浅谈19世纪末20世纪初的物理危机

摘 要：19世纪末经典物理学出现了危机，因为经典物理学的理论无法解释新发现的重大物理知识，从而引发物理学革命，为现代物理学的到来埋下伏笔。本文以历史事实为绳，以历史时间顺序为轴，从三方面写起。第一，经典物理学；主要是写17世纪初到19世纪末的物理学萌芽阶段到经典物理学理论的建立。第二，物理学危机；迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验的零结果，引发经典物理学理论的困难，而物理学三大发现的出现则直接冲垮了经典物理学理论，经典物理学就此进入危机。第三，物理危机的意义；物理学危机之后，物理学进入现代物理学，现代物理学对人们的衣食住行及生命健康、生活条件乃至科技发展等等都有积极的意义，危机的出现，也是挑战和机遇的到来，本文对挑战和机遇的到来时的把握有一定的研究，可以为大家借鉴。

关键词：19世纪末；经典物理学；物理学危机；挑战；机遇

19世纪末经典物理学理论产生困难，物理学进入危机，其实不是物理学的危机，而是物理更新的革命，是对过去经典的质疑和对真理的不懈追寻。经典物理学危机的出现，对物理学乃至整个科学界都有积极的意义。

1 经典物理学

在经典物理学建成之前，是经验物理，是物理学的萌芽阶段，是劳动人民从事生产活动中总结出来的经验，主要是通过对物体的观察和哲学的思辨 。那时与生产劳动息息相关的，声、光、天文等物理知识得到较快的发展。当时中国在这些方面的研究都处于世界领先地位，和古希腊形成了两个东西不同文化的世界文化中心。

随着资本主义国家的建立和工业革命的到来，资本主义国家经济得到快速发展，促进各类文化的进步，其中物理学科发展比较迅速，科学的实验和严密的数学推导，形成了比较完整的物理体系。到了19世纪末时，经典力学、热力学、统计物理学和经典电磁场的理论都已经比较成熟和完善，多种物理学的发展使物理学的发展达到了它的颠峰。经典物理学体系的大厦就此建成。

2 经典物理学危机

经典物理学体系的建立，标志一个科学时代的来临。19世纪是经典物理学最辉煌的时代，很多物理理论的建立和很多重大物理发现都发生在这个时代，造就了很多有名的物理学家。科学技术发展的迅速并产生了广泛的社会影响，由光学、热学、电磁学、力学和声学构建经典物理学的大厦。也可以说19世纪是经典物理学最辉煌的时代。

到19世纪末期时，物理学的发展已经趋于成熟的阶段。物理学的卓越成就，使得一大部分的物理学家已经失去了研究的动力，认为物理学的发展已经达到了饱和状态，已经没有了发展的空间。于是他们沉沦在过去的成果中，认为以后的物理已经没有了大的发现了，物理学基本框架已经建成，以后只需把数据等算得精确一点就行了。

当时很多物理学家都没有意识到，经典物理学理论体系本身就存在问题。随着经济的发展和科学的进步，到20世纪初时，精密、大型仪器引入生产，这时物理学呈加速发展状态。但经典物理学理论体系的不足，也逐渐呈现出来。第一个质疑经典物理学理论体系的是，1887年的迈克尔逊-莫雷的“以太”实验，第二个是黑体辐射实验。

第一个“以太”实验是随着光的波动理论而开始出现的。物理学家菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论，它有这样一个问题：地球是如何通过“以太”这样的弹性固体而又对光产生影响的呢？这个实验的新发现与经典力学、电磁学、气体分子运动论的理论产生了困难。而经典力学的相对性原理，认为空间中绝对静止和绝对匀速运动物体都是不存在的，都是相对于某一参考系的相对运动。牛顿也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，但为了完整解决万有引力的传播介质，最后只能复活了“绝对空间”的存在作为避难所，因此，也间接的接受了麦克斯韦的电磁场理论。就这样，“以太”就成为一切物体运动的参考系。既然“以太”是一种物质，或者说它象征物理与化学的绝对空间，那么就可以通过实验测出它是一切物体运动的参考系。但是，1887年美国的两位物理学家迈克尔逊和莫雷利用干涉仪所进行的精密光学实验，得到的却是否定的结果，根本找不到“以太”的存在。

第二个黑体辐射实验涉及到经典物理学的一部分。当时，为了获得准确的解释黑体辐射实验的结果，德国物理学家维恩、英国物理学家瑞利和金丝，他们从实验推导出的黑体辐射公式，是不正确的。因为出发点不正确，他们只建立在波长比较短、温度比较低或波长比较长、温度比较高的局限条件下是正确的，但相反条件时，结果却相差十万八千里，是根本不可能的。

迈克尔逊-莫雷的“以太”实验，使人们开始对经典物理学理论体系的怀疑，而黑体辐射实验的结果则使人们直接对经典物理学质疑。然而不久，迈克尔逊-莫雷实验中却降生了相对论，紧接着从黑体辐射实验中降生了量子论。由于相对论和量子论与经典物理学的理论发生了尖锐的对立，就这样经典物理学的理论体系就受到严重的质疑。

然而在这两个实验之后的几年，物理学上又出现了三大物理发现，即X射线、放射性和电子。这些新的物理发现，与道尔顿之前所建立原子是不可分割的理念产生严重冲突，从此打开了原子核内部和原子结构的大门。就这样在之前一向被认为是天经地义物的许多基本物理原理和基本概念都受到怀疑和重新审视，就这样经典物理学的大厦被彻底的动摇。

