物理学和哲学-第1章

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内容简介

　　　　　　今天；当人们谈到现代物理学时；首先就想到原子武器；人人都认识到这些武器对现代世界政治结构的巨大影响；并且都心悦诚服地承认物理学对一般政治形势的影响比以往任何时期都要大；但是；现代物理学的政治方面真的是它的最重要的方面吗？当世界上的政治结构已变得适应于新技术的种种可能性时；现代物理学还将留下什么影响呢？为了回答这些问题；应当记住；每个工具都带有用来创造它的那种精神；因为每个国家和每个政治集团；不管它的地理位置和文化传统如何；都必须以某种方式关心这种新武器；所以；现代物理学的精神必将渗透到许多人的心灵之中；并以各种不同的方式和老传统联系起来；现代科学的这个特殊部门对各种强有力的老传统进行冲击的结果将是什么呢？世界上已经发展了现代科学的那些地区；长时期来；主要兴趣是在实用的活动方面；在工业和与这种活动的内外条件的合理分析相结合的工程学方面；这些地区的人觉得应付这些新观念是颇为容易的；因为他们已经有充分时间慢慢地、逐渐地来适应现代科学的思想方法；在世界的其他地区；这些观念将同本地文化的宗教基础和哲学基础发生冲突；因为现代物理学的成果确实触及实在、空间和时间这样一些基本概念；所以；这种冲突可能引起全新的、难以预料的发展；在现代科学和旧思想方法之间这次决战的特征之一；就在于它完全是国际性的；在这次思想交流中；老传统的一方在世界不同地区是不同的；而它的对方则在任何地区都是一样的；因此；这次思想交流的结果将传播到发生论战的全部地区。

第一章　老传统和新传统

今天，当人们谈到现代物理学时，首先就想到原子武器。人人都认识到这些武器对现代世界政治结构的巨大影响，并且都心悦诚服地承认物理学对一般政治形势的影响比以往任何时期都要大。但是，现代物理学的政治方面真的是它的最重要的方面吗？
当世界上的政治结构已变得适应于新技术的种种可能性时，现代物理学还将留下什么影响呢？
为了回答这些问题，应当记住，每个工具都带有用来创造它的那种精神。因为每个国家和每个政治集团，不管它的地理位置和文化传统如何，都必须以某种方式关心这种新武器，所以，现代物理学的精神必将渗透到许多人的心灵之中，并以各种不同的方式和老传统联系起来。现代科学的这个特殊部门对各种强有力的老传统进行冲击的结果将是什么呢？世界上已经发展了现代科学的那些地区，长时期来，主要兴趣是在实用的活动方面，在工业和与这种活动的内外条件的合理分析相结合的工程学方面。这些地区的人觉得应付这些新观念是颇为容易的，因为他们已经有充分时间慢慢地、逐渐地来适应现代科学的思想方法。在世界的其他地区，这些观念将同本地文化的宗教基础和哲学基础发生冲突。因为现代物理学的成果确实触及实在、空间和时间这样一些基本概念，所以，这种冲突可能引起全新的、难以预料的发展。在现代科学和旧思想方法之间这次决战的特征之一，就在于它完全是国际性的。在这次思想交流中，老传统的一方在世界不同地区是不同的，而它的对方则在任何地区都是一样的，因此，这次思想交流的结果将传播到发生论战的全部地区。
由于这样的理由，尝试用不太技术性的语言来讨论现代物理学的这些观念，研究它们的哲学影响，将它们和若干较老的传统相比较，可能不是一个无关紧要的任务吧。
对量子论的发展作一历史性描述，可能是着手讨论现代物理学问题的最好的方法。确实，量子论仅仅是原子物理学中的一个小分支，而原子物理学又是现代科学中的一个很小的分支。然而，正是在量子论中，关于实在的概念发生了最基本的变化，并且也是在量子论中，原子物理学的新观念集合并具体化为它的最后的形式。原子核物理学研究所需的巨大的、非常复杂的实验设备，显示了这一现代科学部门的另一非常激动人心的方面。说到实验技术，原子核物理学代表了自从惠更斯（Huyghens）、伏打（Volta）或法拉第（Faraday
）以来一直决定着现代科学成长的研究方法的最大扩展。与此相似，量子论某些部分的令人望而生畏的数学复杂性，也可以说是代表着牛顿（Newton）、高斯（Gauss）或麦克斯韦（Maxwell）的方法的最高成就。但是，在量子论中显示的实在概念的变化，并不是过去的简单的继续，而却象是现代科学结构的真正破裂。因此，下一章首先将致力于探讨量子论的历史发展。

