頓力學(xué)方程經(jīng)過伽利略變換后其形式保持不變，即牛頓力學(xué)方程相對于經(jīng)典力學(xué)的變換形式來說是協(xié)變的。而麥克斯韋電磁場方程相對于經(jīng)典力學(xué)的變換形式來說是非協(xié)變的，因此經(jīng)典力學(xué)和電磁理論之間存在鴻溝。

愛因斯坦根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)概括出兩個(gè)假設(shè)：相對性原理和光速不變原理。拋棄了以太的假設(shè)，得到了使牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場方程都保持協(xié)變的洛侖茲變換，從而建立了狹義相對論。相對論主要是關(guān)于時(shí)空的理論，牛頓力學(xué)是相對論力學(xué)的低速極限。發(fā)生在20世紀(jì)初的這場偉大革命，為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕。

五、結(jié)論

這次變革把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推向了一個(gè)新的階段;這次變革對人類社會(huì)、對世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展、對社會(huì)生活、對國際關(guān)系和全球問題等產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響;同時(shí)也產(chǎn)生了生態(tài)環(huán)境惡化、資源能源的過度消耗、核威脅、環(huán)境污染等負(fù)面影響，對人類造成了巨大威脅，這需全世界各國共同關(guān)注。

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注：本文為陜西省自然科學(xué)基金（2016JM1027）;西安航空學(xué)院科研基金（2018ky0204）。

作者簡介：張陳?。?978-），男，山西榆社人，博士，講師，主要從事納米材料的結(jié)構(gòu)和性能研究。