自然辩证法-量子力学发现的启示

量子力学的发现过程再现摘要：量子力学的发现无论是从物理学还是方法论角度，都是一个关键的历史性成果。在量子力学的发现历程中，科学思想、方法的创造性及其多样性、科学间交叉合作等都是量子力学得以成功发现的关键因素,而且它是由普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、薛定谔等一大批物理学家共同创立的,这充分体现了资源共享及科研协作交流。从方法论的角度看，量子力学发现的过程，对于科研工作者有许多值得借鉴的地方，如科学认识需不断深化、学科间交流与知识运用、科研中竞争与合作等。关键词：量子力学；科学方法；学科交叉；自然辩证法原理一、引言所谓科学研究，就是用科学的方法来探索物质世界的客观规律，以推动学科的发展，或解决工程技术中的一些问题。研究中所使用的方法在经过科学抽象、升华后成为普遍适用的理论集合，逐渐形成科学方法论。随着自然科学的发展，20世纪出现了许多新方法，如控制论方法、信息方法、系统方法等，促进了方法论研究的高度发展。科学方法论愈来愈显示出它在科学认识中确立新的研究方向、探索各部门的新生长点、提示科学思维的基本原理和形式方面的作用。其中，20世纪对于量子力学的探索便是成功运用科学方法论的典范之一。二、发现过程中要解决的问题及难点19世纪末,正当人们为经典物理取得重大成就的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。物理学在实验方面遇到了一些严重的困难，这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”，下面简述几个困难：黑体辐射问题、光电效应、线状光谱、稳定性和比热问题等。也正是这几朵乌云引发了物理界的变革。三、发现过程中已知的知识与技术研哲学基础有:《核共振理论》、《少体物理》等论文和著作多篇,译有《量子理论》、《机遇与因果的自然哲学》、《量子力学的哲学基础》等多达三百余万字的自然哲学、科普著作。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。四、解决的思路与方法体现的自然辩证法原理（一）科学思想和方法的多样性与创造性纵观量子力学理论的发现历程，多种思想与方法结合在一起，促进了量子力学理论的发展，特别是尼尔斯·玻尔提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律，成为发现量子力学理论的非常重要的思想。培根是英国杰出的哲学家,他很重视实验，并从理论上系统地论述了实验方法对科学发展的重要意义,第一次在科学上完满地制定了认识的归纳法。即从分析个别事物和现象出发,把大量事实加以比较,就可能由单一、个别的事物上升到一般,上升到结论。在量子力学被发现之前，许多科学家已经对量子做了大量研究，如:马克斯·普朗克提出量子概念，假定振动系统的总能量不能连续改变，而是以不连续的能量子形式从一个值跳到另一个值。爱因斯坦在1905年认识到光量子化的潜在意义,蕴含了光的粒子性行为。尼尔斯·玻尔将先辈们的研究材料进行分析、归纳和综合。然而,辐射难题促成了通往量子理论的第一步，物质悖论则促成了第二步。众所周知，原子包含正负两种电荷的粒子，异号电荷相互吸引。根据电磁理论，正负电荷彼此将螺旋式的靠近，辐射出光谱范围宽广的光，直到原子坍塌为止。当然，只是一味地整理别人研究所得的材料，而不进行思维抽象、推理演绎，就难以形成自己的成果。培根执着于对经验或实验的归纳，却忽视了演绎推理的重要性，而笛卡尔正好相反，强调从不可怀疑的和确定的原理出发,用类似数学的方法进行论证,就可演绎出物理界的所有显著特征。尼尔斯·玻尔迈出了决定性的一步。1913年，玻尔提出了一个激进的假设，结合已知的定律和这一离奇的假设，玻尔扫清了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量的描述。开始时，发展玻尔量子论（习惯上称为旧量子论）的尝试遭受了一次又一次的失败。接着一系列的进展完全改变了思想的进程。1923年路易·德布罗意在他的博士论文中提出光的粒子行为与粒子的波动行为应该是对应存在的。他将粒子的波长和动量联系起来：动量越大，波长越短。1924年夏天，出现了又一个前奏。萨地扬德拉·N·玻色提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律。爱因斯坦立即将玻色的推理应用于实际的有质量的气体从而得到一种描述气体中粒子数关于能量的分布规律，即著名的玻色-爱因斯坦分布。尼尔斯·玻尔以及随后的物理学家们的研究方法是将培根和笛卡尔所推崇的归纳、演绎方法相结合，并充分运用了类比、模型等方法，可以说，他们的成功不仅具有一定的必然性，而且与他们个人作用有关。科学方法的多样性与创造性，让量子力学理论跨越了关键的一步。创立量子力学需要新一代物理学家,因为只有无拘无束的头脑才能产生新思想，敢于思考敢于创新。同时,抽象的思维对于量子力学的发现也十分重要。