福建省光泽第一中学2014高中物理教师论文 物理学中的三个里程
碑
摘要：文章分三部分，分别介绍了牛顿的经典力学、爱因斯坦的相对论和霍金的量子宇宙论，并说明了它们在物理学发展史上具有里程碑的意义。第一部分通过对牛顿力学内容、地位及其对人类科学影响的简要介绍，使我们认识到牛顿力学对当今物理世界乃至全人类的发展起到了巨大的作用。第二部分主要介绍爱因斯坦的相对论及其意义，并指出它对现代物理学甚至人类社会的影响无疑是巨大和深远的。第三部分简要介绍了霍金的量子宇宙论，并认真分析了霍金对现代宇宙模型研究的贡献及其在科学、哲学和宗教上的重要意义。 关键词： 里程碑 经典力学 相对论 量子宇宙论 Three Milestones In Physics
CHEN Zhi-he
(The physics teacher in juren middle school, Zhejiang/Cangnan/Longgang 325802) Abstract: The article divides three parts, separately introduces Newton's classical mechanics, Einstein's theory of relativity and Stephen Hawking's quantum universe theory, and explains that they have the milestone's significance in the physics history. The first part makes us to realize that Newtonian mechanics' huge function to the present physical world and even the universe development through the brief introduction to the content, status and its influence on the human science of Newtonian mechanics.The second part mainly introduces Einstein's theory of relativity and its significance, and points out its influence on the modern physics even the human society is huge and profound without doubt. The third part briefly introduces Stephen Hawking's quantum universe theory, and analyzes in detail Stephen Hawking's contribution to study of the modern universe model and its vital significance in the science, philosophy and religion.
Keywords: Milestone Classical mechanics Theory of relativity Quantum universe theory
0 引言
物理学是一门不断发展的科学，它向着物质世界的深度和广度进军，探索着物质世界及其运动的规律。科学家在对这些规律探索的过程中都作出了自己的努力，其中也有不少的发现对物理学的发展起到了一定的推动作用。然而，很多人关于何种理论对物理学乃至人类社会的发展具有里程碑的意义却不甚明了。为此，本文将通过介绍物理学发展史上的三大里程碑式的发现——牛顿的经典力学、爱因斯坦的相对论和霍金的量子宇宙论，使人们对物理学的发展过程有一个概略的了解。
1 物理学发展史上的第一个里程碑——牛顿的经典力学 1.1经典力学建立的时代背景
15-16世纪，根据托勒密地心宇宙体系所编制的历法越来越表现出了混乱现象，而精确、方便的历法是人们当前所迫切需要的。在这种背景下，哥白尼在自己长期坚持天象观测所获得的大量资料基础上提出了日心说。“哥白尼的日心说否定了教会把地球置于宇宙中心的宗教教义，建立了科学的宇宙体系，铺平了通向近代天文学的道路，使人们的宇宙观发生了根本性的改变。”[1]但这一结论仍受哥白尼所处时代历史条件和科学发展水平的限制，没有彻底
