世纪的自然科学革命

（一）“完美的世界图景”遭遇19世纪末三大实验发现的挑战

自从伽利略、牛顿等人创立近代力学以来，经过200多年的发展，到19世纪末，在当时大多数物理学家眼里，似乎已经有了一幅清晰的世界图景。他们看到：

——世界万物都是由80多种元素的原子组成的，原子是不可再分的最小微粒。

——不同原子之间的结合和分解就产生了化学反应。分子是原子组成的，它保持着物质最基本的物理和化学属性。

——热现象是大量分子作混乱的机械运动的表现，用统计力学的方法可以解释气态和凝聚态物理体系的性质。

——存在两种电荷；电荷产生电场，电荷的运动又产生磁场，电磁场的运动就是电磁波。热辐射、可见光、紫外线等都只不过是不同波长的电磁波。

——无论力、热、声、光、电、磁等现象多么复杂，一切过程都要服从能量守恒和转化定律。

19世纪末，在物理学界流传着一种观点，认为物理学已发展到尽头，今后的任务也就是在小数后面求精确化而已。历史上有这样一个故事：后来成为量子理论奠基人的普朗克，在选择上大学的专业时，向他的老师表示要献身于理论物理，老师劝阻他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”这个故事很能说明在人们心目中经典物理学的完善程度。1900年，著名的英国物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）在新年献辞中十分满意地宣布：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。然而，正当人们为经典物理学大厦的落成沾沾自喜的时候，一系列经典物理学无法说明的实验事实已在动摇这座大厦的根基了；x射线、天然放射性和电子等19世纪末的三大实验发现，猛烈冲击着经典物理学中关于质量、能量、运动等基本概念。

x射线的发现源自对阴极射线的研究。在19世纪30年代，法拉第就发现真空中放电会发生辉光现象。随着真空技术的发展，物理学家进一步发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。阴极射线到底是什么？是一种电磁波还是带电的粒子流？19世纪末，这个问题吸引了众多科学家的研究。德国物理学家伦琴（1845年—1923年）正是在探寻阴极射线本质的过程中做出了惊人发现。

1895年11月8日，伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验研究工作，一个偶然事件引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严，他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起到一定的阻挡作用。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到过的射线，它具有特别强的穿透力。于是立刻集中全部精力进行彻底的研究。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手x射线照片。1895年12月28日，伦琴将他悉心研究的成果写在《关于一种新的放射线》的论文里，呈交给维尔茨堡市物理学与医学协会。文章记述了实验装置和实验方法，并初步总结了新射线的性质：新射线具有极强的贯穿能力：能使照相底片感光；磁场并不能使新射线偏转；能显示骨骼的影像等。由于他当时无法确定这一新射线的本质，伦琴在论文中把这一新射线称为x射线。^[1]

x射线的发现引起了轰动；因为在当时的欧洲，有100多个实验室都可以立即重复和验证伦琴的实验。x射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。x射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。许多科学家投身于射线和阴极射线的研究，从而导致了放射性、电子等新发现，为原子科学的发展奠定了基础。

伦琴发现x射线，似乎是偶然的，但是，偶然中包含着必然。伦琴毕业于苏黎世高等技术学校，1869年获得博士学位；他始终对实验研究有浓厚的兴趣，做过多方面的理论和实验研究，是维尔茨堡大学的校长，治学严谨，观察细致，善于思考，有许多学术成就。他发现x射线并没有申请发明专利，而是无私地把自己的发现公布于众，造福人类。1901年，伦琴成为世界上第一个荣获诺贝尔物理学奖的人。

x射线的发现直接导致了天然放射性的发现。在寻找x射线源的过程中，一些科学家如彭加勒（1854年—1912年）提出：x射线可能源于荧光物质。彭加勒的设想给法国物理学家贝克勒耳（1852年—1906年） 留下了深刻的印象，他立即开始进行相关的研究，以检验彭加勒的假设。贝克勒尔的祖父和父亲都是以研究磷光和荧光闻名于世的物理学家，这个家族从事这方面的工作已有60年历史，他们的实验室里收集了许多荧光物质。贝克勒耳最初的一系列实验得到的是负结果：磷光或荧光物质并不发射x射线。

1896年2月，他选择了一种铀盐（硫酸钾铀酰）作为实验材料。他以惯用的办法，先把铀盐放在阳光下曝晒，让它发荧光，然后把它放在用黑纸包严的照相底片上，以便检验它能否产生x射线，使底片感光。1896年2月24日他在科学院例会上报告，说他已得到了肯定的结果。

