二十世紀物理學發(fā)展的一般特征1

1、二十世紀物理學發(fā)展的一般特征1二十世紀物理學發(fā)展的一般特征二十世紀物理學在研究領域、 研究方法、 研究體制和社會職能方面，都表現(xiàn)出一些嶄新的特點。二十世紀的物理學呈現(xiàn)出高速發(fā)展的狀況， 其內(nèi)容之豐富， 思想之深刻和觀念之新穎， 遠非過去物理學發(fā)展的各個歷史時期所可比擬。 現(xiàn)代學遠遠超出了宏觀物體緩慢運動的范圍。 從微觀領域來說，已經(jīng)深入到原子內(nèi)部、基本粒子內(nèi)部，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大小不斷減小， 能量不斷增加的許多連續(xù)的層次原子、 原子核、 基本粒子、夸克等，已經(jīng)達到 10-14 厘米以下線度。目前還無法預見這個層級鏈條有沒有一個終端。 從宏觀領域來說， 人們的視野已經(jīng)擴展到半徑為 150 億光年的

2、宇宙范圍。依次突破了銀河系、星團、星系和總星系的領域。所以，對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性的認識，對微觀物質(zhì)運動規(guī)律的認識， 對宇觀世界的結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律的認識， 都發(fā)生了重大的變革。 物理學一系列成果在理論思想上突破了原子不可分、 元素不變的觀念， 運動只具有連續(xù)性的觀念， 絕對時空觀念以及機械決定論的局限性，提出了量子態(tài)、波立二象性、幾率決定性、四維時空與彎曲時空、 實物與場的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化以及宇宙膨脹的思想， 物理學的基本觀念和理論基礎發(fā)生了質(zhì)的飛躍。由于研究工作日益向縱深推進，包括物理學在內(nèi)的所有科學的 一個共同趨勢是分化愈來愈嚴重，分支學科與日俱增和專業(yè)化愈來 愈強，熟悉物理學全部學科的精確知識并了

3、解物理學各個前沿領域 研究的具體進展是愈加困難了。 這一趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的。但在理論 思想上，追求統(tǒng)一和走向統(tǒng)一，從更高的角度對各種理論進行更大 范圍的綜合，卻成為現(xiàn)代物理學發(fā)展中的一頗有成效的總方向，由于各種物理現(xiàn)象的本質(zhì)愈來愈充分地得到揭露， 傳統(tǒng)的各個物理學 學科研究領域之間的本質(zhì)聯(lián)系也更充分地顯示出來。質(zhì)量與能量、 實物與場、粒子與波、時間與空間、時空與物質(zhì)運動、微觀過程與 宇觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系，已經(jīng)構(gòu)成現(xiàn)代物理學各種基本理論的內(nèi)容， 各種物理學理論之間也呈現(xiàn)出極其深刻的交織與滲透。 對四種基本 相互作用統(tǒng)一的追求與探索，已成為帶動整個物理學基礎理論研究 進步的重要前沿。從十七世紀以來，物

4、理學的理論和研究方法就不斷地向其它學 科移植滲透，對其它學科的建立和發(fā)展起到了有力地推動作用。這 種趨勢在二十世紀三年代后明顯地得到增強，相繼產(chǎn)生一系列物理 學的新部門和邊緣學科，如量子化學、生物物量學、天體物理學和 廣義相對論宇宙學等，如量子化學、生物物理學、天體物理學和廣 義相對論宇宙等，這些學科大多數(shù)也成為現(xiàn)代物理學發(fā)展的前沿， 并且給現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方法。在十九世紀末的經(jīng)典物理學中，曾經(jīng)出現(xiàn)過普遍認為基本規(guī)律都已被發(fā)現(xiàn)了樂觀和保守的情緒，二十世紀初的現(xiàn)代物理學革命，完全推翻了這種預料； 而現(xiàn)代物理學空前的高速度的發(fā)展， 再沒有為那種保守觀點的重新抬頭提供任何證據(jù)， 實