20世纪初的两个实验和物理学的三大发现的出现等等。使人们对经典物理学产生了怀疑和不信任，更不知未来物理学路在何方。然而当时，却有一部分科学家认为，物理学的发展不过遇到了几个较为严重的困难而已，这些困难能够通过适当的方案逐一加以解决，而无须触动整个物理学的基础。有些科学家则认为，物理学不存在危机，只是物理的哲学方面存在危机而已。更有科学家认为没有危机。而在危机面前，科学家却没有清楚的认识问题的本质和严重性，再加上看法和意见的不统一，使当时物理界的科学家进入了一种迷茫和混乱，却没有意识到危机已经到来，一场科学革命即将到来。最终由20世纪初的两个实验及物理学三大发现引发了物理学的一场大变革，开辟了现代物理学体系的新时代。

3 经典物理学危机的意义

在发展的社会中，我们常常会遇到不同的问题，在解决这些问题时，我们会发现过去经典的理论很难满足日新月异的社会发展，这就需要我们展开对过去经典的质疑，以及在怀疑中为新发现带来机遇。19世纪末物理学上出现了两个著名的物理实验和三大物理发现，两个著名实验的出现，使人们对不可质疑的经典物理学产生了怀疑，而三大物理发现的结果则直接冲垮了经典物理学的神圣地位，诱发了经典物理学的危机。

3.1 经典物理学危机对科学和社会的影响

经典物理学危机的出现，使人们对于科学有更深的认识，特别是三大发现的出现，揭露了微观世界原子和原子核内部的奥秘。物理学理论被引入化学以后，把物理和化学的理论进行融合，可用来判断化学反应的状况，从而建立了物理化学，把化学从理论上和生产应用上提高到更高的水平。而化学又与材料科学有联系，为发展材料科学提供了重要的理论依据。材料科学的建立和发展，为人类从事劳动生产、解决社会问题、衣食住行和健康水平等方面做出了很大奉献。

3.2 经典的危机带来的挑战和机遇

在科技发达的今天，我们很多时候会遇到类似于20初的物理危机一样，新的发现与原有的经典理论产生冲突，而带来一系列的危机，这既是机遇，也是挑战。当原有的经典理论很难去解释新发现的问题，这时就需要我们向传统发出挑战。而经典物理学又长期占据人们的思想，当遇到这种事情的时候，很多人不敢涉足下去，被经典物理学绑住了思维，只能在一定的空间范围内思考问题，而又用本来就有问题的理论去解释新出现的事物，这就是机遇。这就需要我们打破原有经典的约束，创造出新的理论体系，这就是机遇，但这要面对经典崇拜者的质疑，我们到底是要放弃还是坚持，这就需要勇气。

对于经典物理学理论体系的危机，它是在理论和实验设备体系有限的前提下产生的，由局限的研究条件得到的结果，是不完整的。但是，对于那个时候已经是一个非常了比起的发现和理论体系，但随着人们认识水平的提高和科学实验技术的进步，会对科学有更高的要求。

科学发展是没有界线的，而我们要做的就是善于观察和分析，当面对问题和挑战真理时，要勇于去发现和对真理的不懈追寻。挑战真理，并不代表是研究的异类，而是对真理的渴望。当面对从未想象过的事情时，就需要这种品质和自身对问题的执着。爱因斯坦就是一个很好的例子，20世纪初他的相对论打破了传统的束缚，颠覆了人们对传统认识，预示了物理学大发现的时代到来。相对论的提出，可谓是跨时代的，对现代物理学有深远的影响。爱因斯坦的成功，我们是否想过，是什么成就了爱因斯坦，爱因斯坦的成功靠的是什么？是他面对经典的挑战时的态度，是敢于对经典提出质疑和对自己的坚持。

当经典遇到质疑时，我们要做的就是补缺经典的缺失，需要创造出新的理论体系。我们知道科学的发展是没有尽头的，当经典遇到危机时所带来的挑战和机遇，我们在把握机遇时，也要尊重经典，这样才不会偏离研究方向，毕竟那个是我们新发现的基础和质疑的对象。在机遇来的时候，要把握好方向，探索出机会。

3.3 经典物理危机对未来物理学发展的积极意义

其实，19世纪末的物理学面对的不是危机，而是一场伟大的物理学革命，对于物理学的发展来说，是好事而不是坏事，物理危机的出现是物理学进入新阶段的前兆。要摆脱这种危机，就要在新的实验事实的基础上更新和扩展物理学。物理学只有在观念、理论体系上彻底变革，才能适应新的现代物理学。

物理学革命的历程使人们意识到，任何科学不可能是一成不变的，随着社会的发展，技术的进步，实验技术的不断完善，理论必须不断更新，甚至彻底改变。这场革命还带动了其他各门科学的发展，使整个20世纪成为科学技术革命的世纪。

综上所述，我们可以知道，物理学史经历了经验物理学、经典物理学、现代物理学三个阶段，每一个阶段的出现都和当时的时代背景息息相关。20世纪初是科技和经济的高速发展期，经典物理学理论体系在那个时代背景下发生了危机。经典物理学理论体系危机的出现，是经典物理学理论体系内在的缺陷，是开辟行新的物理理论体系和时代发展的必然结果。同时危机的出现也是挑战和机遇来临的时候，如何应对挑战和把握机遇，就要求我们要对真理的不懈追求和产生的问题时自身对问题的执着。

参考文献

[1] 董光璧. 20世纪物理学思想的历史透视[j].《自然辩证法研究》1997，13（4）

[2] 倪光炯，王炎森，钱景华等.改变世界的物理学[M].复旦大学出版社

[3] 王勇华 楼饶成 胡久荣. 浅析化学史在无机化学教学中的作用[j].《内蒙古石油化工》2007，33（9）

[4] 郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].清华大学出版社

[5] 高志华. 试论现代物理学革命的创新教育价值[j]. 四川师范大学2003

指导教师：张小伟副教授