经典物理的局限性

把物理学的发展分为若干时期,在每一时期中都能找出一些具有表征性的特点。这主要是根据物理学发展的内在逻辑而分期的,采用这一分期原则既可兼顾社会生产和社会经济形态的影响,又能揭示出贯穿于物理学发展过程中的内在规律性。

第一,经典物理的萌芽时期(17世纪以前)。这一时期内我国和古希腊形成两个东西交相辉映的文化中心。经验科学已从生产劳动中逐渐分化出来,这时的主要方法是直觉观察与哲学的猜测性思辨。与生产活动及人们自身直接感觉有关的天文、力、热、声、光等知识首先得到较多发展。除希腊的静力学外,我国在以上几个方面在当时都处于领先地位。

第二,经典物理学的建立和发展时期(17世纪初—19世纪末)。这时资本主义生产促进了技术与科学的发展,形成了比较完整的经典物理学体系。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法,被引进到物理学中,导致了17世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立,标志着近代物理学的诞生。经过18世纪的准备,物理学在19世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末以经典力学、热力学和统计物理学、经典电磁场理论为支柱,使经典物理学的发展达到了顶峰。

物理学发展到19世纪末期,可以说是达到了相当完美、相当成熟的程度。有的物理学家认为,物理大厦已经落成,所剩的只是一些修饰工作。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如,一切力学现象原则上都能够从经典力学中得到解释,牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效工具。对于电磁现象的分析,已形成麦克斯韦电磁场理论,这是电磁场统一理论,这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象,也已经有了唯象热力学和统计力学的理论,它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律,几乎都能够做出合理的说明。总之,以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成,而且基础牢固,宏伟壮观。在这种形势下,难怪物理学家会感到陶醉,会感到物理学已大功告成,因而断言往后难有作为了,这种认识和思想当时在物理界普遍存在。

19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上英国著名物理学家威廉·汤姆生发表了新年祝词。他回顾了物理学所取得的伟大成就,在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,第一朵乌云出现在光的波动理论上,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。”正在这个时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现,这些实验物理学的重大发现,揭开了现代物理学革命的序幕。

第一朵乌云:迈克尔逊-莫雷实验与“以太”说破灭

人们知道,水波的传播要有水作媒介,声波的传播要有空气作媒介,它们离开了介质都不能传播。但是,太阳光可以穿过真空传到地球上,几十亿光年以外的星系发出的光,也能穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播?它的传播介质是什么?物理学家给光想象了一个叫作“以太”的传播介质。

最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成,上界即第五元素,叫作“以太”。牛顿在发现了万有引力之后,也碰上了难题,在宇宙真空中引力由什么介质传播呢?为了求得完整的解决,牛顿复活了亚里士多德的“以太”说,认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来物理学家又发展了“以太”说,认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样,是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”,“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。

19世纪时,麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量,可以绝对渗透的物质。它既具有电磁的性质,又是电磁作用的传递者,还具有机械力学的性质。它是绝对静止的参考系,一切运动都相对于它进行。这样,电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁等共同载体的概念为人们所普遍接受,形成了一门“以太学”。

但是,肯定了“以太”的存在,新的问题又产生了。地球以30 km/s的速度绕太阳运动,就必须会遇到30 km/s的“以太风”迎面吹来,同时,它也必须对光的传播产生影响。这个简单问题的产生,引起了人们去深入探讨“以太风”存在与否。

为了观测“以太风”是否存在,1887年,德国物理学家迈克尔逊与美国化学家、物理学家莫雷合作,在克利夫兰做了一个著名的迈克尔逊-莫雷实验,即以太漂移实验。实验结果证明,不论地球运动的方向同光的射向一致或相反,测出的光速都相同,在地球相同设想的“以太”之间没有相对运动。因而,根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂,方法上精确可靠,所以,实验结果否定了“以太”的存在。

迈克尔逊-莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们必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”,那么他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前一筹莫展。

第二朵乌云:黑体辐射与“紫外灾难”

在同样的温度下,不同物体的发光亮度和颜色不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强。比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80%左右。所谓黑体是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射、吸收率是100%的理想物体。真正的黑体并不存在,但是,一个表面开有一个小孔的空腔,则可以看作近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射,在腔里经过多次反射和吸收以后,不会再从小孔透出。

19世纪末,物理学家卢梅尔等人的黑体辐射实验,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。从经典物理学的角度看来,这个实验的结果是不可思议的。

怎样解释黑体辐射实验的结果呢?当时,人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。因前提和出发点不正确,最后都失败了。例如,德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。天文物理学家瑞利、金斯等认为能量是一种连续变化的物理量,建立了在波长比较长、温度比较高的时候与实验事实符合的黑体辐射公式。但是,从瑞利-金斯公式推出,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。这个失败称为物理学的“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”,经典物理学面临着严峻的挑战。

这一系列新发现,跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾,暴露了经典物理理论中的隐患,指出了经典物理学的局限。物理学只有从观念上,从基本假设上以及从理论体系上来一番彻底的变革,才能适应新的形势。

在19、20世纪相交的年代里,物理学处于新旧交替的阶段。这个时期是物理学发展史上不平凡的时期。经典理论的完整大厦,与晴朗天空的远方漂浮着两朵乌云,构成了19世纪末的画卷。20世纪初,新现象、新理论如雨后春笋般不断涌现,物理学界思想异常活跃,堪称物理学的黄金时代。这些新现象与经典理论之间的矛盾,迫使人们冲破原有理论的框架,摆脱经典理论的束缚,在微观理论方面探索新的规律,建立新的理论。但是,正是这两朵乌云揭开了物理学革命的序幕:一朵乌云下降生了量子论,紧接着从另一朵乌云下降生了相对论。量子论和相对论的诞生,使整个物理学面貌为之一新。