（二）学科间交叉及合作将一个学科领域成熟的技术应用到另一个新型领域，往往能产生新的发现，对科研工作达到事半功倍的效用，这便是学科间交叉合作的优势。量子力学理论的发现正是由于多种学科思想相融合、知识相交叉而形成的。发现量子力学理论的数位科学家中，普朗克在大学期间学习了数学专业，后来又学了物理学,爱因斯坦学习了哲学、数学及物理学，马克斯·玻恩大学学习了法律和伦理学，后是数学、物理和天文学，他们在大学学的都是不完全相同的专业，所以他们具有不同的知识背景，但是又都致力于研究量子力学，既合作、又竞争，在充满了学术交流和争论的环境中，发挥了各自专业的特长，为量子力学理论的发现，做出了各自的贡献，所以这是科学史上由学科交叉，而产生的一次重大的科研成果。更难能可贵的是，在探索量子力学的竞争中,·韦纳·海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约尔当冲破门户之见,突破专业的局限,在分析的基础上,吸取各门学科、各个学派之长,综合考察对象,提出了量子力学的第一个版本，矩阵力学。当时1925年，SamuelGoudsmit和GeorgeUhlenbeck就提出了电子自旋的概念，玻尔对此深表怀疑。10月，泡利在德国的汉堡碰到玻尔并探询玻尔对电子自旋可能性的看法,玻尔用他那著名的低调评价的语言回答说，自旋这一提议是“非常，非常有趣的”。后来，爱因斯坦和Paul在莱顿碰到了玻尔并讨论了自旋。玻尔说明了自己的反对意见，但是爱因斯坦展示了自旋的一种方式并使玻尔成为自旋的支持者。在玻尔的返程中，遇到了更多的讨论者。当火车经过德国的哥挺根时，海森堡和约当接站并询问他的意见，泡利也特意从汉堡格赶到柏林接站。玻尔告诉他们自旋的发现是一重大进步。可见，科学思想的碰撞往往能够激发出耀眼的火花,拓展出一种新的科学思路。不同学科的科学家在一起工作,将比他们单独干时所产生的启迪更大，创造力也充分显现。在科学研究道路上，学科间交叉合作加快了科研进程，丰富了人类的科学文明。合作对于科研的重要性可见，量子力学的成功很大程度上也得益于各学科的交叉以及科学家们的合作。五、自然辩证法原理对于解决问题的思路与方法启示（一）科学交叉获得创新成果一个学科发展成熟的知识、技术和方法，应用到另一个学科的前沿，能够产生重大的创新成果在现代社会中，一些学科如物理学、数学在许多领域日趋成熟，学科间交叉研究越来越多。因此，科研工作者不可能固步自封，仅局限于自己研究的领域而对其他学科不闻不问。在20世纪初，经典物理已经发展到了相当完善的地步,量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。这些旧量子论为量子力学的成功奠定了关键的一步。然后是这些科学家们利用不同的学科知识对模型方法的使用以及扎实的专业知识等，都有力地帮助他们一步步接近成功，最终取得物理学上的重大成果。因此，经常进行扩大知识面的教育，并与不同学科专业人员进行学术交流，推动重大科学问题跨学科的探索和合作，对于我国科研工作的发展具有重大意义。（二）正确地运用科学方法论对科研工作事半功倍在科研工作中，掌握正确方法比掌握知识更重要。爱因斯坦认为“方法比知识更重要”充分说明了掌握科研方法的重要性。在量子力学发现过程中，尼尔斯·玻尔等人在经过对已有材料的归纳分析后，采用了移植、假说、类比、模型等方法,最终为量子力学的建立做出了巨大的贡献。同时,科学家们抽象的科学思维也十分高超,可以说正确的科学方法是他们成功不可或缺的因素。现代自然科学不仅没有远离哲学,而且日益与哲学紧密结合起来,科技工作者在自己的科学活动中日益与哲学发生着密切联系,自觉不自觉地都要受某种哲学的支配。他们必须面对自然科学发展从世界观、认识论、方法论上提出的诸多问题,进行严肃认真地哲学思考,方可减少乃至避免主观盲目性,客观地把握研究对象的各个方面和各种联系，完成自己的科研任务。培根认为“跛足而不迷路的能赶过虽健步如飞但误入歧途的人。”具有必要的科学知识积累是进行创造性科研工作的必要条件，而学习和研究科学研究的思维方式和方法，则是充分条件。但在知识积累过程中，正确的科学方法更是必不可少的。（三）科研道路上要敢于竞争、要善于合作竞争与合作对于事物的发展总是不可或缺的。有竞争才会有前进的动力，有合作才能跨越前进的障碍，得到共同提高。量子力学之所以能成功发现，在于科学家们之间既能够顽强地坚持己见，又能够灵活地倾听对方的意见，在争论中间互相尊重，发挥各自的长处，互相学习互相借鉴，最后服从真理，达成一致。这些科学家们善于在竞争中进行合作，善于向周围科学家请教和学习，也使得他们能很快地建立量子力学理论。因此，科研道路上要敢于竞争，更要善于合作。参考文献[1]曾谨言.量子力学导论[M].2版.北京大学出版社,2OOO[2]杨仲耆,申先甲.物理学思想史[M].长沙:湖南教育出版社,l993[3]克莱因，古今数学思想:第二册[M].上海科技出版社,1979:219[4]张德兴,桂起权.通向人类思想的深层:哲人科学家——玻恩[M]．福州:福建教育出版社,1996．[5]shanlarR．Principlesofquantummechanics[M]．2nded．Plenum,1998