百年度物理学的启示.doc

百年物理学的启示 一百年前，爱因斯坦在伯尔尼狭小而简陋的公寓里写下了十几篇科学文章，其中的五篇论文，即讨论了光量子以及光电效应的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》、推导出计算分子扩散速度数学公式的《分子大小的新测定》、提供了原子确实存在证明的《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》、提出时空关系新理论的《论动体的电动力学》，以及根据狭义相对论提出质量与能量可互换思想的《物体的惯性是否决定其内能》，成为科学史上著名的论文。特别是作为相对论奠基之作的《论动体的电动力学》，拉开了近代物理学革命的序幕。????这场以量子论和相对论为基础的近代物理学革命，将科学引入到一个新的时代，由此，人类认知的触角伸向广袤的宇宙，伸向遥远的宇宙起源之初，伸向人类在此之前所未知的微观物质层面。近代物理学革命在以后的岁月里还引发了生命科学的革命。这一切改变了人类的物质观、时空观、生命观和宇宙观。而且，近代物理学革命催生出核能、半导体、激光、新材料和超导等技术物理，促进了一批新技术的飞速发展，并借此改变了人类的生产和生活方式，将人类推进到知识经济时代。????爱因斯坦等近代物理学革命的缔造者，无疑是科学史上、乃至人类历史上的划时代伟人。我们纪念他们，回顾一百年来物理学的发展历程，并不仅仅是为了感念和追思，更重要的是要从他们的成就与发现历程中汲取可贵的启示与经验，以对我们把握科学的未来与发展有所裨益。????一、实验与理论之间的矛盾催生新概念 ????十九世纪末，当时人们正在陶醉于经典物理学的解释，甚至有人认为，物理学已经无大事可作。但是就是在这种情况下，一些物理现象的发现，开始预示着经典物理学解释的局限性。????冶金工业的迅速发展所要求的高温测量技术推动了对于热辐射的研究，19世纪中叶的德国成为这一研究的发源地。所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波，它很强地依赖于物体自身的温度。麦克斯韦的电磁场理论把光作为电磁现象囊括在其中，但它只能解释光的传播，而对于热辐射的发射和吸收则无能为力。基尔霍夫（1824-1887年）提出用黑体作为理想模型来研究热辐射（1859年），维恩（1864-1928年）确认可以将一个带小孔空腔的热辐射性能看作一个黑体（1896年）。一系列的实验表明，这样的黑体所发射的辐射能量密度只与其温度有关，而与其形状及其组成的物质无关。怎样从理论上解释黑体能谱曲线，成了当时热辐射研究的根本问题。维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设，提出了一个黑体辐射能量按频率分布的公式（1896年），普朗克就正是在这时候加入了热辐射研究。????为了解释黑体辐射光谱的能量分布曲线，普朗克在1900年给出了一个与实验结果非常吻合的公式。然而，这个公式要求黑体辐射所发射或吸收的能量是确定大小的能量子，这就意味着能量也像物质一样具有粒子性——能量的分离性或不连续性。1905年，爱因斯坦把能量子的概念推广到光的传播过程中，提出了光量子理论，并成功地解释了光电效应。1913年，丹麦物理学家玻尔（，1885-1962年）又把能量子的概念推广到原子，以原子的能量状态不连续假设为基础，建立了量子论的原子结构模型。德国物理学家海森伯（1901-1976年）不满意玻尔原子理论的不自洽，他直接从光谱的频率和强度的经验资料出发，于1925年提出矩阵量子力学。翌年，奥地利物理学家薛定谔（1892-1961年）改进了德布罗意（1892-1994年）基于波粒二象性的物质波理论，提出了波动量子力学。而后的研究进展不仅证明矩阵和波动两种量子力学的数学等价性，而且美国物理学家费曼（1918-1988年）又发展出第三个等价物——路径积分量子力学。由此，量子理论趋于完善。????正是热辐射这一疑难成了量子论诞生的逻辑起点。作为能量的“量子”概念诞生在1900年，它的提出和推广导致描述微观粒子运动的量子力学在1920年代形成，并进而与狭义相对论结合，发展出描述微观粒子产生和湮灭的量子场论。量子场论的发展经历了经典量子场论（对称的）、规范量子场论（非对称的）和超对称量子场论三个阶段，不仅揭开了肉眼看不见的微观世界的秘密，并且加深了人类对宇宙演化的理解，革新了人们认识世界的方式，而且还带来了一系列重大的技术突破。????我们从对黑体辐射的实验研究到量子理论的提出可以认识到，科学归根结底是实证知识体系，一旦理论与严密的实验结果不一致，无论这种理论的权威性如何，无论这种理论得到多少人、多少年的信奉，作为科学家，都有理由去怀疑理论本身。同时，我们还认识到，科学探索的最终结果是对发现的自然现象做出理论解释，而做出理论解释，不仅需要有严谨的科学态度，理性的质疑精神，更需要有深邃的思考能力和缜密的分析能力，以及理论思维能力。????二、重大科学突破始于凝练出科学问题 ?