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經典物理學是一個科技名詞。

中華文明是一種獨特的文明[1],其文字也是非常獨特的。在世界上所有的國家中,只有中國由於其民族文化強大的包容性與同化性而始終沒有間斷過的文化傳承,這使漢字成為世界上較少的沒有間斷過的文字形式。約公元前14世紀殷商後期出現的甲骨文[2]被廣泛認為是漢字的第一種形式,一直發展到今日,有三四千年的歷史。

名詞解釋

經典物理學(Classical physics),是以經典力學、經典電磁場理論和經典統計力學為三大支柱的經典物理體系。

由伽利略(1564—1642)和牛頓(1643—1727)等人於17世紀創立的經典物理學,經過18世紀在各個基礎部門的拓展,到19世紀得到了全面、系統和迅速的發展,達到了它輝煌的頂峰。到19世紀末,已建成了一個包括力、熱、聲、光、電諸學科在內的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經典力學、經典電動力學、經典熱力學和統計力學——已臻於成熟和完善,不僅在理論的表述和結構上已十分嚴謹和完美,而且它們所蘊涵的十分明晰和深刻的物理學基本觀念,對人類的科學認識也產生了深遠的影響。

建立發展

按物理學自身發展的特點分期,把物理學的發展分為若干時期,在每一時期中找出一些具有表徵性的特點。這主要是根據物理學發展的內在邏輯分期的,採用這一分期原則既可兼顧到社會生產和社會經濟形態的影響,又能揭示出貫穿於物理學發展過程中的內在規律性。

按照物理學本身發展的規律,結合社會經濟各時期的特點,並考慮到不同時期有不同的研究方法,把物理學發展的歷史大體分為三個時期。

經驗物理

經驗物理時期(17世紀以前)  這一時期內我國和古希臘形成兩個東西交相輝映的文化中心。經驗科學已從生產勞動中逐漸分化出來,這時期的主要方法是直覺觀察與哲學的猜測性思辨。與生產活動及人們自身直接感覺有關的天文、力、熱、聲、光(幾何光學)等知識首先得到較多發展。除希臘的靜力學外,中國在以上幾方面在當時都處於領先地位。在這個時期,物理學尚處在萌芽階段。

經典物理

經典物理學時期(17世紀初—19世紀末) ,這時資本主義生產促進了技術與科學的發展,形成了比較完整的經典物理學體系。系統的觀察實驗和嚴密的數學推導相結合的方法,被引進物理學中,導致了17世紀主要在天文學和力學領域中的「科學革命」。牛頓力學體系的建立,標誌着經典物理學的誕生。經過18世紀的準備,物理學在19世紀獲得了迅速和重要的發展。終於在19世紀末以經典力學、熱力學和統計物理學、經典電磁場理論為支柱,使經典物理學的發展達到了它的頂峰。

現代物理

現代物理學時期(20世紀初至當代),十九世紀末葉物理學上一系列重大發現,使經典物理學理論體系本身遇到了不可克服的危機,從而引起了現代物理學革命。由於生產技術的發展,精密、大型儀器的創製以及物理學思想的變革,這一時期的物理學理論呈現出高速發展的狀況。研究對象由低速到高速,由宏觀到微觀,深入到廣垠的宇宙深處和物質結構的內部,對宏觀世界的結構、運動規律和微觀物質的運動規律的認識,產生了重大的變革。

物理危機

19世紀是經典物理學的崢嶸歲月,是一個構建科學理論大廈的時代,是理論與實驗完美結合的時代,產生了很多的著名的物理學家。科學技術發展突飛猛進並產生了廣泛的社會影響,由力學、電磁學、熱學、光學、聲學構建經典物理學的大廈。也可以說19世紀是經典物理學的輝煌時代。

物理學發展到19世紀末期,可以說已經達到了相當完美,成熟的程度。物理學的輝煌成就,使得不少物理學家躊躇滿志、沉溺於歡快陶醉之中,於是產生了這樣一種看法:物理學的大廈已經落成,今後物理學家用不着再幹什麼了,只需要把各種數據測得精確些就行了。然而,此刻在物理學的萬里晴空中卻飄來了兩朵烏雲,物理學上出現了一系列新的發現。這些無法用經典物理學解釋的新發現,使經典物理學陷入了危機。第一朵與邁克爾遜實驗有關,第二朵與黑體輻射有關。正是這兩朵烏雲的飄動,引來了20世紀物理學革命的暴風驟雨,使整個自然科學進入了一個嶄新的階段。這「兩朵烏雲」成為20世紀偉大物理學革命的導火線。

事隔不到一年,就從第一朵烏雲中降生了相對論,緊接着從第二朵烏雲中降生了量子論。經典物理學的大廈被徹底動搖。事實上,在十九世紀末,光電效應、原子光譜和原子的穩定性等實驗事實也接二連三地和經典物理學的理論發生了尖銳的對立。量子論的建立,使人類對物質的認識由宏觀世界進入微觀世界。

「烏雲」的出現

1900年新春之際,著名物理學家開爾文勳爵在送別舊世紀所作的講演中講道:「19世紀已將物理學大廈全部建成,今後物理學家的任務就是修飾、完美這座大廈了。」同時他也提到物理學的天空也飄浮着兩朵小小的,令人不安的烏雲,一朵為以太漂移實驗的否定結果,另一朵為黑體輻射的紫外災難。實際上「烏雲」不止這兩朵,還包括氣體比熱中能量均分定律的失敗、光電效應實驗、原子線光譜等。然而,就是這幾朵烏雲帶來了一場震撼整個物理學界的革命風暴,導致了現代物理學的誕生。

第一朵烏雲「以太」學說

第一朵烏雲是隨着光的波動理論而開始出現的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論,它包括這樣一個問題:地球如何通過本質上是光以太這樣的彈性固體而運動呢?第二朵烏雲是麥克斯韋-玻耳茲曼關於能量均分的學說。這兩朵烏雲涉及到兩方面的實驗發現與力學、電磁學、氣體分子運動論理論的困難。相對性原理是經典力學的一個最基本的原理,這個原理認為,絕對靜止和絕對勻速運動都是不存在的,一切可測量的、因而也是有物理意義的運動,都是相對於某一參照物的相對運動。牛頓本人也充分意識到了確定「絕對運動」的困難,最後只能以臆測性的「絕對空間」的存在作為避難所。麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之後,電磁波的載體以太,就成了物化的絕對空間,靜止於宇宙中的以太就構成了一切物體的「絕對運動」的背景框架。既然以太也是一種物質存在,或者說它表徵着物化了的絕對空間,當然就可以通過精密的實驗測出物體相對於以太背景的絕對運動。但是,美國物理學家邁克爾遜在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉儀所進行的精密光學實驗,都未能觀察到所預期的以太相對於地球的運動。

第二朵烏雲「紫外災難」

第二朵烏雲涉及的是經典物理學另一分支,熱力學和分子運動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的是「麥克斯韋-玻耳茲曼關於能量均分的學說」。實際上是指19世紀末關於黑體輻射研究中所遇到的嚴重困難。為了解釋黑體輻射實驗的結果,物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量,建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是,這個公式推出,在短波區(紫外光區)隨着波長的變短,輻射強度可以無止境地增加,這和實驗數據相差十萬八千里,是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。20世紀初的這兩朵烏雲最終導致了物理學的一場大變革。第一朵烏雲「以太」學說導致了相對論的誕生。第二朵烏雲「紫外災難」導致了量子力學的產生。因此也可以說,對這兩朵「烏雲」的研究就標誌着現代物理時代的到來。

參考文獻