自然科学概论作业

1、世纪之交的物理学革命及其哲学论争摘要 ：古典物理学在 19 世纪已经取得了全面的发展，力学、光学、电磁学、热 力学都已经形成了完整的体系，一般物理现象似乎都可以从相应的理论中得到说明， 于是人们乐观地认为物理学已经具备了十分完备的原理和方法， 足以去理解整个自然 界。但是， 19 世纪后几年至 20 世纪初，物理学的发展完全打破了这种盲目的乐观。 X 射线、放射性和电子的发现，相对论和量子论的建立，揭开了物理学革命的序幕，同 时也使得物理学基本观念发生了根本变革， 并对一系列物理学哲学问题展开了激烈争 论。此时的物理学处在一个充满了怀疑、困惑和争论的时期。实际上，这一时期物理 学领域中真正出现

2、的“危机” ，并不在于物理学本身，而在物理学的哲学层面。关键词： 相对论，量子力学，测不准关系，形而上学，唯心主义，马赫主义，唯 物主义辩证法一、19世纪末 20 世纪初的物理学革命1、物理学的三大发现电子、X 射线、放射性现象，预示着现代物理学革命的方向，即向微观领域方向 发展。 1895年 11月，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，偶然发现从阴极射线管 中还能发出一种看不见的射线，他在不断改换方式方法作了一系列检验性实验之后， 证实了他的看法。他的结论是，一些物质在受到阴极射线的冲击时发出另一种射线， 它同阴极射线有本质的区别，能或多或少的透过许多物质。伦琴的发现震惊了世界。 伦琴在研究

3、X 射线时曾观察到 X 射线照射在涂有荧光物质的屏幕上能使其发光， X 射 线与荧光之间究竟有什么关系呢？这个问题引起了物理学家的兴趣。 法国物理学家贝 克贝克雷尔发现了铀盐在没有阳光照射的情况下，也就是说没有发出荧光的情况下， 却使底片强烈地感光了，针对这个发现，他对铀进行了多次实验，肯定了铀能放出一 种穿透力极强的射线，这种射线就是现在人们时常说的 X射线。通过居里和玛丽的研 究发现， 能放出这种射线的不止铀。 1881年，英国物理学家汤姆逊提出了阴极射线粒 子带负电， 速度极高并沿直线运行。 1895年，法国物理学家佩兰证实了阴极射线粒子带负电荷。 1895年，汤姆逊重新设计了真空管，

4、使它发出的阴极射线能同样受到电场 和磁场的作用。由此，他测定了这种粒子的“荷质比” ，即所带电荷与电量之比。经 过进一步的分析，汤姆逊断定，阴极射线是由质量比氢离子小得多的微粒组成，这些 微粒带负电荷。 后来通过英国物理学家斯通尼的说法可以确定， 这种微粒就是“电子”。2、物理学危机 正当古典物理学达到顶峰时，它本身却出现了危机和革命。当人们正陶醉于“尽 善尽美”的境界时，却出乎意料的发生一系列震惊物理学界的事件。首先是麦克耳逊 和莫雷为了寻找地球相对于绝对静止的以太运动进行了著名的以太运动漂移实验， 但 实验结果却同古典理论的预测相反；在对比热和热辐射研究中又出现了“紫外灾难” 等古典理论不

5、可克服的矛盾。物理学上空出现了两朵乌云，古典物理学再次受到了严 重的挑战，第三次面临重大危机。3、相对论和量子力学的建立 与以前的研究者不同，爱因斯坦不是牵强附会地去解释光速不变的事实，以弥合 实验与经典理论之间的裂痕，他所关心的是力学与电磁学形式上的不一致。这样的出 发点，是与爱因斯坦所受的教育和一贯的追求分不开的。爱因斯坦经过多年的思考和 实验，得到了狭义相对论的两条基本原理：一是光速不变原理，即在彼此相对作匀速 直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光速都是相同的。这一原理表明，在这些惯 性系中，光速与光源和光的接受者的运动状态无关，这就意味着必须对经典物理学的 理论进行修改。他认为自然界

