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物理学史上三次著名的科学争论

发布时间:2007-01-11 点击数: 字号:- 小 + 大【收藏】【打印文章】
物理学史上三次著名的科学争论
 
一、对热的本性的认识
  对热的本性的认识,在历史上有“热质说”与“热的运动说”之争,其间经历了两百余年.直到19世纪中叶热力学第一定律确立,热的运动说才获得决定性的胜利.热是组成物体的粒子的运动这一学说,使得热和机械功的等效性在概念上是可以理解的,并为机械功和热的相互转化提供了一个解释的基础,也为气体动理论奠定了基础.
  1热的运动说
  17世纪初,英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”,这种看法影响了许多科学家.英国物理学家波意耳看到铁钉捶击后会生热,想到铁钉内部产生了强烈的运动,所以认为热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动.”胡克用显微镜观察了火花,认为热“并不是什么其他的东西,而是一个物体的各个部分的非常活跃的和极其猛烈的运动.”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热.”洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止.”
  俄国学者罗蒙诺索夫在18世纪40年代提出了如下的见解:“热的充分根源在于运动”,即热是物质的运动,运动着的是物体内部那些为肉眼所看不见的细小微粒.他认为热量从高温物体传给低温物体的原因是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的,它自身便会变冷.这些分析肯定了运动守恒在热现象中的正确性,表明了气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态,是杂乱无规则的.但总的说来,当时热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据,所以还不能形成为科学理论.
  2热质说的提出
  随着古希腊原子论思想的复兴,热是某种特殊的物质实体的观点也得以流传.法国科学家和哲学家伽桑狄认为,运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素,同样,热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的.它们非常细致,具有球的形状,又非常活泼,因而能渗透到一切物体之中.这个观念把人们引向“热质说”,认为热是由无重量的某种特殊物质组成的.
  热质说的主要倡导者,英国化学家布莱克主张把热和温度两个概念区分开来.他引进了“热容”的概念,得出了量热学的基本公式ΔQ=cmΔt.其中c称为比热,表示单位质量物质温度升高1K所吸收的热量.他在研究冰和水的混合时发现,在冰的熔解中需要一些温度计觉察不出的热量,进而发现各种物质在发生物态变化时都存在这种效应,他由此引进了“潜热”的概念,指出使冰熔解的过程是潜热发生的过程,使水凝固的过程是潜热移出的过程.
  在热质说观点指引下,热学研究取得了一定的进展.在18世纪前半叶人们开始明白一个有意义的事实:在对混合物所做的实验中,亦即把温度不同的诸物体放到一起,热既不会被创生也不会被消灭.这就是说,不管热在混合物或保持密切接触的各种不同物体中间如何重新分布,热的总量保持不变.现在可以将这条热量守恒定律表述为:在一个不受外界影响的绝热系统中,物体A失去的热量等于物体B得到的热量,即ΔQA+ΔQB=0.
  这样一个热量守恒定律非常自然地使人联想到物质守恒的概念,有力地使热质说的观点占了上风.事实上,热质说对热传导现象给出了一个简单的可信的图像,即剩余的热质要从较热的物体不断地流向较冷的物体,直到达到平衡状态为止.而用那种把热视为粒子运动方式的观点来说明这一观察的结果确实很困难.
  除此之外,热质说还简易地解释了当时发现的大部分热学现象,比如物体温度的变化是吸收或放出热质引起的,对流是载有热质的物体的流动,辐射是热质传播,物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥,等等.热质说的成功,自18世纪80年代起几乎使整个欧洲都相信了热质说的正确性,从而压倒了热的运动说.
  但是,热质说对热学的发展又起着严重的阻碍作用.既然把热看成一种物质,而不是物质的一种运动形态,那就不可能有各种物质运动形态的转化.在热质说看来,摩擦所以生热,只是由于摩擦把“潜热”挤压出来,使潜热变成显热,使摩擦后物体的比热比摩擦前小,所以温度升高,而热质的量并没有增加.因此,在热质说占统治地位的18世纪,人们就不可能正确理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系.
