淺談19世紀末20世紀初的物理危機

潘志脫

摘 要：19世紀末經典物理學出現了危機，因為經典物理學的理論無法解釋新發(fā)現的重大物理知識，從而引發(fā)物理學革命，為現代物理學的到來埋下伏筆。本文以歷史事實為繩，以歷史時間順序為軸，從三方面寫起。第一，經典物理學；主要是寫17世紀初到19世紀末的物理學萌芽階段到經典物理學理論的建立。第二，物理學危機；邁克爾遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗的零結果，引發(fā)經典物理學理論的困難，而物理學三大發(fā)現的出現則直接沖垮了經典物理學理論，經典物理學就此進入危機。第三，物理危機的意義；物理學危機之后，物理學進入現代物理學，現代物理學對人們的衣食住行及生命健康、生活條件乃至科技發(fā)展等等都有積極的意義，危機的出現，也是挑戰(zhàn)和機遇的到來，本文對挑戰(zhàn)和機遇的到來時的把握有一定的研究，可以為大家借鑒。

關鍵詞：19世紀末；經典物理學；物理學危機；挑戰(zhàn)；機遇

19世紀末經典物理學理論產生困難，物理學進入危機，其實不是物理學的危機，而是物理更新的革命，是對過去經典的質疑和對真理的不懈追尋。經典物理學危機的出現，對物理學乃至整個科學界都有積極的意義。

1 經典物理學

在經典物理學建成之前，是經驗物理，是物理學的萌芽階段，是勞動人民從事生產活動中總結出來的經驗，主要是通過對物體的觀察和哲學的思辨 。那時與生產勞動息息相關的，聲、光、天文等物理知識得到較快的發(fā)展。當時中國在這些方面的研究都處于世界領先地位，和古希臘形成了兩個東西不同文化的世界文化中心。

隨著資本主義國家的建立和工業(yè)革命的到來，資本主義國家經濟得到快速發(fā)展，促進各類文化的進步，其中物理學科發(fā)展比較迅速，科學的實驗和嚴密的數學推導，形成了比較完整的物理體系。到了19世紀末時，經典力學、熱力學、統(tǒng)計物理學和經典電磁場的理論都已經比較成熟和完善，多種物理學的發(fā)展使物理學的發(fā)展達到了它的顛峰。經典物理學體系的大廈就此建成。

2 經典物理學危機

經典物理學體系的建立，標志一個科學時代的來臨。19世紀是經典物理學最輝煌的時代，很多物理理論的建立和很多重大物理發(fā)現都發(fā)生在這個時代，造就了很多有名的物理學家?？茖W技術發(fā)展的迅速并產生了廣泛的社會影響，由光學、熱學、電磁學、力學和聲學構建經典物理學的大廈。也可以說19世紀是經典物理學最輝煌的時代。

到19世紀末期時，物理學的發(fā)展已經趨于成熟的階段。物理學的卓越成就，使得一大部分的物理學家已經失去了研究的動力，認為物理學的發(fā)展已經達到了飽和狀態(tài)，已經沒有了發(fā)展的空間。于是他們沉淪在過去的成果中，認為以后的物理已經沒有了大的發(fā)現了，物理學基本框架已經建成，以后只需把數據等算得精確一點就行了。

當時很多物理學家都沒有意識到，經典物理學理論體系本身就存在問題。隨著經濟的發(fā)展和科學的進步，到20世紀初時，精密、大型儀器引入生產，這時物理學呈加速發(fā)展狀態(tài)。但經典物理學理論體系的不足，也逐漸呈現出來。第一個質疑經典物理學理論體系的是，1887年的邁克爾遜-莫雷的“以太”實驗，第二個是黑體輻射實驗。