6、的物质运动是统一的，作为自然规律正确反映的科学理 论就要显示出应有的简单性来。经典力学从本质上来讲，又需要一个与任何具体事物 无关的绝对静止的参考系， 因为任何一个与具体事物相联系的参考系如地面参考系甚 至太阳参考系等，都会由于该事物自身的运动而不具备严格的惯性系的要求。因此爱 因斯坦根据自然界的物质统一性思想，爱因斯坦摒弃了“绝对静止”的概念，而将相 对性的原理保留，推广为狭义相对论的另一条基本原理，即狭义相对论原理，一切彼 此作匀速直线运动的参考系，对于描述运动的一切规律来说都是等价的。它表明，绝 对静止的参考系是不存在的， 没有一种在一个系统中所做的实验能够确定这一系统的 “绝对”运动，

7、这些实验对于运动的描写只有相对意义。狭义相对论不仅改变了经典 物理学中有关质量和能量的传统看法，并且为人们今天利用原子能提供了理论依据。 爱因斯坦认为，运动的相对性原理必须进一步推广，即自然定律对于任何参考系而言 都应具有相同的数学形式。这一思想被爱因斯坦提升为广义相对论的一条基本原理， 广义协变原理。然而完成从惯性系向非惯性系的过渡，还需要另一条基本原理即等效 原理的保证。以等效原理和广义协变原理为基础，借助于新的数学工具黎曼几何，爱 因斯坦于 1916 年又建立起广义相对论的理论大厦，进一步揭示出时间、空间的根本 属性及其与物质分布、物质运动之间内在的深刻联系。在广义相对论中，时空的性质

8、直接取决于物质本身的分布，空间也可以发生弯曲，这就从新的高度彻底否定了牛顿 的绝对时空观。19 世纪中叶， 物理学家们已经认识到热辐射与光辐射一样， 也是一种电磁波， 并 开始研究物体对热的辐射和吸收等问题。 1900 年，英国物理学家瑞利根据经典统计力 学和电磁理论， 推出了黑体辐射的能量分布公式。 该理论的长波部分与实验比较符合， 但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果是趋于零。这部分严重的背离，被称之为 “紫外灾难”。后来德国物理学家普朗克经研究，提出了能量子假说，这个假说认为 物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是像粒子一样一个一个的被 发射或吸收的。这种能量变化的最小单

9、元称为“能量子” 、或“量子”。爱因斯坦从普 朗克的思想中得到启发，并发展了能量子假说，提出了光量子理论，即光在传播过程 中，能量不连续地分布于空间，它由独立的能量子组成。光量子理论使人们重新认识 了光的粒子性，对光本性的认识产生了一个飞跃。爱因斯坦用它来解释当时用经典型 理论无法解释的光电效应问题， 取得了圆满的成功。 1927 年海森堡在研究了微观粒子 波粒二象性的基础上，提出了测不准关系，为量子力学做出了又一贡献。测不准关系 表明，粒子的位置测量得越精确，那么对它的动量的测量就越不精确，即动量和位置 是不可能同时地被测量的。波尔以测不准关系为基础提出了“互补原理” 。认为在量 子领域里总

10、是存在互相排斥的两套经典特征， 正是它们的互补构成了量子力学的基本 特征。波尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦不同意。他始终认为 统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种“绥靖哲学” 。起因斯坦与波尔之 间的争论持续了半个世纪，直到他们去世也没有完结。量子力学为我们描绘了一幅与 宏观世界迥然不同的微观世界的图画，是人类的视野延伸到了一个全新的领域。量子 力学的发展，已经给人们带来了丰盛且有实效的成果，量子力学是 20 世纪物理学发 展的主要标志。在哲学上，量子力学不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，而且进一步揭示 了连续性与间断性、偶然性与必然性，以及决定论与因果律之间的辩

