近代物理学重大发现的背后 — 一些值得思考的问题 复旦大学 王炎森 教授.

Presentation on theme: "近代物理学重大发现的背后 — 一些值得思考的问题 复旦大学 王炎森 教授."— Presentation transcript:

1 近代物理学重大发现的背后 — 一些值得思考的问题 复旦大学 王炎森 教授

2 这些问题关系到人才培养,尤其是创新思维的培养。
这些问题是环绕如何介绍物理学史的重大发现的过程(具有里程碑意义的及获诺贝尔奖的)以及如何介绍著名科学家的科学思想科学方法和科学精神。 目前情况是这些问题在目前的一些教材和老师的课堂教学中往往由于多种原因而被忽视了。

3 一.目前状况 重要假设、重要公式(包括计算)和重要实验结果的基本内容和 物理意义， 也很重视内容的现代化和联系实际;
在物理物课(包括教材)中, 长期来很重视讲清 重要假设、重要公式(包括计算)和重要实验结果的基本内容和 物理意义， 也很重视内容的现代化和联系实际; 但是缺少(或不够重视)这些重大发现的背景是什么? 这些物理学家是如何想的? 是如何取得的? 遇到什么困难? 而这些内容对学生创新思维和终身学习能力的培养却是不可缺少的、是至关重要的，也可以说关系到在教学中是否真正做到〝以人为本〞。 目前一些教材或讲课中难免还有一些不足之处表现在: 1.一些教材中很少写上述内容,老师上课也由于各种原因很少补充。

4 例如: ①不强调重大发现的科学背景和意义 (如:塞曼效应) ②不讲该物理学家的创新思维,及创新点表现何处(即如何继承与发展)? (如:玻尔模型受到普朗克和巴耳末什么启发? ) ③不提哲学思想(如:牛顿万有引力的提出,讲了地球对地面物体吸引后,立即讲牛顿将之推广到行星间,…。在介绍磁力线后,紧接着就写: 接着法拉第提出了磁场…。又如:牛顿微粒说是如何提出的? 相对论和量子论中的哲学思考的重要性) ④不提该重大发现的艰难曲折(如:遇到什么困难?遭遇什么质疑? 哪些科学争论? 花了多少时间才作出? 等) 2.即使写(或讲),往往是著者(或教师)按自已分析做介绍, 或泛泛提一下,缺少第一手资料! 由此造成不生动、不全面、不能贴切表达发现者的想法。(例如:爱因斯坦提出光量子时,受到普朗克和牛顿什么启发? 玻恩如何提出统计解释? )

5 3.甚至不能正确表达物理学家的真实想法 (例如:
原子核的发现,普朗克的能量量子化假定, 玻尔模型 假定的叙述。) 这样的结果会对学生的思维产生误导: 神秘化、简单化、甚至错误认识；往往使学生感到这些著名物理学家个个是〝神〞, 除了具体知识, 其他都无法学到。 4.不少学生反映的问题: 〝公式加习题〞、〝枯燥无兴趣〞。 正如赵凯华教授所指出的: “靠什么培养学生的兴趣? “不是要从物理学之外的东西, 要靠物理学本身的魅力来感动学生。物理学是非常吸引人的, 可是很多学生感觉物理学非常枯燥, 主要是没有真正体会到物理学的魅力, 或者是他不懂, 只能是背公式, 越学越可恼。” 《用物理学的魅力来感动学生》(科学时报, )

6 可见:如何确切、生动、尽量用第一手资科介绍著名科学家和他们的重大发现的过程, 使这些科学家从神坛上走下来
可见:如何确切、生动、尽量用第一手资科介绍著名科学家和他们的重大发现的过程, 使这些科学家从神坛上走下来! 对学生创新思维和终身学习能力的培养是极为重要的。 这十多年来，我在写教材和课堂教学中逐步注意收集资料，重视这些问题的介绍，改进教学内容，纠正一些不确切、甚至不正确的讲法，受到学生欢迎和肯定。

7 二. 为什么我会重视, 并对这些问题 感兴趣? —— 〝教育理念的转变〞
1. 〝以人的本〞的教育, 就要认识到教育学生: 学会做人、学会思考比学会知识更重要、更珍贵。 • “要提倡把受教育者作为一个‘人’进行全面培养, 对学生进行全面素质教育。” “要培养学生心里装着国家, 想着社会, 念着民众, 要具有博大的开放的世界眼光。要具有从事任何一项工作的创新思维方法和适应能力,而不仅仅是拥有一门知识或一项技术。” 《钱伟长教育现(大学读本)》李旭编著 (上海大学, 2009) (钱伟长先后任请华大学、上海工业大学和上海大学校长)

8 • 温家宝总理在同济大学百年校庆前夕对学生
• 温家宝总理在同济大学百年校庆前夕对学生 讲过如下一段话: “我们的民族是大有希望的民族!我希望同学们经常地仰望天空,学会做人、学会思考、学会知识和技能,做一个关心世界和国家命运的人。” • 于丹心语(《论语》心得 p.16): 我们的眼睛, 看外界太多, 看心灵太少。 • 大学不仅是经济的推动力, 更是人类的精神家园。——大学从事的是人的教育, 它不同于简单的教育。大学应培养学生判断事物的能力, 独立思考的能力, 培养成功者所需的社会和个人品质。 牛津大学校长科林·卢卡斯教授 (02.8 中外大学校长论坛) 上述这些言论对我很大启发，也值得我们大家思考。

9 2. 〝以人为本〞就要树立当今时代的教育思想 — 科学文化与人文文化的融合。
• 在杨叔子:《科学文化与人文文化的交融是时代发展的必然趋势》 ( ,科学时报)一文中: 科学包括四个方面: 科学知识、思想、方法和科学精神。 科学知识 —反映客观世界的规律, 称之科学文化。 科学思想、方法和科学精神 — 涉及人的精神世界, 称之人文文化 。(人文精神将更能 —〝触及心灵〞), 当前教育中应该将〝科学文化与人文文化的融合〞贯穿在整个教学中。为此我们受高教社之约，编著了教材《物理与文化》, 副标题用了〝物理思想与人文精神的融合〞这句话)。 也只有两种文化的融合才能做到 〝以人为本〞、〝触及心灵、达到〝授人以鱼, 更要授人以渔〞的目的。

10 • 我要对年轻朋友们说的是, 物理学不只是图表和数据,它能带给你更多更珍贵的东西：一种理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路。
3. 物理课对科学素质培养的重要性 • 物理学是唯一一门理论和实验高度结合的精密科学。 物理学中有一套最全面最有效的科学方法, 实践证明, 把这套方法运用到自然科学的许多领域, 乃至社会科学, 都是卓有成效的。在教育中, 对于学生的科学素质培养, 物理课有着无可替代的作用。 赵凯华主编 《物理学照亮世界》p27 • 我要对年轻朋友们说的是, 物理学不只是图表和数据,它能带给你更多更珍贵的东西：一种理性的思维方式、人生的哲学和人生的道路。 中科院院士、原北大校长 陈佳洱的文章《物理学与中国文化》 (科学时报, 纪念爱因斯坦特刊, )

11 三. 如何介绍著名科学家和他们的 重大发现? 基本原则: 要尊重科学发展历史，要“言必有据”，要尽量告知读者“第一手资料” 。
(以人为本, 与读者一起分析、思考)。 1. 如何介绍著名物理学家的重大贡献？ ① 要介绍他们如何继承与发展(打破神秘感)； ② 要突出他们的创新思维(包括哲学思想)和研究方法(防止简单化,有利于培养终身学习的能力)； ③ 要重视他们的科学精神和高尚道德品质的介绍(个人魅力, 获得成就的基础) 。

