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们就可以完全解释这个世界了，当时的学者还认为，物理学已经没有什么要做的了。但到了二十世纪一切都变了，整个科学体系崩溃了，这一次崩溃带来两大理论，相对论和量子力学。

工业革命的扩散（十四）
前面谈到近代科学的发展由于是数学的方法被引入到科学的方方面面，在这个基础上构成了以牛顿力学为中心的自然科学体系，十九世纪的科学家们信心满满，他们认为只要沿着这条路走下去，不但可以揭开自然界的秘密，同时也可以揭开人类的秘密。甚至有人声称一个大一统的完整的理论体系已经形成，它的基础就是牛顿力学，任何事物都可以被看作是力之间的作用，将它分解成基本的力学关系并用数学的方法描述出来我们就可以完全解释这个世界了，当时的学者还认为，物理学已经没有什么要做的了。但到了二十世纪一切都变了，整个科学体系崩溃了，这一次崩溃带来两大理论，相对论和量子力学。

　　在谈到相对论和量子力学之前，我们还是先回顾下经典物理学。经典物理学的开端应该是从伽利略开始的，两千年前，亚里士多德说过：“推一个物体的力不再去推它时，原来的运动的物体归于静止。”伽利略所发现的新线索是：“一个物体．假如既没有人人推它、拉它、也没人用旁的方法去作用于它，或者简单些说，假如没有外力作用于它．此物体将均匀地运动、即沿一直线永远以同样速度运动下去。因此．速度本身并不表明有没有外力作用于物体上　　伽利略这个正确的结论隔了一代以后由牛顿把它写成惯性定律。”伽利略和他同时代的科学家发明的一套方法被哲学家笛卡儿总结为：“1。　不接受任何我自己不清楚的真理，就是说要尽量避免鲁莽和偏见，只能是根据自己的判断非常清楚和确定，没有任何值得怀疑的地方的真理。就是说只要没有经过自己切身体会的问题，不管有什么权威的结论，都可以怀疑。这就是著名的“怀疑一切”理论。例如亚里士多德曾下结论说，女人比男人少两颗牙齿。但事实并非如此。

　　2。　要研究的复杂问题，尽量分解为多个比较简单的小问题，一个一个地分开解决。　

　　3。　小问题从简单到复杂排列，先从容易解决的问题着手。　

　　4。　问题解决后，再综合起来检验，看是否完全，是否将问题彻底解决了。”

　　由此近代科学方法论诞生，以后的科学家都依照这种方法继续下去，在此基础上，经典物理学的圣经——牛顿力学诞生了。1686年底，牛顿写成划时代的伟大著作《自然哲学的数学原理》一书。　牛顿在这部书中，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、力）和基本定律（运动三定律）出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，牛顿在他的力学与数学体系中阐述了如何描述大到宇宙星体运动的物理学和数学的方法，也阐述了这些方法在小到地面上的任何物体运动的应用，实现了物理学史上第一次大的综合。牛顿力学体系的建立标志着近代物理学体系的建立。（见欧洲的文艺复兴和大航海时代（九））牛顿力学发表之后，人们发现，它的适用范围如此之广。人们不但将他们所看到的各种运动现象可以进行描述，而且大量运用到各种工程领域，产生了极大的社会效应。

　　由于牛顿力学是这么卓有成效，这么影响广远。因此，在很长的一个时期内；人们把力学等同于物理学。力图把一切物理过程归纳结为力学。凯尔文说：：凡是我所明了的；全都可以造成一个力学的模型。于是物理学家继续用实验和数学结合的方法，去搜集、积累各门学科的经验材料，试图用力学的观点去解释力学以外的热、电、光等领域的现象。