摆脱本论体系的束缚，存在不可避免的缺陷。几十年后，开普勒在总结第谷等人观测数据的基础上，提出了行星三定律。“开普勒的行星三定律是天文学中的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系，完善和简化了哥白尼的日心说体系。”[1]开普勒还试图建立天体动力学，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出的太阳发出的磁力驱使行星轨道运动的观点是错误的，但是它对后人揭示出太阳系结构的奥秘是有重大的历史意义的，为万有引力定律的发现，以及经典力学的建立作出了重要启示。与此同时，以伽利略为代表的物理学家对力学也开展了广泛的研究，提出了匀速运动和匀加速运动的概念，并对惯性原理和相对性原理作了初步阐述，从而发现了惯性定律和自由落体定律。这一系列的研究成果，使伽利略成了近代动力学的奠基人，并为经典力学的建立奠定了理论基础。 可以说哥白尼的日心说，开普勒的行星三定律，伽利略的惯性定律和自由落体定律对物理学的发展都起到了一定的推动作用。但是这些物理规律在逻辑上都是各自独立的，相互之间的联系很不紧密，并没有形成一个系统。换句话说，他们的贡献都只是在各自领域内所取得的，未能实现理论上的综合，也就称不上是里程碑的意义。而伟大的科学家和思想家、17世纪最伟大的科学巨匠牛顿正是在这些科学家已有成就的基础上，进行深入研究，用数学方法创建了经典力学体系—力学三大运动定律和万有引力定律，“使物理学形成一个体系完整、结构严谨的普遍的理论体系，实现了物理学发展史上第一次理论大综合。他的代表著作《自然哲学的数学原理》的出版，标志着经典力学体系的建立，被称为17世纪的物理数学的百科全书，”[1] 在科学发展史上建立了一个不朽的丰碑，具有里程碑的意义。 1.2《自然哲学的数学原理》主要内容简介
牛顿是17世纪最伟大的科学家，他的成就遍及物理学、数学、天体力学的各个领域。他的代表著作《自然哲学的数学原理》中所涉及的力学三大运动定律和万有引力定律的内容已被公认为宏观的自然规律，集中体现了牛顿的经典力学体系。“所谓经典力学体系是以空间、时间、质量和力这四个绝对化概念为基础，以力学三大定律为核心，以万有引力定律为它的最高综合，并用微积分来描述物体运动的因果律。”[2] 它所反映的时空观是是绝对的，空间和时间是各自独立存在的。它虽然不适用于微观运动领域和接近光速的高速运动领域，但它却正确反映了当速度远低于光速时的运动情况，是在当时实验条件允许下的一个科学总结。
牛顿第一定律是在伽利略等人关于惯性定律的基础上建立起来的，因此又被称为惯性定律。它明确了力是物体间的相互作用，指出了力是改变物体运动状态的原因。“这一定律可视为牛顿的惯性和力的概念的直接引申，它指出了物体不受外力时的运动状态。”[3] 牛顿第二定律用公式形象描述了力作用的效果，它把重量和质量这两个概念给有效的区分开了，其重要性表性在它原则上能求解一切力学问题。而第三定律是指每一个力都存在一个与其大小相等、方向相反的反作用力，明确指出了力的相互性，从而对力的概念作了完整的概括。牛顿三定律是相互独立、相互补充的，“它们构成了动力学的基础，成了研究近代动力学和天体力学的基本出发点。”[4] 而在引力问题上，牛顿在引力平方反比定理这一已有成就的基础上，把向心力与物体的质量联系起来，从而推导出了普适的万有引力定律。万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律，是地面上运动三定律的推广和应用。该定律指出：“两物体间引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。”[3] 也就是说引力大小只与质量和距离有关，而与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。正因为这一理论本身定义上的简洁性和使用上所隐含的普遍性而被今后的物理学家所广泛的使用。地球形状的预测、引力恒量的精确测定、哈雷慧星的预报以及海王星的发现都验证了万有引力定律的正确性。借助于牛顿的万有引力定律，人们成功解释了今后几百年内极多的地面现象与天体现象。 1.3经典力学的创立对科学乃至人类社会的影响
17世纪中叶以来，由于牛顿力学体系的建立，力学的基本概念被扩展到了几乎所有的知识领域，对这些领域的发展起到了巨大的作用。在声学和光学中，由于它们直接代表了某种介质振动和传播，而振动和传播都是与力有关的，因而显示出了力学性本质，所以自牛顿力学建立以后，并茁壮的成长起来了。在热学中，由于分子运动论和统计力量的异军突起，使得热学也被纳入了微观经典统计力学的范畴，取得了量热学和传热学的一系列成就。“静电现象和磁现象的研究也借助了力学观念，并且在同万有引力定律的类比过程中确立了库仑定律。”[2] 可以说物理学在今后的很多成就都是在牛顿力学理论的影响下完成的。
“在物理科学领域，以牛顿力学为基础统一了声学、光学、电磁学和热学，有效地支配着小到超显微子大到宇宙天体的物理世界。化学也因为原子论而获得了物理学基础。在生命科学领域，以细胞学说和生物进化论为基础，统一了生物学的诸分支，乃至确立了人在自然界中的位置。从牛顿力学派生出的许多分支学科，如天体力学、工程力学、.材料力学、生物力学、弹道学等，对人类社会的发展进步也起到了极其重要的作用。”[2 ] 牛顿力学实现了天地间的统一，大大推动了其它学科的发展。在今后物理学乃至人类社会发展的方方面面，都留下了牛顿力学的重大身影。即使到了今天，在牛顿的绝对时空观已被爱因斯坦的相对论取代了的情况下，牛顿力学的地位仍然是至高无上的。牛顿力学不仅仅是科学上一次伟大的革命，它还对基督神学带来了极大的冲击，是人类思想的一次伟大变革。 1.4小结
