第四章 现代自然科学的发展
第一节 现代物理学的发展
由哥白尼、维萨里、伽里略、牛顿等开创的近代科学，在18、19世纪获得了全面的发展，取得了巨大的成就。尤其是在经典物理学领域，由于D．伯势利、拉格朗日等人的工作，经典力学被赋予完美的数学形式；经过法拉第、麦克斯韦等人的努力，电、磁、光、热辐射等现象有了统一的理论解释；焦尔、卡诺则向人们系统地揭示了热运动的性质和方向。物理学作为认识自然界的基础理论，向人们展示了一个精致、和谐、清澈的世界图景。
同样，在其它学科领域，星云理论、原子分子理论、生物进化理论、细胞学说、化学元素周期律的建立，以及支撑这些理论的观察和实验基础的确立，极大地丰富和深化了人们对自然界的认识。
在这样的背景下，人们难免不为科学的巨大的成就所陶醉，有人甚至认为科学在一些领域已经发展到顶峰，科学在20世纪的工作仅仅是提高实验精度的细节性的任务了。然而，人们的乐观情绪未能持续很久，尤其在物理学一片晴朗的天空之下，人们自信很快就会消散的几朵疑难问题的乌云，不但没有如期消解，而且在19、20世纪交接之时，新的问题如风雨前的天边浓云滚滚而来。人们精心营造了二百多年的经典物理学大厦，似乎一转眼就到了摇摇欲坠的境地。由于物理学在所有科学领域中的基础地位，激荡在物理学天空上的风雨不可避免地会波及到整个科学世界，人们焦灼地注视着物理学领域的这场暴风骤雨。这场风雨就是20世纪初的物理学革命，它改变了20世纪整个科学的面貌，由此也开始了自然科学发展历史的一个新纪元。
一、现代物理学革命的序幕
到19世纪末，经典科学取得了前所未有的进步和成功。正当人们认为物理学已经达到了顶峰，并陶醉于这种"尽善尽美"的境界之中的时候，出乎意料地爆发了物理学的危机。这场危机是由以太漂移实验和对黑体辐射"紫外灾难"现象的研究引起的。人们通过对这两个问题的研究，发现了经典物理学的内在缺陷。
（一）"以太之迷"
"以太之迷"是人们在研究光传播媒介时发现的问题，按照经典物理学的理论，波动实际上是某一点的振动在空间中的传播方式，在这一过程中需要一定的媒介来传递由振动所发出的能量，也就是说没有媒介振动就不能转变成波动。让人不解的是，光和其它的电磁波形式在真空中也能够传播。
这就引发了问题，因为按照人们的一般理解，真空就是不存在任何物质的空间状态，在这样的状态下显然也就不存在我们通常所理解的传播媒介。而按照经典物理学的观点，没有媒介则作为一种波动形式的光是不能够传播的。那么是不是存在一种特殊的物质形式，它充当了光的媒介呢？人们把注意力引向了从笛卡尔、惠更斯就一直延用的物理学概念"以太"。
实际上，"以太"是源自古希腊的一个物理学概念，人们当时无法想像天体何以能够悬在空中。于是，人们假设太空中弥漫着一种叫做"以太"的东西，它可以支撑天体，也能够透射光亮。近代以来，惠更斯等人就假设它是光的媒介。但是，是否真的存在"以太"？如果存在"以太"的话，我们怎样证实它的存在？
1887年，美国科学家麦克尔逊和莫雷设计了一个非常精致的实验，来寻找"以太"的证据。此项实验的大致思路是这样的：假设太空中弥漫着"以太"，那么，当地球运动时就应该有一个相对于"以太"的速度。因此，按照经典物理学速度叠加的原理，在地球上发出的不同方向上的光束，由于受到地球相对于"以太"速度的影响，其合速度应该是不一样的。这项实验就是为了测量不同方向上的光速差值，这个差值人们称之为"以太漂移"。换句话说，如果能观测到"以太漂移"，也就是证明了"以太"的存在。
然而，实验的结果是否定性的，人们观测不到"以太漂移"，这就是所谓的"以太之谜"。由"以太之谜"促成了人们对一些最基本的物理问题的讨论。人们开始提出疑问：解释光的运动是否真的需要"以太"假设？人们对空间、运动的认识是否存在着问题？
（二）"紫外灾难"
紫外灾难是由人们研究一种热辐射模型--黑体辐射问题时所假设的现象。所谓黑体是指一种能完全吸收电磁辐射而完全没有反射和透射性质的理想物体，被不透射的器壁围住的空腔，它的热辐射性能近似等同于黑体，因此，在现实中可以通过研究这种空腔辐射问题反映黑体的属性。在19世纪末人们发现了黑体辐射的波长与黑体温度之间的关系，这鼓舞人们进一步研究黑体辐射的能量分布规律。