第一個“以太”實驗是隨著光的波動理論而開始出現的。物理學家菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論，它有這樣一個問題：地球是如何通過“以太”這樣的彈性固體而又對光產生影響的呢？這個實驗的新發(fā)現與經典力學、電磁學、氣體分子運動論的理論產生了困難。而經典力學的相對性原理，認為空間中絕對靜止和絕對勻速運動物體都是不存在的，都是相對于某一參考系的相對運動。牛頓也充分意識到了確定“絕對運動”的困難，但為了完整解決萬有引力的傳播介質，最后只能復活了“絕對空間”的存在作為避難所，因此，也間接的接受了麥克斯韋的電磁場理論。就這樣，“以太”就成為一切物體運動的參考系。既然“以太”是一種物質，或者說它象征物理與化學的絕對空間，那么就可以通過實驗測出它是一切物體運動的參考系。但是，1887年美國的兩位物理學家邁克爾遜和莫雷利用干涉儀所進行的精密光學實驗，得到的卻是否定的結果，根本找不到“以太”的存在。

第二個黑體輻射實驗涉及到經典物理學的一部分。當時，為了獲得準確的解釋黑體輻射實驗的結果，德國物理學家維恩、英國物理學家瑞利和金絲，他們從實驗推導出的黑體輻射公式，是不正確的。因為出發(fā)點不正確，他們只建立在波長比較短、溫度比較低或波長比較長、溫度比較高的局限條件下是正確的，但相反條件時，結果卻相差十萬八千里，是根本不可能的。

邁克爾遜-莫雷的“以太”實驗，使人們開始對經典物理學理論體系的懷疑，而黑體輻射實驗的結果則使人們直接對經典物理學質疑。然而不久，邁克爾遜-莫雷實驗中卻降生了相對論，緊接著從黑體輻射實驗中降生了量子論。由于相對論和量子論與經典物理學的理論發(fā)生了尖銳的對立，就這樣經典物理學的理論體系就受到嚴重的質疑。

然而在這兩個實驗之后的幾年，物理學上又出現了三大物理發(fā)現，即X射線、放射性和電子。這些新的物理發(fā)現，與道爾頓之前所建立原子是不可分割的理念產生嚴重沖突，從此打開了原子核內部和原子結構的大門。就這樣在之前一向被認為是天經地義物的許多基本物理原理和基本概念都受到懷疑和重新審視，就這樣經典物理學的大廈被徹底的動搖。

20世紀初的兩個實驗和物理學的三大發(fā)現的出現等等。使人們對經典物理學產生了懷疑和不信任，更不知未來物理學路在何方。然而當時，卻有一部分科學家認為，物理學的發(fā)展不過遇到了幾個較為嚴重的困難而已，這些困難能夠通過適當的方案逐一加以解決，而無須觸動整個物理學的基礎。有些科學家則認為，物理學不存在危機，只是物理的哲學方面存在危機而已。更有科學家認為沒有危機。而在危機面前，科學家卻沒有清楚的認識問題的本質和嚴重性，再加上看法和意見的不統(tǒng)一，使當時物理界的科學家進入了一種迷茫和混亂，卻沒有意識到危機已經到來，一場科學革命即將到來。最終由20世紀初的兩個實驗及物理學三大發(fā)現引發(fā)了物理學的一場大變革，開辟了現代物理學體系的新時代。

3 經典物理學危機的意義

在發(fā)展的社會中，我們常常會遇到不同的問題，在解決這些問題時，我們會發(fā)現過去經典的理論很難滿足日新月異的社會發(fā)展，這就需要我們展開對過去經典的質疑，以及在懷疑中為新發(fā)現帶來機遇。19世紀末物理學上出現了兩個著名的物理實驗和三大物理發(fā)現，兩個著名實驗的出現，使人們對不可質疑的經典物理學產生了懷疑，而三大物理發(fā)現的結果則直接沖垮了經典物理學的神圣地位，誘發(fā)了經典物理學的危機。

3.1 經典物理學危機對科學和社會的影響

經典物理學危機的出現，使人們對于科學有更深的認識，特別是三大發(fā)現的出現，揭露了微觀世界原子和原子核內部的奧秘。物理學理論被引入化學以后，把物理和化學的理論進行融合，可用來判斷化學反應的狀況，從而建立了物理化學，把化學從理論上和生產應用上提高到更高的水平。而化學又與材料科學有聯系，為發(fā)展材料科學提供了重要的理論依據。材料科學的建立和發(fā)展，為人類從事勞動生產、解決社會問題、衣食住行和健康水平等方面做出了很大奉獻。

