物理學不僅為我們解釋了周圍的物質世界，而且創造了內容豐富、思維縝密、不斷創新、樂趣無窮的理論方法和實驗體系。20世紀的近代物理革命與19年到20世紀之交的物理形勢有關。當時物理學上空有兩朵所謂的烏雲，讓壹些物理學家驚呼出現了物理學危機。現代物理學革命不僅解決了兩朵烏雲帶來的危機，而且將整個物理學置於以量子論和相對論為支柱的現代物理學基礎之上。《紐約時報》
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19世紀的最後壹天，歐洲著名的科學家曾經聚在壹起。會上，英國著名物理學家湯姆遜回憶物理學取得的巨大成就時說，物理大樓已經建成，只剩下壹些裝修工作。同時，他在展望20世紀物理學的未來時，若有所思地說，動力學理論肯定了熱和光是兩種運動方式，但在其美麗晴朗的天空中，它們是兩朵花。這兩朵烏雲現在都被量子論和相對論驅散了，雖然今天的物理學確實面臨著壹些亟待解決的重要理論和實驗問題，比如類星體的能量問題，暗物質、暗能量和反物質的問題，愛因斯坦場方程的宇宙項，中微子振蕩，質子衰變等等。但是到目前為止，還沒有壹個物理學家像20世紀的19那樣驚呼物理學的危機。雖然相對論和量子論在科學各個領域的拓展和應用都取得了巨大的成功，但是科學是無止境的，並沒有達到完美的階段。看來，壹直是精密科學典範的物理學並沒有失去魅力，它作為其他實證科學基礎的地位短期內不會改變。現在我們科技發展的重心已經開始向生命科學和信息科學傾斜，但物理仍然是基礎，數學仍然是基礎和重要工具，這壹點沒有改變。物理學的巨大魅力在於，它從理論認識上延伸出許多技術原理。20世紀，物理學為我們的社會提供了四大新技術原理，即核能技術、半導體技術，包括大規模集成電路技術、激光技術和超導技術。半導體技術和激光技術也衍生出了網絡技術。雖然在20世紀現代物理學革命之後，在大約3/4個世紀的時間裏，物理學沒有出現新的根本性的革命性的重大變化，物理學的進步主要表現在相對論量子論的完善和普及上，但這並不意味著物理學的發展已經走到了盡頭。
19年底，經典物理理論已經發展到相當完備的階段。幾大系——力學，熱力學O-~？k % & gtb
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科學和分子運動理論，電磁學和光學，建立了完整的理論體系，在應用方面也取得了很大的成就。
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偉大的成就。它的主要標誌是物體的機械運動在速度遠小於光速時嚴格遵守牛頓力“Wl43jVl”。
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學習的規律；電磁現象總結為麥克斯韋方程組；光的現象有光的波動說，最後歸結為Mike +W7XX。！& gt
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Swe方程；熱現象有熱力學和統計物理學的理論。那時候物理學的發展好像已經到了Q8adi & Y
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達到了巔峰。所以，大部分物理學家認為已經發現了重要的物理定律，不會再有什麽偉大的發現了，qOxStC。
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這個理論相當完美。以後的工作無非是做壹些補充和修正，提高實驗精度和理論細節，使T=y*vF。
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更精確地測量常數。英國著名物理學家開爾文在壹篇展望20世紀物理學的文章中曾說
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談及:“在已經基本建成的科學大樓裏，後世的物理學家只需要做壹些零碎的修復工作。”rQU * " V；
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然而，當物理學界沈浸在滿足的喜悅中時，壹系列重要的發現從實驗中浮現出來. 4 #: ` "(# ~ u
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固體比熱、黑體輻射、光電效應、原子結構cdots cdots等新現象都涉及L ' NSG >；y
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微觀過程無法用既定的經典理論解釋，尤其是真實的U′f = wt-
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根據測試定律，經典理論得到的瑞利-詹金斯公式在低頻部分與實驗結果吻合較好，} [g = "k
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但隨著頻率的增加，輻射能量單調增加，在高頻時趨於無窮大，即在紫端發散，z\eru+w)。
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這種情況被Ellen Fister稱為“紫外線災難”。邁克爾遜-莫雷實驗的“零結果”使E[]8v~%