在这项研究中，德国科学家维恩首先发现了与辐射电磁波的高频部分吻合得很好的能量分布定律，但是这一定律无法解释在低频部分能量分布与频率的关系。同样，英国科学家瑞利等人所提出的能量分布定律，又无法解释在低频部分能量分布与频率的关系。这就是说，科学家没有找到一种同时符合低频和高频条件的普通的辐射能量分布公式。更为严重的是，当人们用瑞利的满足低频条件的分布定律去推论高频条件下的能量分布情况时，人们将会得到一个十分荒谬的结果：即随着频率的增加，辐射能量将会趋于无限大。如果真是如此，这显然就是一种所谓的紫外灾难。就其问题而言，这也是经典物理学的一场灾难，它暴露出经典物理学在解释辐射能量方面的致命缺陷。
（三）三大发现
1.X射线的发现
X射线的发现起源于对阴极射线的有关研究。德国著名物理学家伦琴（XXXXXXntgen，1845～1923）是用"希托夫～克鲁克斯真空管"来研究阴极射线的。有一天，他在检查套管是否漏光时，偶然发现在附近一码处一张涂有亚铂氰化钡(一种荧光物质)的屏幕上闪耀着青绿色的光辉。他不断挪远屏幕的距离，所得的结果都是一样的。他知道：阴极射线是绝不会在空气中走那么远距离的，那么，这到底是什么东西呢？他将一些东西放在玻璃管与屏幕之间，发现有某种新射线正从管内射出来，它是由放电设备的玻璃管壁上的阴极射线所产生的。这种射线不仅能使某些物质发出荧光，而且还能穿透玻璃、厚纸板，甚至连金属也能穿过。他还发现这种射线能够透过黑纸使照相底片感光。伦琴称这种未知的射线为X射线。1895年12月28日伦琴宣布了自己的这一发现，并公布了X射线照出的手骨照片。
X射线的发现，揭开了物理学革命的序幕，展示了物理学还有应探索的未知领域。在这之后一系列新发现便接踵而至。这些新发现猛烈地冲击着古典物理学和传统观念，使经典物理学处于危机之中。
2.放射性的发现
X射线的发现立即吸引了许多科学家去研究这种新的具有巨大穿透力的辐射。1896年法国物理学家昂利·贝克勒尔（XXXXXXcquerel，1852－1908）对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他很想知道这种荧光辐射中是否有X射线。他把这种硫酸盐放在用黑纸包起来的照相底片上，用阳光来照射，希望让阳光中的紫外线来激发出荧光。由于阳光不能透过黑纸，所以对照相底片不起作用，如果激发出的荧光中含有X射线，就会穿透黑纸使照相底片感光。这样做了之后，他发现底片感光了，起初他以为荧光中含有X射线。但是，有一次连续几天的阴雨使实验无法进行，他便把上面放着几块硫酸双氧铀钾的底片用黑纸包好放在暗房的抽屉里。以后几天，太阳根本未出现过，1896年3月 1日，他把底片冲洗出来，其结果是出乎意料的，虽然未经阳光照射，底片却已经因为很强的辐射而变的很黑。这使他异常的惊喜，因为这决不是荧光或阳光所能造成的，必定有一种特别的东西在起作用。经过多次实验，人们判明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀。这就是最早发现的天然放射性现象。而铀便成为人们第一个发现的放射性元素。
贝克勒尔的这一发现也吸引了当时一些杰出的物理学家。其中，居里夫人（M.S. Curie， 1867－ 1934）对放射性研究作出了重大贡献。她当时就选择了《放射性物质的研究》这个困难问题作为她的博士论文的题目。
居里夫人首先证实了贝克勒尔所发现的铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同它的化学形式无关。随后又发现了钍和钋这两种放射性元素。在1898年11月，她又宣布发现了一种常常与钡伴生的新放射性元素镭。这个发现轰动了物理学界，但是有些化学家表示怀疑。为此居里夫妇又花了4年时间，在极端艰苦的条件下（几年实验室的艰苦劳动，使居里夫人的体重减轻了 10千克），从几吨沥青矿渣中分离出 0.12克纯氯化镭，并测定出镭的原子量是226，镭发出的射线比铀要强400多倍。由此，人们消除了怀疑，确信镭的存在。
3.电子的发现
