过去100年的物理学的分析介绍

过去100年的物理学

经典物理学取得了非凡的成就，遂使得部分科学家产生错觉，认为巨大发现的时代已成历史。这种观点在19世纪末、20世纪初相当流行，据称，迈克耳孙（1852～1931）说过：“当然无法决然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹，但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立，而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。一位卓越的物理学家曾经说过，物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索。”

这类论点在20世纪末、21世纪初亦有所闻。美国资深科学记者霍根访问过许多知名学者之后，写出了《科学的终结》，在断章取义地引述若干科学家的谈话之后，竟然认为不仅是物理学走向了穷途末路，一切自然科学也都走到了散场的地步。

英国物理学家开尔文（1824～1907）在1900年的一次演说中提到：“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云指的是：实验察觉不到物体和以太的相对运动；气体多原子分子的低温比热不符合能量均分定理（麦克斯韦—波尔兹曼能量均分学说）。正是这两朵乌云，迅速导致了倾盆大雨，即导致了相对论和量子论这两场物理学革命。

19世纪的科学家不满足于用麦克斯韦方程组来解释电磁现象，热衷采用机械模型来说明问题，即使物理学大师——麦克斯韦本人也不例外。以太被引入作为真空中传播电磁波的媒质，迈克耳孙与莫雷（1838～1923）设计了精巧的实验来验证物体和以太的相对运动，取得了负的结果。爱因斯坦提出了狭义相对论（1905），其物理洞见在于摒弃了不必要的以太假设，进而肯定电磁学的规律对于一切惯性参考系都是成立的，而且具有相同的形式，真空的光速不变，不同惯性系之间的变换关系为洛伦兹变换。

牛顿力学也是对于惯性参考系才成立，而不同惯性系之间的变换关系为伽利略变换，经典力学和经典电磁学之间就出现了矛盾。爱因斯坦肯定了经典电磁学，而对经典力学做出了相应的修正。他摒弃了牛顿的绝对时空观，认为空间、时间与运动有关，并首创性地提出质量与能量的对等关系，将牛顿力学修正后成功地应用于高速运动的情形。

牛顿力学的另一局限性表现在它不能圆满地解释强引力场中物体的运动，即无法定量地解释天体运动的一些特殊现象（例如水星轨道近日点的进动问题）。另一带根本性的问题是它对万有引力的存在没有任何理论解释。这些缺陷有待发展进一步的理论来弥补。1916年，爱因斯坦的广义相对论公布，其出发点在于肯定惯性质量与引力质量等同的等效原理（已为实验证实），将非惯性参考系中观测到的惯性力与局域的引力等同起来，进而提出一切参考系。

过去100年，爱因斯坦相对论和量子力学的出现，不仅仅是对以往科学大厦的冲击，相当程度上也是对人类精神家园的冲击。100多年前，科学就是牛顿所谓的科学大厦，所有的东西都设计好了，是真理的大厦，这种东西对当时19世纪末的哲学影响非常大：客观真理，只要认识它、应用它，问题都可以解决。这种观点一直到现在都在影响着我们的思维和认识。带有革命性变化的相对论和量子力学出现以后，科学在科学界、在学者的心目中变了一个样子。

物理学是一门非常重要也非常古老的学科，但是科学本身在不断发展，在几十年前甚至上百年前人们认识的物理学实际上也会不断地变化发展。

举例来说，物理学是自然科学的一个核心，是研究自然规律的科学，但它最早也研究物质，各种能量的转化也是物理学所研究的内容。

人类要关注自然界，原来人们认识的都是物质，所看到的都是实实在在的东西。近100年来，人们看到更多的是能源。

自然界由三部分组成：物质、能源、信息。现在出现程度很高的一个字眼是“信息科学”，但是人们重视的其实是信息科学中有形的部分，即信息的传递和处理、计算机硬件和软件等，而对信息本身的研究重视不够。从1946年信息论出现到现在（2009）的60多年，信息科学在理论上没有很大进展。物理学研究要开拓创新，要进入到新的领域，认识真理，有待进一步发展。

20世纪物理学的发展非常辉煌，是因为时间观念、空间观念、应用观念、物质观念、能源观念、力量观念都有了革命性的变化，才导致有今天的物理学。

20世纪的物理学很伟大，伟大在于没有停留在原有发现上，突破了原有的假设和理论。过去认为能量是连续的，被量子理论否定了；过去认为时空分离，被爱因斯坦的相对论否定了；过去认为原子绕着原子核走，玻尔对此说“不”……

在不断摒弃原有理论的局限和错误的过程中，物理学在不断地发展和创新。