但一个星期后他再向科学院报告时，情况发生了变化。因为他正要重做这种实验时，一连遇上了两个阴天，乌云遮住了太阳，他只得把铀盐和底片一起放进抽屉。1896年3月1日，他为检查底片冲洗了其中一张，意外地发现底片已经曝光，上面有很明显的铀盐包的影像。这使他意识到日晒和荧光都与底片感光无关。于是，他推断：感光必定是由于铀盐自身发出的一种神秘射线。翌日，他就在科学院例会上报告了这一发现。

随后，他又发现：铀盐所发出的射线不仅能使底片感光，还能使气体电离；温度变化、放电激发等对铀盐的射线都无影响；只要有铀元素存在，就有贯穿辐射产生。后来，他用纯铀粉进行实验，也得到了同样的结果。由此，他明确提出，发射这种射线是铀原子自身的作用。铀是人类发现的第一个天然放射性元素。

贝克勒耳的发现虽然远没有x射线的发现那样轰动，但还是吸引了一些杰出的物理学家。贝克勒耳本人继续从事这方面的研究，但由于他只限于研究他所熟悉的铀，而认为别的已知物质不大可能发出更强的射线，因此，他的工作进展不大。

下一步的重大进展是由一位波兰出生的物理学家居里夫人（原名玛丽·斯可罗夫斯卡，1867年—1934年）做出的。1897年，居里夫人就选择了“放射性物质的研究”这个困难问题作为她的博士论文题目。直到1903年，她才完成了这篇论文，一共花了5年多时间。同年，她因“放射性物质的研究”的成就获得了诺贝尔奖金。

居里夫人首先证实了贝克勒耳所发现的铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同它的化学形式无关。随后她发现钍也发射出类似的射线。她把这种现象称为“放射性”。更为重要的是，她通过大量的实验检测到沥青铀矿渣中具有一种很强的放射性，其强度远超过铀和钍的放射性。她断定这种放射性必定来自一种未知的新元素，并决心寻找它。她的信心和毅力使他的丈夫、法国物理学家皮埃尔·居里（1859年—1906年）放下自己正在从事的研究，也投入寻找新元素的工作。他们在极简陋的棚屋里，要从成吨的铀矿渣中分离其含量仅占百万分之一的新元素。经过长期艰苦实验，于1898年发现了放射性强度比铀高400倍的一种新元素。为了纪念居里夫人的祖国波兰，他们将这一元素命名为“钋”。但是钋的射线不够强，还不是寻找的目的。居里夫妇又花了4年时间，在极端艰苦的条件下，从几吨沥青铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，并测定出镭的原子量是225。镭发出的射线比铀强200多万倍。

1903年，居里夫妇与柏克勒尔因发现天然放射性元素，共同获得诺贝尔物理学奖。1911年，居里夫人因发现镭和钋而再次获得诺贝尔化学奖。由于长期受放射性照射，居里夫人染上了白血症，1934年7月4日在法国不幸去世。

1902年，英国的卢瑟福（1871年—1937年）和索第（1877年—1956年）提出元素自然衰变理论，阐明放射性的本质是放射性元素的原子核自发地转变为另一种元素的原子核的过程，并求出了一些放射性元素的半衰期。这一发现，彻底打破了元素不可改变的旧观念。科学家们对放射线进一步研究发现，它可以被磁场分为α、 β、γ三种射线：其中α射线是氦核正离子流，β射线是电子流，γ射线是一种波长比x射线更短的电磁波。

电子的发现，是历时40年的阴极射线研究的直接结果，它最后搞清了阴极射线的本性问题。

阴极射线是什么？物理学家有不同的看法。德国的物理学家赫兹等认为，阴极射线是一种电磁辐射现象。1879年，英国物理学家克鲁克斯（1832年—1919年）提高了放电管的真空度，制成“克鲁克斯管”。克鲁克斯认为，阴极射线实际上是一种高速带电的粒子流。

英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人J.J.汤姆逊（1856年—1940年）从1881年就开始研究阴极射线，他赞成“粒子流”的观点。1894年，汤姆逊用实验测得阴极射线速度要比光速小得多，进一步确信，阴极射线不是一种电磁辐射。1897年，汤姆逊用实验证明：阴极射线不仅能被磁场偏转，而且能被电场偏转，其偏转方式与带负电的粒子相同，这就说明阴极射线确实是一种带负电的粒子流。