12 介绍重大发现,要体现物理学是一门生动的、 ① 要重视介绍科学背景(前人成果)； ③ 要历史地来看重大意义(有些意义要许多年后才被认识,
2. 如何介绍物理学发展史上的重大发现？ 介绍重大发现,要体现物理学是一门生动的、 不断发展的学科 ① 要重视介绍科学背景(前人成果)； ② 要突出所包含的创新点(获诺贝尔奖的关键)； ③ 要历史地来看重大意义(有些意义要许多年后才被认识, 对历史不断作出新的解释,有新的理解)； ④ 要介绍所孕育的新的问题和不足之处或局限性 (科学才有新发展)。

13 下面向大家推荐一些主要参考书(在书中有更多推荐): A.爱因斯坦, L.英费尔德, 《物理学的进化》 (上海科学技术出版社,1979)
埃·赛格雷, 《从X射线到夸克 --- 近代物理学家和他们的发现》 (上海科学技术文献出版社, 1984) 路甬祥主编,《创新辉煌 --- 科学大师的青年时代(上), (下)》 (科学出版社, 2001) 阎康年, 《卡文迪许实验室 --- 现代科学革命的圣地》 (河北大学出版社, 1999) 郭奕玲, 沈慧君, 《物理学史》 (清华大学出版社, 1993) 《诺贝尔物理学奖》 (上海科学普及出版社,2002) 阿特.霍布森(秦克诚等译), 《物理学的概念与文化素养》 (上海科学技术出版社,2001) D.特哈尔(林辛未、殷传宗译)《量子论的诞生》 (西南师范大学出版社,1995) 宋玉升等译, 《诺贝尔奖获得者演讲集》 (科学出版社, 1985) 林德宏, 《科学思想史》(第二版) (江苏科技出版社, 2004)

14 三. 着重介绍15位物理学家(其中包括 二位经典物理学大师)及他们重大发现。 下面列出16个值得思考的问题(体现科学与人文融合)。
1.在牛顿万有引力公式的建立过程中：牛顿怎么会取得如此巨大的科学成果? (可看到: 牛顿不是神, 造就一个伟人有多方面的条件, 而且可认识到不少地方我们可以学习的) 2. 法拉第于1831年做了电力线实验, 他是于什么时候，以及基于什么科学思想和前人工作，他才明确提出了〝场〞的概念? (这问题不少老师不知道,而且简单地一带而过。另外可看到:哲学指导的重要性 ) 3. 什么是居里夫人在放射性研究中的创新点(1897)? 为什么说居里夫人的高尚道德对世人影响更深远?

15 4. 为什么说J·J·汤姆孙发现电子(1898)有很大的
勇气? 如何从推动科学发展和使人们科学观念发生 变化看电子发现的重大意义? 5. 如何理解普朗克提出的能量量子化假设(1900)? 在量子概念遭遇非难时,普朗克采取了什么态度? 6. 什么是爱因斯坦提出〝光量子〞概念的科学思想(1905)? 〝光量子〞概念遭到了什么质疑，后来又靠什么才最终得到科学界的公认？ 7. 卢瑟福发现原子核 (1911) 是偶然(意外)的吗?为什么如此重大发现会遭冷遇? 卢瑟福又是如何对待这种冷遇? 8. 玻尔提出玻尔模型(1913)的目的是什么? 玻尔模型假定有几个? 玻尔是如何继承与发展了前人的工作(创新点何在)? 什么是哥本哈根精神?

16 9. 夫兰克 － 赫兹实验(1913)的最初目的是什么? 为什么直到1920年他才用改进的实验装置测到了 汞原子的能级图？ 10.什么是塞曼效应实验( )的科学背景? 什么是此实验的创新点? 11.什么是施特恩—盖拉赫实验(1921)的科学背景? 实验中得到哪些名师的关心和支持? 实验的意义何在? 12.什么是德布罗意提出〝物质波〞假定的科学背景和科学思想(1924)? 爱因斯坦是如何支持和大力推荐德布罗意的工作? 13. 在海森伯创建矩阵力学(1925)前后的科学生涯中受到了哪些名师的指引? 什么是他的测不准关系的基本思想?

17 14.什么是薛定谔提出波动方程的科学背景(1926)? 他对波函数作出的错误解释是什么? 什么是他的哲学 观念? 15.什么是玻恩提出波函数统计解释的基本思想(1926)? 16.爱因斯坦是如何建立狭义相对论的(包括背景,科学思想和遭到怀疑)? 狭义相对论的重大意义何在?

18 下面向大家作一简单介绍。 这些问题的答案可从前面一些参考书中以及在《文科物理》》的第二版《物理与文化--物理思想与人文精神的融合》中找到。

19 1. 在牛顿万有引力公式的建立过程中：牛顿怎么会取得如此巨大的科学成果
1. 在牛顿万有引力公式的建立过程中：牛顿怎么会取得如此巨大的科学成果? (可看到: 牛顿不是神, 造就一个伟人有多方面的条件, 而且可认识到不少地方我们可以学习的) 牛顿 （1642—1727） 世界最杰出的十位物理学家中仅次于爱因斯坦。在物理学、天文学、数学等多种学科作出一流贡献，尤其在自然哲学和科学研究方法上作出了创造性的贡献，为近代科学革命奠定了基础。

20 牛顿怎么会取得如此巨大的科学成果? 由此也可看出一个物理学家是如何造就的, 或者说一个物理学家必须具备哪些科学素质。
把牛顿从〝神坛〞上请下来! 由此也可看出一个物理学家是如何造就的, 或者说一个物理学家必须具备哪些科学素质。 1.对探索大自然奥秘的兴趣, 从小喜欢动手。 (做日晷,制小风车, 暴风夜测风速…)。 2.奋发学习, 不停思考, 丰富的想象力。 学习勤奋成绩,一贯优异(家庭出身贫寒)。 有人问他,你是如何发现万有引力定律的? 他回答:〝靠不停的思考〞。 爱因斯坦评价说:“你的发现的道路, 在你所在那个时代,是一位具有最高思维和创造力的人所能发现的唯一道路”

21 例如:万有引力定律创立过程中如何提出问题 ?
当大家都以为月亮是不往下掉时, 他却看到了 月亮正在往下掉。当别人只看到了地上和天上运动不同时,牛顿却看到了他们的相似性, 要把地上和天上的运动统一在一起。 月亮为什么不掉下来？ 通过理想实验，提出只要超过一定速度，高山上发射的炮弹可以沿一圆轨道绕地球旋转。(有图) 爱因斯坦:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是一个可以数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。” 《物理学的进化》(上海科技出版社, 1962) P.66

22 3.遇到伯乐 — 巴罗教授(精通光学和数学)。 4.哲学思想指导
在牛顿高年级时巴罗教授开放实验室, 让他作光学实验。 1669年巴罗将卢卡斯数学讲座教授职位让给年仅27岁的牛顿,他是剑桥有史以来最年轻的数学教授。 4.哲学思想指导 恩格斯说过: “不管自然科学家采取什么样的态度, 他们还是得受哲学的支配。问题只在于: 他们是愿意受某种坏的时髦哲学支配, 还是愿意受一种建立在通晓思维的历史和成就的基础上的理论思维的支配。” 《自然辩证法》(人民出版社,1971) P187

