科学简史：科学革命篇论文

科学简史结课论文2011-06-0716:04:51|分类：默认分类|字号订阅摘要：懂得人类历史的发展与近代物理学的关系，用近代物理学从发生到发展的全部知识来充实自己的头脑，了解爱因斯坦、普朗克、玻尔等许多杰出科学家的贡献，以加深对物理学规律的理解，并学习他们的科学研究方法和科学思维的方法。同时通过学习，了解我国物理学工作者对近代物理学的贡献，激发我们的爱国热情，这对使我们成为适应现代科学技术发展需要的人才，具有重要的意义。关键词：科学物理近代物理学物理学家在两千多年前，伟大的物理学家阿基米德首先发现了力学杠杆的巨大作用。他曾夸下海口：“给我一个可以依靠的支点，我就能把地球挪动。”而在一百多年前，伟大的思想家马克思第一次指出了科学技术这个社会杠杆的巨大作用。他深刻的分析道：分工、蒸汽力和机器，这是18世纪中叶起工业用来摇撼旧世界基础的三个伟大杠杆。所以纵观人类社会几千年来的发展，与科学技术是分不开的。在一定意义上甚至可以说，正是科学技术决定了人类社会的进程。人类的历史，同时又是一部科学技术发展史。而在人类科学史中，物理学无疑是最辉煌的那一篇章。近代物理学作为物理学的重要组成部分，是每个想有作为的当代大学生都应了解的历史。第一章发展中物理学回顾一下十七世纪以来物理学的历史，令人感到，其中自始至终贯穿着一个根深蒂固的观点。这就是这样一种认识世界的方法，首先要寻找这些要素，要阐明这些要素所服从的规则。类似于这种想法，以下称之谓要素论。当然，构成近代物理学基础的原子论无疑是最典型的要素论的自然观。迄今几乎所有的物理学的理论体系都具有要素论的结构。1.相对论相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。相对论经迈克耳逊、莫雷实验、洛伦兹及爱因斯坦等人发展而建立。2.量子力学19世纪末的一系列重大发现，揭开了近代物理学的序幕。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量了概念，为量子理论奠定了基石。随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步的胜利。之后经过玻尔、索末菲海森堡、薛定谔、狄拉克等人开创性的工作，终于在1925年-1928年开成了完整的量子力学理论。3.原子核及基本粒子原子核物理学起源于放射性的研究，是19世纪末兴起的崭新课题。1932年对于从原子核到基本粒子这一研究方向来讲，是具有特别重要意义的一年。在1932年，由于安德森（C.D.Anderson，1905年）发现了正电子。从那个时候起，又经历了1934年费米（E.Fermi，1901-1954年）β蜕变的理论、1935年汤川秀树（1907年）的介子理论，方才形成了以基本粒子的相互转变为中心问题的基本粒子理论。而成为上述理论研究基础的量子场论是海森堡及泡利在1929年建立的。原子核物理学是卢瑟福在1919年发现用放射性物质放出的α射线轰击氮原子核后获得氢原子核及氧原子核作为前兆而开始的。但是，真正的发展应该讲是从有一系列重要发现的1932年开始的。这一年，科克洛夫特（J.S.Cockcroft，1899-1976年）同沃尔顿（E.T.S.Walton，1903年）用70万伏的高电压加速质子撞击锂核，成功地实现了第一次人工的原子核转化。还是在1932年，查德威克发现了中子，明确了原子核的构成要素，海森堡立即开展了由质子同中子组成的原子核模型的理论研究。在前一年的1931年，劳伦斯（E.O.Lawrence，1901-1958年）发明了回旋加速器。在1934年，约里奥.居里夫妇（Frederic，1900-1958年；Irene，1897-1956年）发现了人工放射性。作为刚开始的核反应研究的成果之一，是哈恩，迈特纳（L.Meitner，1878年）以及史脱拉斯曼（F.Strassmann，1902年）在1938年末所发现的铀核裂变。当时的这一发现，由于受到第二次世界大战前夕那种紧张形势的影响，立即促使人们花了很大力量来从事开发原子能的研究。自从P居里测量了镭的热值时起，人们都普遍认识都原子核中蕴藏着极大的能量。人们尽管害怕可能出现原子弹，却开始了制造原子弹发研究工作。经过努力，在1942年12月研制了第一台原子炉，并在1945年7月制造成功了原子弹。第二次世界大战以后，当然核物理学作为国家最重要的科学耗费了巨额的资金，并一举成了所谓的重大科研项目之一。4.固体物理学20世纪初，固体物理学就开始深入到微观领域，人们开始利用微观规律来计算实验观测量。量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上，并显示了其正确性，其次又在化学键的问题上取得了效果。海特勒（W.Heitler，1904年）同伦敦（F.London，1900-1954年）在1927年把量子力学应用于由两个氢原子所组成的系统，成功地说明了氢键的问题，并导入了“交换力”的概念，如此，在建立量子论的化学键理论基础的同时，在第二年的1928年，交换力的概念在铁磁性的理论上也获得了成功。海森堡根据电子的相互交换作用，澄清了韦斯以来没有弄清楚的分子场产生的原因。在1928年，布洛哈（F.Bloch，1905年）用量子力学论述了晶体晶格内电子的运动，奠定了能带理论的基础。20世纪20年代后固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生了。5.物理学与技术从上述情况开始发展的固体物理学，成了第二次世界大战后各种技术革新的基础。特别是在1948年发明的晶体管，它使电子的面貌焕然一新，这也纯粹是固体物理学研究的产物。此外，诸如铁氧体、量子放大器、莱塞（激光）等对于当今电子学所不可缺少的要素也都是物质结构学发展的产物。当然，如果没有以高分子科学为支柱的许多基础科学的成果，与电子学并驾齐驱、支撑着现代技术革新的合成化学工业也是不可能出现的。但是，综合起来说，这些研究广义地讲应属于物质结构学的范围。以上所讲的是物理学的发展为新技术提供了基础，当然，与此相反的关系也完全存在。假如不采用电子技术的各式各样的机器，今天的物理学，甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去。