为了进一步搞清这种粒子的本质，汤姆逊对这种粒子的荷质比（e/m） 即粒子所带电荷e和质量m的比值，进行了一系列的测量。利用电、磁场偏转法时，他重新设计了真空管，对管中由阴极发出的射线分别施加磁场和电场的作用，通过对粒子在电场、磁场中偏转情况的测定，计算出粒子的荷质比。与在电解过程中测定的氢离子的荷质比相比，阴极射线中粒子的荷质比要大得多，其数值大约是氢离子的1000倍。这表明新粒子和氢原子比，要么电荷量很大，要么质量很小。但由电磁场可使阴极射线强烈致偏来分析，新粒子的质量应比氢离子小得多。汤姆逊在实验中发现，粒子的荷质比并不因为电极材料和管内气体的改变而有所变化，这表明：不同物质发出的阴极射线粒子是相同的，阴极射线粒子是各种原子的构成要素。汤姆逊最后采用了爱尔兰物理学家斯托尼（1826年—1911年）于1891年提出的“电子”一词，称阴极射线粒子为“电子”。斯托尼当时提出“电子”，只是用来表示电荷的最小（基元）单位。早在1874年，斯托尼就根据法拉第电解定律，提出基元电荷这一概念，并计算出它的数值是3×10-11绝对静电单位。1898年，汤姆逊测得电子的电荷值e为3.3×10-10静电单位。

进一步精确地测定电子的电荷值，是美国物理学家密立根（1868年—1953年）。他分析了前人测定电子电荷实验存在的问题，提出克服误差的若干措施，设计了著名的“密立根油滴实验”。从1906年至1917年，他多次改进实验，以提高精度，最后测得的电子电荷值为4.774（±0.005） × 10-10静电单位（目前的精确值是4.083 × 10-10静电单位）。

汤姆逊发现电子以后，科学界就开始了对原子结构的探索，提出过许多可能的模型。汤姆逊认为原子是一个带正电的球（面包），在这个球里面散布着很小的带负电的电子（葡萄干），这些电子排成一层一层的环。1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，发表了原子的核式结构模型：原子有一个小而重的带电的核，在它周围是一群在库仑吸力作用下绕核转动的电子。太阳系结构的原子模型： 中心是带正电原子核，半径很小，约为十万分之一纳米，但几乎集中了原子全部的质量，外面是围绕它运动的带负电的电子，电子运动轨迹的半径约为十分之一纳米，比原子核半径大10000倍，因此原子体积内绝大部分空间是真空。

卢瑟福原子模型是对德谟克利特原子观——即认为原子是不可分割的无特征球体的观点的彻底取代。

（二）机械自然观的破灭与辩证自然观的确立

19世纪末，基于牛顿力学确立的机械自然观，勾画了一幅世界的机械图景；它是近代自然科学体系的内核，也可以说是近代自然科学的哲学基础。这种机械图景可以描绘如下：

（1）原子是宇宙的基石。世界万事万物都是由原子组成的。原子是不可入、不可分、不可转变的，它们是宇宙的基石。

（2）原子在牛顿时空中运动。原子按牛顿力学规律在无限的绝对时间和绝对空间中运动，时空只是粒子运动的舞台，粒子与时空之间不存在相互作用。

（3）整个自然是一架巨大的机器。既然世界万事万物都是由原子所组成，而原子仅作机械运动，因此，逻辑的结论就是：整个自然只不过是一架巨大的机器。法国哲学家拉·梅特里（1709年—1751年）把这种观点推到了极端，作出“人是机器”的论断。他认为：人与动物没有什么不同，只不过“多几个齿轮，再多几条弹簧”，它们之间“只是位置的不同和力量程度的不同，而绝没有性质上的不同”。

（4）拉普拉斯决定论。即将世界的一切因果关系力学化、连续化和线性化，否定结果多样化的可能性。由于世界上一切事物都只是原子作机械运动之表现，机械运动遵守牛顿力学规律，因此整个世界是确定的：现在与未来的一切事件都是有定数的，是完全由过去的事件所决定的；只要给出宇宙现在状况完整而精确的描述，依因果律，未来事件便能精确预知。