23 牛顿自然哲学中的四条推理法则: 简单性原理——实际上源于古希腊毕达哥拉斯学派。 哥白尼、开普勒、伽利略到牛顿，在他们研究 中都贯穿了自然界是简单和谐的指导思想。牛顿讲这是“因为自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。” “真理是在简单性中发现的。” 2. 因果性原理——实质是机械决定论。 3. 统一性原理——是四条法则中最主要的一条，也是自然哲学根本所在。认识自然界的和谐和统一正是自古以来自然哲学家、物理学家所共同追求的目标。 4. 真理性原理——即既承认客观真理的存在，又指出通过与实验不断比较，使相对真理逐步接近绝对真理。

24 正是鉴于简单性和统一性，牛顿在研究力学时采用了
简单的理想模型, 把物体间的相互作用和物体运动归结 为质点间的作用和质点运动。牛顿在研究化学时赞成原子说。 在研究光学时提出微粒说。 正是在法则 3 中，牛顿提出了万有引力思想: “我们必须普遍承认，无论无种物体都只赋有一个原则，即他们能够相互吸引。” 可见牛顿是站在哲学高度看问题，法则3的核心思想是统一性原理(自然界的和谐与统一)。

25 现代自然哲学不同于古希腊的哲学 • 哲学的推广必须以科学成果为基础，可是哲学
• 哲学的推广必须以科学成果为基础，可是哲学 一经建立并广泛地被人们接受以后，它们又常常促使科学思想的进一步发展， 指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。 爱因斯坦《物理学的进化》P.39 • 玻恩非常重视科学成果的哲学意义,相比科学的特殊成果, 他对具有普遍意义的哲学指导思想更感兴趣。他深刻地指出: “真正的科学是富于哲理性的, 尤其是物理学, 它不仅是走向技术的第一步, 而且是通向人类思想的最深层的途径。” 《我的一生和我的观点》(商务印书馆, 1979)P44

26 5.站在巨人肩上, 继承发展前人工作。 从保存至今的牛顿在三一学院的笔记本中可知
他当时研读过: 涉及数学、力学、光学和哲学领域的书,如笛卡儿的《几何学》《哲学原理》,开普勒的《光学》,伽利略的《关于两大世界体系的对话》,亚里士多德的《物理学》(商务印书馆,1982)等等。 6.集思广益, 〝科学扎根于讨论〞。 尤其是与好友哈雷的讨论,并得到他的大力支持和帮助(出资出版《原理》)。 7.成功的科学研究方法。 他将归纳法(培根强调)和演绎法(笛卡儿强调)结合起来, 这是近代科学研究方法的核心,称之〝归纳—演绎法〞。

27 8.严谨科学态度、艰难地工作 1665年发现二项式定理,直到1676年发表。椭园轨道,平方反比定律早就计算得到,后在哈雷求教下(1684年),再次整理提供手稿给哈雷。又在哈雷劝说和资助下,在1685 — 1687完成了《原理》。 从取得重大成果的其他物理学家身上, 也可见取得重大成果基本上都具备上述几个方面。

28 2. 法拉第于1831年做了磁力线实验, 他是于什么时候，以及基于什么科学思想和前人工作，他才明确提出了〝场〞的概念?
(这问题不少老师不知道,而且简单地一带而过。另外可看到:哲学指导的重要性 ) 法拉第 （1791—1867） 英国科学家，自学成才。十年努力于1831年发现了“磁生电”，称之为电磁感应现象，并在大量实验基础上给出了电磁感应定律。法拉第提出的“力线”与“场”的概念是极具想象力的，是具有开创意义的见解，为麦克斯韦方程的建立奠定了基础 。

29 一. 为什么法拉第坚信“磁生电” 当时英国科学界普遍认为作用总应伴随反作用，所以“电生磁”的逆过程“磁生电”也必然能发生。但法拉第深信“磁生电”是来自于哲学思想的指导(信奉康德哲学)。 卢瑟福评价：“法拉第远不只是一个伟大的实验家，它也是一个伟大的自然哲学家。” 法拉第本人在他的实验记录中也有一段话：“长期以来我就持有一种观点, 几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的,就是物质的力表现出来时所具有的各种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说,它们是相互直接联系的，也是相互依赖的, 所以它们似乎是可以相互转化的。”(康德哲学思想)

30 二. “场”的概念是在什么时候？ 是根据什么理由提出的？
二. “场”的概念是在什么时候？ 是根据什么理由提出的？ 1.“场”的概念是在1831年提出磁力线后，经过14年后才逐步形成和提出了“场”的概念。 在剑桥科学史丛书《19世纪物理学概念的发展》一书（复旦大学出版社,2000,P71）明确指出：“‘磁场’这一术语是由法拉第于1845年引进的。”( 也见《创新辉煌》下册 P594) 2. 提出“场”概念的重要依据: ①力学自然观的失效 (无法解释奥斯特和安培等大量实验事实)。 ②向超距作用挑战。早在1832年开始，法拉第就认为电磁体之间相互作用不是超距作用，而是近距作用。这是物理学史上第一次认真地、有力地向当时英国科学界普遍认为的力的超距作用挑战。

31 备忘录中提出了磁力不是超距作用。其中写道：
在1832年3月12日法拉第在给皇家学会的一封 备忘录中提出了磁力不是超距作用。其中写道： “磁作用的传播需要时间,即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时,产生作用的原因(我认为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的；这种传播需要一定的时间,而这个时间显然是非常短的。” “我还认为, 有理由假定电感应也是要经历类似的时间过程” 并且还以为这些传播 “可类比于起波纹的水之表面的振动, 或空气中的声振动。” 最后写道:“我想用实验来证实这些观点,但是由于我要用很多时间从事公务,实验只好拖延,可能在别人的观察中得到。我希望,这篇备忘录交给皇家学会保存,将来上述观点被实验证实,我就有权宣布在这个日期我已提出上述观点。” （《创新辉煌》下册 P596)(郭奕玲,著名经典物理实验,P.138)

32 ③ 法拉第又进了一系列实验(磁致旋光实验,铋棒实验…
等)，最后才于1845年将普遍意义上的场的概念 （field）升华为物理空间。近距作用正是通过场来进行的。 法拉第于1862年(71岁)还做了磁场对光源谱线影响的实验,写下最后一条日记(16041) “……对偏振光或非偏振光,连最细微的影响也未观察到。” 34年后, 1896年荷兰物理学家塞曼阅读了法拉第的实验计划受到启发,发现塞曼效应。 提出场概念的意义: 在《物理学的进化》一书中（P180）爱因斯坦指出 ：“在物理学中出现了一个新的概念，这是自牛顿时代以来最重要的发明：场。用来描写物理现象最重要的不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间的空间中的场，这需要很大的科学想象力才能理解。场的概念已被证明是很成功的，由这个概念便产生了描写电磁场的结构和支配电和光现象的麦克斯韦方程。”

33 3. 什么是居里夫人在放射性研究中的创新点(1897)? 为什么说居里夫人的高尚道德对世人影响更深远?
居里夫人 （1867—1934） 波兰物理学家居里夫人开拓了放射性研究范围，并开展了对放射性强度的定量研究，使放射性研究实现了一个大飞跃，与贝克勒尔共享诺贝尔物理学奖。

34 一. 居里夫人的创造性工作 居里夫人在1897年（放射性发现的第二年）根据其
丈夫皮埃尔•居里建议，选放射性研究为博士论文，极具挑战性。她在两方面开展了创造性工作： 1. 她毫不保守，毅然将测量对象从一种铀盐扩展到她所能找到的各类矿石（经费困难，就用“矿渣”进行实验），在1898年一年中先后发现了“钍”、“钋”和“镭”，其中镭的放射性要比铀盐强一百万倍。 2. 她着眼于高精度定量化的测量。 居里夫人在皮埃尔哥哥的帮助下，成功地测量了放射性引起的微电离电流。另外花了四年讨间,分离出了纯氯化镭。 当时贝可勒尔思想保守,研究工作停滞不前。

