《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第3节作者:
浅论物理 我们不该忘记19世纪末,为人类留下科学财富的瑞典科学家阿尔费雷德•诺贝尔(1833~1896)。他是安全丨炸丨药的发明人,他有一句名言:“对研究家来说,是没有终点站的。”他一生独生,终身埋头于发明和事业,最后留下一笔巨大的财产离开了人间。按照他的遗嘱,这笔钱就是向为和平与科学做出贡献的人所颁发至今的诺贝尔奖金。
到19世纪末经典物理、经典热力学、统计物理学和经典电动力学分别明晰而深刻地描述了机械运动、分子热运动和电磁运动。其中经典力学最为成功,它利用微积分建起了一系列严格的因果关系。科学家曾利用行星轨道的偏差,依据万有引力定律准确地预言了海王星和冥王星的存在。法国天文学家拉普拉斯(1749~1827年)说:“只要知道初始条件及力的变化规律就完全可以确定粒子的运动轨迹。经典物理学家进一步将物质设想成由刚性微粒组成,应用统计方法和经典力学理论,对热学领域开拓研究。法拉弟、麦克斯韦用非经典粒子形态的波或场将电、磁和光统一为同一的电磁现象,创建了经典电动力学,并推导出电磁波在真空中传播的速度刚好是光速。
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日期:2009-10-05 10:31:54
也就是在19世纪末。经典物理大厦更是内外均装饰得金碧辉煌。全体物理界人士都在里面舒适地享用牛顿所赐给他们的这一成果,他们也确实再也没有什么需要做的了。19世纪末由于牛顿力学和(苏格兰数学家)麦克斯韦(1831~1879年)电磁理论趋于完善,一些物理学家认为“物理学的发展实际上已经结束。”
但是在这至善至美的经典物理大厦中当人们运用伽里略变换解释光的传播等问题时。发现了一系列尖锐矛盾,从而对经典时间观开始产生疑问。
1888年德国物理学家赫兹在实验中发现了光电效应。他发现接收线路中的两个小锌球中的一个受到紫外线照射时,两球之间很容易跳过火花,随后斯托列托夫进一步研究了光对带电物体的影响,发现各种不同金属的板极在紫外线的照射下,都能放出带电粒子形成电流。于是他假定被紫外线击出来的粒子是电子,把这种现象称为光电效应。而光的经典电磁波理论却很尴尬地解释不了光电效应现象。
俗语说时事造就英雄,在经典物理大厦里的纭纭众生中有凭借自己超常智力来寻求新奇剌激的娱乐者,也有纯粹为了功利目来的掘金者,在这物理学面临困难的转折关头,历史的重任责无旁贷地落到了另类——物理学的辛勤耕耘者普朗克(1858~1947年)身上。
1900年普朗克提出了辐射的量子理论来解决黑体辐射的紫外灾问题。他提出光辐射必须采取一种量子的波包形式,首开了量子理论的先河。他在实验的基础上,提出了能量子概念,开辟了量子力学的探索之路,这也是物理学领域的最伟大发现之一。但可惜的是他把已确立的牛顿力学、麦克斯韦电磁理论奉为绝对不变的圣典,而未能将自己这一伟大发现贯彻到底。整整在量子力学的大门口徘徊了15年而最终并没有迈入,最后又经过先后两次修改后竟又几乎完全否定了自己这一重要的科学发现,并险些放弃他的量子学说。就在这时两位名不经传的小人物——青年科学家爱因斯坦和玻尔,先后从不同的方面推进量子假说,同时创立和发展了量子力学。但当爱因斯坦在1905年推广普朗克量子概念、提出光量子假说并用来解释光电效应时,竟然遭到了普朗克本人的斥责,他大声疾呼,爱因斯坦失足于量子论,背离经典物理学走得太远了。玻尔同样受到了苛刻的非难。1913年秋季,玻尔把普朗克量子假说用于原子结构,引起了物理界的震惊,认为是对经典物理学的亵渎和疯狂。物理学的泰斗们集中质问玻尔,并进行了种种质难,……但玻尔并没有因此而止步,他将毕生精力贡献给量子理论,成为左右量子力学发展的主流学派——哥本哈根学派的公认领袖。量子力学的成长道路也是一波三折异常艰难的。而普朗克直到逝世时也只能遗憾地属于量子力学的怀疑派。
