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物理学革命 进展与统一 精选

已有 11196 次阅读 2017-2-28 12:47 |个人分类:科技史|系统分类:论文交流| 文化, 科学, 20世纪, 物理学革命

现代引论:复归与超越

历史翻开了新的一页。

科学的历程在20世纪走向辩证的复归,朝向新的天人合一。人们开始对科学在社会文化中的角色地位进行反思。我们感受科学的力量,更体悟文化的深沉,投身于科学与文化的重铸与融合之中。这又是一个面向未来的世纪。21世纪,辩证的复归与新的天人合一将突破自己的界限迈向新的高度。科学与文化将融为一体,共同走向未来的混沌。

第八章 20世纪科学革命

任何革命,不论是政治的、经济的、文化的,还是科学的,在当时,在公众间,甚至就是对发起革命风暴者本人来说,其意义通常不是认识得很清楚的。要在几年、几十年,甚至更长时期后,等待革命的内容在各方面逐步显示出来后,革命的意义才逐步充分为人们所知。现在,我们也许可以站在今天社会、思想以及科学技术的高度来探讨20世纪科学革命的意义。

19世纪末20世纪初,自然科学经历了一场深刻而广泛的革命,正如第一次科学革命,这次革命也是从物理学开始,然后迅速波及化学、天文学等学科,50年代又触发了生物学革命,人类对自然界的认识得到了极大的深入与发展。由基本理论的变革带来了原子能、电子技术、材料工业等一系列技术领域的发展,高技术风起云涌。科学革命不仅大大扩展了人类的自由,改善了人与自然的关系,而且改变了人类的思维方式和世界观。

以上三部分就构成了本章的内容。一至四节概述各门学科在20世纪的发展,第五节简要小结。




一、继承与突破

通常称20世纪科学革命为物理学革命。这一革命是在19世纪物理学及其他科学成果的基础上发生的。继承包括两方面,一是知识的继承。上一章所谈到的场、热力学第二定律,热力学中的统计理论等均已突破经典物理学的框架,如超距作用以及机械决定论等。马赫、洛仑兹、彭加勒、菲茨杰拉德等人的工作为相对论的提出作了准备。更加著名的是迈克逊-莫雷实验和黑体辐射,前者是建立相对论的实验基础,后者促使普朗克提出量子假说。开文勋爵预言性地称之为19世纪物理学的“两朵乌云”,实际上也是新时代的朝霞。20世纪物理学的发展表明,经典力学与绝对时空可视为量子力学与相对论的特例,这就进一步显示了物理学革命的这种继承关系。

相比较而言,在思想上的继承更为重要。这并不是继承19世纪主导的科学思想,而是继承世纪末少数几位物理学家对这一思想的批判。1886年,波尔兹曼在皇家科学院的讲演中明确宣称:“如果你要问我,我们的世纪是钢铁世纪,蒸汽世纪,还是电气世纪,那么我会毫不犹豫地回答:我们的世纪是机械自然观的世纪”。1883年,马赫出版了他的历史性著作《力学及其发展的批判历史概论》。马赫反对以机械原则解释一切。被认为揭示了自然普遍联系的能量守恒与转化定律,“除了力学现象和其他各类现象之间量的不变关系外,就再也没有包含什么东西了”(着重号为引者所加)。马赫主张,时间是对运动变化的一种抽象,因而不存在绝对时空。马赫还进一步从认识论上揭示经典力学基本概念的先验本质。

马赫的批判对科学界年轻的一代产生深远影响。玻尔、玻恩等均受惠于此,约尔旦声称他是马赫的信徒,泡利则是马赫的教子。爱因斯坦和海森堡都认为马赫的思想推动了物理学发展。

虽然有上述继承关系,然而世纪之交的物理学发生了一场革命。  

19世纪末,除了那“两朵乌云”外,人们认为物理学的主要框架已经完成,整个物理世界都可归结为在绝对时空中绝对不可分的原子与绝对静止的以太,力对所有现象负责。迈克逊、开文等均持此观点。普朗克的老师则劝阻普朗克,“把一切献给……没有搞头的……已经僵死的学科”,“值得吗?”物理学革命的风暴清除了以太,深入到原子内部,扫除了陈旧观念,突破经典物理学的框架,建立了远为宏伟的物理学大厦。