35 二. 一场艰苦卓绝的拼搏 为了测量镭的原子量，居里夫妇在简陋木棚屋（实验室）中艰苦工作达四年之久。终于从几吨矿渣中提炼出了0.1克纯氯化镭。测得了镭的原子量为225.35（严格值为226.25） 多年下来，居里夫人体重减轻了10公斤，健康受到很大伤害。但是对这段工作的回忆中，居里夫人说：“在这样的设备条件下，我们开始了令任何人都会疲乏不堪的工作。然而，就是在这陈旧不堪的棚子里，度过了我们一生中最美好和最幸福的年月……我们的一大乐趣就是在夜里走进工作室；在那里，我们会看到装着我们成果的瓶子、器皿，在各个角度里微微发光。那可爱的景象，总让我们有格外新奇的感觉，就像一盏盏隐约发光的神灯，使我们感到无限激动和快乐。” （《创新辉煌》(上册)P250）

36 三. 高尚道德影响更深远 爱因斯坦在1935年对她的悼词中说：“在像居里夫人这样一位崇高人物结束她的一生的时候，我们不要仅仅满足于回忆她的工作成果对人类作出的贡献。第一流人物对于时代和历史进程的意义，在其道德品质方面，也许比单纯的才智成就方面还要大。……我幸运地同居里夫人有二十年崇高而真挚的友谊。我对她的人格的伟大愈来愈感到钦佩。她的坚强，她的意志的纯洁，她的严于律己，她的客观，她的公正不阿的判断——所有这一切都难得地集中在她一个人身上。她在任何时候都意识到自己是社会的公仆，她的极端的谦虚，永远不给自满留下任何余地。” （《创新辉煌》(上册)P256）

37 4. 为什么说J·J·汤姆孙发现电子(1898)有很大的勇气? 如何从推动科学发展和使人们科学观念发生变化看电子发现的重大意义?

38 一.三个关键性实验和敢于突破传统观念 1. 在汤姆孙管中成功地加进了电场（真空度抽高了），肯定阴极射线是带负电的粒子。 2. 引入电场后，定量测出了q/m约为1011 c/kg，此值比氢离子（质子）的荷质比要大1000倍。同时， J.J 汤姆孙又发现对不同阴极材料q/m值不变，可见这个粒子是各种不同原子中的普适成分(提出m很小的电子的重要依据)。 面对此荷质比值，不少人认为电子与氢离子质量相仿，电荷差为1000倍左右。 J.J 汤姆孙敢于创新，摆脱传统观念。正如英国科学家贝尔纳所说：“发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念。” 3. 第三个关键实验是，他利用他学生威尔逊发明的云雾室，直接测量了电子的电荷，确实与氢离子相近。 至此，这场阴极射线本性的争论宣告结束。

39 二. 电子发现对现代科学和技术发展的 深远意义
二. 电子发现对现代科学和技术发展的 深远意义 1. 打破了原子不可分的经典物质观。 2. 开辟了原子物理学的崭新研究领域，尤其在电子性质的研 究方面。 3. 为电子技术新时代的出现打下了基础。 4. 影响了一个世纪中人们的科学思想和研究方法。(见下页)

40 4. 影响了一个世纪中人们的科学思想和研究方法。
对这一点可见李政道教授的评价： “ 在整整100年前, 汤姆逊发现电子,从那以后影响了我们这世纪的物理思想, 即大的是由小的组成,小的是由更小的组成的, 找到了最基本的粒子就知道最大的构造。这个思想不仅影响到物理, 还影响到本世纪生物的发展, 要知道生命就应研究它的基因, 知道基因就可能会知道生命。我们现在发现这并不然。……我觉得基因组也是这样, 仅是基因并不能解开生命之谜, 生命是宏观的。” “ 我猜测, 21世纪将要把微观和宏观整体地联系起来, 这不光是影响物理, 也就会影响到生命的发展, 微观和宏观必须要结合起来, 这个结合对应用科技可能会有极大的影响。” （《展望21世纪科学发展前景 》李政道，本文为《21世纪100个科学难题》 的导言P.1）

41 5. 如何理解普朗克提出的能量量子化假设(1900)? 在量子概念遭遇非难时,普朗克采取了什么态度?
普朗克 （1858—1947） 德国物理学家普朗克，基于“黑体辐射实验”，提出了“能量量子化”概念，这是一项划时代的工作，他成为量子物理的第一个创始人。但是，“量子概念”在“非难”中不断发展。

42 普朗克要寻找经验公式的 物理解释 在获诺贝尔奖的演说中讲: “即使这个辐射公式被证明是完全正确的,毕竟它只是一个由碰运气猜测而发现的内插公式, 因此已使我们相当不满意。于是, 我从它被发现那天起就争取给它一个真正的物理解释。” 实际假设往往是一种合理的猜测。

43 二. 普朗克的能量量子化假设 有各种不同讲法，从普朗克的原文可知此假设
确切的表达：在辐射场中有大量包含各种频率的谐振子，一个频率为 的谐振子的能量不能是连续的，只能是能量元 （又称能量子） 的整数倍，即 ，其中能量元 ，h为普朗克常数，n只能取正整数（n =1,2,……）。由此可得黑体辐射公式以及与器壁无关的特点（参见《文科物理》和赵凯华《量子物理》二书） 这一假设与经典理论完全相抵触。在此假设下，大量谐振子体系与辐射场的能量交换必然是量子化的。由此普朗克利用玻尔兹曼公式 S=㏑W 和热力学公式导出了黑体辐射公式与实验完全相符。(普朗克在慕尼黑大学学习时, 去柏林大学上基尔霍夫和亥姆霍兹的课, 博士论文是《论热力学第二定律》, 有兴趣对基本和有普遍意义的问题进行研究)

44 三. 如何去理解这种谐振子呢？ 1. 黑体辐射具有与器壁无关的特点(基尔霍夫热幅射定律)。
2. 正如赵凯华教授在《量子物理》书中所指出的：这些“谐振子”并不一定代表某种实体，如分子、原子等。只是一种抽象化的模型，只要假定它们遵从的物理规律与现实物体相同。 3. 在倪光炯《高等量子力学》书中指出：此假设中的振子与1928年才了解的电磁场量子化后的“等价物”相类似。

45 4. 事实上在一些著名物理学家的假定中，尽管难理解，甚至有错误，但往往是包含了一些十分可贵、合理的成分或概念, 对后人工作有很大启发。
又如J.J 汤姆孙的葡萄干布丁模型是不对的,但他提出原子中在一些同心环上电子数目是有限的，由此可解释元素的周期性。玻尔模型有根本性困难, 但他的二个基本假定极具创造性, 成功解释了三十年来的氢光谱之谜。

46 四. “量子概念”在非难中发展 1. 普朗克引入了“能量子”的假定，提出了能量量子化的革命性的观念，具有划时代的意义，标志量子物理的诞生。
1. 普朗克引入了“能量子”的假定，提出了能量量子化的革命性的观念，具有划时代的意义，标志量子物理的诞生。 2. 此假定与经典概念如此的格格不入，开始几年中无人问津。在1911年10月第一届索尔维大会（在布鲁塞尔召开，主题是辐射与量子问题）中洛伦兹对辐射量子问题的讨论不满，讲：“一些钻牛角尖的问题使我们陷在死胡同。” 瑞利、金斯不相信, 彭加勒反对…… 普朗克本人也为提出“能量子”的假设感到后悔。他宣称引入量子概念“只是理论上的假设”，“只有附属的数学价值”，并想尽办法要把他的工作纳入到经典范畴，用连续性代替不连续性。 但前后又花了十年时间，以失败而告终，使他才逐步相信量子概念的正确，作用量子h的引入是正确地反映了新理论的本质。