5、際上， 我們今天所已掌握的物理學知識，比起整個物理世界可能和我們提供的信息來說，還是極其有限的，例如，粒子物理學的發(fā)展雖然已經(jīng)獲得了輝煌的成果， 但它的基本規(guī)律還表明未探明， 這個領域的探索是以可能尋找到超出量子學范圍的新的規(guī)律性為其目標的。 尋求四種相互作用統(tǒng)一的努力，很可能會被新的基本相互作用的發(fā)現(xiàn)而引向渺遠。 對于宇宙的構(gòu)成、 天體的演化以及有關(guān)和生命現(xiàn)象的物理學實驗和理論的研究還只是剛剛開始。可以期待，今后物理學的變革，完全有有可能出現(xiàn)對現(xiàn)有的物理學基本理論產(chǎn)生根本性沖擊的新的突破。隨著科學實驗的發(fā)展，任何已有的理論都要不斷發(fā)展，甚至會徹底更新， 不存在什么絕對不變的級極真理。 坂田昌

6、一起1968年的論文 現(xiàn)代科學的哲學和方法論 中指出， 現(xiàn)代科學的特點是：它認識到任何科學規(guī)律都有一定的應用范圍， 自然界的各個層次在性質(zhì)上互不相同， 各自遵循它自身的規(guī)律， 而且每一個層次都永遠處于發(fā)生、 消滅和轉(zhuǎn)化之中， 物理學近年的發(fā)展更增強了這種看法?，F(xiàn)代物理學的研究方法，也出現(xiàn)了一些新的特點。隨著工業(yè)和生產(chǎn)技術(shù)的巨大發(fā)展， 二十世紀初以來物理實驗提 供了電子顯微鏡、 射電望遠鏡、 高能加器、 電子計算機等大批大型、精密提實驗裝置，光譜分析、質(zhì)譜分析、 x 射線衍射等分析技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，從而使物理學實驗在精密、高能、快速和自動 化方面達到了新的水平，物理學觀測的視野也得一很大的

7、拓展。 現(xiàn) 代物理學實驗除了能夠用更有效的手段純化實驗條件和隔離實驗 因素之外，還發(fā)展了有效地施加外部干擾和使研究對象處于極限條 件，在對象的激發(fā)狀態(tài)或破壞狀態(tài)下進行觀測的實驗方法，這就更加充分地發(fā)揮了實驗的變革作用和控制作用， 以更好地揭露物理現(xiàn) 象中各種內(nèi)在的和外在因素之間的相互聯(lián)系， 另外，現(xiàn)代物理實驗 的規(guī)模越來越大，它的集體化、社會化的程度也越來越高，許多實 驗是在較大規(guī)模的實驗機構(gòu)中刊物 ，有些實驗需要組織甚至國際 的力量才能完成，例如，現(xiàn)代高能物理實驗，往往要在幾千億電子 伏特的能量范圍，上百萬美元的費用，幾十個人在幾年的時間內(nèi)才 能完成；為了得到所需要的實驗信息，物理學家們必須

8、把大部分精 力用于荊發(fā)儀表和技術(shù)，實驗的準備工作往往比實驗本身困難得 多，這樣的實驗是靠個人力量所不能完成的。還需指出，隨著實驗研究對象遠離人們直觀經(jīng)驗的領域，關(guān)于 物理實驗的方法論思想也發(fā)生了變化。傳統(tǒng)的觀點認為，觀察和實 驗是不依賴于理論的，實驗方法的本質(zhì)是完全離開理性的體系而訴 諸無情的事實的裁判。但是，現(xiàn)代物理學實驗的發(fā)展卻使人們愈來 愈認識到實驗與觀察依賴于理論，通過實驗所獲得的認識實際上要 受制于儀器和實驗設計中所蘊含的假設，所以是不可能擺脫理性思 維的指導的由于現(xiàn)代物理研究的內(nèi)容遠離實踐經(jīng)驗的范圍， 理論體系高度抽象化和脫離直覺經(jīng)驗的待征無可避免地日益加強， 這使通常的思維方式和

