物理學(xué)的過去、現(xiàn)在與未來(一)

馮 端

(南京大學(xué) 物理學(xué)院,南京 210093)

0 引 言

“物理學(xué)的過去、現(xiàn)在和未來”是一個(gè)非常大而且重要的題目，也是一個(gè)非常難講的題目，特別是涉及物理學(xué)的未來，結(jié)果往往是貽笑大方。這里以歷史的透視為主線，提出一些個(gè)人不成熟的看法，拋磚引玉，希望得到大家的批評和指正。

1 歷史的透視

對物理學(xué)的發(fā)展歷史進(jìn)行透視，將有助于我們來理解其現(xiàn)狀并進(jìn)而展望其未來。歷史很長，不能樣樣都講到。我想從牛頓開始，牛頓以前還有很多先驅(qū)性的工作，只好從略了。

1.1 經(jīng)典物理學(xué)的盛世(17世紀(jì)至19世紀(jì)末)

我們不想詳細(xì)討論歷史，主要考慮那些還在用的物理學(xué)知識。

第一次綜合 (統(tǒng)一)是 17世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成了體系?？梢哉f，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓力學(xué)實(shí)際上是將天上的行星運(yùn)動與地上的蘋果下墜概括到一個(gè)規(guī)律里面去了，建立了經(jīng)典力學(xué)。至于蘋果下墜啟發(fā)了牛頓的故事究竟有無歷史根據(jù)是另一回事，但它說明了人們對于形象思維的偏愛。牛頓實(shí)際上建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動定律，一個(gè)是萬有引力定律。運(yùn)動定律就是在力作用下物體怎樣運(yùn)動的規(guī)律；萬有引力是一種特定的物體之間存在的基本相互作用力。牛頓將兩個(gè)定律結(jié)合起來運(yùn)用，因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動或者地球上的拋物體運(yùn)動都離不開萬有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個(gè)重要的力學(xué)規(guī)律總結(jié)出來的同時(shí)，也發(fā)展了數(shù)學(xué)。他也是微積分的發(fā)明人。他用微積分來解決力學(xué)問題。由運(yùn)動定律得出來的運(yùn)動方程，可以用數(shù)學(xué)方法把它具體解出來。這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的威力，它具有解決具體問題的能力。假如你要計(jì)算行星運(yùn)動的軌道，基本上可以按照牛頓所給出來的物理規(guī)律，加上用數(shù)學(xué)方法解運(yùn)動方程就行了。根據(jù)現(xiàn)在的軌道上行星位置，倒推千百年前或預(yù)計(jì)千百年后它們的位置都是輕而易舉的，從而開拓了天體力學(xué)這一學(xué)科。海王星的發(fā)現(xiàn)史就充分顯示了這一點(diǎn)。人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的要求，問題在哪里呢？結(jié)果認(rèn)為牛頓定律正確無誤，而是在天王星軌道外面還有一顆星，對它造成影響，并估計(jì)出這個(gè)星球的位置。果然在預(yù)計(jì)的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆星，命名為海王星。這表示牛頓定律是很成功的。按照牛頓定律寫出運(yùn)動方程，若已知初始條件位置和速度，原則上就可以求出以后任何時(shí)刻的粒子位置。

到 19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)新的發(fā)展表現(xiàn)為一些科學(xué)家重新表述了牛頓定律。重新表述有拉格朗日 (Lagrange)方程組、哈密頓 ( Hamilton)方程組。這些重新表述形式不一，實(shí)質(zhì)并沒有改變。在不改變實(shí)質(zhì)的條件下，用新的、更簡潔的形式來表述牛頓定律，這是一個(gè)方面。