47

48 3. 晚年普朗克对自己这段失败的经历评论说：“我的徒劳无益的使基本量子论和经典理论一致的企图继续了许多年，花了我极大的精力。我的同行中的许多人几乎把这看作悲剧，但我对它的看法是不同的，因为我从这个工作中得到的对我的想法的深刻的澄清，对我有极大的价值。现在我的确知道，作用量子的基本意义比我原来所想象的要大得多。” （赛格雷《从X射线到夸克》P82）

49 6. 什么是爱因斯坦提出〝光量子〞概念的科学思想(1905)? 〝光量子〞概念遭到了什么质疑，后来又靠什么才最终得到科学界的公认？
爱因斯坦 （1879—1955） 基于光电效应实验，以及继承和发展了普朗克的量子化概念，提出了“光量子”假设。不久提出了光的波粒二象性，对光的本性有了一个全面的认识。(有关相对论贡献另见…)

50 什么是爱因斯坦提出“光量子”假设的科学思想？
基于光电效应实验无法用经典理论作出解释 在《物理学的进化》（P190）中提出：“量子的观念是在本世纪初普朗克为了解释某一比光电效应复杂得多的现象而首先提出的。但是光电效应极其简单而清楚地指出了改变我们的旧概念的必要性。” (反映爱因斯坦的谦虚, 以及从光电效应更易看出提出光量子的必要性。在这之前普朗克自己也不相信提出量子化概念的必要性。)

51 3. 在上面同一页中，又指出：“为了保持牛顿理论
的基本观念，我们必须假设：单色光是由能量粒子组成的，并用光量子来代替旧的光微粒。光量子以光速在空中穿过，它是能量的最小单元。我们把这些光量子叫做光子。牛顿理论在这个新的形式下复活，就得出光的量子论。不但物质与电荷有微粒结构，辐射能也有微粒结构，就是说，它是由光量子组成的。除了物质量子和电量子以外，还同时存在着能量子。” 上述后面两段话极为重要，如果仅是第一点的话，只是告诉读者什么是对，什么是错，根本无法说明为什么爱因斯坦会提出“光量子”的思想。

52 二.光量子假设不为科学界所接受，密立根的精确试验使光量子假设得到世人公认
光子的概念与人们原来对光的认识相差实在太大，还不能为科学界所接受，遭到了冷遇。一些著名物理学家（包括普朗克、勒纳德等）表示怀疑。1913年普朗克等人在提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士时，一方面高度评价爱因斯坦的成就，同时又指出：“有时，他可能在他的思索中失去目标，如他的光量子假设”（[5]P240）。勒纳德也一直想用经典波动理论来解释光电效应实验。这根本原因还在于传统观念束缚了人们的思想, 以及〝光束由光量子微粒组成〞的假设确实有问题。 直到1914年，才由美国物理学家密立根（R. Millikan, ）全面验证了光电方程的正确性。他历经十年，从事光电实验，精确的实验证明了遏止电压确实与频率成正比，有线性关系 。

53 很有意思的是，在1923年的领奖演说中，密立根公开承认自己曾长期对爱因斯坦的“光量子”观点和光电方程抱怀疑态度。他在演说中说道：“与我自己预料的相反，这项工作终于在1914年成了爱因斯坦方程在很小实验误差范围内精确有效的第一次直接实验证据，并且第一次直接从光电效应测定普朗克常数h。”（[5]P248）在这里，除了钦佩密立根的精湛实验技术的同时，我们也不得不钦佩密立根的严谨作风和实事求是的科学态度。当他在研究中取得了与他预料相反的结果后，在事实面前服从真理，反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全正确，这种科学态度值得后人学习。

54 三.提出光子有动量 1917年爱因斯坦在《辐射的量子理论》一文里明确指出:在辐射基本过程中交换能量h 同时,必然伴随着动量h /c 的传递。1922年由康普顿散射确认了这点。

55 7. 卢瑟福发现原子核 (1911) 是偶然(意外)的吗?为什么如此重大发现会遭冷遇? 卢瑟福又是如何对待这种冷遇?
卢瑟福 （1871—1937） 英国物理学家卢瑟福于1911年发现了原子核，提出了原子“核式结构模型”。预言了核内存在“中子”。他被誉为“核物理之父”。卢瑟福又是一位伟大的教育家，作为第四任卡文迪许实验室的教授，培养了7位诺贝尔奖获得者。

56 一. 原子核的发现是偶然的吗？ 在一些书和文章中讲卢瑟福的助手盖革和学生马斯登 在做α粒子散射实验时是偶然(意外)观察到大角度散射。实际情况不是偶然! 尽管按J.J 汤姆孙原子模型，α粒子是根本不可能从金属表面反射，也为科学界所相信，但是，卢瑟福建议他们主动去做的。据他的学生马斯登回忆说，1909年, 一天卢瑟福突然对他说：“看你能不能得到从金属表面直接反射α粒子的某种效应。”(在三年前的实验中,曾发现有粒子偏离达20以上,经计算α粒子受到很强电场,何来?)当时马斯登感到不可理解，为什么做及为什么叫他做。后来果然在实验中发现了大角度散射。 （见郭奕玲《物理学史》P261；阎康年《卡文迪什实验室》P199 (见下页杨振宁关于吴健雄实验的题字,指出实验物理学家的过人之处)

57

58 二.遭冷淡, 卢瑟福勇于发表自己的原 子模型 为了解释α粒子大角度散射，经过了二年的时间, 卢瑟福提出了原子“核式结构模型”。但是此模型无法说明原子的稳定性。 面对这样的困难，卢瑟福坚信自己实验的可靠性, 在1911年5月间在伦敦出版的《哲学杂志》上，报导了他的原子模型，并在文章中毫不讳言地说：“关于所提的原子稳定性问题，现阶段尚未考虑进行研究……但是，我们的科学事业除了今天还有明天！”在文章末了，他写了一句很有预见性的话：“显然，原子的稳定性与原子精细结构有关，并且与其中带电粒子的运动有关。” 他的模型在1911年10月第一届索尔维大会受到名流们的冷淡, 无人提及他的模型。

59 8. 玻尔提出玻尔模型(1913)的目的是什么? 玻尔模型假定有几个? 玻尔是如何继承与发展了前人的工作(创新点何在)? 什么是哥本哈根精神?
N.玻尔 （1885—1962） 丹麦物理学家，N.玻尔是量子理论的创始人之一。1913年提出了原子结构的玻尔模型，于1922年获诺贝尔物理学奖。对于微观世界中波粒二象性的理解，他提出了“互补原理”，具有深刻的哲学思想。他所创建的玻尔研究所以及所倡导的哥本哈根精神为国际科学界广泛传颂。

60 (搞清了六个问题) (1)继承和发展前人的工作
从玻尔原文了解玻尔模型 (搞清了六个问题) (1)继承和发展前人的工作 ① 在文章中多处提到普朗克以及普朗克常数的重要意义。量子化假定中的基本作用量子,不属于经典电动力学的一个量。由h、e、m可得原子的大小、能量和角动量量级。 ② 指出：“这篇文章试图说明，把上述思想应用于卢瑟福原子模型，就可给原子结构理论提供一个基础。”(文章目的) ③ 文中讲到里德伯公式(巴耳末公式)的启发(见后面)。