11、证关系，宣告了 机械论自然观的破产。 这些都充分说明了量子力学在科学上和哲学上的极为重要的作 用和意义。二、物理学三大发现引起的哲学论争1、三大发现对形而上学观点的冲击x 射线、天然放射性和电子这三大发现，开始冲破了物理学中当时占绝对优势的 乐观主义的僵化局面，使长期禁锢人们思想的形而上学的原子论观点陷入了危机。三 大发现猛烈地冲击着原子不可分、不可变的形而上学观点。 X 射线的发现严重地冲击 了“原子是坚硬的、不可人的最小实体”的机械唯物论的观念。 电子的发现打破了 “原 子不可再分”的形而上学观点 , 电子就是比原子更小的实物粒子，它是原子的组成部 分。放射性的发现， 展示出由一种元素的原

12、子衰变为另一种元素的原子的事实， 对“原 子永恒不变” 的绝对观念直接发难， 使原子失去了形而上学的 “不变性” 和“固定性”。这一切都动摇了原子不可分的基本观念。在原子不可分到原子可分、可变的转变 过程中，绝大多数物理学家经受住了这场革命风暴的考验， 他们坚持以实验为突破口， 走上了认识真理的光明大道，并取得了前所未有的新成就。但是，在物理学的新发现 与旧理论的矛盾面前，有些物理学家则陷入了思想混乱，不能抵挡唯心主义思潮的侵 袭，最后滑进了唯心主义的泥坑。2、物理学唯心主义的观点 在物理学革命的风暴中， 一些唯心主义哲学家有意识地将物理学的新发现加以歪 曲利用，使物理学唯心主义的思潮在这一时

13、期膨胀和流行起来。首先，物理学唯心主义者歪曲利用了一些物理学家对于物理学一系列重大发现的 不确切的，否认物质 界及其发展规律的客观实在性。他们把电子的发现和原子的可 分性看作是物质论的破产，认为既然原子 电子组成的，而电子是电、是一种运动， 那末电子的发现就是 “电代替了物质”、“原子非物质化了”、“物质消失了”。其次， 物理学唯心主义完全否定已获得的物理学规律的客观真理性。法国物理学家彭加勒 (1854 1912) 在科学的价值一书中断言：镭的永恒发热和强放射性的发现推翻 了能量守恒定律，电子电磁质量随速度变化的发现推翻了质量守恒定律，以太漂移实 验的否定结果推翻了伽利略相对性原理，等等。在

14、彭加勒看来摆在我们面前的是物理 学旧原理的“废墟” ，是“原理的普遍毁灭” ，他把物理学的革命性称作 “现代物理 学的危机”，说什么以物质为研究对象的物理学也跟着毁灭了。最后，物理学唯心主 义者得出结论说 ：各个基本原理的“崩溃” ，证明了自然科学不是自然界的复写、映 像，不是对意识之外的客观实在的摹写， 而只是人们意识的产物 ，是人为了 “方便” 和 “思维的经济” 而创造的符号和记号。 英国唯心主义数学家、 哲学家毕尔生在 科 学入门一书中说，科学规律与其说是外部世界的因子，不如说是人心的产物。法国 唯心主义哲学家哈特曼进一步宣称 ：原子、电子、以太是简单的符号和 “作业假说”； 必须以心

15、理的东西普遍代替整个物质自然界。3、列宁对形而上学和唯心主义观点的批判 在列宁的哲学笔记中 , 解决了许多对自然科学发展有直接意义的哲学问题。在不 同的时期中，列宁研究和摘录了许多有关自然科学哲学问题的著作。列宁对所摘录的 著作作了极其准确的评价 , 并对其中经过透彻研究的问题给予了深刻的评论。一、列 宁对马赫主义的批判。十九世纪末二十世纪初 , 马赫主义者在自然科学中掀起了反对 唯物主义的斗争。 他们企图在哲学中创立一条“超越”唯物主义和唯心主义之上的第 三条路线。马赫主义的基本原理就是硬说物是“感觉的复合” , 而这些则又是彻底中 性的东西 , 也就是既不是唯物主义的义也不是唯心主义的。列