20世纪物理学即使对于马赫、彭加勒等批判者而言也是一场革命。马赫阈于狭隘经验论,否定理性思维,否定物理实在。爱因斯坦指出马赫哲学的错误根源,从而超越马赫,成为20世纪的科学巨匠。洛仑兹、彭加勒在以太的观念下通过归纳来讨论时空问题。爱因斯坦则彻底撇开以太,从全新的观念出发经演绎得出相对论。量子概念和由此发展起来的量子力学同样是包括马赫等人在内的19世纪物理学所未曾预料的。这些表明20世纪物理学在思想与内容上的革命。

次,20世纪物理学与其他学科的关系也发生了革命性的变化。经典物理学家们认为,“各种元素之间复杂的多样性不属于物理学工作者的讨论范围”,爱因斯坦等指出,“在200多年的科学研究中,力和物质是理解自然的一切努力中的基本概念”。这两方面的任务实际上落在物理学家和其他科学家身上。20世纪后,物理学大举渗入到天文学、化学、生物学、地质学等学科之中,开始研究形形色色的物质。如果说在这之前,这些学科只能回答“什么”与“如何”,而在与物理学结合之后,就有可能回答“为什么”。

第三,19世纪下半叶,出于对自然哲学的厌恶,包括物理学家在内的科学家通常避开哲学。科学革命后,物理学家对哲学产生浓厚兴趣,他们讨论时空和本原,讨论决定论,以及讨论主客观关系等。爱因斯坦、玻尔、海森堡等经常讨论艰深的哲学问题。

二、狂飙突进时期

以把20世纪物理学的发展分为两个阶段。前一阶段自19世纪末到20世纪30年代,这是一个剧烈变动的时期,借用文学史上的名词称之为“狂飚突进”时期。革命风暴席卷物理学领域并开始蔓延至天文学、化学等学科。具体可以科学革命的三大事件理出三条线索,即电子和放射性的发现量子论,以及爱因斯坦的相对论。

19纪末电子和放射性的发现在人们面前展示了一个新的天地——前所未见的微观世界。原子不再是物质最小的单位,不再永恒不变。彭加勒称镭为“当代伟大的革命家”。既然发现原子有自己的组成部分,科学家即开始构想包括电子在内的原子结构模型,以解释已知的物理和化学现象。电子发现者汤姆逊早期的尝试未获成果。曾是他学生的卢瑟福在a粒子散射实验的基础上于1911年提出有核的行星式原子模型,年后得到证实,这一模型未超越经典物理学框架,存在不可克服的矛盾,尚有待理论上的突破。

1900年,普朗克提出能量子假说以解释黑体辐射。物理学界欢迎他的公式,但对能量子不以为然。在后的十年中,虽然量子概念在固体比热等领域,尤其在爱因斯坦的光量子假说中得到应用,但尚未充分显示其生命力,尚未形成以其为核心的理论体系。

1911年的索耳末会议是物理学史上的重要会议,物理学家开始意识到量子概念的重要性。德波罗意受会议精神的感召而投身于物理学。玻尔则受到鼓舞,在1913年提出原子模型的量子化轨道理论。只有应用量子概念才能揭示微观世界的奥秘,而量子概念也只有应用于微观物质结构的研究才能将自身发展成理论。玻尔原子模型于次年得到证实。1918年,玻尔提出著名的对应关系,阐明新理论与经典物理学之间继承与突破的关系,揭示微观世界和宏观世界之间的连续和间断。

然而在这一时期的发展中也暴露出不少问题,轨道概念尚带有经典物理学的印记。此外,自1900年提出量子概念,1905年再得出光子概念,一时人们的注意力都集中于物质即各种微粒这一点上。既然电子是微粒,那么自然有确定的轨道。由于这些基本理论上的问题,量子论一时徘徊不前。W·布拉格风趣地说,物理学家恐怕得在星期一、三、五用光的古典理论,而在二、四、六用光的量子论。