　　第一个被纳入力学体系的是声学，声学是物理学中很早就得到发展的学科。声音是自然界中非常普遍、直观的现象，它很早就被人们所认识，早在公元前500年，毕达哥拉斯就研究了音阶与和声问题，而对声学的系统研究则始于17世纪初伽利略对单摆周期和物体振动的研究。17世纪牛顿力学形成，把声学现象和机械运动统一起来，促进了声学的发展。声学的基本理论早在19世纪中叶就已相当完善，当时许多优秀的数学家、物理学家都对它作出过卓越的贡献。1877年英国物理学家瑞利发表巨著《声学原理》集其大成，使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科，并由此拉开了现代声学的序幕。现在我们知道，声音的传播通常通过空气。一条弦、一个鼓面或声带等的振动使附近的空气粒子产生同样的振动，这些粒子把振动又传递到其他粒子，这样连续传递直到最初的能渐渐耗尽。压力向邻近空气传播的过程产生我们所说的声波。声波与水运动产生的水波不同，声波没有朝前的运动，只是空气粒子振动并产生松紧交替的压力，依次传递到人或动物的耳鼓产生相同的影响（也就是振动），引起我们主观的“声音”效果。同理，在水中、固体中或者任何媒介中都是如此，我们也知道，声音在真空中是无法传播的，因为没有媒介。这里要指出的是因为是由于物理运动引起的振动导致的声音传播是因为媒介粒子（要指出的是这里的粒子是指微小的物体比如空气分子等而不是基本粒子）的振动，这样就存在力学关系，一个粒子是怎样与另一个粒子发生关系的呢？这样声音就可以被解释为力学。

　　然后是热学，用解释声学的方法可以解释热，在一个闭合的容器里装着一定的质量和一定温度的气体，把气体加热，我们就提高了它的温度，因而增加了它的能量。但是这种热与运动的关系是怎样的呢？根据力学的观点，气体是由无数个粒子或分子构成的，分子朝着各个方向运动，相互碰撞，并且在每次碰撞之后改变自己的运动方向。容器中热越多，平均动能就越大，分子运动速度越快。那么体现在观测上是温度的上升。那么热是什么呢，我们知道在力学上钟摆实验中有势能和动能的描述，那么热就可以被解释为动能。

　　根据热学的原理，我们可以解释电学，如果我们将温度等同于电势，将热等同于电荷，那么热学中温度较高的物体中的热向温度较低的地方传播，而电学中则是电荷从电势高的地方向电势低的地方流动，电被解释为一种流体，就象气体一样，也是由无数粒子所构成，他们之间也有力学关系，同理，磁力也可以被解释成一种流体，被称为磁流体。

　　光学同样被力学解释，光的折射被解释成光微粒受到不同物质界面中的物质粒子对他们施加了不同的力，这样发生折射。同理，反射被解释成由于光微粒在镜子中的反射，就如同我们向一面墙掷出一个有弹性的球一样。与光的微粒说对立的是光的波动说，牛顿是光微粒说的支持者，而惠更斯则是波动说的支持者，牛顿发现了光的色散实验后是这么解释的：“归属于不同色的微粒在真空中速度相同，但在玻璃中则不同，白光是归属于不同色的微粒组合，而在光谱中它们是分开的”，而波动说则认为：“归属于不同色的波长是不同的光线，在以太中速度相同，白光是各种不同波的组合。”在当时大多数人认可牛顿的微粒说，因为从力学的角度上解释更为可行。19世纪中叶，扬和菲捏尔做了小孔实验证实了光的波动说是正确的，并确定了各种光的波长。但是波动说认为光是在以太中传播的，关于以太是个什么东西成了个大问题。

　　不管怎么说，力学似乎可以统一整个物理学界，所有的物质现象都可以被看作是力的作用。根据力学的原理，在力学中假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力，那么它的未来的路径是可以预言的，而且它的过去也是可以揭示的。一旦把一切自然现象都化成简单的力，那么科学的任务便算终结了。这种思想不但在科学界，而且蔓延到其他领域，科学一度成为至高无上的权威，因为科学能解释所有的现象并能预测和揭示过去和未来，那么只要我们加以时日，解开生物学和人类还有宇宙的力学原理，进而就可以预测人类社会和宇宙的未来，科学成为了无所不能的代名词。这种观点被称为机械论，因为力学是从研究机械运动开始的，机械决定论认为，只要给出所有物体在任何时刻的初始条件（位置　速度　加速度），就可以用牛顿定律预言整个宇宙和它的每—部分的全部未来。—切运动都可以归结为机械运动．一切运动的原因可以归结为力。自然界就是一架按照力学规律运动着的大机器，植物是机器，动物是机器，因而人也是机器。正如伏尔泰所说的：“如果全部自然界，一切行星，都要服从永恒的定律．而有一个小动物（指人），五尺来高，却可以不把这些定律放在眼中，完全任性地为所欲为，那就太奇怪了　。”（见工业革命的扩散（九））