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令人費解的是，實驗結果顯示不存在“以太漂移”，這讓物理學家感到震驚，也體現了經典的* IPY | F
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新儒家面臨著嚴峻的挑戰。這兩件事被當時的物理學權威稱為“物理學晴空中的遙遠”。2*'enNPfw
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還有兩個小而令人不安的烏雲。然而，正是這兩個小小的烏雲給物理學帶來了壹個WYPW: q。
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壹場深刻的革命。Tr#p？公證人
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下表列出了世紀之交物理學中的重大實驗發現
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1895。發現X射線！特別提款權，S \；@
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1896。mbox { Bekkerel } &；Mbox{發現放射性} D[#d@ OK+P]
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1896。Mbox{塞曼} & Mbox{發現磁場分裂譜線}！# & ltj[& lt；問\
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1897。Mbox{J.J .湯姆森} &；Mbox{發現電子}:f & gt；H#x4[
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1898。mbox { Rutherford } &；mbox { discovery }αηmbox { ray }-&；& gt+AOO(
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1898。Mbox{居裏夫婦} &；Mbox{放射性元素釙和鐳的發現} {*D:"m
C*O2 :tx
1899 - 1900。Mbox{ Lummel和Rubens等人} & amp；Mbox{發現熱輻射能量分布曲線偏離維恩分布率} p:-0F|0
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1900 & amp；mbox { vila de } &；mbox { found } gamma box { ray } 1bY * Q Q。
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1901。Mbox{ Kaufman} & Mbox{發現電子質量隨速度增加} t{fGs]Y39t
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1902。Mbox{ Lenard} & Mbox{發現光電效應的基本定律} (9YT m)
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1902。發現熱離子發射定律
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1903。mbox { Rutherford } &；Mbox{發現放射性元素的蛻變規律} {CD R WXR]
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這些新的物理現象打破了沈悶的空氣，把人們的註意力引向更深更廣的世界；本部門@7 >歐盟
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新發現與經典物理的理論體系存在尖銳矛盾，暴露了經典物理理論中的隱患，指TiB bxb[
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走出經典物理學的局限，物理學只能從概念、基本假設、理論體系等方面進行改進。2UUha
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只有通過徹底的變革，我們才能適應新的形勢。8\9Hb(Y
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因為這些新發現，物理學面臨大發展的局面:*b6F+nM
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1.電子的發現打破了原子不可分的傳統觀念，開辟了原子研究的新領域；4x`VTx
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2.放射性的發現帶動了放射學的研究，為核物理做了必要的準備；Ig-`]PMht