  3.运动说的复兴
  到了18世纪末,热质说受到了严重的挑战.随着实验材料的增多,越来越表明热质说不能说明物体因摩擦力做功而生热的现象.1798年英国物理学家伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告“论摩擦激起的热源”,说他在慕尼黑兵工厂监督大炮镗孔工作时,注意到炮筒温度升高,钻削下的金属温度更高,他提出了大量的热是从哪里来的这个问题.他敏锐地感觉到彻底研究这一课题,对热的本质可望获得进一步认识,从而对于热质存在与否这个自古以来哲学家们众说不一的问题做出合理的推测.
  接着,他写道:“热是否来自钻腔机所切开的金属片?如果情形的确是这样的话,那么根据现代的潜热和热质学说,则金属片的热容不仅应该变化,而且此变化还应该大到足以成为产生所有热的源泉.”但是,他通过在绝热条件下所做的一系列钻孔实验,比较了钻孔前后金属和碎屑的比热,发现钻削不会改变金属的比热.他还用很钝的钻头钻炮筒,半小时后炮筒升高70°F,金属碎屑只有54g,相当于炮筒质量的1/948,这一小部分的碎屑能够放出这么大的“潜热”吗?于是,他做出结论:“这些实验所产生的热,不是来自金属的潜热或综合热质.”他在论文的末尾写道:“看来在这些实验中,由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的.不待说,任何与外界隔绝的物体或物体系,能够无限制提供出来的东西,决不可能是具体的物质实体;在我看来,在这些实验中被激出来的热,除了把它看做是运动以外,似乎很难把它看做是其他任何东西.”
  1799年,英国化学家戴维在论文中描述了实验:在一个同周围环境隔离开来的真空容器里,利用钟表机件使里面的29°F的两块冰互相摩擦而熔解为水.他在论文中写道:“如果热是一种物质的话,它一定是从这几种方式之一产生的:或者是由于冰的热容减少,或者是两物体的氧化,或者是从周围的物体吸引了热质.”可是明显的事实是,水的热容比冰的热容大得多,而冰一定要加上一定量的热才能变成水,所以摩擦并没有减少冰的热容.“也不是由于物体氧化引起的,因为冰根本不能吸引氧气.”最后,他得出结论:“既然这些实验表明,这几种方式不能产生热质,那么,即就不能当做物质.所以,热质是不存在的.”他明确指出热是物体微粒的运动.他说:物体因摩擦而膨胀,则很明显,它们的微粒一定会运动或相互分离.既然物体微粒的运动或振动是摩擦和撞击必然产生的结果,那么,我们就可以做出合理的结论:热是物体微粒的运动或振动.
  伦福德和戴维的实验与论证是令人信服的,可以说为以后热质说的最终崩溃和热的运动说的确立提供了最早的论据.但他们的实验在当时没有被人们所重视,大多数学者并没有因此而改变自己关于热的本性的观点.这个问题一直到19世纪热力学第一定律问世时,才真正得到解决.
  二、光的微粒说与波动说的论争
  光学是一门最古老的物理学分支之一.光的本性问题一直是人们十分关心和热衷探讨的问题.17世纪以来,随着科学技术的发展,这种争论达到了空前激烈的地步,也就是物理学史上著名的微粒说与波动说之争.
  1.根深蒂固的微粒说
  17世纪的科学巨匠牛顿,也是光学大师,关于光的本性,牛顿是这样认为的:光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉,这就是光的微粒说.牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象.由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快获得了人们的承认和支持.
  但是,微粒说并不是“万能”的,比如,它无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时,为什么光线并不是永远走直线,而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象.