正在那似乎无望的气氛中,德波罗意、海森堡、薛定谔等人的工作冲破了沉默,迅速完成对旧量子论的改造,建立起量子力学。首先是德波罗意提出物质波概念,由于爱因斯坦的支持而受到重视,1927年得到实验证实。物质波概念不仅为量子力学的建立奠定了基础,而且与爱因斯坦的质能公式一起统一了物质的连续形态与间断形态。同一时期,海森堡开始对旧量子论中的轨道概念发难。他以实证科学的精神指出,“实际上没有任何实验可以证实电子按一定轨道运行,所以玻尔的电子轨道可能根本就不存在”。在这一思想指导下,海森堡与约尔旦等人于1925年创立了矩阵力学。同年,利提出不相容原理,解释了原子中电子的壳层分布。1926年,薛定谔通过另一条途径发展量子力学,他由几何光学与波动光学的关系得到启发,由经典力学而提出波动力学。同年,玻恩给出波函数的统计解释,因而轨道在量子力学中是没有意义的。玻恩的解释为量子力学的发展开辟了前景。薛定谔发现波动力学与矩阵力学是等价的。这样,由德波罗意、海森堡和薛定谔等人完成了对旧量子论的改造,建立了量子力学。显然,其中的关键是突破传统的概念体系。

1927年,海森堡推出测不准(现译为“不确定”)原理,表明微观粒子的空间位置和动量不可能同时精确测定。哥本哈根学派据此强调测量过程中主客体的相互作用。正如其核心人物玻尔指出:“量子理论就是以这种方式提醒我们注意古老的智慧:在我们追求生活中的和谐的时候,我们不要忘记,在人生的戏剧里,我们自己既是演员也是观众。”同年,玻尔提出著名的互补原理,以解释量子现象的特征波粒二象性,并进而提升到哲学高度。哥本哈根学派因这些观点而与爱因斯坦发生激烈争论,大大深化了对量子力学和有关认识论问题的理解。

狂飙突进时期的第三条线索是爱因斯坦的相对论。爱因斯坦坚持光速不变和相对性原理,以同时性问题为突破口,将时空与运动联系起来,将观察者与对象联系起来,于1905年提出狭义相对论。尔后,爱因斯坦又提出自然规律与引进的坐标系无关的广义相对性原理,通过理想的升降机实验提出引力场与加速场等效原理。1915年,爱因斯坦在构造理论过程中成功地应用黎曼几何来处理弯曲的空间,从而在物理学中第一次使用非欧几何。1916年,爱因斯坦提出广义相对论,进一步把时空、运动以及物质联系起来。“时空是不能独立存在的,只能作为场的结构性质而存在。”1919年,英国爱丁顿领导日食观测队验证了太阳引力场使星光发生偏折的效应,在全世界引起轰动。相对论是人类理性的又一项伟大成果。玻恩1955年的一次报告中说:“对于广义相对论的提出,我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果。它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。”

相对论的提出过程具有明显的特点。首先,与量子力学的建立过程相比较而言,理性思维发挥了极大作用。从马赫到爱因斯坦对绝对时空的深刻批判,爱因斯坦对同时性问题的思索及多次思维实验等都说明了这一点。爱因斯坦远远超越经典物理学,以高屋建瓴之势,演绎地推出他的理论体系。与此有关的第二个特点是,相对论的建立过程与数学紧密结合。数学理论应用于物理学,然后再推出可验证的预言。这条线索的发展始终与数学结合在一起,逐步通往大统一理论。

相对论提出后,狄拉克等人逐步将其与量子力学相结合,得到一系列成果如预言并发现了正电子等,物理学革命的三条主线结合在一起。此外,统计力学的发展也保证了主线的推进和尔后在各方面的应用。

总之,20世纪30年是人们对物理世界的观念发生根本变化的30年。当时的一位物理系研究生在听了普林斯顿高级研究院的讲课后说:“真是好极了!可是我们上星斯所学的物理学全部被推翻了。”这句话生动地表现出当时知识旋风般前进的状况。在这30年中,物理学家否定了虚假的物质以太,进入了“不可入”的原子,发现了新的物质:电子、原子核等等。他们在认识到能量的间断与光的粒子性后,接着又揭示了物质的波动性,并将这两方面结合起来。绝对时空成为历史,人们发现了自己生活于四维时空中。在观念的变革中,物理学家提出了原子模型,建立了量子力学和相对论。经典物理学成为远为宏伟的现代物理学大厦中的一部分。科学从未在如此短的时期内经历这么大的变革。这确是前所未有的狂飙突进时期,在尔后的年代中,物理学经历相对稳定的发展,上述变革在各个领域结出丰硕成果。