第二章　量子论的历史

量子论的起源是和一个大家熟悉的现象相联系的，这一现象并不属于原子物理学的中心部分。任何一块物质在被加热时，都会开始发光，并在较高温度下达到红热和白热。发光的颜色与材料表面关系不大，而对于黑体，则只与温度有关。因此，这样一个黑体在高温下发出的辐射是物理学研究的适当对象；它是一个简单的现象，并且应该可以根据已知的辐射和热学定律找到一个简单的解释。但是，瑞利勋爵（Lord
Rayleigh）和琼斯（Jeans）在十九世纪末所作的努力却失败了，并且揭示了种种严重的困难。这里无法以简单的词句描述这些困难。但只要指出他们应用已知定律不能导出合理的结果这一点，应该也就够了。当普朗克（Planck）在1895年进入这条研究路线时，他试图将问题从辐射转到辐射原子方面。这种转换不能消除问题中固有的任何困难，它只简化了经验事实的解释。正当这个时候，即在1900年的夏天，库尔包姆（Curlbaum）和鲁本斯（Rubens）在柏林对热辐射光谱作了很准确的新测量。当普朗克听到这些结果时，他试图根据他对热与辐射的一般联系的研究，用简单的、看来好象是合理的数学公式来表示它们。有一天，普朗克和鲁本斯在普朗克家中喝茶，他们将鲁本斯的最新结果和普朗克提出的新公式作比较。比较的结果表明二者完全相符。这就是普朗克热辐射定律的发现。
就在这个时候，普朗克开始了艰巨的理论工作。什么是新公式的正确物理解释呢，既然普朗克能根据他以往的工作把他的公式毫不费力地翻译成关干辐射原子（所谓振子）的陈述，那么他一定很快就发现了，他的公式似乎表明振子只能包含分立的能量子——这个结果与经典物理学中任何已知的东西是那么不同，似致他在开始的时候一定会觉得难以相信。但是，在1900年夏天最紧张的工作时期中，他终于确信无法避免这个结论．普朗克的儿子曾说，他的父亲曾在通过柏林近郊的森林——绿林的漫长的散步中谈到了他的新观念。在这次散步中，他解释说，他感到他可能已经完成了一个第一流的发现，或许只有牛顿的发现才能和它相比。所以，这个时候曾朗克一定认识到了，他的公式已经触动我们描述自然的基础，并且有朝一日，这些基础将从它们现有的传统位置向一个新的、现在还不知道的稳定位置转移。普朗克由于在整个世界观上是保守的，他根本不喜欢这个后果，但他还是在1900年12月发表了他的量子假说。
能量只能以分立的能量子发射或吸收，这个观念是这样新奇，以致它不能适合物理学的传统框架。普朗克企图把他的新假说和老的辐射定律调和起来的尝试，在几个根本点上都失败了。这一尝试花了五年时间，直到能够朝新方向迈出第二步时为止。
这时候出现了年轻的阿耳伯特·爱因斯坦（Albert
Einstein），物理学家中的一个有革命性的天才，他不怕进一步背离旧的观念。他在两个问题中应用了新观念。一个就是所谓光电效应，即金属在光的作用下发射出电子。许多实验——特别是勒纳（Lenard）的那些实验——都表明，发射电子的能量与光的强度无关，而只与光的颜色有关，更准确地说，即只与光的频率有关。根据传统的辐射理论，这是难以理解的。爱因斯坦将普朗克的假说解释为光是由穿过空间的能量子组成的，这样，他就成功地解释了上述的观测结果。按照普朗克的假说，一个光量子的能量应当等于光的频率乘以普朗克常数。