3.2 經典的危機帶來的挑戰(zhàn)和機遇

在科技發(fā)達的今天，我們很多時候會遇到類似于20初的物理危機一樣，新的發(fā)現與原有的經典理論產生沖突，而帶來一系列的危機，這既是機遇，也是挑戰(zhàn)。當原有的經典理論很難去解釋新發(fā)現的問題，這時就需要我們向傳統(tǒng)發(fā)出挑戰(zhàn)。而經典物理學又長期占據人們的思想，當遇到這種事情的時候，很多人不敢涉足下去，被經典物理學綁住了思維，只能在一定的空間范圍內思考問題，而又用本來就有問題的理論去解釋新出現的事物，這就是機遇。這就需要我們打破原有經典的約束，創(chuàng)造出新的理論體系，這就是機遇，但這要面對經典崇拜者的質疑，我們到底是要放棄還是堅持，這就需要勇氣。

對于經典物理學理論體系的危機，它是在理論和實驗設備體系有限的前提下產生的，由局限的研究條件得到的結果，是不完整的。但是，對于那個時候已經是一個非常了比起的發(fā)現和理論體系，但隨著人們認識水平的提高和科學實驗技術的進步，會對科學有更高的要求。

科學發(fā)展是沒有界線的，而我們要做的就是善于觀察和分析，當面對問題和挑戰(zhàn)真理時，要勇于去發(fā)現和對真理的不懈追尋。挑戰(zhàn)真理，并不代表是研究的異類，而是對真理的渴望。當面對從未想象過的事情時，就需要這種品質和自身對問題的執(zhí)著。愛因斯坦就是一個很好的例子，20世紀初他的相對論打破了傳統(tǒng)的束縛，顛覆了人們對傳統(tǒng)認識，預示了物理學大發(fā)現的時代到來。相對論的提出，可謂是跨時代的，對現代物理學有深遠的影響。愛因斯坦的成功，我們是否想過，是什么成就了愛因斯坦，愛因斯坦的成功靠的是什么？是他面對經典的挑戰(zhàn)時的態(tài)度，是敢于對經典提出質疑和對自己的堅持。

當經典遇到質疑時，我們要做的就是補缺經典的缺失，需要創(chuàng)造出新的理論體系。我們知道科學的發(fā)展是沒有盡頭的，當經典遇到危機時所帶來的挑戰(zhàn)和機遇，我們在把握機遇時，也要尊重經典，這樣才不會偏離研究方向，畢竟那個是我們新發(fā)現的基礎和質疑的對象。在機遇來的時候，要把握好方向，探索出機會。

3.3 經典物理危機對未來物理學發(fā)展的積極意義

其實，19世紀末的物理學面對的不是危機，而是一場偉大的物理學革命，對于物理學的發(fā)展來說，是好事而不是壞事，物理危機的出現是物理學進入新階段的前兆。要擺脫這種危機，就要在新的實驗事實的基礎上更新和擴展物理學。物理學只有在觀念、理論體系上徹底變革，才能適應新的現代物理學。

物理學革命的歷程使人們意識到，任何科學不可能是一成不變的，隨著社會的發(fā)展，技術的進步，實驗技術的不斷完善，理論必須不斷更新，甚至徹底改變。這場革命還帶動了其他各門科學的發(fā)展，使整個20世紀成為科學技術革命的世紀。

綜上所述，我們可以知道，物理學史經歷了經驗物理學、經典物理學、現代物理學三個階段，每一個階段的出現都和當時的時代背景息息相關。20世紀初是科技和經濟的高速發(fā)展期，經典物理學理論體系在那個時代背景下發(fā)生了危機。經典物理學理論體系危機的出現，是經典物理學理論體系內在的缺陷，是開辟行新的物理理論體系和時代發(fā)展的必然結果。同時危機的出現也是挑戰(zhàn)和機遇來臨的時候，如何應對挑戰(zhàn)和把握機遇，就要求我們要對真理的不懈追求和產生的問題時自身對問題的執(zhí)著。

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指導教師：張小偉副教授