  为了解释这些现象,和牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯,提出了与微粒说相对立的波动说.惠更斯认为光是一种机械波,由发光物体振动引起,依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播的现象.波动说不但解释了几束光线在空间相遇不发生干扰而独立传播,而且解释了光的反射和折射现象,不过在解释折射现象时,惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度,这与牛顿的解释正好相反.谁是谁非,拉开了近代科学史上关于光究竟是粒子还是波动的激烈论争的序幕.
  尽管波动说可以解释不少光学现象,但由于它很不完善,解释不了人们最熟悉的光的直进和颜色的起源等问题,所以没有得到广泛的支持.再加上当时受实验条件的限制,还无法测出水中的光速,便无法判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设谁对谁错.尤其是牛顿在学术界久负盛名,他的拥护者对波动说横加指责,全盘否定,终于把波动说压了下去,致使它在很长时间内几乎销声匿迹.而微粒说盛极一时,居然在光学界称雄整个18世纪.
  2.英姿焕发的波动说
  进入19世纪以后,曾被微粒说压得奄奄一息的波动说重新活跃起来.一个个崭新的实验事实,使波动说雄姿英发,应付自如,进入了一个“英雄时期”.
  第一位向微粒说发起冲击的是牛顿的同胞托马斯·杨.1801年,年轻的托马斯·杨一针见血地说:“尽管我仰慕牛顿的大名,但我并不因此非得认为他是百无一失的.我遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威也许有时阻碍了科学的进步.”托马斯·杨为了证明光是一种波,他在暗室中做了一个举世闻名的光的干涉实验.我们知道,干涉现象是波动的一个特性,托马斯·杨的成功,证明了光确实是一种波,它只有用波动说才能解释,微粒说对此一筹莫展.
  给微粒说以沉重打击的第二个实验是光的衍射实验.衍射现象也是波的基本特性之一,这是一种波在传播过程中可以绕过障碍物,或穿过小孔、狭缝而不沿直线传播的现象.法国物理学家菲涅尔设计了一个实验,成功地演示了明暗相间的衍射图样,在微粒说看来,光的衍射现象则是不可理解的.
  给微粒说以致命打击的是对光速值的精确测定.牛顿和惠更斯在解释光的折射现象时,对于水中光速的假设是截然相反的,谁是谁非,难以证实.到了19世纪中叶,法国物理学家菲索和付科,分别采用高速旋转的齿轮和镜子,先后精确地测出光在水中的传播速度只有空气中速度的四分之三.又一次证明了波动说的正确性.
  经过反复较量,波动说终于压过了微粒说,取得了稳固的地位.到19世纪60年代,麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律,建立了光的电磁理论.到80年代,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,并证明电磁波确实同光一样,能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象.利用光的电磁说,对于以前发现的各种光学现象,都可以做出圆满的解释.这一切使波动说锦上添花,使它在同微粒说的论战中,取得了无可争辩的胜利.
  3重整旗鼓的微粒说
  正当波动说欢庆胜利的时候,意外的事情发生了,以太存在的否定和光电效应的发现,这些新的实验事实又一次要置波动说于死地.
  波动说认为,光是依靠充满于整个空间的连续介质——以太做弹性机械振动传播的.为了验证以太的存在,1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷使用当时最精密的仪器,设计了一个精巧的实验.结果证明,地球周围根本不存在什么机械以太.没有以太,光波和电磁波是怎样传播的呢?面对这一波动说难以克服的困难,微粒说跃跃欲试.光电效应的发现,使微粒说再次“复辟登基”.所谓光电效应,就是指金属在光的照射下,从金属表面释放出电子的现象,所释放的电子叫做光电子.大量的实验证明,光电效应的发生,只跟入射光的频率有关,只要入射光的频率足够高,不管它强度多弱,一旦照射到金属上,立刻就有光电子飞出.而从波动说的观点看,光电效应是绝对无法理解的.因此,波动说完全陷入了困境.而爱因斯坦运用光量子说——全新意义上的微粒说,把光电效应解释得一清二楚.至此,光的微粒说又昂首挺胸.活跃在科学的舞台上.但是,爱因斯坦并没有抛弃波动说,而是把二者巧妙地结合在一起,并辨证地指出:“光——同时又是波,又是粒子,是连续的,又是不连续的.自然界喜欢矛盾……”,这一思想充分体现在他的光量子理论的两个基本方程E=hν和p=(h/λ)中,把粒子和波紧密地联系在一起.