9、機械論的觀點愈來愈無能力； 創(chuàng)造性思維如抽象思維、 科學想象、理想實驗、試探猜測和大膽假設以及直覺、靈感等方法在建立新物理學理論中的作用愈來愈突出了， 人們愈來愈認識到， 傳統(tǒng)歸納法和演繹法很難使人類思維成真正創(chuàng)造性的根源。 愛因斯坦認為， 理論觀念的產(chǎn)生固然是建立在經(jīng)驗的基本之上的， 但是理論不可能邏輯地從經(jīng)驗事實中導出， “在建立科學時，我們免不了要自由地創(chuàng)造概念” 。他特別指出，物理學的概念是人類智力的自由創(chuàng)造，它不是單純地由外在世界所決定的 . 愛因斯坦明確指出了從經(jīng)驗事實到科學理論并沒有邏輯的通道，任何一個雖然可以通過不同的途徑、 運用各種不同的方法建立起來， 使本質(zhì)上都是一種為解決

10、科學所提出的問題而作出的嘗試性的猜測， 必須依賴于以對經(jīng)驗的共鳴的理解為依據(jù)的直覺； 而這樣建立起來的理論也不會是唯一的， 對應于同一組經(jīng)驗事實或同一科學問題， 可以建立起各種不同的理論。這樣， 在科學研究中主體和客體的關(guān)系問題， 也就突出出來了，客觀事物的存在是不以觀察者的意識和存在為轉(zhuǎn)移的， 但對自然事物的認識卻離不開主體， 在近代科學發(fā)展的早期， 人們曾以為認識可以在毫不改變客體來來面目的情況下實現(xiàn)； 即使主體必須在必須 在變革客體的過程中認識客體， 這種變革所產(chǎn)生的影響也是可以運 用邏輯抽象掉的。但是到了二十世紀，隨著科學實驗的發(fā)展，特別是在微觀物理學的研究領域中， 由于微觀物理的特殊

11、本性以及觀測儀器與被觀測系統(tǒng)之間不可避免的干擾的存在， 主體在認識過程中的巨大的能動作用已成為現(xiàn)代科學方法的一個基本特點。經(jīng)典物理學時期， 也是科學注重于本體論的探索的時期， 人們把“現(xiàn)象 - 規(guī)律 - 實體”作為把科學研究向縱深推進的基本線索。這無疑是一種有效的方法， 今后也還會繼續(xù)發(fā)揮其認識的作用， 不過，在現(xiàn)代物理學的研究中， 人們更注重于關(guān)系和模型， 這是一個能動的認識論的時代，一些學者認為，把西方科學中的重視實體，強調(diào)經(jīng)驗、 分析和定量表述的方法與中國傳統(tǒng)哲學中重視關(guān)系， 強調(diào)整體、 協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)化的思想結(jié)合起來， 將會導致一種更加符合我們時代的科學精神的新的自然面和科學認識方法?？茖W活

12、動更加社會化和體制化的趨勢， 在物理學研究中也體現(xiàn)出來， 十九世紀前期， 科學的進步基本上是通過科學家個人的自由研究實現(xiàn)的，然而，由于工業(yè)革命的發(fā)展、生產(chǎn)規(guī)模的擴大和科學作用的增強， 從十九世紀下半葉開始， 科學活動日益集中于工業(yè)實驗室、高等學校以及專門的機構(gòu)中 ，二十世紀以來，特別是兩次世界大戰(zhàn)中各種新式武器的研制以及作戰(zhàn)計劃的研究方面的驚人成果， 更引起產(chǎn)業(yè)界、 軍界和政府對維持和推進科學研究的重視，全面推動科學和技術(shù)的振興， 已經(jīng)成為各國的基本國策。 特別是由 于原子能科學、航天技術(shù)、高能物理、極地考察等“大科學”的出 現(xiàn)，科學活動進入到國家規(guī)模。在科學活動社會化的轉(zhuǎn)變中，物理學處于中心