16、宁在其唯物主义和经 验批判主义一书中指出 , 马赫主义者用新术语简单地掩盖了陈旧的、贝克莱的主观 唯心主义。同时,列宁尖锐地揭露了马赫主义者回避哲学根本问题的企图 , 他把这种企 图称做为“愚蠢的奢望” , 这是根本办不到的。列宁在哲学笔记中根据具体事实 指出,马赫主义者企图超越于唯物主义和唯心主义之上是枉费心机的。 列宁指出 , 黑格 尔把那些用“我的感觉”作为一切基础的哲学称作为“坏的唯心主义”。 马赫主义实 际上是复活了黑格尔已批判过的唯心主义观点。列宁说，形而上学把自然科学和自然科学发展中的一定阶段相混淆了列宁批判机械唯物主义的自然观，提出了科学的物质定义和物质无限可分的思 想。列宁指

17、出：“承认某些不变的要素。 物的不变的实质'等等，并不是唯物主义， 而是形而上学的即反辩证法的唯物主义” 。为捍卫辩证唯物主义的物质客观性原则， 列宁在人类认识史上第一次给“物质”概念下了一个严格的科学定义，指出物质的唯 一特性是客观实在性。这就克服了把“物质统一于原子”的机械唯物主义的局限性。 进而，列宁强调指出： “原子的可破坏性和不可穷尽性、物质及其运动的一切形式的 可变性， 一向是辩证唯物主义的支柱。 ”以物质无限可分的思想为前提， 根据 x 射线、 放射性和电子等一系列新的发现，列宁作出了一个预言： “电子和原子一样，也是不 可穷尽的”。这个预言很快被物理学的发展所证实。列宁

18、批判物理学唯心主义的观点， 揭露了物理学危机的实质， 提出了“科学革命” 的思想。列宁深刻地指出：唯心主义者所说的“物质消失” ，是这些人把迄今我们认 识物质所达到的那个界限正在消失歪曲为“物质消失了” ；“现代物理学危机的实质就 是：旧定律和基本原理被推翻，意识之外的客观实在被抛弃，这就是说，唯物主义被 唯心主义和不可知论代替了”他们认为科学规律是人为的一些符号和记号，或者为人 心的产物，或者为人心的产物，或者是作业假说，是因为那些人由绝对主义滑到了相 对主义，并“把相对主义作为认识论的基础，就必然使 自己不是陷入绝对怀疑论、 不可知论和诡辩，就是陷入主观主义。 ”进而，列宁卓有远见地指出：

19、物理学中的新 发现是“最近自然科学革命”的标志；列宁分析物理学唯心主义产生的认识论根源， 指明了摆脱“物理学危机” 的道路。 列宁在分析认识根源时指出： “新物理学陷入唯心主义，主要就是因为科学家不懂得 辩证法。”科学家由绝对主义滑到相对主义并导致主观主义，这是从所谓的“物理学 危机”中应该汲取的主要教训。最后列宁指出，物理学唯心主义只是科学发展中的暂 时现象，科学发展必然使得辩证唯物主义代替形而上学唯物主义。因此 ，列宁号召 自然科学家做一个自觉的辩证唯物主义者，从而为人们摆脱“物理学的危机”指明了 道路。三、相对论引起的哲学论争相对论的创立突破了牛顿的绝对时空观，使人们的时空观念经历了一次

20、伟大变 革。相对论建立后，它的物理意义已越来越为众多的们所认识，但对于它的哲学意义却 一直存在着争论。同时人们也在不断地探讨爱因斯坦的哲学思想和方法论。爱因斯坦面对经典物理学的危机，对解决危机的关键所在有着清楚的认识。他发 现，两个在空间上分隔开的事件的所谓同时，取决于它们相隔的空间距离和光信号的 传播速度，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是 同时的。即空间和时间都与物质的运动有关。因此，爱因斯坦直截了当地宣布：牛顿 所说的同物质运动无关的绝对时间、绝对空间以及以太的存在都是多余的。这样几十 年来最令人烦恼的以太漂移等问题，在爱因斯坦创立的相对论中得到了满意的解决