  三、爱因斯坦与玻尔的历史性论争
  20世纪最伟大的两位物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔对于量子力学的创立与发展,都做出了重大的贡献.有趣的是,在1927年9月科漠国际物理会议上,当玻尔正式提出了他有名的“互补原理”之后,受到了爱因斯坦的强烈反对.从此,这两位同时代、同行业的科学巨星,直到他们死去之前,共进行了近40年具有浓厚哲学色彩的大争论.即使是现在,仍可感到这一争论对现代物理学理论基础研究所产生的冲击.
  1.论争的渊源
  提及这场大争论,首先得从哥本哈根学派说起.
  在20世纪20年代,丹麦著名物理学家玻尔在哥本哈根理论物理研究所以其严谨的治学作风、尊重他人首创精神的领导作风,吸引了大批对量子物理学有着基本相同的理解的科学家,成为当时世界上力量最雄厚的物理学派.诸如,海森伯、泡利、狄拉克等年轻的物理学家都先后在这里工作着,其中,玻尔对海森伯提出的测不准关系非常赞赏.1927年9月在意大利科漠召开的国际物理学会议上,玻尔提出了著名的“互补原理”,从哲学上对测不准关系加以概括,用以解释量子理解的基本特征——波粒二象性.这一著名的互补原理,被称之为量子力学的哥本哈根解释,正是这一解释受到了爱因斯坦的尖锐批评,从而拉开了这场大争论的序幕.
  2论争的过程
  爱因斯坦与玻尔的论战持续了近40年之久,很令人瞩目.论战的内容是围绕着关于量子力学理论的特征和基本概念的解释问题,而这些问题又都属于哲学的领域,所以,争论的实质就是围绕着量子力学的方法论原理及其哲学诠释.论战曲折迂回,高潮迭起,大致分成两个阶段.
  (1)论战的第一阶段
  1927年科漠会议上玻尔提出“互补原理”,对量子力学第一次作了互补解释,玻尔是这样认为的:量子力学理论是一种以能量为动量的统计守恒为基础的纯几率观点,量子力学的规律具有统计性质.并且,他主张在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念,而代之以互补原理.
1927年10月,第五次索尔维国际物理学讨论会在布鲁塞尔召开,爱因斯坦在会上发言,第一次在公开场合下对量子力学的发展表示不满.他反对抛弃严格的因果性和决定论的概念,坚持基本理论不应当是统计性的,他认为在几率解释的后面应当有更深一层的关系,应当能够揭示微观世界的因果性联系,所以他在会议上支持德布罗意的导波理论.
  为了揭露量子力学理论的逻辑矛盾性,从而否定测不准关系,爱因斯坦还精心设计了一系列的理想实验,企图驳倒玻尔,玻尔据理力争,一次次巧妙地摆脱了困境.例如,爱因斯坦设计了一个可以称重量,且有可控快门的光箱子实验,并以此来否定能量对时间的测不准关系.而对此严重的挑战,玻尔经过一个不眠之夜的紧张思考,终于喜出望外地发现.可以“以其人之道还治其人之身”的办法回击爱因斯坦,即利用爱因斯坦广义相对论中时钟速率与引力势的关系,驳倒了爱因斯坦的挑战.因此,爱因斯坦不得不承认量子力学的逻辑一贯性.