另一個(gè)方面，就是將牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題中去，就出現(xiàn)了彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。在這一方面，20 世紀(jì)有更大的發(fā)展，特別是流體力學(xué)，空氣動力學(xué)和航空技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，而氣動力學(xué)的發(fā)展又和噴氣技術(shù)密切相關(guān)，進(jìn)而牛頓力學(xué)還構(gòu)成了航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。因此我們說牛頓定律到現(xiàn)在為止還是非常重要的，牛頓定律還是我們大學(xué)課程中不可缺少的一個(gè)組成部分。當(dāng)然，其表述方法應(yīng)隨時(shí)代發(fā)展而有所不同。讀者如果有興趣，不妨去翻一翻牛頓當(dāng)年的表述。牛頓關(guān)于力學(xué)研究的成果，寫在一本叫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 (簡稱《原理》)的巨著中。只要稍微翻一下這本書，就會發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是從萬有引力定律和運(yùn)動定律把行星運(yùn)動的軌道推了出來。我們現(xiàn)在學(xué)理論力學(xué)時(shí)，行星運(yùn)動的橢圓軌道問題是不太難的，解微分方程就可以求出來。但牛頓在《原理》里，沒有用他的微積分，更沒有用解微分方程的方法，他純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來的?，F(xiàn)代科學(xué)家就不一定能看懂他這一套東西。舉個(gè)例子來說，費(fèi)曼(R. Feyman) ，有名的理論物理學(xué)家，他寫過一本書，他說他自己對現(xiàn)代數(shù)學(xué)比牛頓強(qiáng)得多，但對17世紀(jì)牛頓當(dāng)時(shí)熟悉的幾何學(xué)他就不一定能全部掌握，他花了好些時(shí)間，想用牛頓的思路把橢圓軌道全部證出來，結(jié)果，中間還是有些環(huán)節(jié)證不出來，最后他不得已調(diào)整了一下方法，沒有完全依照牛頓的證法，但基本上還是用幾何方法把這個(gè)問題證明出來了?？茖W(xué)理論的表達(dá)是隨時(shí)代變化的?，F(xiàn)在來看，牛頓運(yùn)動定律的關(guān)鍵問題，譬如行星運(yùn)動是橢圓軌道，現(xiàn)在應(yīng)有可能在普通物理中講了，因?yàn)楹唵蔚奈⒎址匠桃呀?jīng)可以用計(jì)算機(jī)求解了。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也許今后在普通物理中講牛頓定律時(shí)，就可以在課堂上把行星運(yùn)動橢圓軌道的一些基本概念說清楚了。在這里也可以說，教學(xué)問題與現(xiàn)代科技發(fā)展是息息相關(guān)的。

第二次綜合是麥克斯韋的電磁學(xué)。大家都知道，最初是庫侖定律，用以表達(dá)電荷與電荷間的相互作用力，也表達(dá)磁極與磁極之間的相互作用力。然后電與磁之間的關(guān)聯(lián)被發(fā)現(xiàn)了：奧斯特的電流磁效應(yīng)，安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流之間相互作用的規(guī)律，然后是法拉弟的電磁感應(yīng)定律，這樣電與磁就連通成為一體了。最后，19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場理論。電磁定律與力學(xué)規(guī)律有一個(gè)很大的不同。力學(xué)考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，根據(jù)牛頓的設(shè)想，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題 (當(dāng)然用現(xiàn)代觀點(diǎn)看，引力也應(yīng)該有傳遞問題)?，F(xiàn)在從粒子的超距作用改成電磁場的場的相互作用，這在觀點(diǎn)上有很大變化，重點(diǎn)從粒子轉(zhuǎn)移到場。麥克斯韋考慮電磁場的相互作用，導(dǎo)致電磁波，電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，后來赫芝在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)電磁波的發(fā)射。另外，電磁波不但包括無線電波，實(shí)際上包括很寬的頻譜，很重要的一部分就是光波。光學(xué)在過去是與電磁學(xué)完全分開發(fā)展的，到了麥克斯韋的電磁理論出來以后，光學(xué)也變成了電磁學(xué)的一個(gè)分支了，在這里，電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)得到了統(tǒng)一。這在技術(shù)上有重要意義，發(fā)電機(jī)、電動機(jī)幾乎都是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上的，電磁波的傳播導(dǎo)致現(xiàn)代的無線電技術(shù)。電磁學(xué)直到現(xiàn)在，在技術(shù)上還是起主導(dǎo)作用的一門學(xué)科，故在基礎(chǔ)物理學(xué)中電磁學(xué)始終保持它的重要地位。

第三次綜合是從熱學(xué)開始的，涉及到宏觀與微觀兩個(gè)層次。根據(jù)熱學(xué)研究總結(jié)出熱力學(xué)的兩大基本規(guī)律:第一定律，即能量守恒律；第二定律，即熵恒增律。但科學(xué)家不滿足于單純在宏觀層次上來描述，還想追根問底，企圖從分子和原子的微觀層次上來闡明物理規(guī)律。氣體分子動理學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生，用以闡述氣體物態(tài)方程、氣體導(dǎo)熱性與粘滯性等物性參量的微觀基礎(chǔ)。進(jìn)一步就是玻爾茲曼與吉布斯所發(fā)展的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的發(fā)展，促使物理學(xué)家接觸到具體的物性問題，加強(qiáng)了物理學(xué)與化學(xué)的聯(lián)系，建立了物理化學(xué)這一門交叉學(xué)科。

1.2 轉(zhuǎn)折與突破(19世紀(jì)至20世紀(jì)初)