很显然，电子的最终发现直接宣布了“原子是不可入、不可分、不可转变的，它们是宇宙的基石”之观念是错误的。而随后相对论与量子力学的建立，则否定了牛顿绝对时空观，把或然决定论的思想引入了物理学，丰富了人们对因果决定论的认识，使人类的认识以宏观世界深入到微观世界和宇观世界，为科学的发展开辟了广阔的空间。^[2]

20世纪50年代，系统科学建立起来。系统科学产生的标志主要是1945年贝塔朗菲的一般系统论、1948年申农的信息论及维纳的控制论问世。这一阶段的系统科学主要是研究要素、结构、系统、环境、功能、信息、控制之间的关系，把人类认识从追求基础简单性（即统一性）引向探索复杂性。20世纪60年代末，以普里高津的耗散结构理论的诞生为先导，接着协同学、超循环理论、突变论、混沌学和分形学等一系列系统自组织理论（系统自发地由无序走向有序的理论）先后出现，使科学从静态存在研究向动态演化研究深化。^[3]

一般系统论的提出，源于对生物有机体的研究。生物学上，存在着“机械论”与“活力论”的争论。持机械论观点的人试图用物理或化学的规律来解释复杂生命系统，把有机体分解成若干个基本要素并用这些要素的简单相加来说明有机体的性质。持活力论观点的人则认为，在有机体中存在一种有目的的、超物质的“活力”，它支配着生物体内全部物理、化学过程和整个生命过程。显然，这两种观点都不能正确解释生命的本质。20世纪二三十年代，贝塔朗菲（1901年—1972年）主张把生物有机体当作一个整体或系统来研究。他从生物机体论的角度，比较深入地批判了机械论的观点，提出了一般系统论的基本思想。贝塔朗菲认为生物有机体的基本特征是组织、整体和系统。他认为机械论的主要错误是“简单相加”“机械凑合”和“被动反映”，不注意生物整体各部分间的协调关系；把生物的各部分和各过程割裂开来进行研究，这不足以解决生物学中的理论问题，也不足以解决由现代科学技术提出的实践问题。同时，贝塔朗菲也不同意用超物质、超自然的“活力”来解释生命过程。他把哲学中的协调、联系、秩序和目的性等概念用于有机体的研究，提出了三个基本观点；一是系统观点，即一切有机体都是一个整体，是相互联系、相互作用的若干要素有机结合的复合体，其功能是“整体大于其各孤立部分的总和”；二是等级观点，即一切有机体都是按严格的等级和层次组织起来的；三是动态观点，即一切生命现象都是处于积极的活动之中，都是一个开放的、活的系统，都和周围环境发生物质和能量的交换关系。

系统科学的产生与发展，使科学认识从传统的理想化模型（无结构作用、线性相互作用、确定性的规律等）走向现实的物质世界（有结构的系统、非线性相互作用、随机性、混沌状态等），使人类对传统的科学、哲学观念（本质性与规律性、决定性与非决定性、因果性、偶然性与必然性、量变与质变、量变与突变）有了全新的认识。到20世纪末，从一般辩证自然观上升到系统辩证自然观。

现代科学已经揭示，千姿百态的自然界实际上是划分为不同层次的。从大的方面来说，划分为微观世界、宏观世界、宇观世界；微观世界、宏观世界、宇观世界又划分若干小的层次。不同层次有不同的运动形式及规律；而不像机械图景认识的一样，最后都可以归结到原子在牛顿绝对时空中作机械运动。 自然界不同层次有不同特点及运动规律，要用不同的科学理论给予描述。

自然界不同层次间存在特定关系。宏观的物理运动、化学运动、生命运动都是建立在不同的微观层次（分子、原子、原子核、强子、基本场粒子）运动的基础之上。宏观运动中包含着微观运动，但不能归结为微观运动。在宏观——物理、化学、生命运动之中，化学运动包含着物理运动，生命运动又包含着物理、化学运动。高级运动包含着低级运动，但不能归结为低级运动。

宇观运动指的是与宇宙整体结构及演化相关之运动，宇观中的行星、恒星、星系包括在宇宙之中，但它们的运动包含着两个部分，一部分是与宇宙整体运动有关的，例如行星、恒星、星系的形成及发展，它们要用宇宙学描述；另一部分与宇宙整体运动相对独立，例如地球在太阳系中的运动，属于宏观机械运动，可用牛顿力学描述。^[4]