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3.以太漂移的探索使得以太理論處於諸多矛盾之中。為了從根本上拋棄以太存在的假設，建立了狹義的“RV”；Y
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義相對論提供了重要的基礎；$p-DCq{5
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4.對黑體輻射的研究導致了黑體輻射普朗克定律的發現，由此提出了能量量子假說。30|=;OXU8
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第壹槍的確立。7;jF7R。
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簡而言之，在世紀之交，物理學處於新舊交替的階段。這個時期在物理學發展史上是23MJ]hD.wW。
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範時期，經典理論的完整建築，晴空遠處漂浮的兩朵烏雲，構成了19結尾的繪畫x/b}eW Rs。
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體積；20世紀初，新的現象和理論如雨後春筍，物理學領域的思潮異常活躍，被稱為物理學Y#JR@@pQ。
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這些新現象與經典理論的矛盾迫使人們突破原有理論的框架，擺脫經典的O @ mikuh ~。
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受理論束縛，要在微觀理論上探索新規律，建立新理論。N_lYKX3
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二、舊量子論的建立e _1y(
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20世紀初，新的實驗事實不斷發現，經典物理在解釋某些現象上存在壹定困難，其中表現最@u` P e7m。
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以下三個問題明顯而突出:1。黑體輻射問題；2.光電效應；3.原子穩定性和原子A A =，94
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光譜和量子的概念是在理論上解釋這三個問題時作為假設提出的。a)體育
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2.1黑體輻射研究=u.e~gr6r
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熱輻射是19世紀發展起來的壹門新學科。它的研究得到了熱力學和光譜學的支持，也使用了+` K cT@z。
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電磁學和光學方面的新興技術被引進，所以發展很快。到19年底，在這個領域打開了壹個缺口，即f8JgByS3v。
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對黑體輻射的研究導致了量子理論的誕生。rlxKh33
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為了獲得與實驗相符的黑體輻射定律，許多物理學家進行了各種嘗試。VpgADX/q
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1893年，德國物理學家Winhelm Wein(1864-1928)提出了黑體輻射能量分布定律，即_#jJ~
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韋恩公式。該公式在短波部分與實驗結果符合較好，但在長波部分明顯；:U)[AvD
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與實驗不符。1900年，英國物理學家瑞利和J.H .金斯提出了另壹個輻射定律，7d ddsx >；\
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即瑞利-詹金斯公式，在長波部分與觀測壹致，但在短波(高頻)部分與實驗大相徑庭，-gNRa$I*，o
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導致了所謂的“紫外線災難”。這場“災難”讓大多數物理學家敏銳地看到，經典物理學正面臨嚴重的lyc\[r[:I]。
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危機。