正是由于經(jīng)典物理學(xué)取得了非凡的成就，給人們印象太深刻了，遂使有些科學(xué)家產(chǎn)生了錯(cuò)覺，認(rèn)為巨大發(fā)現(xiàn)的時(shí)代業(yè)已過去。這種悲觀的論點(diǎn)在上世紀(jì)末相當(dāng)流行。具有典型意義的據(jù)稱是著名物理學(xué)家邁克耳孫(A. A. Michelson)說過的一段話，“當(dāng)然無法絕然肯定物理科學(xué)不再會有像過去那么驚人的奇跡，但非常可能的是大部分宏偉的基本原理業(yè)已確立，而今后的進(jìn)展僅在于將這些原理嚴(yán)格地應(yīng)用于我們所關(guān)注的現(xiàn)象上。在這里測量科學(xué)的重要性就顯示出來了——定量的結(jié)果比定性的結(jié)果更為可貴。一位卓越的物理學(xué)家曾經(jīng)說過，物理科學(xué)未來的真理將在小數(shù)點(diǎn)六位數(shù)字上求索”。(1898年芝加哥大學(xué)導(dǎo)學(xué)手冊)。值得注意，這類悲觀論點(diǎn)，在20世紀(jì)科學(xué)的重大發(fā)展之后，又在本世紀(jì)末重新問世。具有代表性的是美國資深科學(xué)記者霍根(J. Horgan)訪問許多知名學(xué)者之后，寫出了《科學(xué)的終結(jié)》一書，在斷章取義地引述若干科學(xué)家的談話之后，得出了荒謬的結(jié)論，不僅是物理學(xué)走向了窮途末路，而是一切自然科學(xué)都到了散場的地步?？胺Q為上一世紀(jì)末悲觀論點(diǎn)變本加厲的新版本，其命運(yùn)必將重蹈前者的覆轍。

富有洞見的是英國著名物理學(xué)家凱爾文(L. Kelvin)于1900年所作的演說。他在對19世紀(jì)物理學(xué)的成就表示滿意的同時(shí)，提出了“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云”。這兩朵烏云指的是:其一實(shí)驗(yàn)察覺不到物體和以太的相對運(yùn)動；其二是氣體多原子分子的低溫比熱不符合能量均分定理。這兩朵烏云迅速導(dǎo)致傾盆大雨，即相對論和量子論的兩場物理學(xué)的革命。

19世紀(jì)的科學(xué)家不滿足于用麥克斯韋方程組來解釋電磁現(xiàn)象，熱衷于采用機(jī)械模型來說明問題，即使是大師麥克斯韋本人也不例外。以太被引入作為真空中傳播電磁波的媒質(zhì)。邁克耳孫與莫萊(Morley)設(shè)計(jì)了精巧的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證物體和以太的相對運(yùn)動，取得了負(fù)的結(jié)果。愛因斯坦提出了狹義相對論(1905年)，其物理洞見在于摒棄了不必要的以太假設(shè)，進(jìn)而肯定電磁學(xué)的規(guī)律對于一切慣性參考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不變，不同慣性系之間的變換關(guān)系為洛倫茲變換。我們知道，牛頓力學(xué)也是對于慣性參考系才成立，而不同慣性系之間的變換關(guān)系為伽利略變換。這樣經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)之間就存在矛盾。愛因斯坦肯定了經(jīng)典電磁學(xué)，而對經(jīng)典力學(xué)作了相應(yīng)的修正，摒棄了牛頓的絕對的時(shí)空觀，認(rèn)為空間、時(shí)間與運(yùn)動有關(guān)，并首創(chuàng)性地提出了質(zhì)量與能量的對等關(guān)系，將牛頓力學(xué)修正后成功地應(yīng)用于高速運(yùn)動的情形。

牛頓力學(xué)的另一局限性表現(xiàn)在它不能圓滿地解釋強(qiáng)引力場中物體的運(yùn)動，這從它無法定量地解釋水星軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動問題而初露端倪。另一帶根本性的問題是它對萬有引力的存在沒有任何理論解釋。這些缺陷尚有待發(fā)展進(jìn)一步的理論來彌補(bǔ)。1916年，愛因斯坦的廣義相對論應(yīng)運(yùn)而生。這一理論的出發(fā)點(diǎn)在于肯定慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量等同的等效原理(這已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí))，將非慣性參考系中觀測到的慣性力與局域的引力等同起來。進(jìn)而提出一切參考系均有相同的物理規(guī)律這一廣義相對性原理。廣義相對論成功地預(yù)言了一些效應(yīng)，如強(qiáng)引力場中光線的彎曲，引力強(qiáng)度與光譜線頻移的關(guān)系，并用空間的彎曲很自然地解釋了引力的存在。由于廣義相對論是針對強(qiáng)引力場和大質(zhì)量物體而提出來的，因而廣泛應(yīng)用于天體物理學(xué)，也構(gòu)成了現(xiàn)代宇宙論的基礎(chǔ)。