阴极射线究竟是什么，物理学家们有不同的看法，有人说是电磁辐射，有人认为是某粒子流。英国物理学家瓦利（1828～1883）和克鲁克斯（XXXXooes，1870～1942）的研究发现，金属圆筒内收到阴极射线后圆筒就带负电。 1897年J.J.汤姆生演示阴极射线证明，阴极射线不仅能被磁铁所偏转而且还能被电荷所偏转，并且确定它是带负电的粒子流。他巧妙地测出了阴极射线的磁场和电场中的偏转度，求出这种粒子的荷质比e／m约为氢离子的2000倍，确定它的质量相当于氢原子质量的二千分之一左右。汤姆生还发现不管怎样改变电极的材料（铝、铁、钠等），阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。由此可以断定这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分，并进一步证明这种粒子是一切元素的原子的组成部分。J.J.汤姆生采用"电子"来作为这种粒子的名称。
X射线、天然放射性以及电子的发现，打开了原子结构的大门，否定了原子不可分、元素不可变的传统观念，揭开了物理学革命的序幕。
二、现代物理学革命的重大成果
20世纪，是物理学发展历史中的一个辉煌的时代。在短短的一百年间，物理学领域出现了一系列令人眩目的理论和实验成就，所不同的是，经典物理学是针对人们可以直接观察的宏观世界提出了物体运动的基本原理，而20世纪初的经典物理学危机和由此引发的物理学革命，则把人们认识世界的范围扩大到了人类日常经验所无法直接把握的微观世界和无限的宇宙。
（一）相对论的诞生
相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论，是现代物理学和科学技术的重要理论基础之一。相对论的诞生，不仅大大推动了自然科学和技术的发展，而且在哲学世界观方面具有非常重大的意义，为辨证唯物主义的时空观提供了坚实的科学依据。
1.狭义相对论
伟大的物理学家爱因斯坦（A.Einstein,1879～1955）也曾为以太之迷困惑了近10年，直到1905年才把它彻底解决了，他发表了一篇具有划时代意义的论文《论运动物体中的电动力学》。在这篇论文中，他提出了狭义相对论的两条基本假设：
（1）相对性原理。一切彼此作匀速直线运动的惯性参照系都是等价的，即在一切惯性中，物理定律有着相同的形式，通常称相对性原理。
(2)光速不变原理。在所有的惯性系中，真空中的光速有相同的值。光速与光源的速度无关，光速是一个常数C。
从这两条基本假设出发，又得到了狭义相对论的一系列推论：
(1）同时的相对性。两个事件在某惯性系中观测是同时发生的，而在另一惯性系中观测则是不同时的。
（2）尺缩效应。量度物体的长度时，运动物体在其运动方向上的长度比静止时要短。
（3）钟慢效应。量度时间进程时，运动的时钟要比静止的时钟走得慢。
（4）质能相关。质量与能量之间存在着重要的关系式：E＝mc2，这在理论上预示了利用原子能的可能性。
2.广义相对论
狭义相对论创立之后，爱因斯坦便进一步探索加速运动的相对性。他注视到了一个极简单的实验事实：惯性质量和引力质量完全相等，即引力场加强物体的加速度同物质的本性无关，这是引力场的特性。由此，他又引出了"等效原理"：即一个存在着引力场的惯性系同一个不存在引力场的加速运动的非惯性系是等效的。1915年爱因斯坦又创立了广义相对论。广义相对论的创立轰动了物理学界，一方面是由于这一理论概念深刻、结构严谨、内容新颖、推论精确，另一方面是他解释了牛顿引力理论所无法说明的水星近日点的运动，而且更重要的是他还预言了光线弯曲。这一切在后来的天文观测中都得到了精彩的证实。1958年，德国物理学家穆斯堡尔又在实验室中验证了广义相对论的正确性（即穆斯堡尔效应）。
广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里德几何，而遵循着非欧几何。广义相对论证明了时空特性随引力场的变化而改变，无引力场的时空是平直的，有引力场的时空是弯曲的。引力场的大小和特性与物体质量的大小、分布和运动状况有关。相对论的创立，是人类认识微观粒子高速运动与高速宏观运动的有力工具，是现代物理学的伟大革命.