李興民:物理學危機的出現及其實質
摘要:本文在考察物理學危機的產生和物理學家對危機的反應的基礎上，著重探討了物理學危機的實質。作者認為物理學的危機主要是物理學本身的危機，其哲學表述來源於物理學本身的危機。而且，哲學的危機主要是機械唯物主義的危機。c# e & lt；#tX
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第壹，身體危機的出現
自1687年牛頓代表作《自然哲學的數學原理》發表以來，在接下來的兩百年裏，物理學基本上是在牛頓力學的理論框架內發展的。到了19世紀後期，經典物理學已經形成了壹個嚴密的理論體系，幾乎可以解釋所有已知的物理現象。當時局限於機械論自然觀的物理學家普遍認為，所有的物理現象都可以用力學的角度來解釋，未來的物理真相還得在小數點後第六位才能找到。4p#^k<；o
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在物理學家們沾沾自喜、盲目樂觀的同時，壹些實驗事實卻在他們的心裏暗暗蒙上了壹層陰影。1887.通過精確的實驗，邁克爾遜和莫雷發現地球和以太之間沒有明顯的相對運動，從而動搖了流行的菲涅耳靜態以太理論。然而，靜態以太理論不僅是電磁理論所要求的，也有更早的像差現象和斐索實驗的支持。這樣，以太作為光現象和電磁現象傳播介質的力學模型在自然界中就難以自圓其說，光學和電磁學的力學基礎面臨著某種危險。M3/H
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經典理論無法解釋的新的實驗事實，也就是所謂的“反常現象”接踵而至，氣體比熱的實驗結果也與能量均分定理產生了尖銳的沖突。19世紀中期，玻爾茲曼和麥克斯韋提出了能量均分定理，可以解釋很多現象，對壹般固體和單原子氣體在室溫下的比熱給出了滿意的答案。而對於雙原子和多原子氣體，實測恒壓熱容與定容熱容之比明顯大於理論計算值。開爾文1900，2000年4月27日在英國皇家學會的演講中，曾把上述兩個問題稱為“19世紀籠罩在熱和光的動力學理論上空的烏雲”。\ & lt|+oT6@
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開爾文畢竟把物理學的天空看得太清楚了。事實上，當時物理學的天空中並不只有“兩朵烏雲”。早在他發言之前，就已經是“烏雲壓城欲摧”、“山雨欲來風滿樓”了！事實上，在19世紀末，光電效應、黑體輻射、原子光譜等實驗事實相繼與經典物理理論嚴重對立。=b3i1eYA88
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物理學的危機可以說是在1895之後才真正開始的。特別是由於放射性的發現和研究，強烈沖擊了原子不可分、質量不變的傳統物質觀。即使是頑固堅持舊觀念的人，也無法反對大量確鑿的實驗證據，最多只能持觀望態度。V @ & amp|yc，h
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1895 165438+10月8日至65438+2月28日，倫琴在德國維爾茨堡大學實驗室研究陰極射線時發現了X射線。倫琴的發現不僅引起了驚訝，也引起了轟動。它開啟了壹個美好的新世界。隨後，沖擊經典物理學理論基礎的鈾放射性(1896)、電子(1897)、放射性元素釙和鐳(1898)等壹系列新發現接踵而至。在此基礎上，盧瑟福和索迪於1902年提出了元素嬗變理論。{HDnE~
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這壹系列新發現不僅動搖了整個物理學的基礎，也沖擊了統治自然科學領域200多年的力學自然觀，於是出現了所謂的物理學危機。面對無法納入力學理論框架的新事物，當時的壹些科學家中出現了“物質消失了”、“科學破產了”等奇怪的理論。這壹切造成了物理學領域的壹些思想混亂，進壹步加深了物理學危機的嚴重性。h%L？法國標準
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第二，物理學家對危機的回應
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物理學家如何看待世紀之交物理學的危機？U3wk h qlB
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當時的物理學家壹開始並沒有意識到物理學的危機，至少沒有意識到危機的嚴重性。他們仍然堅信經典力學的理論框架是整個理論物理大廈的基礎，是其他所有科學分支的根源。從來沒有人想到物理學的整個基礎可能需要從根本上改革。普；(r%s。
在哪裏？
開爾文是英國科學界的元老，他沒有意識到物理學的危機。他只是認為物理學的發展只是幾個嚴重的困難，這些困難可以通過適當的方案逐壹解決，而不會觸及物理學的整個基礎。因此，他常常對動搖這壹基礎的新實驗和新理論持懷疑態度，甚至公開站出來反對。！m+ zf9]
寶潔公司