21、。 狭义相对论和广义相对论的创立及其发展， 使物理学关于时间和空间的基本观念经历 一次又一次的变革和转变，为辩证唯物主义时空观提供了新的科学根据。在狭义相对 论中，时间、空都变成了相对的量，它们都随物质的运动而变化，时间和空间也是相 互联系在一起的，根本不存在绝对变的时间和空间。广义相对论所提示的物质同时空 的关系更为深刻，因为时空的性质不仅取决于物质的空观。相对论以严密的数学公式 提示了物质、运动、时间和空间的内在统一性，极大地丰富了辩证唯物义时空观的内 容。因为“同时”是相对的而不是绝对的，并且由于这一结论是建立在令人信服的物 理过程即以光信号作为标准时钟的基础上， 从而使相对论从一开始就

22、具备了坚实的实 验基础，充满了不容置疑的实证精神，因此才有撼动绝对时空观和经典力学的伟力。 相对论的建立也在一定程度上对认识论是有影响的 , 它把科学的探照灯指向了微观粒 子，也指向了广漠的宇宙太空。相对论的创立只是人类认识的一个新时代的开始，至 今它仍在孕育着人类认识的硕果，丰收的时日还在今后。相对论的发展，必将为人类 认识世界和改造世界带来无限美好的前景。四、量子力学引起的哲学论争，爱因斯坦与玻尔之争 量子力学的创立，使物理学的研究从宏观领域进入到微观领域。它不仅把粒子和 波作为物理学所研究的物质实在统一起来，而且改变了对微观客体运动的描述，同时 也就抛弃了经典力学的机械决定论。微观粒子的

23、运动不同于宏观物体的运动。微观粒子的某些物理量不能连续变化， 而只能取一系列不连续的、分立的数值，它们的运动并不服从经典力学的轨道运动的 规律，而是服从量子力学的几率性的规律微观粒子的波粒二重性，构成了微观粒子所 特有的矛盾性。量子力学的出现， 深刻地提示了微观粒子运动的内在矛盾和客观规律。 微观粒子不仅具有粒子性，而且具有波动性 ，以波粒二象性为根本特征的新的物理 观念的产生，实现了物理学基本观念的又一次根本转变。随着科学实验的不断发展， 一方面证实了量子力学的正确性， 另一方面也指出了量子力学的适用范围在高能量或 小距离的领域内，对于具有无限多自由的运动体系而言，量子力学还有待进一步的发

24、展。1、关于测不准关系1927 年海森堡在研究了微观粒子波粒二象性的基础上， 提出了测不准关系， 为量 子力学做出了又一贡献。测不准关系表明，粒子的位置测量得越精确，那么对它的动 量的测量就越不精确，即动量和位置是不可能同时准确的被测量的。海森伯提出测不 准关系后，爱因斯坦精心设计了许多理想实验，企图否定测不准关系。结果他不但没 有说服玻尔等人， 有力地驳斥了他 自己。在 1930 年的第六届索尔维会议上， 爱因斯 坦又绞尽脑汁提出了一个“光子箱”的理想实验，向量子力学提出了严重的挑战。玻 尔经过一个不眠之夜的紧张思考，第二天他用爱因斯坦的广义相对论驳倒了爱因斯 坦，迫使他不得不承认测不准关系

25、本身不存在内在矛盾。但是爱因斯坦仍然希望用决 定论去解释量子力学。 1935 年 5 月，爱因斯坦等人一起发表了题为能认为量子力 学对物理实在的描述是完备的吗 ?一文，又详细地阐明了他们对量子力学的观点， 使这场论战再次出现了一个高潮。由于第二次世界大战，论战平息了一个时期。 1949 年，为了纪念爱因斯坦 70 大寿，玻尔在 爱因斯坦：哲学家科学家的论文集 中，系统的阐述了自己的观点，总结了他同爱因斯坦的论战。爱因斯坦在对批评的 回答 一文中，对玻尔的论文做了答复，指出了哥本哈根学派的实证主义倾向。在 玻尔看来，经典物理学和量子理论是不可调和的，虽然它们通过对应原理以渐近的方 式联系着。而爱