三、物理学革命的蔓延与深入

30年代后是20世纪物理学发展的第二阶段,大致沿以下方向进行:沿着量子阶梯继续下行,探讨低于原子核层次的物质结构;与天文学结合形成天体物理学和随后发展起来的宇宙学。近来这两个方向正在合流。相对论逐步演变为对大统一理论的追求。量子力学在30年代后的发展分化为两支,其一与化学、生物学等学科相结合而进入分子、生命领域;其二研究各种凝聚态物质,这是30年代后物理学研究的最广阔的领域。

以下先分析深入探讨微观世界物质结构这一线索。20世纪50年代为界将该线索在30年代后的发展分为前后两个时期,前一时期主要是发现核的组成:质子、中子,实现人工核反应,形成核物理学和建立核模型。

19世纪末发现的放射现象似乎可以如阿拉丁神灯那样一直照耀下去,这看来违背能量守恒原理。在当时的革命风暴中,有人就怀疑这一原理,例如G·勒那提出,“能量守恒原理……仅仅是在非常简单的情况下所做的一些实验的大胆的概括……也从属于正在打击它的一些冲击”。他进而怀疑所有自然规律。斯托克斯以机械论解释铀的放射性,他认为铀分子是一种末端很轻的柔韧的链条状东西。居里夫人等不考虑原子会变化这一设想。门捷列夫以为这一设想会动摇他所建立的元素周期律,拒不接受元素变化的设想,认为放射性元素是化合物。开文坚信,“能量肯定是以某种方式从外部供给的”。显然,在革命风暴中,否定以往的一切与不接受新思想的人同样可悲。

卢瑟福等人一方面坚持能量守恒与转化定律,另一方面又考虑到原子的变化,从而打开了通往原子核内部的大门。随后,同位素的发现表明原子中存在不带电的粒子。1932年,查德威克发现核中不带电的粒子即中子。在这一过程中,为了观察微观粒子的瞬间变化,发明了威尔逊云雾室和质谱仪;1929年发明了静电加速器。新的仪器设备推进了微观领域的研究。

如同20世纪初物理学家们竞相构造原子模型一样,30年代在揭示核由质子和中子组成后,物理学家即试图建立核模型。1934年,日本的汤川秀树提出核子力的介子场理论以解释核子的相互作用。1947年在宇宙射线中发现了汤川秀树所预言的介子,汤川理论得到证实。关于核的结构有多种模型,如液滴模型、集体运动模型和壳层模型等。

20世纪50年代至今是这一线索发展的第二时期,主要是揭示出较质子、中子更深的物质层次以及它们如何形成质子、中子等。1953年,霍夫斯塔特检测电子对于核子的散射情况,发现这是由于质子中电荷弥散分布,同时在中心部分较为集中所致。回顾1909年卢瑟福的实验揭开了原子结构的奥秘,44年后类似的实验显示质子也有结构,从而敲响了“基本粒子”内部结构的大门,把人们的目光引向更深层次。探讨基本粒子结构的另一途径类似于元素周期表的工作,即将所发现的基本粒子归类,发现其中的规律,进而揭示其原因。60年代,物理学家推测存在带有分数电荷的实体,称之为“夸克”。虽然至今尚未得到自由夸克,但理论和实验表明存在30多种夸克,同时发展起描述它们之间相互作用的理论即量子色动力学。

20世纪后物理学这一线索的发展,实际上是从化学家手中接过探索物质结构的接力棒沿量子阶梯继续下行。认识途径也与20世纪之前的化学相似,即通过各种手段发现现象,推测新的实体、粒子,以及可能的结构,然后再以此来说明现象。日本物理学家武谷三男将这种认识途径归为认识的三阶段论,即由现象论经实体论再到本质论。