（二）量子力学的建立
1.早期量子论的建立
维恩、瑞利等人在研究黑体辐射时所分别得出的不能相容的结论，自然引起了科学界的关注。1900年，德国科学家普朗克也在注意着这一领域的动态，他首先用一种数学的方法找到了可以协调维恩和瑞利的研究结果的辐射能量分布公式，这个公式与辐射能量的高频和低频部分的实验数据都吻合得很好。这是一个令人鼓舞的成果。
然而，普朗克在应用数学方法处理辐射问题时，采用了将能量分为一个个不连续数值的假设，每一个不连续的能量单元就是所谓的"能量子"，而且他还发现存在着最小的能量单位，即著名的普朗克常数h所代表的能量值，所有能量值都是最小能量单位的整数倍。这显然违背了经典物理学用连续的量表述物体运动的传统。怎样理解这个公式的物理意义，引起了一些争议，连普朗克本人也对自己的假设感到不安，他总想寻找一个与经典物理学吻合的连续的概念来取代量子的概念。
实际上，普朗克的量子假设意味着在微观世界物质运动状态是不连续的，真正理解这种物理意义，并将量子概念应用于其它物理问题研究的是爱因斯坦。1905年，在爱因斯坦所发表的关于光电效应的论文中，又提出了光量子（即光子）的概念。他认为光在发射、传播和与物质相互作用时，光的能量也是不连续的；每一次光发射和吸收的能量值都只能是基本能量单位的整数倍，这样的光能量单元就是一个光子。爱因斯坦的光量子理论，虽然能够很好地解释光电效应等实验，但是它显然与麦克斯韦的光是电磁波的理论相抵触，因此，这个创造性的理论在一段时间里遭到了许多人的反对，其中包括提出能量子概念的普朗克。这说明科学发展的历程是十分曲折的，人们要理解和接受新的思想，尤其一些涉及到物质运动基本观念的思想是格外困难的。
2.量子力学的建立
量子力学理论的建立是通过两条道路完成的。德国年轻的物理学家海森堡（W.K.Heisenberg，1901－1976）于1925年写了一篇具有历史意义的论文《对于一些运动学和力学关系的量子论的重新解释》。他认为把原子结构类比于我们周围世界结构的企图注定要失败的。他纯粹用数学来描述电子的能级和轨道，完全不用图象，由于他用了一种叫"矩阵"的数学工具来处理那些数字，因此他的学说被称为矩阵力学。海森堡对量子力学的贡献还表现在提出了"测不准原理"，他认为对亚原子粒子（如电子）来说，要想精确地测定其位置，就无法同时精确地测定其速度；反之，要想精确地测定其速度，就无法同时精确地测定其位置。
建立量子力学的另一条途径是由奥地利年轻的物理学家薛定谔(XXXXhrodinger,1887～1961)开创的。1926年薛定谔根据德布罗意的粒子波学说描述原子的结构。他把电子作为波来考虑，断定电子不是像行星环绕太阳那样运动，而是构成一个整个包围着原子核的波，同时占据整个轨道上的所有地方。根据电子波的波长可以得知：在波尔所描述的电子轨道上，电子波正好有整数个波长，这样的轨道是稳定的。而在这些轨道之间波长数不是恰好等于整数，这样的轨道不可能是稳定的。薛定谔对量子力学的描述被称为"波动力学"。
矩阵力学运用的是代数方法，它的出发点是粒子；而波动力学运用的则是微分方程，它的出发点是波动。两种力学在数学上是完全等价的，这两个力学通称量子力学。由于薛定谔的波动方程更易为物理学家掌握，成为量子力学的基本方程。
（三）对物质微观层面结构的认识
1.原子核的结构
