广东海洋大学本科生课程论文 课程论文 浅论经典物理学危机带来的挑战与机遇 学生姓名 所在专业 所在班级 指导教师 周瑞华 陈志豪 轮机工程（陆上） 1102 职称 副教授 广东海洋大学本科生课程论文 浅论经典物理学危机带来的挑战与机遇 广东海洋大学 轮机工程（陆上） 1102班 陈志豪 论文摘要：本文回顾了19世纪末20世纪初物理学取得的进展与成就，指出了经典物理学在微观领域及宇观领所遇到的主要困难．并阐述了经典物理学危机带来的挑战与机遇。 关键词：经典物理学；危机；挑战；机遇 历史犹如一面明镜。站在2l世纪的门槛上，回顾一下19世纪末20世纪初经典物理学危机带来的挑战与机遇，同时指出现代物理学所取得的进展和成就，将是一件有意义的事情。 1，经典物理学危机——两朵乌云 19世纪，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”。 比如，人们运用当时已经成熟的物理学理论成功地研制了刚体，流体和弹性体的运行规律;正确无误地计算了哈雷慧星的回归年月，发现了海工星的存在。1900年物理学元老威廉·汤姆逊在迎接新世纪的科学讲演中盛赞物理学大厦的完美，踌躇满志地宣称:“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理家只要做一些零碎的修补工作就行了。”。那时对于各种常见的物理现象，都可以用相应的理论加以说明。的确，物理的机械运动速度比光速小得多时，准确地遵从牛顿力学规律；电磁现象被总结为优美的麦克斯韦方程；光的现象有光的波动理论，最后也可归结为麦克斯韦方程；热现象的理论有完整的热力学的统计物理学。物理学的辉煌成就，使得不少物理学家踌躇满志、沉溺于欢快陶醉之中，产生了这样一种看法：物理学的大厦已告落成，今后物理学的任务只是进一步精确化，即在一些细节上作些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更加精确一点。然而，此刻在物理学的万里晴空中却飘来了两朵乌云，物理学上出现了一系列新的发现。这些无法用经典物理学解释的新发现，使经典物理学陷入了危机。第一朵与迈克尔逊试验有关，第二朵与黑体辐射有关。正是这两朵乌云的飘动，使得整个物理学界可谓是“山雨欲来风满楼，黑云压城城欲摧”。这“两朵乌云”成为20世纪伟大的物理学的导火线。 2，“两朵乌云”带来的挑战 第一朵乌云出现在光的波动理论上----迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说 光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质―“以太”，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。为了观测“以太风”是否存在，迈克耳逊）与莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的“迈克耳逊－莫雷实验”，但是实验结果和却以太漂移说相矛盾。使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。 第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。——黑体辐射与“紫外灾难”。 19世纪末，卢梅尔等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一I 广东海洋大学本科生课程论文 种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。 这样经典物理学的三大支柱经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学受到了两朵乌云带来的狂风暴雨的巨大冲击。使得经典物理学这座“完美”的大厦变得摇摇欲坠。 3，有危就有机 一方面有些物理学家在为经典物理学中摇摇欲坠的“完美”大厦修修补补。然而另一方面有些物理学家们另辟蹊径，成功消除了经典物理学上方的两朵乌云。 阿伯特·爱因斯坦经过十年时间的潜心研究于1905年9月发表在德国《物理学杂志》上发表了的具有划时代意义的历史文献“论动体的电动力学”。这篇文献好象光彩夺目的火箭，在黑暗的夜空里突然划出一道道短促的但却十分强烈的光辉，照亮了广阔的科学未知领域。爱因斯坦在文章中摒弃了“绝对静止”这个概念，提出了“相对性原理”假设，紧接着又引人了另一条假设，即光速不变原理。爱因斯坦相对论一举清除了动体电动力学发展道路上的障碍，成功地提炼出新的基本概念，把人们的思想引向一个奇妙的新世界。这一新概念深刻地揭示出时间与空间、物质与运动、能量与质量、动量与能量的统一性，把经典力学和经典电动力学统一起来。这是人类理性思维的一大杰作，爱因斯坦被称为“二十世纪的牛顿”。爱因斯坦在建立狭义相对论后，继续构造引力理论。1915年他先发表了一篇“用广义相对论解释水星近日点运动”的论文，并于1916年发表了他的广义相对论—“广义相对论的基础”。广义相对论更加深刻地揭示出时空与物质运动的关系，是集哲学、物理学、数学于一体的光辉典范。 1900年普朗克发表了他的论文“论正常光谱的能量分布定律的理论”，首次把一个崭新的概念—能量子引人物理学。这是一个完全超出经典物理学之外的概念。它揭示出原子过程中的一种整体表现。量子论的发展，遵循着两条的道路进行着。一条是由爱因斯坦关于辐射的波粒二象性思维出发，经德布罗意的物质波概念，到薛定愕的波动力学;另一条是从玻耳的对应原理开始，导致了海森伯等人的矩阵力学的建立。由于矩阵力学和波动力学是给出相同的结果，因此，两种理论必然存在着某种内在的联系。1926年狄拉克和约尔丹发明了一种变换理论，使矩阵力学和波动力学合二为一，形成了非相对论性的量子力学体系。而后，狄拉克又在1928年建立起相对论的电子运动方程，使量子理论和相对论在该方程中完满地统一起来了。到1930年，狄拉克出版了集成大著《量子力学原理》，对量子力学进行了更为普遍的综合，最终由数学家冯·诺意曼把量子力学理论放在了一个较为坚实的数学基础之上。 这场经典物理学的危机虽带来了巨大的挑战，但却产生了两个性的理论：量子力学和相对论。这两个理论的建立不仅标志着整个近代物理学的诞生，促进了其后一个世纪物理学的飞速发展，而且也带动了化学、生物学、医学和天文学等自然科学的发展，引发了一场新的技术，这场使人类由电气时代进入了全新的信息时代。如果说，没有相对论就不会有原子弹，不会有核电站，大家都容易理解的话，我们说，没有量子力学就没有全球经济。也一点不夸张。因为，没有量子力学就没有半导体，没有半导体就没有晶体管，没有晶体管就没有集成电路，大规模集成电路，超大规模集成电路等，从而也就没有现代的计算机技术和信息技术，没有这样的微电子信息技术，全球经济从何谈起呢? II 广东海洋大学本科生课程论文 鸣 谢 感谢周老师的精彩讲课与指导。 参考 [1] 甘信风 时空100年 [J].科技文萃 2005(6) [2] 董汉丽 19世纪末“物理学危机”的哲学意义 [J].郑州工学院学报(社科版) 1994年第1期 [3] 陶才德 新世纪物理学面临的机遇和挑战 [J].绵阳师范学院学报 2003年10月 [4] 宰广生 物理学发展过程中的危机与 [J].雁北师范学院学报 第15卷 第2期1999年4月 III 广东海洋大学本科生课程论文 － 1 － 广东海洋大学本科生课程论文