目前,一方面尚未发现自由夸克,另一方面所推测的夸克又日益增多,物理学家情不自禁地在一个新的层次上重复古老的问题:夸克是不是基本的?20世纪60年代中期,一些人认为“夸克可能仅仅是一种数学符号”,后来一般承认其实在性,而且是最终的实在。随着认识的发展,70年代末萨拉姆指出,还存在比夸克更基本的东西。格拉肖在1978年承认,过去他认为“夸克的出现将宣告物理学的结束”的提法是不正确的。目前基本粒子的实验范围距理论预言奇点的能量即1028电子伏还有巨大的差距。著名物理学家霍金认为,以为“在这巨大的能量间隔中只存在一层或二层的构造实在是太天真了”。近年来,基本粒子的研究与宇宙起源的研究有合流的趋势,这将给双方带来新的动力,开辟更广泛的发展前景。

可以把20世纪前的天文学大致归结为几何天文学与动力学天文学。前者指由托勒玫、哥白尼到开普勒,讨论天体间的几何关系;后者指从牛顿经拉普拉斯到19世纪的发现,讨论天体间的力学关系。虽然19世纪也开始涉及天体如太阳的成分,但总体而言,天文学不讨论天体内部的组成和结构。20世纪来,由于和物理学的紧密结合,天文学在两个方向获得迅猛发展:一是视野大为扩展,从太阳系、银河系、河外星系,一直到宇宙,讨论宇宙的结构和演化。二是研究天体的内部组成,产能机制和演变规律。这两个方向又紧密合在一起,以下先讨论后一方向的发展。

20世纪后,物理学家和天文学家很快将刚建立的量子力学和相对论用于研究天体的组成和演化,解释了白矮星,预言了中子星和黑洞,1968年发现了中子星。核物理发展起来后随即被用于说明恒星的产能机制,逐步形成天体物理学,预言了一些新的核反应,反过来推动核物理的发展。正如丹皮尔所说,“人类靠了他处于原子和恒星之间的有利位置,可以利用一方所得的知识,作为研究另一方的参考”。实际上,天体上进行着地球罕见或不可能发生的过程。白矮星、中子星还有黑洞,它们的超高密度、超高温、超强磁场,以及超高能量,都是观察新的过程和验证新的假说的最好的“天空实验室”。由下面部分将会看到,大统一理论也只有依赖106秒之前的宇宙进行验证。  

20世纪后,天文学的视野大为扩展。1929年,哈勃发现红移现象,证明宇宙正在膨胀。这是20世纪天文学的重大发现,表明必须以演化的观点看待宇宙。从整体上研究宇宙结构和演化的宇宙学正在形成。到50代,逐步发展成为热大爆炸宇宙学,所提出的宇宙背景辐射等预言后来得到证实。热大爆炸理论具有重大意义,它不仅将各种天体的演化统一起来,而且将元素、地球以及生命等宇宙中一切存在物的起源和演变都纳入宇宙起源和演化这一统一的框架中

当前,天体物理学、宇宙学与上述基本粒子的研究呈现合流的趋势。例如,天体物理学要研究中子星、黑洞中的物质形态,基本粒子物理也要探讨中子、夸克等。极早期宇宙及粒子的生成是当前宇宙学的前沿。于是,天文学与物理学相结合,宇观的研究与微观的研究殊途同归。这一合流绝非巧合,而是有其深刻根据。首先,万物的本原与万物或宇宙的起源,这本来是一而二、二而一的问题,前者从存在的角度,后者从发展的角度讨论同一问题。这两条线索的合流说明20世纪科学的历史化趋势,后面还要论及这一观点。其次,这一合流显示了科学的辩证发展。古代人的自然观即认为万物由本原组成,万物“从之”而出,本原与起源是同一的。经过漫长的发展,20世纪科学重新提出这一问题,显示出对古代自然哲学的辩证的复归。