另一个问题是固体的比热。从传统理论推导出来的比热值与高温时的观测记录相符，但在低温肘就不相符了。又是爱因斯坦成功地指出，将量子假说应用到固体中原子的弹性振动上去，就可以理解这种性状。这两个结果标志了一个很重要的进展，因为它们表明，普朗克的作用量子（在物理学家中称为普朗克常数）也出现在若干与热辐射并无直接关系的现象中。同时，它们还揭示了新假说的深刻的革命性，因为第一个问题导出了与光的传统的波动图象边然不同的描述。光既可以按照麦克斯韦的理论解释为由电磁波所组成，又可以解释为由光量子，即由以高速穿过空间的能包所组成。但是，是否两种解释都成立呢？爱因斯坦当然知道，著名的衍射和干涉现象只有根据波动图象才能解释。他不能消除这个波动图象和光量子观念之间的根本矛盾；他甚至也不企图消除这种解释的不一致性。他只是简单地把这种矛盾看作是某种大概只有在很久以后才能弄清楚的东西。
在这期间，贝克勒耳（Becquerel）、居里（Curie）和卢瑟福（Rutherford）的实验，对原子结构的问题作了某种程度的澄清。1911年，卢瑟福认他对穿过物质的alpha射线与物质的相互作用的观测，推导出他的著名的原子模型。原子被描绘为由一个原子核和一些电子所组成，原子核带正电，差不多包含了原子的全部质量，而电子环绕原子核旋转，就象行星环绕太阳旋转一样。不同元素的原子之间的化学键被解释为相邻原子的外层电子之间的相互作用；它和原子核没有直接关系。原子核通过它的电行决定着原子的化学行为，而原子核的电荷又使中性原子的电子数目固定不变。起初，这个原子模型不能解释原子的最突出的特性，即原子的巨大稳定性。按照牛顿的力学定律，从来没有一个行星系统在它和另一个这样的系统碰撞以后能够回复它原来的位形。但是，举例说吧，一个碳元素的原子，在化学结合过程中的任何一次碰撞和相互作用之后，都始终保持为一个碳原子。
玻尔（Bohr）在1913年利用普朗克的量子假说，对这个不平常的稳定性作出了解释。如果原子只能通过分立的能量子来改变它的能量，这必定意味着原子只能处在分立的定态之中，而最低的定态就是原子的正常态。因此，原子在各种相互作用以后，最后总是回复到它的正常态。
通过量子论在原子模型上的这种应用，玻尔不仅能够解释原子的稳定性，而且，在若干简单例子中，对原子通过放电或加热受激发后所发射的光谱线也能作出理论解释。他的理论以电子运动的经典力学和量子条件的结合为基础，这些量子条件是为了定义系统的分立定态而强加于经典运动之上的。关于这些条件的一致的数学表述是后来由索末菲（Sommerfeld）给出的。玻尔完全了解量子条件在某些方面破坏了牛顿力学的一致性这样一个事实。在氢原子的简单例子中，人们能根据玻尔的理论算出原子所发射的光的频率，并且和观察结果完全一致。然而这些频率和电子环绕原子核的轨道频率以及它们的谐频都不相同，这个事实立刻显示了玻尔的理论还充满了矛盾。但是，它包含了真理的主要部分。它定性地解释了原子的化学行为和它们的光谱线。分立定态的存在也为弗朗克（Franck）和赫兹（Hertz）、斯特恩（Stern）和革拉赫（Gerlach）的实验所证实。
玻尔的理论开辟了一条新的研究路线。光谱学在好几十年内积累起来的大量实验资料，现在可用来作为关于支配原子中电子运动的奇怪的量子定律的信息了。许多化学实验能用于同样的目的。从这个时候开始，在这方面物理学家才学会提出正确的问题；而提出正确的问题往往等于解决了问题的大半。
这些问题是什么，实际上全部问题都涉及不同实验结果之间的奇怪的明显的矛盾。同一种辐射，它既产生干涉图样，因而它必定是由波所组成，然而它又引起光电效应，因而它必定由运动的粒子所组成，这是怎么一回事呢，原子中电子的轨道运动的频率怎么能够不在发射出的辐射的频率中显示出来，难道这意味着没有轨道运动，但是假如轨道运动的观念是不正确的，那么原子中的电子到底是怎么样的呢？人们能够看到电子通过一个云空，有时它们是从一个原子