造成所謂“紫外線災難”的黑體輻射問題，極大地加劇了經典物理學的危機。然而，即使是當時深陷這個問題的韋恩、瑞利、洛倫茨等人，也沒有意識到這種危機。他們試圖在經典理論的框架內解決問題，所以始終沒有找到正確的出路。即使是量子理論的創始人普朗克，當時也沒有意識到這種危機。所以他的創業不是自覺的，而是被迫的。難怪普朗克在邁出關鍵壹步後開始猶豫。他懷疑自己的推導可能存在壹些缺陷，並盡力使量子論與經典理論相調和。至於韋恩和瑞利，他們直到1905才認同量子的概念。洛倫茨還說，1908年在羅馬演講時，很難接受普朗克的理論。0r$P_k
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在玻爾茲曼看來，其實是有危機的，但只是哲學上的危機，物理學本身並沒有危機。玻爾茲曼1904在美國聖路易斯舉行的國際技術與科學大會上發表演講時表示，問題在於哲學上的錯誤，而不是科學研究中不可糾正的缺點。物理學的迅速發展清楚地表明，錯誤在於把研究壹些共同特征的任務，如因果關系的本質、物質和力的概念，委托給哲學，“哲學在闡明這些問題上顯然是無能為力的。”玻爾茲曼認為，與哲學的鬥爭是物理學解放的首要條件，所以他非常激烈地進行了這場鬥爭。玻爾茲曼是堅定的機械唯物主義者，他反對的當然是壹些唯心主義的哲學流派。他之所以這樣做，是因為在他去世前後，以實證主義為代表的唯心主義哲學廣泛流行，很多人錯誤地認為物理學的危機導致了科學的破產和唯物主義的失敗，造成了壹些思想上的混亂。例如，奧斯特瓦爾德宣稱物理學的發展正面臨危機。要消除這種危機，只能依靠物質消失的哲學觀，把實體的屬性賦予能量(即能量論)。皮爾遜還聲稱，“當前的危機實際上在於”，“人們把物質視為物理學的基本概念”，“現在看來很明顯，電必須比物質官更為根本。”皮爾遜由此得出壹個唯心主義的結論:“渴望給每壹個概念賦予客觀性是完全沒有必要的。”這些曾經時髦的哲學很容易將物理學引入歧途，玻爾茲曼對它們的堅決反對值得稱道。但是，他的實踐沒有也不可能取得巨大的成果，因為作為他戰鬥武器的機械唯物主義也陷入了深刻的危機。而且他斷然否認物理學本身存在危機，導致他無法對癥下藥。因此，盡管玻爾茲曼較早地為經典物理學的發展做出了突出貢獻，但他未能在世紀之交的物理學大變革時期看到改變經典理論及其基礎的必要性和緊迫性，也未能對已經出現的物理學革命的形勢提出預測性意見。*FR0-HlR
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在1905之前，愛因斯坦還是壹個默默無聞的年輕人，他不可能公開很多演講和文章。然而，從他後來的回憶和其他相關材料中，我們可以清楚地看到，愛因斯坦對世紀之交物理學的危機有著深刻的洞察力和獨特的洞察力。在以往實驗和研究工作的基礎上，愛因斯坦看到物理危機表現在兩個基本方面。壹個是力學和電動力學兩大理論體系的嚴重不協調。對此，他認為，擺脫危機的出路在於擺脫占主導地位的教條式的固執，拋棄絕對空間和絕對時間的概念，從而為整個物理學找到壹個可靠的新基礎。第二是普朗克對熱輻射的研究讓人們突然意識到危機的嚴重性。就好像地基是從下面挖過來的，哪裏都沒有堅實的地基可以建築。值得註意的是，愛因斯坦通過壹些實驗事實與舊理論的矛盾，進壹步認識到了經典物理學的理論基礎，即其基本概念和原理的危機。因此，他逐漸對利用建設性的努力根據已知事實發現真實規律的可能性感到絕望；他確信，只有發現壹個普遍的形式原理，才能得到可靠的結果。由於愛因斯坦對物理學的危機和出路有著深刻的洞察，他才得以在1905年壹舉在上述兩個方面取得劃時代的突破，徹底打開了物理學革命的新局面，使物理學消除危機成為可能。^aNkh,S，
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在當時科學界的知名人士中，法國數學家、物理學家、天文學家亨利？龐加萊在1905年出版的《科學的價值》中，他第壹個明確地提出了物理學的危機，並對此作了全面的分析和論述。龐加萊認為，物理學的危機是新的實驗發現與經典物理學的基本原理之間不可調和的矛盾。危機是好事，不是壞事。它預示著即將到來的變化(龐加萊稱贊鐳是“當代的偉大革命”)，是物理學進入新階段的前兆。他正確地指出，要擺脫危機，就必須在新的實驗事實的基礎上改造物理學，讓力學讓位給更廣泛的概念。他反復肯定經典理論的內在價值，尖銳批判“科學破產”的錯誤論調。他還預見了新力學的概貌，對科學的未來充滿信心。
三、物理學危機的實質*！Ito}T
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雖然龐加萊在《科學的價值》(第八章:物理學當前的危機)中專門用了壹章來詳細論述物理學的危機，但他主要是從物理學的角度來看問題，他並沒有從認識論的角度來充分發揮這壹點。正如列寧所說，“他對這個問題的哲學方面興趣不大。”Sg:N=v\