61 在以往一些教材中介绍玻尔模型时，往往给出的 基本假定是三个. 在原文中玻尔正是基于实际原子有固定大小和一定的辐射频率提出两个假定:
(2) 文中明确指出两个假定 在以往一些教材中介绍玻尔模型时，往往给出的 基本假定是三个. 在原文中玻尔正是基于实际原子有固定大小和一定的辐射频率提出两个假定: 定态条件假定和频率条件假定。 这正是一般书上的前二个假定。 第三个“假定”实际是玻尔根据“对应原理”推导出角动量量子化条件。前两个假定是最基本的。(注意: 讲二个假定是与其目的相联系; 可讲第三个假定, 但应从对应原理出发, 这是物理学的基本原理) 在获诺奖演说中, 玻尔进一步明确指出:玻尔模型的目的:“寻找原子结构的量子论原理的表述, 这些表述应当能够直接说明原子结构的稳定性和原子的辐射特性。” 并指出: “1913年用两个假定形式提出了这样一种表述。”

62 科学思想: (4) 如何想到辐射频率与能级跃迁有关? (3) 关于轨道为什么量子化和为什么不辐射的
他指出: 根据辐射量子化,可知电子与核结合时辐射出的能量是不连续的,即轨道能量不连续的,轨道是分立的。 又指出: 在比热、光电效应、X射线等问题的研究中, 说明在微观世界要用量子化概念,所以电动力学的连续性概念在微观世界不能用了,可以假定不辐射。 (4) 如何想到辐射频率与能级跃迁有关? 文中讲到里德伯公式(巴耳末公式)的启发。“频率可以写成两个整数函数之差，这情况暗示我们……当体系在两个不同的定态之间过渡时，谱线对应于此时发出的辐射。”(把辐射与能级跃迁联系起来)

63 5. 在原文中玻尔还着重指出：对多电子原子体系中电子能量和角动量是量子化的。只是对单电子原子可给出解析公式。
6. 文中提出了可用电子做实验: 文中指出“具有很大速度的电子在穿过原子并与束缚电子碰撞时，将以分立的、有限的量子形式失去能量。”这与通常经典力学结果完全不同。（夫兰克、赫兹正是用电子与水银蒸气作用做的实验）

64 二. 玻尔模型继承与发展了以往的理论, 他的创新点表现在： （1）第一个将量子化概念用到卢瑟福原子结构上。
（2）第一个建立了谱线与原子结构关系。 （3）第一个将量子化、原子结构模型、光谱统一结合起来。提出了量子化原子结构，解释了近30年之谜—巴耳末与里德伯公式。 爱因斯坦年迈时评价玻尔模型：“这件事对我来说就像是一个奇迹 — 即便在今天，在我看来，也是一个奇迹！这简直是思维上最和谐的乐章。

65 三.“互补原理” 如何理解波粒二象性? 玻尔从哲学观点来说明波粒二象性。在《原子论和自然的描述》一书中，总结他的互补思想时说过：“一些经典概念的应用，将不可避免地排除另一些经典概念的同时应用，而这另一些经典概念在另一种条件下又是描述现象所不可缺少的；必须而且只须这些既排斥、又互补的概念汇集在一起，才能形成对现象的详尽无遗的描述。”（喜欢举两个例子：银币正反面及富士山的两种景象）。玻尔希望互补原理成为具有普遍哲学意义的科学原理。 见玻尔的族徽,上面刻了〝对立即互补〞的铭文。

66

67 四. 哥本哈根精神 玻尔成名之后, 英、美、德的邀请源源而来,但他 立志在不到500万人口的祖国创建世界物理中心。1921年哥本哈根大学理论研究所成立。很快成为世界三大理论物理学中心之一, 成为物理学界的朝拜圣地。 1.科学国际主义。尤其重视青年人, 在研究所成立会上他说: “极端重要的是,不仅仅要依靠少数科学家的才能, 而是要不断地吸收相当数量的年轻人, ……新的血液和新的思想就不断涌入科研工作。” 有人问玻尔: 为什么他对年轻人有这么大吸引力? 他的回答是:“因为我不怕在年轻人面前承认自已的不足。” 2.独特的研究风格。平等自由地讨论和相互紧密地合作的浓厚的学术气氛。海森伯有一句名言: “科学扎根于讨论”

68 9. 夫兰克 － 赫兹实验(1913)的最初目的是什么? 为什么直到1920年他才用改进的实验装置测到了汞原子的能级图？
( ) 德国科学家1921年受聘哥廷根大学教授,并担任第二实验物理学研究所主任, 参加了原子弹研究工程。1925年因发现电子与原子碰撞的能量传递是量子化的而获诺贝尔奖。

69 在去哥廷根前, 1913年开始他和G.赫兹在柏林大学合作研
科学背景 在量子物理的发展中,德国最重要的研究中心在 哥廷根。二十年代在玻尔所(1921年玻尔任理论物理研究所 所长)工作过的十个德国物理学家中六位来自哥廷根学派。 哥廷根有三个部门:鲍尔领导的固态物理实验室,夫兰克领导 的第二实验室,以及玻恩的理论部。 二. 他们的实验目的和对玻尔理论的认识 在去哥廷根前, 1913年开始他和G.赫兹在柏林大学合作研 究电离电势,当时发现4.9V电子来将突然损失能量,电流将突 降一次,他们认为是汞电离所致。 但是玻尔在1915年就明确指出4.9V正是他能级理论中预言 的汞原子的第一激发电势。

70 但夫兰克和赫兹表示他们的实验结果不符合玻尔
的理论,坚持认为4.9V电子能量有的提供电离,有的以 频率为 的光发射。 直到1919年他们才同意玻尔的观点,并于1920年利用改进的实验装置测到了汞原子的大量能级, 直接支持玻尔工作。1922年玻尔获诺贝尔奖。 夫兰克在他的诺奖领奖词中讲道(1925年): “在用电子碰撞方法证明向原子传递的能量是量子化的这一科学研究的发展中,我们所作的一部分工作犯了许多错误,走了一些弯路,尽管玻尔理论已为这个领域开辟了笔直的通道。后来,我们认识到了玻尔理论的指导意义,一切困难迎刃而解。我们清楚地知道,我们的工作所以会获得广泛的承认,是由于它和普朗克,特别是和玻尔的伟大思想和概念有了联系。”

71 塞曼 (1865–1943) 10. 什么是塞曼效应实验(1895-1897)的科学背景? 什么是此实验的创新点?
荷兰物理学家因研究磁性对辐射的影响作了特殊贡献而与他老师洛伦兹同时于1902年获诺贝尔物理奖。

72 1845年法拉第发现了磁光效应 －光通过在强磁场下的玻
导师指导 出生在荷兰一个路德派教长家, 1885年进入莱顿 大学受教于卡末林 -昂内斯(由于液氮获得和超导电性 发现于1913年获诺奖)和洛伦兹(23岁任理论物 理教授,任校长达35年，1911年 年多次 任索尔维会主席)。后为洛伦兹的助教,受益于 他的指导和他的经典电子论而作出重大发现。 二. 科学背景 1845年法拉第发现了磁光效应 －光通过在强磁场下的玻 璃, 偏振面会发生偏转。 1875年克尔发现了电光效应 －光通过在强电场下的玻璃 会发生双折射作用。 塞曼效应是又一项反映光的电磁特性的效应。