　　这时的科学界认为，物理学的所有问题都已经解决，只有2朵小小的乌云；当时已知的物理现象都可以归纳到力学、电磁理论、热力学等高度完美的理论框架里，也许留给后代人解决的物理问题已经不多了。但乌云越来越多，预示着经典物理学的破产。

工业革命的扩散（十五）
上面提到这时的科学界认为，物理学的所有问题都已经解决，只有2朵小小的乌云；当时已知的物理现象都可以归纳到力学、电磁理论、热力学等高度完美的理论框架里，也许留给后代人解决的物理问题已经不多了。但乌云越来越多，预示着经典物理学的破产。

　　19世纪中后期，物理学中引入了新的、革命性的观念，他们打开了一条通往新的哲学的道路，这个新的观点与旧的机械观不同。这些新的概念的起源与解释电的现象有关，我们在解释它之前，我们先回顾下力学如何是解释它的，我们知道两个粒子会相互吸引，而它们的吸引力跟距离的平方成反比，罗兰　美国约翰&；#8226；霍普金斯大学的教授，1876到欧洲进行了一年学术访问，在访问期间进行了有名的罗兰实验。这个实验的具体内容是：假设电流在一个环行导体中通过，在这个环中央放上一个磁针，在通电瞬间，产生了一种新的力，这种力作用于磁极上，并且与连接导线和磁极的直线垂直。如果这个力是由一个作圆运动的带电体产生的，则罗兰实验告诉我们，这个力与带电体的速度有关，这些实验情况与任何力都只在两个粒子的连线上作用而且只与距离有关的力学观点相矛盾。这里物理学家们引入一个新概念：场。这么解释这个问题：带电体在静止的时候只有静电场，而带电体一旦运动，磁场就出现了。我们还可以进一步说，假使带电体更大，或者运动得更快，则带电体所产生的磁场也更强。用场的语言来描述：电场变化愈快，相伴的磁场愈强。一个在变化着的磁场总是由一个电场伴随着，同理，变化着的电场总是由磁场伴随着。接下来，麦克斯韦将场论数学化，并创建了麦克斯韦方程式。这里出现一个问题，场是个什么东西？牛顿力学中从来没有关于场的解释，对于电、磁的解释是粒子的相互作用。电磁学的进展把场当成一个基本的物理概念，对于一个现代物理学家而言，电磁场是一个实实在在存在的东西，和任何物质一样存在着，这个观念对经典物理学是一个极大的冲击。电磁场理论的建立对电磁波的发现起了重要的作用，因为麦克斯韦方程式预言了电磁波的存在，同时还预言电磁波的速度等于光速，1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。电磁波的发现有力的支持了电磁场的观点，这让经典物理学出现了一个小小的漏洞。

　　但是经典物理学依然试图解释电磁场，这就是上面提到的波动说，波动说认为电磁波是在以太中传播的，经典物理学认为场是借助以太用力学的方法来实现的，但关于以太是个什么东西成了个大问题。

　　麦克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的称为“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特&；#8226；麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华&；#8226；莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的是，他们发现这两个光速完全一样！

　　在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克&；#8226；罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特&；#8226；爱因斯坦，在1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念则是多余的。

　　这个被称之为相对论的基本假设是，不管观察者以任何速度作自由运动，相对于他们而言，科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的，但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速：不管观察者运动多快，他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价，这可用爱因斯坦著名的方程E＝mc＾2来表达（这儿E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价，物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之，要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如，以10％光速运动的物体的质量只比原先增加了％，而以90％光速运动的物体，其质量变得比正常质量的2倍还多。当一个物体接近光速时，它的质量上升得越来越快，它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速，因为那时质量会变成无限大，而由质量能量等价原理，这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因，相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。这样的话，场理论就可以被解释了，它实际上就是能量场。

　　相对论的一个同等卓越的成果是，它变革了我们对空间和时间的观念。在牛顿理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，（由于时间是绝对的）不同的观测者对这个过程所花的时间不会有异议，但是他们不会在光走过的距离这一点上取得一致的意见（因为空间不是绝对的）。由于光速等于这距离除以所花的时间，不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面，在相对论中，所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而，他们在光走过多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少时间上也不会取得一致意见。（无论如何，光所花的时间正是用光速——这一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——这一点对他们来说是不一致的。）总之，相对论终结了绝对时间的观念！这样，每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间，而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。正如麦克尔逊——莫雷实验显示的那样，以太的存在是无论如何检测不到的。然而，相对论迫使我们从根本上改变了对时间和空间的观念。我们必须