  (2)论战的第二阶段
  当爱因斯坦试图从逻辑上反驳哥本哈根学派而遭受挫折后,便放弃了这方面的努力,转而集中于批评量子力学理论的不完备性.1931年2月26日,爱因斯坦等三人合作发表了“量子力学中过去和未来的知识”的文章,认为测不准关系式并不能提供量子力学的过去的确定知识.从而拉开了进一步的论战.1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森一起发表了题为“能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?”一文,提出了著名的以他们三人姓名头一个字母命名的“EPR悖论”,使这场论战再次出现了高峰.文章首先提出了理论的完备性和实在性的定义,并建立了一种“非此即彼”的抉择关系,即量子力学理论如果是完备的,则不可对易算子所表征的物理量不同时为实在;或者相反,如果理论是不完备的,则物理量同时为实在.其次,文章证明,如果波函数所提供的描述是完备的,那么所涉及的不可对易量必定是实在的.而根据前面所建立的“非此即彼”抉择关系,不难看出,其唯一可能的结论是波函数所提供的描述为不完备的.爱因斯坦等人通过对两个相干系统的分析,做到了不仅是完成了逻辑上的诘难,而且还具体地构造了一个满足“排除了干扰的测量”的要求的体系,用以说明量子力学对物理实在的描述是不完备的.这称之为“EPR悖论”.
  EPR悖论逻辑结构是十分严密的,要进行反驳是极其不易的.但EPR悖论中所提出的定义及观点,又必须最后诉诸“测定”,既然还有赖于测量,那就恰好为玻尔的反驳提供了突破点.
  1935年10月,玻尔以相同的标题公开回答了上述诸难.指出既然EPR的作者在“实在性”的定义中谈论了测量,那么就不应该把测量操作与被测对象割裂开来讨论,而必须把现象同获取现象的条件以及器械包括在内进行描述.所以,玻尔在文章中运用一种更为一般的方式构造了EPR的两粒子体系,使它们恰好满足EPR所设想的情形.玻尔列举了一个粒子穿过一窄缝的实验,并指出EPR诘难中对所需物理量的测量及计算所显示的在选择上的任意性,取决于实验装置的设置.所以,“排除一切干扰”的前提,对实验的要求是含糊的.为了进一步说明上述思想,玻尔把量子力学与经典物理学中的观察予以比较.他指出:在量子物理学中,对象与测量仪器之间的相互作用是量子现象中不可分的组成部分,从而对象与测量仪器构成一个不可分割的整体.由此可见,玻尔提出的量子现象的整体性特征,是对于EPR所默认的定域性假设的否定,也是对于EPR实在性判据的否定.这样,玻尔采用了抛弃EPR的逻辑前提,代之以确认量子现象的整体性特征的手段,拯救了量子描述的完全性.
  3论战的启示
  现在,爱因斯坦和玻尔虽然去世了,但他们之间为了探索科学真理而进行的论战,却推动着量子物理学深入发展;它一步步地揭示了量子力学的本质含义,前期的争论确立了量子力学及正统解释的逻辑自洽性;后期的争论则揭示了量子现象的整体性特征,同时更明确地提出了量子力学的理论地位问题.但是,两位大师的争论以分道扬镳而告终,这说明:这一争论对现代物理学理论基础的研究带来了冲击,就这个意义而言,这场争论还远远没有结束,它将激励着人们去重新审查现代物理学理论基础的分理解状况,寻找把这两个理论真正统一起来的途径,以促进物理学的进一步深入发展.
  除此之外,这场论战还给后人留下了十分有益的启示.首先,它说明学术上的争论有利于促进科学理论的发展;其次,学术争论的唯一正确态度就是坚持百家争鸣;再次,自然科学需要正确的哲学作指导.
  这一场发生于爱因斯坦和玻尔为代表的20世纪最伟大的两位物理学家之间的论战,是科学史上持续长久而激烈的著名的论战之一,它一直延续到今天,影响深远.
参考文献
1吴国盛.科学的历程.北京:北京大学出版社,2002
2颜振玉.物理学史新编.桂州:桂州科技出版社,2002

(编辑:刘旭)

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