73 三. 塞曼效应的创新点和发现过程 1. 创新点 － 涉及光的辐射机制。
年前后,他暂停了磁光效应的研究,想试一试磁场对钠焰的光谱有否影响，但开始没成功。 1896年荷兰物理学家塞曼阅读了34年前法拉第的实验计划受到启发,发现这个伟大科学家曾做过这方面实验, 塞曼下决心继续实验,他改进了设备,用凹面光栅终于发现了两根D线增宽。 (原来法拉第于1862年(71岁)还做了磁场对光源谱线影响的实验,写下最后一条日记(16041) “……对偏振光或非偏振光,连最细微的影响也未观察到。”) 3. 当时他用洛伦兹的经典电子论对谱线增宽作了合理解释, 这是由于磁场对物质分子中所含的带电谐振子(洛伦兹的假设,当时电子还未发现)作用。

74 根据经典电子理论可推断实际谱线是分裂了, 后来
塞曼在把磁场加大到3万Gs,终于观测到了分裂。这一成功, 不仅是洛伦兹理论的一大成功也使塞曼工作很快得到公认。 (可参见: H.哈肯等著,原子物理学和量子物理学 p.267,科学出版社, 1993) 4. 反常塞曼效应的发现及重大意义 在实验中他也发规了四重分裂和六重分裂,用洛伦兹理论不能解释。 这一现象在此后20多年中一直是物理学的一个疑案。正如泡利回忆说:“这不正常的分裂,一方面有漂亮而简单的规律,显得富有成果;另一方面又是那样难于理解……使我感觉简直无法下手。”1925年乌仑贝克和哥德斯密特为了解释塞曼效应和斯-盖实验,以及复杂谱线提出了电子自旋假设。

75 施特恩 11. 什么是施特恩—盖拉赫实验(1921)的科学背景? 实验中得到哪些名师的关心和支持? 实验的意义何在?
( ) 因发展分子 束方法上所作的贡献和发现了质子的磁矩而获诺贝尔奖。

76 1. 1911年法国物理学家杜诺依尔第一次制成了分子束实验装置。
爱因斯坦的关心和支持 德国科学家,获博士学位后,到苏黎世大学任 爱因斯坦助手, 1913年还与爱合作发表过用量子论解释比热文章。 1914到法兰克福大学任理论物理学讲师, 1920年开始做分子束实验。实验中强不均匀度磁场(每厘米104高斯)的获得是得到爱因斯坦支持,帮助申请经费和联系支持。 二. 科学背景 年法国物理学家杜诺依尔第一次制成了分子束实验装置。 2. 空间量子化概念是索末菲在1916年在玻尔模型基础上, 为了描述氢原子在外磁场和外电场作用下的正常塞曼效应和斯塔克效应而引入的。他认为电子轨道的法线与外磁(电)场方向所夹的角只能取三个值(平行、反平行和垂直)。

77 3. 但是没人能演示空间量子化存在,有些科学家就怀疑
物理的“真实性”。 三.不怕困难、创新实验 1921年斯刚完成用银原子束检验麦克斯韦速度分布,就建议用银原子束通过非均匀磁场, 从其偏转来寻找空间量子化证据。但困难很多(梯度大、真空高、一端冷却)。 当时还在法兰克福大学任理论物理系主任的玻恩回忆说:“我往往把方向量子化看成一种符号, 用以表示某种尚未理解的东西,斯特恩这样做完全是他自已的想法。……我曾试图说服斯特恩,认为这样的实验没有意义,但他却说, 这值得一试。”后与盖拉赫合作,于1921年11月初步取得了成功。

78 2.为电子自旋概念的提出进一步提供了实验依据。
发现银束分成了二条带(曝光时间长达8小时) 。 四. 重大意义 1.在量子理论发展中起了重大作用 银原子在不均匀磁场中只有两个取向,有力证明了原子在磁场中的取向是量子化的 帕邢在祝贺信中:“你们的实验第一次证明了玻尔稳态的真实性。” 爱因斯坦在1924年写道:“在近年来的实验结果中,实际上只有施特恩和盖拉赫实验以及康普顿实验比较重要,前者证实量子状态的唯一存在,后者证实光量子动量的实在性。” 2.为电子自旋概念的提出进一步提供了实验依据。

79 当时对为什么是分成两束却无法解释。因为在未
引进自旋时, 按空间量子化理论应为2l+1个(奇数) 取向。 爱因斯坦讲过:“所有重要的科学观念,都是在实在跟我们的理解之间发生剧烈冲突时诞生的。” 3.大大促进了“分子原子束实验方法的发展”。

80 12. 什么是德布罗意提出〝物质波〞假定的科学背景和科学思想(1924)? 爱因斯坦是如何支持和大力推荐德布罗意的工作?
德布罗意 （1892—1987） 法国物理学家，物质波的提出者。1924年在他的博士论文中大胆断言物质不仅具有微粒性,并且还具有波动性；由此提出了电子具有波动性的革命性的新思想。从而朝创造描述微观粒子运动的新的力学—量子力学迈出了革命性的一步。

81 一.由攻读历史转向理论物理 德布罗意在巴黎大学先是攻读历史，后在其哥哥 的影响下，志趣转向理论物理学。1919年师从郎之万和布里渊攻读博士学位，博士论文的选题是“量子理论”研究。 二. 科学背景 1. 爱因斯坦的“光量子论”及“光的波粒二象性”思想得到国际科学界的承认。而德布罗意是爱因斯坦的狂热崇拜者。他称赞爱因斯坦：“把一些极富革命性的概念引入了物理学，使物理学的面貌为之一新，他因此成了现代科学的牛顿。” 2. 玻尔模型遇到根本困难，亟须突破 主要困难是经典—量子双重性，保留了经典的轨道理论，但又认为经典电动力学在微观体系中不适用，所以不辐射，有稳定轨道。这种硬性规定遭到质疑与非难。

82 布里渊对玻尔定态提出一种解释: 核周围的以太会
因电子运动激发一种波, 这种波相互干涉, 在一定电 子轨道半径处形成环绕原子核的驻波, 因而轨道半径是量子化的。 4. 早在1911年当他阅读了在第一次索尔维会议（主题是辐射与量子论）上有关论文（他哥哥是此会议的秘书，使他有机会阅读会议论文）后，对他有很大影响。在后来他的回忆说：“我对（会议）所探讨的问题产生了极大的兴趣，我发誓要尽我所能去理解那个神秘的量子，尽管十年前普朗克已把这个概念引入到理论物理学里来了，但是它的深刻含义至今仍未被人们所认识。 ”（《创新辉煌》上 P396）

83 三. 德布罗意的科学思想 从他的获奖演讲(1929年)中可见:
1. 他思考的是“要把两种物理结合在一起”, 即把基于微粒概念和原子概念的物质的物理学和基于波传播概念的辐射的物理学统一起来。 2. 他说:“当我开始思考这了些困难时,主要有两个向题吸引着我。” (但一般教材中往往只介绍了下面第(2)点) (1)不能认为光量子理是令人满意的,因为它是用W =h 这个关系式来确定光微粒能量, 式中包含了频率。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说, 单是这个理由就需要同时引进粒子概念和周期概念。

84 (2) “确定原子中电子的稳定运动涉及到整数,而
至今物理学中涉及整数的只是干涉现象和本征振动 现象。这使我想到：不能用简单的微粒来描述电子 本身，必须同时赋予它们以周期的概念。” (3) 实际他是接受了布里渊的见解, 抛掉〝以太〞概念, 把以太波动性直接赋于电子本身。他把这种波称为相位波,当玻尔轨道周长是相位波整数倍时(即驻波条件)形成稳定轨道。 3. 德布罗意的导师布里渊回忆道：“最重要的事情是他发现动量与波长关系的瞬间，一切都是从那时开始的，那的确是起点，其余的必然随之出现。” 但是一般教科书上讲: 〝德布罗意将爱因斯坦确立的适用于光子的公式推广到了光子以外的粒子上。提出了动量与波长的关系式（假设）〞是不确切的。实际在他的获奖演讲中, 他用相对论的主要公式以及E = hv 导出了 。