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然而，法國哲學問題作家萊伊在他的著作《現代物理學家的物理學理論》(1907)中對這壹方面進行了非常詳細的論述。在談到物理學危機的實質時，萊伊說，在19世紀的前60年，物理學家們在所有的基本問題上都是相互壹致的。他們相信自然界的純力學解釋，他們認為物理學無非是更復雜的力學，也就是分子力學。他們只是在物理歸屬於力學的方法和力學的細節上有分歧。現在，物理化學科學向我們展示了相反的情況。嚴重的分歧取代了之前的壹致，而且這種分歧不在細節，而在基本的和主導的理念。壹方面，萊伊指出，物理學的危機是“由新發現引起的典型的發展危機”，“危機將導致物理學的改革(沒有這壹點，就不會有進化和進步)”，“從而開始了壹個新的時期。”“幾年後觀察事件的歷史學家將很容易看到壹個不斷的演變，而現代人只看到沖突、矛盾和分成各種流派。看來物理學近年來經歷的危機也屬於這種情況(不管哲學批判根據這種危機做出什麽結論)。”另壹方面，萊伊也指出“對傳統機制的批判破壞了機制的這種本體論實在性的前提。在這種批判的基礎上，建立了物理學的哲學觀。”"根據這種觀點，科學只是符號的公式和標記的方法."(引自文獻[5]，第259~262頁，311~312頁，書下面引用的只是頁碼)列寧在分析了物理危機和萊伊的評論後強調:“物理學危機的實質是舊的定律和基本原理被推翻了，超越意識的客觀實在被拋棄了。(第264頁)！pE^K
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目前，對物理學危機的實質有兩種不同的看法。第壹種觀點認為，列寧強調了危機的兩個方面，即物理學和哲學。比如有人說這兩個方面是:第壹，這是舊的概念、理論、原理和物理學最新發現之間的矛盾；第二，否認意識之外客觀現實的存在。雖然也有人認為物理學的危機是物理學理論的改革和唯心主義認識論的結論結合在壹起造成的，但他們強調關鍵在於唯心主義的結論。第二種觀點認為，物理學根本不存在危機。比如有人說“危機”不是發生在物理學上，而是發生在哲學認識論上。有人說，危機不是自然科學本身造成的，而是唯心主義和不可知論侵入自然科學領域的結果。l .NdNv0
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第二種觀點顯然是錯誤的。首先，完全違背了上面提到的物理學發展的歷史事實，這是最根本的壹點。實際上，物理學的危機是物理學自身發展過程中不可避免的現象。它是新的革命性發現與舊的基本概念和原理之間尖銳而不可調和的矛盾的結果，而不是唯心主義和不可知論侵入自然科學領域的結果。要知道，物理學不僅在孕育期，而且從誕生的第壹天起(甚至沒有擺脫神學概念)，就壹直受到唯心主義和不可知論的攻擊，從那以後壹直受到攻擊，但物理學並不總是處於危機狀態。可見，唯心主義和不可知論對物理學的入侵並不是物理學危機的根本原因。/uV & lt；qAYF
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其次，科學發展中的“危機-革命”概念(原諒我用這個詞來代表龐加萊等人的科學發展觀)是符合某些科學部門在壹定歷史時期的發展現實的。根據歷史事實，最早提出物理學危機的龐加萊認為，當前物理學的危機是物理學本身的危機，其實質是新的實驗事實與經典物理學基本原理(卡諾原理、相對論原理、牛頓原理、拉瓦錫原理和邁耶原理)之間的尖銳矛盾，在舊的理論框架內無法解決。龐加萊認為，物理學發展的歷史向我們表明，物理學在此之前經歷了壹場危機(中心力物理學的危機)，它促使我們“拋棄舊觀念”，將物理學推向壹個新的階段(原理物理學)。龐加萊指出，當前的原理物理學再次面臨危機，擺脫危機的出路在於:“力學必須讓位於更廣泛的概念，它將解釋力學，但力學不能解釋它。”！V}$zJi
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被稱為自然科學偉大創新者的愛因斯坦不僅意識到世紀之交經典物理學出現了兩次嚴重危機，而且在後來多次闡述了他的“危機-革命”科學發展觀。在愛因斯坦看來，幾乎所有科學上的偉大進步都是由於舊理論的危機和現實與我們的認識之間的激烈沖突，迫使我們消除根深蒂固的偏見，創造新的思想和理論，從而導致了科學革命。愛因斯坦在1922年8月寫了壹篇文章，題目是《論理論物理的現代危機》。在這篇論文中，他指出某些基本概念和基本假設(基本原理)構成了物理學的基礎。“科學的進步將引起其基礎的深刻變化”，“在過去的二十年中已經清楚地表明，物理學的這壹基礎...無法抵禦新實驗數據的沖擊”，而且它與實驗“甚至有內在矛盾”(危機)，從而標誌著“物理學的整個基礎可能需要根本改革”(革命)。愛因斯坦的評論很有見地。^TaA^s.
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當代歷史學家和科學哲學家庫恩進壹步系統化了“危機-革命”的概念。在《科學革命的結構》壹書中，庫恩不僅將“危機”視為其科學發展動態模式(前科學→常規科學→危機→科學革命→新常規科學……)中的壹個重要環節，而且用了相當大的篇幅論述“危機”。在庫恩看來，當壹個異常現象達到似乎是常規科學的另壹個難題的地步時，它就開始轉變成壹種危機，並且是非常科學的。當壹個範式開始變得模糊時，所有的危機都開始了，而所有的危機都隨著範式的新候選者的出現以及隨後接受它的鬥爭而結束。危機是科學發展過程中的壹個重要階段，是新理論誕生的前奏。這場危機的意義在於，它可能表明，是時候改變工具了。危機是新理論產生的必要前提。只有認清危機及其根源，才能堅決拋棄舊的理論框架，自覺尋找新的理論框架，並在此基礎上重建新的理論體系。相反，如果看不到危機的根源和危機的嚴重性，就很難感受到改變舊理論基礎的必要性和緊迫性。最多只能在舊理論的框架內修修補補，甚至把別人發現的觸及舊理論基礎的新現象、革命性的新概念、新理論都反對為異端邪說。那些不能容忍危機的人無疑已經被迫放棄了科學。庫恩的思想值得肯定和借鑒，物理學