如果說相對論消除了經(jīng)典物理學(xué)的內(nèi)在予盾并推廣其應(yīng)用范圍，那么量子論就開啟了微觀物理學(xué)的新天地。在19世紀(jì)，化學(xué)家道爾頓提出了原子論，物理學(xué)家也提出原子—分子微觀運(yùn)動的概念來構(gòu)筑分子動理學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。特別是著名物理學(xué)家玻爾茲曼在發(fā)展原子—分子運(yùn)動理論，推動統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展上作出了杰出的貢獻(xiàn)。但是這些工作受到馬赫(E.Mach)與奧斯特瓦爾德(W.F. Ostooald)等人從實(shí)證論哲學(xué)觀點(diǎn)的質(zhì)疑。按照實(shí)證論的觀點(diǎn)，只有為人們所感知的事物是存在的。而當(dāng)時(shí)由于顯微術(shù)觀測條件的制約，原子與分子都無法直接看到，因而有關(guān)的理論受到實(shí)證論者的否定。玻爾茲曼為捍衛(wèi)原子-分子理論進(jìn)行了激烈的爭辯。愛因斯坦于1905年提出布朗運(yùn)動的理論，為分子運(yùn)動的圖像提供了有力的旁證。隨后，佩蘭(J.B. Perrin)的實(shí)驗(yàn)觀測提供了更加確鑿的證據(jù)。

在明確了宏觀世界之外存在有微觀世界后，進(jìn)一步的問題在于探索微觀世界的物理規(guī)律。 上世紀(jì)90年代中葉后，有一系列重要發(fā)現(xiàn)，對這方面的研究起了很大促進(jìn)作用：1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，隨后X射線成為揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)的重要工具；1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性，隨后居里夫婦發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)放射性元素鐳，盧瑟福確認(rèn)了α，β，γ射線的本質(zhì)，這些工作揭開了原子核科學(xué)研究的序幕。1897年，湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，這是最早發(fā)現(xiàn)的一種基本粒子，隨后也被作為重要的工具應(yīng)用于研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而操縱電子的器件成為現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。作出這些重大發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家也都獲得了新世紀(jì)初諾貝爾獎的桂冠。

如果說證實(shí)原子與分子的存在就意味著揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)在微小尺度上具有不連續(xù)性，那么早期量子論則揭示了能量在微小尺度上的不連續(xù)性。1900年，普朗克為擬合黑體能量分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在經(jīng)典物理學(xué)的理論無效之后，鋌而走險(xiǎn)，提出了包括作用量子h的量子論。隨后，1905年，愛因斯坦根據(jù)光電效應(yīng)存在能量閾值的規(guī)律提出了在物理上更明確的具有能量為hν的光子這一種基本粒子。1911年，盧瑟福根據(jù)金箔對于α粒子的散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了有核的原子模型：正電荷集中在原子核這一微小區(qū)域之內(nèi)，而外圍則為電子所環(huán)繞。1913年，玻爾提出了量子論的原子模型，認(rèn)為原子中的電子處于確定的軌道上，處于定態(tài)，在定態(tài)之間的量子躍遷則導(dǎo)致發(fā)光。玻爾用這種半經(jīng)典的量子理論相當(dāng)滿意地解釋了氫原子的線系光譜，面對著更復(fù)雜的原子光譜問題就遇到了困難?？茖W(xué)家需要改弦易轍，發(fā)展更全面的量子理論。1924年，德布羅意正確地指出，正如電磁波也具有粒子性質(zhì)(光子)，而具有粒子性質(zhì)的電子等也將具有波動性。1925—1926年，海森伯與薛定諤分別完成了量子力學(xué)的兩種表述，矩陣力學(xué)與波動力學(xué)，強(qiáng)調(diào)了波動與粒子的二象性。電子衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了電子具有波動性，而量子力學(xué)的理論全面地解讀了紛紜繁復(fù)的原子光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一舉解決了原子結(jié)構(gòu)的問題。隨后狄拉克將非相對論的薛定諤方程推廣到(狹義)相對論的情形，建立了狄拉克方程，為量子力學(xué)作了重要的補(bǔ)充。這樣，微觀世界的物理規(guī)律終于確立。