26、因斯坦则是一切物理现象应该有一个统一的因果理论的坚定信仰者。 从他在 1919 年 6 月写给玻恩的一封信中，我们可以看出他心目中对玻尔的二分法是颇为反感的：“量子论给我的感觉同你的感觉非常相像。人们实在应当对它的成功感 到羞愧，因为它是根据教会的信条不可让你的左手知道右手所做的事'而获得的。 ” 1923 年，康普顿效应被发现后， 玻尔同爱因斯坦的争论达到了头一次高潮。 看来康普 顿效应是绝对支持光的粒子说的，因此就要求玻尔一方相应采取断然的步骤。为了回答这个挑战， 玻尔在 1924 年同克拉默斯和斯莱脱一起写了著名的论文 辐 射的量子理论。这篇文章完全摈弃了爱因斯坦关于辐射的量子结

27、构的观念，而是假 设用抽象的几率波来说明实在的电磁波， 从而进一步突出了不连续性与统计性的根本 性质。在玻尔提出对应原理和哥本哈根学派提出波函数的几率解释的基础上， 1927 年海森伯提出“测不准关系” 。同年 9 月，玻尔在意大利科摩市召开的纪念伏打逝世 100 周年的国际物理会议上发表了题为量子公设和原子理论的最近发展的讲演， 提出著名的“互补原理” ，进一步引起了学术界的巨大震动。2、关于互补原理 测不准关系提出后，玻尔非常赞赏， 1927 年 9 月他在意大利召开的国际物理学 会议上提出了著名的互补原理，对测不准关系等一系列理论问题加以哲学概括。互补 原理为哥本哈根学派所拥护，并成为哥

28、本哈根学派的重要精神支柱。玻尔提出互补原 理的事实根据是：首先，微观粒子在某些实验条件下只表现波动性；在另一些实验条 件下只表现粒子性。 波粒二象性不能同时在一种实验中出现。 其次，根据测不准关系， 要精确测量微观粒 子的速度，就弄不清它的位置；要精确测量它的位置，就弄不清 它的速度。此外，时空描述与因果描述也不可能同时确立，因为要对客体进行精确的 时空描述，就要发生仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造成缺口，无法确定严格 的因果性；要想确定因果性，就要排除任何仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造 成缺口，无法确定严格的因果性； 要想确定因果性， 就要排除任何仪器对客体的干扰， 而这样一切观察

29、就不可能了，也就无法实现对时空的描述了。因此，玻尔主张在量子 物理中应当抛弃因果性和决定论的概念，而代之以互补原理。玻尔认为，上述两种图 像相互排斥，不能同时存在，但二者都是不可缺少的，只有把它们综合起来，才能提 供某种完整的描述，因此这两种掩护的图像又是补充的。正如玻尔所说： “一些经典 概念的任何确定应用，将排除另一些经典概念的同时应用 ，而这另一些经典概念在 另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的互补原理提出后， 海森伯也写了一些重 要著作来宣传玻尔的互补哲学，并提出了主体与客体不可分的论点。玻尔等人还把补 原理推广到生物学 、心理学、甚至社会历史领域，认为它应该作为一切科学研究的 指导思想。爱因斯坦等人极力反对哥本哈根学派抛弃决定论和因果性的概念，认为量 子力学是不完备的。普朗克说，只要有选择的余地，决定论在一切情况下都比非决定 论更可取。薛定谔认为，自然界的终极规律不是统计规律而是动力学规律，他相信他 的波动理论最后有可能回到决定论的经典物理学。在狄拉克看来，在量子力学中找不 到因果联系，并不能说量子现象本身有什么非决定性因素，而是由观察对客体的干扰 造成的，量子理论将来可能回到决定论，但不是回到经典决定论。德布罗意说 ：现 代原子物理学对波粒二重性的真正性质一点也不了解，它只是用 “互补性”这个含 糊不清的术语来掩饰