13、的地位，這一方 面是因為物理學在兩次世界大戰(zhàn)中成為研制飛機、潛水艇、坦克、 雷達、火箭、導彈和原子彈的理論基礎，并在戰(zhàn)后成為全面技術(shù)革 新的基礎；同時還因為物理學已深入物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和浩瀚的宇宙 空間，推進到各種極端條件下物質(zhì)特性的研究，要完成許多規(guī)模巨 大、內(nèi)容十分復雜的項目的研究，為了滿足這種研究的需要，實驗 設備必須是大規(guī)模的，必然要進行多學科的協(xié)作，并協(xié)員許多產(chǎn)業(yè) 和技術(shù)部門的力量。例如，為探索原子核和基本粒子內(nèi)部秘密所應 用的高能加速器，就要求有上百萬的電力能源，用上萬噸鋼鐵來建 筑，這就必然要動員龐大的科學技術(shù)隊伍進行興建和管理。美國的阿波羅登月計劃的實施，動員了二萬多家工廠和公司

14、，一百多所大 學生實驗室。四十多萬人力，資三百多億美元。這決不是個別實驗 或大企業(yè)進行，科學活動的國家化和社會化是科學技術(shù)發(fā)展的必然 趨，這一趨也促進了各個學科高度綜合性的發(fā)展。應該指出的是，科學活動的社會化和國家規(guī)模的控制協(xié)調(diào)， 并 不排除個人的自由探討和個人積極性的充分發(fā)揮。 科學是創(chuàng)造性的 探索活動，任何新思想、新發(fā)現(xiàn)都不會是許多人同時提出和得到的。 在一個科學集體中個人的獨創(chuàng)性發(fā)揮是越充分，研究工作就會越加生氣勃勃、碩果累累。在基礎理論的研究中，個人的自由探討更不 可或缺的，另外，科學通過技術(shù)轉(zhuǎn)化為巨大的生產(chǎn)力的事實，也使有遠風的工業(yè)政治家更加重視科學的價值和它的發(fā)展前景，重視基礎理論

15、的研究，即使一時還看不到這種研究的實作價值， 人們越業(yè) 越清楚地認識到，更大的技術(shù)進步和基本理論研究的進展是分不開 的。所以，目前在生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展已達到較高水平的國家，自 然科學基礎理論的研究和基礎科學教育事業(yè)， 也得到了更大的重視 和更多的投資。包括現(xiàn)代物理學在內(nèi)的科學的發(fā)展， 提高了人們認識自然、改 造自然和預測某些行動結(jié)果的能力，科學在人類總的思想體系中占 有越來越重的地位，從應用上來講，科學的成果不斷被移植到各種 現(xiàn)代技術(shù)中，并通過這個中間技術(shù)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)變成為強大的生產(chǎn)力。這種作用不僅體現(xiàn)在對單項生產(chǎn)技術(shù)的改造中， 更重要的還在于開辟 新的生產(chǎn)技術(shù)領域和建立新型的工業(yè)，例如原子能工業(yè)半

16、導體工 業(yè)、空間技術(shù)、電子計算機技術(shù)和激光技術(shù)，以及相應聽“知識工 業(yè)”部門的產(chǎn)業(yè)?？茖W技術(shù)的發(fā)展，有力地促進了勞動生產(chǎn)率的提 高和國民經(jīng)濟的增長，并出現(xiàn)了自然科學奔向社會科學的強大潮 流，有力地沖擊了舊的傳統(tǒng)和舊的傳統(tǒng)和舊的社會生活方式，改變了人們的精神面貌和相互關(guān)系，廣泛地影響了社會生活的各個方 面，對現(xiàn)代文明的形成和發(fā)展起到了無可估量的作用。 科學已經(jīng)成 為對人類歷史發(fā)展的前途和現(xiàn)代國家的興衰起決定作用的一種力 量，成為現(xiàn)代社會秩序中深深扎下了根的一個不可或缺的重要環(huán) 節(jié)。但是，科學技術(shù)的長期發(fā)展也導致了一些人們最初的不曾料到 的結(jié)果。由于生產(chǎn)的盲目發(fā)展，造成了環(huán)境污染，生態(tài)失調(diào)，自然 資源過度消耗；一些發(fā)達國家還出現(xiàn)了經(jīng)濟危機，失業(yè)增加，犯罪 率提高等社會問題；原子能的實際應用，最初卻是以毀滅性的殺人 武器的形式出現(xiàn)的，重大的技術(shù)突破卻加劇了軍備競賽