四、统一物理学的努力

实际上,统一物理学的努力在数百年前就已开始了。牛顿统一了天上的力学和地上的力学,麦克斯韦在他的方程中统一了电学和磁学。20世纪,尤其在爱因斯坦后,这种努力日益增长,力图统一的范围也越来越广。最近,作为广义相对论的一个推广——超引力场及新概念“超对称”日益受到重视。物理学家认为,这一设想有可能既统一长程相互作用(引力和电磁),又统一短程相互作用(强、弱)。

大统理论、弱电理论超引力理论预言,随着能量升高,四种相互作用的耦合强度将趋于一致,所对应的能量是1028电子伏。宇宙大爆炸理论认为,在发生大爆炸前的瞬间,能量为1028电子伏,四种相互作用没有分离,然后随着能量下降而渐次分离。超引力理论正对应于宇宙起源。同时,超引力理论还预言一些新的粒子,从而联系到基本粒子物理。反之,研究宇宙起源和更深层次的物质也就是在作统一物理学的努力。这三条线索正在汇合起来,共同探讨物质的“本原”——万物之起源,以及宇宙的和谐统一。

就认识论而言,这三条线索之间存在下述关系。以基本粒子物理和宇宙学以及天体物理学为一方主要在于发现现象和实体,统一理论则试图对此作出解释并提出预言,以指导另一方的前进,今后这一倾向将更为突出。我们曾在爱因斯坦建立相对论的过程中看到类似的特点,理论预言常常走在观察、实验的前面,甚至是先有数学,然后再找到物理意义。此外,随着研究的深入,对实验中能量的要求越来越高而超越当前仪器设备和技术的可能,理论却可以作出预言和解释。

人们在作统一物理学的努力,然而物理学的统一未必在可预见的将来。格拉肖提出,爱因斯坦当年之所以没有成功,是因为他没有考虑强相互作用和弱相互作用,现在对这些相互作用有了充分的认识。但是,超引力理论本身又预言了未知的物质层次和相互作用,今日的物理学家掌握了比爱因斯坦更多的知识,同时也就有更多的东西等待着去研究、去综合、去“统一”。统一物理学的努力指导着物理学家的前进,然而在他们的面前并不存在一劳永逸的“统一理论”。

如果说基本粒子物理和宇宙学是当代物理学发展的前沿,那么凝聚态物理学就是20世纪30年代后物理发展的主流。美国物理学史主任威尔特在80年代初指出,“固体物理发展为凝聚态物理学的历史,是过去50年物理学发展的核心”。这一学科主要探讨在不同条件下各种凝聚态物质中电子与核的运动规律。30年代后的发展过程可以归结为由常温条件到高温和低温,以至超高温和超低温,以及其他种种特殊条件;研究领域由狭窄波段扩展到全波段,由探索凝聚态物质中电子的运动到电子与核的运动,由研究内部的情况到注重其表面的变化等。凝聚态物理学与技术,因而与当代人的生活关系密切

此外,这里还必须提及统计物理学的历程。没有这一发展,前述各条线索都将是不可能的。更为引人注目的是非平衡态热力学的发展,1905玻尔兹曼提出宇宙起伏说,认为宇宙中的偶然地区会发生违背热力学第二定律的过程。1931年,盎萨格用统计力学观点推出不可逆过程的倒易关系。1949年,普里高津提出不可逆过程热力学中的最小熵产生原理,以说明宇宙演化中违背热力学第二定律的现象。普里高津后来将他的概念发展为耗散结构理论。这一理论与哈肯的协同学艾根的超循环理论共同被称为自组织理论,其中所揭示的思想在20世纪初的物理学革命之后进一步冲击旧的自然观,朝着辩证自然观的形成大大迈进了一步。普里高津的工作还要在生物学部分述及。

现在对20世纪30年代后物理学的发展作一小结。与第一阶段狂飙突进式的变革相比,后60年虽然不乏激动人心的发现,但总的说来是一个相对稳步前进的时期。量子力学成为量子电动、色动、味动力学的模板,相对论则渐次发展为超引力理论。天体物理学“并不像推翻现有政府的革命,而更像……在一片无人居住的地区建立起新的国家”。凝聚态物理学则是用前30年发现的砖瓦来建造大厦。第二阶段在于把物理学革命的内涵引伸出来,予以深化与发展。自然,在这一过程中也开始孕育新的革命因素。





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