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走近物理学家 

来源: 日期:2014-05-05
休闲中我看完了一本介绍物理学史的小册子,在阅读中我领略了物理学家们的风采,我看到,物理学家对世界的认识和理解是不断升华的,物理学的发展在很大程度上取决于物理学家的远见和洞察力,整个物理学史就是一部不断被超越的历史。
曾几何时,十九世纪创造了辉煌的科学成就。在化学领域,道尔顿(John Dalton)重提原子论,门捷列夫发现了元素周期律;在生物学领域,细胞学说被确立,达尔文进化论的提出,打破了上帝创作人的神话。
在物理学领域,更是一派欣欣向荣的景象。伽利略和牛顿奠定了经典力学的基础,经欧拉、拉格朗日和哈密顿的工作,建立了严格的数学形式;由法拉第和麦克斯韦建立的电动力学,用一组极其优美的方程,把当时已知的电、磁和光学现象都统一起来;能量守恒和转化定律的发现,不仅为热力学奠定了基础,同时也使一切物质运动都有了一个统一的度量标准—能量;在分子运动领域,经过麦克斯韦、波尔兹曼、吉布斯等人的努力,又建立了经典统计力学。可以说,在十九世纪末,经典物理学已经高度发展并成熟。
人们看到了一幅清晰地画面:世界万物都是由80多种元素的原子组成的,大至星球、小到原子运动都服从牛顿力学定律;自然过程是连续的,因果决定论左右着整个世界,任何一个给定状态都是由它前面的状态决定的;时间和空间彼此无关,物质运动存在于无限的空间中,时间与物质运动毫无关联的流逝着。
在当时的物理学家眼里,似乎所有基本问题都已解决,经典物理学宏伟大厦眼看就要竣工,科学受到了前所未有崇敬,物理学家们怀着无比喜悦的心情迎接20世纪的到来,1900年元旦,著名英国物理学家开尔芬(Lord Kelvin)勋爵在新年献词中宣布,在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只需做一些修补工作就可以了。没有理由怀疑物理学已经具备了终极的稳定形式。
但是,19世纪末和20世纪初的两个事件打破了物理学的宁静。1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷做了一个测定光速的实验,本来想证明光顺着地球自转传播时,要比逆着地球自转传播的速度更快,可实验结果出乎人们意料,两种情况下的光速相等,光速在任何参考系中都是不变量。发光体的能量分布一直是人们关注的问题,1900年12月,普朗克在德国物理学会的一次会议上宣布了一个令人吃惊的结果,黑体辐射放出的能量是不连续的,而是以一个与辐射频率相关的被称之为能量子的最小单位跳跃式发出的,这显然与经典物理学连续性观念不符。正是由于这两个事件而使物理学的发展发生改变。光速不变原理导致了狭义相对论的创立,量子概念的提出导致了量子力学的诞生。
相对论和量子力学是20世纪两个最伟大的发现,它改写了经典物理学,在相对论看来,物质和能量存在当量关系,时间和空间构成统一的时空,时空与事件并不分离,物质运动改变时空结构,时空的弯曲程度决定物质状态;在量子世界里,,物质世界的变化是不连续的,观测本身影响观测结果,因果决定论不再适用,微观领域遵从统计规律。相对论和量子力学不仅改变了人们对世界的认知图景,同时也改变了人们的生活。没有相对论就没有核能的利用,没有量子力学就没有计算机、互联网乃至整个IT产业的发展。
相对论是爱因斯坦一个人的独创,量子力学是众多物理学家智慧的结晶,1900年普朗克提出能量子概念,1905年爱因斯坦提出光量子假说,1913年波尔用量子化概念解释了氢光谱现象,1923年德布罗意提出了粒子的波粒二相性。在此后的时间里,经海森堡、狄拉克、薛定谔、波恩等人的努力,构建了比较完整的量子力学体系。
涉足量子世界的物理学家们眼光深邃、风采各异,波尔开创了具有包容与合作精神的哥本哈根学派;海森堡提出了著名的“测不准原理”,和波恩共同创立了量子力学的矩阵形式;薛定谔沿着另外的方向建立了量子力学的波动方程;狄拉克建立的狄拉克方程预见了反粒子的存在,描述了电子的状态。杨振宁在一次演讲中曾给予狄拉克很高评价,称他的文章是“秋水文章不染尘”;“独抒性灵,不拘格套,非从自己胸臆流出,不肯下笔”。还用唐朝诗人高适的一首诗里的“性灵出万象,风骨超常伦”概况了狄拉克的风格。
爱因斯坦虽然对早期量子力学做过很大贡献,但并不认同量子力学的解释,他在1926年12月给波恩的信中写道:“我无论如何都深信上帝不是在掷骰子”。这导致了爱因斯坦和波尔多年的论战,爱因斯坦坚持“物理学家必须努力求得单个体系的实在描述,这一观点是绝对无法避免的”,波尔则强调,我们关心的主要是“实在”的整体状态,而不是单个物理量的准确性,测不准关系暗示人们对微观客体测量存在某种限制。20世纪70年代对贝尔不等式的检验,似乎更支持量子力学的不可分割性而否定爱因斯坦的定域实在论。但事情远没有结束,2012年诺贝尔物理学奖获得者David Wineland和Seroge Haroche的研究成果表明,可以在不破坏粒子的前提下对其直接观测。这又回到了爱因斯坦的信念:存在一个独立于观测主体的外部世界。
21世纪已经过去了十分之一多的时间,哥本哈根学派最后一位物理学大师惠勒(John  Arehibald  Wheeler)认为,当今物理学处在一个相对平稳时期,没有波澜壮阔的场面,“新的发现,有;但是,新的定律,没有”。物理学家们在不懈地寻找物理学的突破口,物理学的发展又会给人类带来哪些变化?人们拭目以待。
                              (转自中国科协网站)
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