同时还应注意到，由于对技术进步的不断要求，作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强。因而，世界各国在物理学上有关教育以及对研究成果的奖励方面的费用支出也增加了。可以说，没有上述各方面的条件，就不可能存在今天这种大规模、多方面的物理学研究。6.物理学的未来但是，在物理学历史上象这样普遍认为基本的定律都已被找到了，而研究要走向常规化的情况并非第一次碰到。而实际上对基本粒子的研究是以寻找超出量子力学范围的新的规律性作为目标。同时，对于宇宙的构成和天体的各种现象直至有关生命现象的物理学研究还只是刚刚开始。期待今后会有真正的发展。今后所期待出现的物理学的变革，或许会要征服指导立刻迄今物理学的基本观点的要素论本身。现在，有关要素论的自然探讨已经涉及到生物的构造和功能。也有不少物理学家预见，今后的物理学中最有兴趣的领域一定是生物物理学。同时，在另一方面，分解生命体的所有成分，然后将这些成分组合起来形成一个整体，靠这种物理学的方法来求得要素这件事果真有可能吗或者是否有意义，医学界及生物学方面的一部分人对此提出了十分深刻的问题。第二章近代物理学的序幕19世纪末，物理学已经有了相当的发展。物理学主要的分支：力学、热学和分子运动论、电磁学以及光学都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。然而，正在这个时候，从实验上陆续发现了一系列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了近代物理学革命的序幕。从伦琴发现X射线的1895年开始到1905年爱因斯坦发表三篇著名论文为止，就有十几项重大发现，这一系列的发现集中在世纪之交的年代里不是偶然的而是生产和技术发展的必然产物。同时随着科研方法的改进，更是加速了物理学的发展。1.电子的发现电子的发现起源于对阴极射线的研究。1858年德国物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现正对阴极管壁发出绿色的荧光。1876年，另一位德国物理学家哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。英国物理学家克鲁克斯以及舒斯特根据各自的实验及解释都认为阴极射线是由粒子组成的。从1890年起，英国剑桥大学卡文迪许实验室主任J.J.汤姆生就带领自己的学生研究阴极射线，他将定性研究和定量研究相结合，认为阴极射线是带电微粒子。⒈定性研究。J.J.汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电磁接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧（可参见＜物理学史＞p184），平时没有电荷进入接受器，用磁场使射线偏折。当磁场达到某一值时，接受器接受到的电荷猛增，说明电荷确实来自阴极射线。同时J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。⒉定量研究。J.J.汤姆生用不同方法测出阴极射线的荷质比。一种方法是用静电场偏转管在管子两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场，然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比e/m，另一种方法是测量阴极的温升。因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化，根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度，两种不同的方法得到的结果相近，荷质比都是e/m=10库仑/千克。⒊普遍性证明。J.J.汤姆生还用不同的材料作为阴极和不同气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级。证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。1897年4月30日，J.J.汤姆生以《论阴极射线》为题发表论文。1899年，J.J.汤姆生采用了斯坦尼于1891年时提出“电子”一词来表示他的“载荷子”电子的发现，打破了“原子是物质结构的最小单元”的观念，揭示了电的本质，汤姆生也因此被誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家”。2.X射线的研究19世纪末，阴极射线研究是物理学的热门课题。在德国的维尔茨堡大学，伦琴教授也对这个问题感兴趣。1895年11月8日，他在一次偶然实验中，突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不偏偏住，有的起阻挡作用。显然从放电管发出了一种穿透能力很强的射线。为了确证这一新射线的存在，伦琴用了6个星期深入研究这一现象。1895年底，他以通信的方式将这一以现公之于众。由于这一射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄属中的缺陷，在医疗和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们极大的兴趣。伦琴在他的论文中把这一新射线称为X射线。3.放射性的发现对阴极射线研究引起了放射性物质的发现。法国物理学家亨利·贝克勒尔开始考虑荧光与X射线是否同时产生，产生的机制是否相同。贝克勒尔在实验上排除了由于太阳光线的热从磷光物质会发射一种辐射，能贯穿对光不透明的纸面使银盐还原。贝克勒尔这一发现，说明原来以为荧光（和磷光）与X射线属于同一机理的设想不符合实际并继续进行各种实验，他还发现纯金属比铀化合物强好多倍，铀盐的这种辐射不仅能使底片感光，还能使气体电离变成导体，只要有铀这种元素存在，就会自发产生贯穿辐射。1896年5月18日，贝克勒尔与在法国科学院的例会上再次做了报告，以后将这种辐射称为贝壳勒尔射线。贝克勒尔发现放射性为后来居里夫妇、卢瑟福等对放射性研究发展开辟了道路。第三章相对论的建立相对论的研究起源于“以太漂移”的探索以及光行差的观测。在