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日期:2009-10-06 11:28:44
20世纪初物理学发生了三件大事,一是1905年的狭义相对论;二是1915年的广义相对论;三是1925年的量子力学。而量子力学的诞生则在当时物理界很大范围的人们思想中,意味着宣告了经典物理大厦的彻底崩溃,或者说是与过去的物理学理论体系告别。以后又随之产生了量子场论。
爱因斯坦(1879~1955年)是继牛顿之后最伟大的科学家,他是狭义相对论的重要发现者,对最先量子力学的创立具有重大的贡献,独自创建了广义相对论即现代引力论。在牛顿绝对时间、绝对空间中万有引力是以无限速度传递的,而电磁波是以有限速度传播的、当时已经认定光也是电磁波中的一种。最先有人认为它的传递是需要通过一种叫做以太的介质来进行,以太是一种充满整个空间绝对静止的刚体物质,而迈克尔逊——莫雷的实验结果否认了以太的存在。爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论中,将空间和时间组成四维时空,以太的存在就是多余的了。狭义相对论抛弃了牛顿的绝对时空观,导致物理学上一场新的革命。它用尺缩、钟慢来解释真空中的光速是宇宙中的最大的速度。而著名的质能等效公式则是以后核能发展的理论依据。而这时候的年青的爱因斯坦在大学毕业以后,连中学教员的职务都没有谋到,借助于朋友的帮忙才得以在伯尔尼专利局任一名小职员。爱因斯坦说,如果他不发表狭义相对论,五年内必有他人发表。
1915年爱因斯坦发表了广义相对论,实质上就是进一步将引力论与狭义相对论结合在了一起。它以时空的曲率来体现引力场,广义相对论将物理定律扩展到对任何坐标的范围。他成功地预言了光线在太阳引力场附近会受到折射。实际上正是他的引力场方程引导人们在以后开创了理论宇宙学。爱因斯坦说如果他没有发表广义相对论则人们至少得等五十年,这个估计还是合情理的。当年伽利略在比萨斜塔所做的自由落体实验,在实质上是说明了引力质量等于惯性质量的等效性,但这一结论却是在整整等待了三百年后才由广义相对论发现的。
爱因斯坦提出光子理论,使人们才真正接受光子的存在,这些就是量子力学发现的前奏,1921年爱因斯坦因光子理论而获得诺贝尔物理学奖。其实有不少人认为他在相对论上的贡献更为重要,只是诺贝尔评奖委员会对激进的相对论一直持有相当谨慎的态度,事实上也正因为这,诺贝尔奖迄今为止还未曾对相对论理论颁发过。爱因斯坦在布朗运动、作为激光机制的基础的辐射理论等方面都有着关键性的贡献。
相对论是研究大尺度的宇宙的理论,它仅能称为经典理论,它里面没有考虑研讨微观粒子世界的量子力学的不确定性原理。由于爱因斯坦因循守旧地认为宇宙应该是处于一种稳定状态的思想太根深蒂固。虽然他的引力场方程明白显示出宇宙决非是静止的,他却满怀忧心地为此在自己的引力场方程中,特地引进了一项宇宙常数,而心安理得地将宇宙禁锢于稳态;而恰恰是这一不慎之举,从而使人类失去了一次重大的科学预言的机会。直到1929年哈勃根据观察到的光谱红移现象推出哈勃定律。将宇宙归结为正处于膨胀状态,爱因斯坦才后悔地说:“引入宇宙常数是我一生所犯的最大的错误。”他的场方程还得出紧致物体的引力塌缩的解。也就是描述黑洞的解,出于同样的道理他却认为物质不可能如此紧密,著文认为这是荒谬的。
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日期:2009-10-07 10:07:15
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