原子核能否再分割？其结构如何？这是20世纪初人们普遍关心的问题。对原子核的探索者中，卢瑟福(XXXXtherford,1871～1937)首先获得了成功。1919年，卢瑟福用镭放射的α粒子作"炮弹"轰击氮核，首次实现了原子核的人工嬗变。在该实验中，卢瑟福观察到，如果在α粒子源和屏之间放一金属片以挡住α粒子，屏上就没有闪烁出现。但如果在装置内充以氢气，就出现闪烁。他认为，闪烁的产生是由于α粒子打中氢核，氢核又击中屏幕所致。出乎意料的是，当他用氮气代替氢气时，竟也同样出现闪烁。他猜想这是由于氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核的结果。
1924年，卢瑟福的助手英国物理学家布莱克特（P．M．S．Blackett，1897－1974）用实验证实了新生核是氧原子核，同时放出的粒子是一个质子。这样一来，卢瑟福的实验不但首次实现了元素的人工转变，而且还发现了原子核中有质子。这使人们在认识原子核结构的进程中，迈出了非常重要的一步。
2.中子的发现
首先观察到中子的是德国物理学家玻特（W．G．Bohte，1891－1957）和他的学生贝克，他们于1930年用放射性钋所放出的α粒子轰击轻金属铍，发现有一种穿透力很弱的辐射产生，他们以为这是辐射线。1932年，居里夫妇的女婿和女儿约里奥一居里夫妇，用玻特发现的辐射去射击石蜡，结果发现有质子打出来。这是很惊人的现象，他们按射线的康普顿效应来加以解释。但是，就打出质子这一事实而论，无论从这种入射辐射所应有的能量（约5000万电子伏，比一般康普顿效应中电子的能量大100倍）来看，还是从这种辐射所必须具有的碰撞截面（要比电子大300万倍）来看,这个解释都是极不合理的。当卢瑟福的学生和助手、英国物理学家查德威克（J．Chadwick，1891－1974）向卢瑟福汇报约里奥一居里夫妇发表的实验报告时，卢瑟福不大相信。于是，查德威克用钋加上铍作为辐射源重做了约里奥一居里夫妇的实验。他不仅用来射击氢，还用来射击氦和氮，发现这种辐射含有一种其质量同质子相当的中性粒子，查德威克把它命名为"中子"。中子的发现为核物理开辟了一个新纪元，使人们对原子核的组成有了一个正确的认识，提出了原子核由质子和中子组成的核结构模型。
（四）重核裂变与轻核聚变
1．重核裂变
1932年中子被发现后，核物理学家马上就用它当"炮弹"轰击原子核。意大利物理学家费米（E．Fermi，1901一1954）等人发现，很多元素被中子照射后具有放射性。在费米的实验中，意义最大的还是用中子轰击铀。铀原子序数是92，铀俘获中子后也会发生衰变，使得原子序数增加1，这样就有可能产生在元素周期表上没有的93号元素。费米在这个思想指导下，于1934年第一次用中子轰击铀。果然中子被吸收，生成物中放出射线，这说明93号超轴元素已经找到。
德国化学家哈恩（O．Hahn，1879－1968）和奥地利物理学家史特拉斯曼（XXXXrassman，1902）重复了费米的实验，他们认为，不仅能够生成93号元素，而且还能够制成94号元素以及其他元素。
1938年9月，约里奥一居里夫妇也做了费米、哈恩等人的实验，分离工作没能成功，但发现生成了类似镧的东西。如果按当时关于超铀元素的概念，这个生成物的性质接近镧。但是镧的原子序数只是57，原子量也相差甚远，这显然是一个矛盾。可惜的是约里奥一居里夫妇并没有抓住这个矛盾深究下去，就发表了实验结果。史特拉斯曼却很重视居里夫人的女儿等人的发现，他到实验室重复了约里奥一居里夫妇的实验，中子照射铀出现了料想不到的结果，这使原有的理论没法解释。铀怎么能够变成钡呢？不论哪一种已知的放射性衰变过程，都不能说明如此之大的跃迁变化。于是，史特拉斯曼提出了裂变理论。原子核裂变的一系列发现为人类开辟了一种新的能源--核能，俗称原子能。
