世纪之交的物理学革命

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1、世纪之交的物理学革命19世纪理论科学的巅峰状态以及其中隐含的危机以物理学最为典型。海王星的发现显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学「力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”有一个故事很可以说明在人们心目中，古典物理学的完善程度。徳国著名的物理学家普朗克年轻吋曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”1900年4月27口，英国苦名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光的动力理论上空的19世纪

2、之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学木来I-分晴朗的天空上出现了两朵乌云。实际上，物理学天空上的乌云何止两朵。人量新现象与己成完美体系的古典理论之间的矛盾口渐突出，酿成了深刻的危机。正是这朵朵乌云带來了世纪之交的-场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。1、第一朵乌云：以太漂移实验开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。古典物理学统一诸种物理现象的主要方式，是找出该类物理现象的一个力学模型。例如，当我们把声音看成是声源振动在物质媒介中的纵向传播时，我们就将声学统一在关于振动的力学之中；当我们把热看成是细微分子的运动之后，我们就将热学统一在关于

3、大量分子运动的力学之中。电磁学似乎与力学距离较远，但也有统-它们的方式。比如，我们同样可以将电磁波看成是某种电磁振荡在某种物质媒介中的传播，如果这种模型是成立的，那么，电磁学与力学Z间也可以统一起來了。事实上，物理学家们就是这么做的，因为在他们看來，“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理Z上”。开尔文也说：“我的1=1标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现彖中，都将满足所要求的条件。在我没有给一•种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模

4、型，我就能理解它，否则我就不能理解”。川力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是，它是在什么物质媒介屮振荡传播的。我们知道，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨等，没有这些东西，声音便不能传播。可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明；它在真空中也能传播，这就说明，这种媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用希腊词“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型。在他那里，以太止好就是看不见膜不着的一种新物质。物理学家们于是认为，电磁传播的媒介是以太。问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它

5、对物体的运动会产牛阻力吗？它的密度有多大？但这些问题都非常难于冋答。电磁波是一种横波，为了能传播这样一种波，以太媒介必得很硬,但行星运动中又看不出受到阻力的迹彖，这使物理学家们感到十分为难。更困难的问题是以太漂移问题。如果确实有以太存在，那么最好是假定它相对于太阳静止而相对于地球运动，因为只有这样才能很好地解释光行差现象。如果以太相对于地球运动，那么我们就应该可以通过某种方式探测出来。1879年，著名物理学家麦克斯韦提出了i种探测方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间：188

6、1年，美国实验物理学家迈克尔逊（1852〜1931）依此原理设计了一个极为精密的实验，未发现任何时间差。1887年，迈克尔逊再度与美国化学家莫雷（1838〜1923）合作，以更高精度重复实验，得到的依然是“零结果”。作为一名以“探测以A漂移”为目的的实验物理学家，迈克尔逊认为自C的实验是失败的。为了解释“零结果1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851〜1901）提出了物体在以太风屮的收缩假说。他认为，在运动方向上，物体长度将会缩短，以致我们无法在光学实验中探测出以太漂移的迹象。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）也独立地提出了收缩

7、假说，并且给出了著名的洛伦兹变换。该变换使得相对于以太运动以及和対于以太静止的两种坐标系均满足同样形式的麦克斯韦方程，使经典物理学得以消除乌云，保全形式上的完美。但洛伦兹的工作已经大大修改了许多传统的观念，例如，运动粒子的质量不再是不变的，速度均以光速为上限等。法国数学家、物理学家、哲学家彭加勒（185-1912）是相对论的重要先驱。1895年，在《谈谈拉摩先生的理论卜文中，他已经以其高超的哲学智慧为“以太问题”的解决指出了新的方向。他认为，像洛伦兹这样为新的实验引进新的孤立假设的做法是不经济的，以太漂移实验的零结果应该被看成是如下原理的口然结果，即

8、用任何实验手段都不可能测量到物质的绝对运动，所有的实验都只可能测量到物质相对于物质的相对运动。1902年，在