牛顿在伽利略等人研究成果的基础上，建立了一套完整的理论体系——经典力学体系，从而统一了天上和地上的物理学。它正确的反映了宏观物体低速运动的客观规律，“实现了自然科学的第一次伟大综合，是人类对自然界认识的一次飞跃。” [5]“它不仅标志了十六、十七世纪科学革命的顶点，也是人类文明、进步的划时代标志。”[4] 可以说它是物理学发展过程中的第一个里程碑。
2 物理学发展史上的又一里程碑——爱因斯坦的相对论 2.1相对论建立的时代背景
19世纪末叶，光作为一种振动的传播已为大量的观测实验所证实，作为光传播媒体而在真空中无所不在的“以太”的存在，自然地作为一种学说被提出来了。为了证明以太是否存在，迈克尔逊进行了一系列的试验，而试验的否定结果却令当时的学者们大感意外。1865年，麦克斯韦从波动方程中得出了电磁波的传播速度，并证明了电磁波的速度只取决于介质的性质，从而使建立在麦克斯韦理论基础上的电磁光学，取得了空前的成就。1890年，赫兹又明确指出电磁波的波速为C，与波源的运动速度无关，从而把麦克斯韦的电磁方程改造的更为简洁。然而这一结论却与力学中的伽利略变换相抵触。“为了解决这一矛盾，洛伦兹一方面提出了长度收缩的假说，用以解释以太漂流的零结果，另一方面又发展了动体的电动力学，”[6] 并提出了在任何相对运动的参照系中光速都是常值的数学变换，后来人们称它为“洛伦兹变换”。“然而这一系列的研究成果都是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为的引入大量假设的情况下得出的，从而导致了概念繁琐，理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。”[6] 因此，这些理论只是在新的历史条件下，为新的理论大综合作铺垫，本身并不具备里程碑的意义。但是我们也不能否认，它使人们对自然界的认识开始从宏观世界进入微观世界，从低速运动发展到高速运动，使自然科学面临重大的突破。
正是在这一历史背景下，年轻的爱因斯坦以旧科学理论“叛逆者”的姿态，登上了自然科学舞台。他于1905年发表了《论运动物体的电动力学》，标志着狭义相对论的建立，并于1915年创立了广义相对论。相对论完全抛弃了统治两个多世纪的牛顿力学的绝对时空观，是人类对自然界认识过程中的又一次飞跃，是距牛顿力学之后的又一次理论大综合。相对论不仅解决了牛顿力学所遗留的一些问题，成功地把传统物理学包括在自身的理论体系之中，它还大大开阔了人类的视野，使科学研究的范围从无限小的微观世界直至无限大的宏观世界。今天，
相对论已经成为原子能科学、宇宙航行和天文学的理论基础。“爱因斯坦的伟大成就——相对论，是物理学发展史上的一块巨大的里程碑。”[1] 2.2狭义相对论和广义相对论的建立
爱因斯坦的相对论分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体，相对论解决了高速运动问题。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。 1905年爱因斯坦指出，“以太”的概念是多余的，光速是不变的，而牛顿的绝对时空观是错误的。他在一篇题为《论运动物体的电动力学》中用光速不变原理和相对性原理提出了洛仑兹变换，创立了狭义相对论。其中“相对性原理是指物理学定律在相互作匀速直线运动的各惯性系中的描述形式是相同的，即所有的惯性系是等价的，不存在特殊的惯性系；而光速不变原理是指在所有惯性系内，不论光源和观察者的运动状态如何，光速都具有相同的定值。”[5][7] 爱因斯坦的狭义相对论是在承认麦克斯韦电动力学方程的基础上，通过修改物理学的其余部分来适应新的时空观的一个理论。 爱因斯坦在建立了狭义相对论后，发现狭义相对论在根本上存在一些不足和缺陷，他开始思考为什么一切物体在引力场中下落都具有相同的加速度？为什么只有惯性系有特殊的地位？惯性系究竟是什么？经过10年的探索，于1915 年发表《关于广义相对论》和《引力的场方程》，建立了广义相对论。1916年3月，爱因斯坦进一步完善他的理论，写了一篇总结性的论文《广义相对论基础》。其内容主要包括两条基本原理：“等效性原理，即在一个有限区域内，引力的效应与加速系中的效应是不能区别的，并在物理上完全等价；[1][6] “广义相对性原理，即物理规律在所有参考系中都具有相同的形式。”[1] 该理论运用了大量的黎曼几何、张量计算、绝对微分等艰难的数学知识，充满了深邃的哲学思辨，包含着崭新的物理内容。光谱线的引力红移、光线在引力场中的弯曲、水星近日点运动以及雷达回波延迟等现象都证明了广义相对论的理论预言。 2.3相对论的意义及其影响
相对论这一伟大理论自建立以来，它经受住了实践和历史的检验，是人们普遍承认的真理。它把时间和空间统一起来了，质量和能量统一起来了，物质和运动统一起来了，并指出了在物体的旁边，空间和时间要被扭曲，对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都产生了及其深刻的影响。
“狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性系与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。”[8]
狭义相对论给出了物体在高速运动下的质速关系和质能关系，表明了任何物体都蕴藏着极其巨大的能量，为核能的开发提供了依据，从而有效的推动了原子核物理学的发展和应用；不仅如此，人们还把狭义相对论与量子力学相结合，建立了相对论量子力学，并进一步发展了量子场论。而“广义相对论建立了完善的引力理论，极大地促进了天体物理学和宇宙学的发展，并为人类提供了一个非常成功的关于宇宙的时空结构、演化图像，从而展现了广义相对论的魅力。”[9]
相对论揭示了时间与空间、时空与物质的紧密联系，深化了人们对时空的认识。相对论以时间与空间的相对性和统一性为它的基本思想，是对牛顿绝对时空观的否定和发展。“它是一个完善的、统一的、相对的时空概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学
在逻辑上形成一种完美的科学体系，”[10] 这对人类思想和哲学观念的影响无疑是深远的。自相对论诞生之日起，它所反映的时空观极大地改变了人类对宇宙的理解，使人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象。 2.4小结
爱因斯坦的相对论是至牛顿力学之后的又一次自然科学和数学的完美结合，是近代科学技术在新世纪取得的最重大成果，它导致了物理学的彻底革命，“完成了物理学又一次理论大综合，进一步奠定了现代物理学发展的基石。”[6] 相对论原理的建立是人类对自然界认识过程中的一次伟大飞跃，是自然科学发展史上的一个划时代的里程碑。一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一。”[8]
3 物理学发展史上的第三个里程碑——霍金的量子宇宙论 3.1量子宇宙论建立的历史背景 在宇宙起源的研究过程中，人们提出了多种宇宙模型——亚里士多德的地心说、哥白尼的日心说、牛顿的无限和静态宇宙模型、勒梅特的膨胀宇宙模型以及伽莫夫的热大爆炸起源说。这些宇宙模型分别对它们自己所处那个时代的天文学的发展和人们宇宙观的变革产生了及其深远的影响。但是这些模型也存在自身的理论缺陷，都无法成功解释以被人们发现的宇宙奇点问题。因为在奇点处，一切科学定律都失效了，连时空概念本身也失效了，这实在是令人难以想像。
更可笑的是在21世纪的今天，许许多多的小说家、导演以及几乎所有的社会大众在谈到现代物理时，依然卖弄似地张口相对论，闭口量子力学，他们不知道当代物理学的前沿已经向前推进了。针对这种科学与大众脱节的情况，史蒂芬?霍金在总结前人关于宇宙研究以取得的成果的基础上，通过以《时间简史》为代表的一系列著作，以通俗的语言向大众介绍了物理学的当今最前沿和人类新的宇宙观，引起巨大的轰动。霍金是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。他的量子宇宙论不仅震动了自然科学界，并且对哲学和宗教也有深远影响，在科学发展史上具有里程碑的意义。 3.2量子宇宙论的建立过程及其含义
从1970年开始，霍金先后与不同学者，提出多项学说，改变人类对宇宙诞生的看法。其中由他与彭罗斯合著的奇点定理，“指出了空间——时间一定存在奇点，最著名的奇点即是黑洞里和宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处一切定律都失效，它可被看成是时间以及宇宙的边缘或边界，”[11] 从而肯定了宇宙大爆炸学说，否定了时空是永恒存在的学说。在黑洞研究上，他亦提出了多种创见，认为黑洞并非完全漆黑一片，而且黑洞内存在温度，所以黑洞会发出辐射，由于辐射是一种能量，黑洞最终因耗尽能量而消失，造成黑洞蒸发现象。换句话说，黑洞不黑。
针对这些新的发现，霍金意识到了只有借助于量子引力论才能有效地解决诸如空间——时间没有边界，黑洞不是完全黑的问题。在研究这些问题的过程中，霍金富有创见地把广义相对论和量子理论相结合并引入到现代宇宙理论中，同时创造性地引入虚时间概念，进一步提出具有革命意义的“宇宙无边论”，从而创立了无边界的量子宇宙理论。“他认为宇宙是完全自足的、没有奇点或边界，它不被任何外在于它的东西所影响，它的演化甚至创生都单独地由物理定律所决定。”[11] 霍金的宇宙论是不需要上帝在宇宙初始时的第一推动的，从而使牛顿等人关于上帝“第一推动”的神话成为虚幻。量子宇宙学的主要预言之一是关于宇宙结构的起源，而宇宙背景辐射探测者对太空背景温度起伏的观察证实了这个预言。 在他的理论中，宇宙的诞生是一个从四维的欧氏空间向洛氏时空的量子转变，这个转变的过程可被看成是一个暴涨的阶段，然后由大爆炸模型来描写。它是一个封闭的宇宙模型，可以说今后量子宇宙学的研究几乎都是围绕着这个模型展开的。
福建省光泽第一中学高中物理教师论文 物理学中的三个里程碑