2.轻核聚变
某些重原子核能够发生裂变，同时放出巨大的能量；相反，某些轻的核也能聚合成较重的核，这叫做"聚变"，而且聚变时放出的能量要比裂变大几倍到几十倍。这是人类获得核能的一条更有远大前景的途径。
人们对轻核聚变的认识始于对太阳的研究。太阳几乎永不衰减地发出强大的光和热，是氢核聚变的结果。我们知道，太阳的中心具有极高的密度和数千万度的高温。在这样的条件之下，氢原子中的电子被剥离，剩下了赤裸的核（质子）；猛烈的撞击，使两个氢核克服了静电斥力而结合成一个双质子。双质子不稳定，其中一个质子将放出一个正电子和一个中微子，变成中子；这种由一个质子和一个中子组成的核，就是氢的同位素氘的核。氘核又与质子结合成一个He3，在这类反应过程中，同时放出巨大的能量，这就是太阳能的源泉。
地球上虽有大量的氢，但要使氢发生聚变却需要10亿℃以上的高温，这是难于实现的，人们为此进行了多种实验，也提出过多种设想。一位多年从事热核反应研究的美国物理学家特勒，在1942年提出利用原子弹爆炸产生的高温引发氢核聚变。依照这种设想，在原子弹外层包上一层聚变燃料，利用原子弹爆炸时产生的高温、高压来点燃聚变燃料，就可以制成比原子弹威力大1000倍的氢弹。这种设想当时曾引起人们的恐惧，甚至有人担心，一旦引起热核链式反应，整个地球就可能会立即变成一个燃烧的星球。由于有此担忧，氢弹的研制被搁置了下来。1950年，美国总统杜鲁门，下令制造氢弹。在1952年美国爆炸了第一颗氢弹。
（五）基本粒子的探索
原子核仅仅是原子的第二个层次，从本世纪40年代以后，物理学又借助于高能宇宙粒子和高能加速器，研究比原子核更深的层次，如质子、中子、电子、光子等粒子的微观层次结构和规律。现代物理学把比原子核更小的物质微粒统称为粒子或基本粒子。
最初，人们知道的粒子只有4种（质子、中子、电子、光子），随着实验技术的提高，人们很快发现，粒子远不止几种、几十种，而是层出不穷的，到目前已发现了300种以上的粒子。
早期发现的一些粒子是在研究核结构时，先由理论预言，而后为实验所证实的粒子。其中，第一个是正电子。继正电子之后，理论上预言的第二个新粒子是中微子，它是由衰变理论提出的。由于中微子与物质作用极弱，探测非常困难，因此，它是否存在，多年来曾是一个谜。直到1968年人们才探测到了来自太阳的中微子；理论上预言的第三个新粒子是介子，它是在探讨核力性质时提出的。原子核一般很稳定，这表明质子和中子之间结合很紧。这种结合力从何而来？为了解释核力的这种特性，海森堡提出了"交换力"的概念。日本著名物理学家汤川秀树（HidekiYudawa，1907－1981）提出了介子场理论。认为中子和质子之间的核力是由于两者之间不断相互交换电子引起的。在介子场理论里，由于核力的力程只有10～15米，河川秀树推断出传递核力的媒介粒子，应具有一定的静质量，大约是电子质量的200倍，它介于电子和质子之间，因此称为介子。
出乎人们预料，自50年代以来，相继发现了许多新粒子。这些粒子绝大多数是从宇宙线中发现的。到目前，已发现共振态粒子达300多种，其中100多种属于介子共振态，200多种属于重子共振态。
近年来，人们对以往认为的在能量很高、距离很近的时候，所有的相互作用是统一在一起的看法有了新的认识，提出现实世界并不那么对称的事实。就当前的研究而言，高能物理学与场论主要从事对称的系统是如何实现对称破缺以形成丰富多彩的世界的。可以说，研究对称性是如何被破缺的，将成为物理学研究的未来趋向。