85 4. 在获奖演讲中, 德布罗意还讲道: “因为电子波的
波长是X射线波长的数量级,可以料到晶体能够使电子 波产生完全象劳厄现象那样的衍射。” 实际当时提出物质波假设时确实没有任何实验基础，但他在论文答辩会上回答主持人问题时，已明确提出可由电子射线通过晶体的衍射实验来检验,并向他哥哥实验室的一位教授建议,可惜此人未做。 很快于1927年得到了晶体电子衍射实验验证。1929年仅36岁的德布罗意，继居里夫人后第二位因博士论文获诺贝尔物理学奖的物理学家。

86 四. 爱因斯坦的大力支持和推荐使德布 罗意工作得到重视和最后接受
四. 爱因斯坦的大力支持和推荐使德布 罗意工作得到重视和最后接受 由于“物质波”概念之异常新颖，开始时答辩委员会不知如何评价，他的导师将副本寄给了爱因斯坦。爱因斯坦给出了高度评价：“厚幕的一角被德布罗意揭开了。M. 德布罗意的弟弟做了一项很有意义的工作……，我相信，这是对物理之谜中最棘手的一个谜投下了第一道微弱的光芒。” 爱因斯坦大力推荐，并在他1925年重要论文（提出玻色—爱因斯坦凝聚思想的论文）中提及德布罗意物质波思想。使更多的物理学家了解，其中包括薛定谔，他于1926年提出了薛定谔方程。

87 13. 在海森伯创建矩阵力学(1925)前后的科学生涯中受到了哪些名师的指引? 什么是他的测不准关系的基本思想?
(1901－1976) 德国物理学家, 1925年创立了量子力学(矩阵力学) 。 1927年提出不确定原理, 这一原理和玻恩的波函数几率解释一起,充分体现了微观粒子的波粒二象性。(1932年获诺贝尔物理奖)

88 一.名师指引 年进慕尼黑大学学习理论物理, 在名师 索末菲指导下在原子物理和流体力学两方面显示优异科学才能。第一学期写出解释反常塞曼效应文章(引入半整数量子数),第二学期写出研究涡流的文章。 年在哥廷根大学获博士学位(论文《关于流体流动的稳定性和湍流) 。同年在哥廷根大学当玻恩助教。 年6月哥廷根大学玻恩和夫兰克邀请玻尔讲学,索末菲带海森伯和研究生泡利(中学毕业直接被玻恩接收为研究生)去听演讲。会后玻尔约海森伯一同散步, 继续讨论会上海森伯提的问题。后来海森伯讲“我的科学生涯从这次散步开始。”不久,就被玻尔邀请去玻尔所短期工作。 1923年大学获博士学位后,玻尔又邀他去玻尔所,研究量子物理学,与玻尔展开了充分的讨论。直到1925年初回哥廷根。

89 二. 关于测不准关系 4. 1925年开始与玻恩和约丹合作发表矩阵力学论文。
海森伯有一句名言: “科学扎根于讨论” 年开始与玻恩和约丹合作发表矩阵力学论文。 二. 关于测不准关系 在诺贝尔奖的获奖演说中,海森伯讲: “在经典物理学中,观察对于事件是没有影响的。而在量子理论中每次观察对原子现象却有明显的干涉作用。”(例如，利用阳光反射对行星观察时,光压可忽略。对微小粒子观察时,光压不可忽略了。) “测量本身对系统干扰的无法验证的部分妨碍着经典特性的精确确定,然而准许量子力学的应用。对形式体系作进一步的检验表明,确定粒子位置的精确度和同时确定其动量的精确度,两者间存在着一个关系,即测量位置和动量时可能产生的误差的乘积永远等于或大于普朗克常数除以4 。如果把这个关系写成最普遍的形式,就是: △p△x≥h/4 ”

90 薛定谔 (1887 - 1961) 14. 什么是薛定谔提出波动方程的科学背景(1926)?
他对波函数作出的错误解释是什么? 什么是他的哲学观念? 薛定谔 ( ) 奥地利物理学家, 因创建原子的波动力学理论而获诺贝尔奖(1933年)。

91 一. 薛定谔提出波动方程的背景 二. 薛定谔对波函数的解释 一方面康普顿散射证实X射线的粒子性; 另一方面
劳厄的X衍射和布拉格父子的晶体衍射证实X射线的粒子性。 2. 德布罗意提出物质波。 3. 受益于爱因斯坦和德拜指引。(1925年从爱因斯坦的论文中获悉德布罗意的物质波解释,并于10月得到德布罗意博士论文,德拜建议建立波动方程) 二. 薛定谔对波函数的解释 1. 夸大波性认为粒子是〝波包〞。反对玻尔的〝量子跃迁〞概念,强调运动的连续性。1926年受玻尔邀请到哥本哈根讲学，两人整日争论不休。最终薛理屈词穷,讲了一句:“如果我们死抱着这个令人讨厌的量子跃迁不放,那么我将为我曾同量子力学打交道而感到懊恼”。

92 三. 薛定谔对哲学有浓厚兴趣 呼吁“再一次刻苦研究古希腊思想。”以及“用古希腊的方式来看待世界。”
2. 片面夸大了波性, 认为物质波是实在的波。波函数 表示物质波的振幅,∣ ∣2表示电子电荷密度分布。 3. 反对统计规律, 提出〝薛定谔之猫〞的理想实验。 三. 薛定谔对哲学有浓厚兴趣 “当我们在知识道路上前进的时候, 我们必须让形而上学的无形的手从迷雾中伸出来指引我们……在知识道路上前进的大军中,形而上学无疑是先遣队。” 呼吁“再一次刻苦研究古希腊思想。”以及“用古希腊的方式来看待世界。” 参见薛定谔著:《我的世界观》、《自然与希腊》

93 15.什是玻恩提出波函数统计解释的基本思想(1926)?
(1882 － 1970) 德国物理学家, 因对量子力学的基础研究(与海森伯、约旦合作矩阵力学研究),尤其是对波函数所作的统计解释而获诺贝尔物理学奖。

94 玻恩对量子物理的贡献 1.个人背景: 父亲大学教师,童年常去父亲实验室,从小受到科学熏陶。后来曾在哥廷根大学学数学、物理,是著名数学家明可夫斯基、希尔伯特和物理学家克莱因的学生。 1921年接替德拜任哥廷根物理系主任,并领导理论部,开始致力于量子理论研究。 2.对量子物理的贡献: 1922年请玻尔到哥廷根(格丁根)讲学 1925年与海森伯(1923年在哥廷根大学获博士学位, 同年当玻恩助教)合作创建矩阵力学。

95 1926年发表论文《散射过程的量子力学》,文中 指出:“迄今为止海森伯创立的量子力学仅用于计算 定态以及与跃迁相关的振幅。”但对于散射问题,“在各种不同形式中仅有薛定谔的形式看来能够胜任。” 二.提出波函数统计解释的科学思想 1.科学思想: 玻恩回忆他是怎样想出几率解释的，写道: “爱因斯坦的观点又一次引导了我。他曾经把光波振幅平方解释为光子出现的几率密度, 从而使粒子和波的二象性成为可以理解的。这个观念马上可以推广到 函数上: 的平方必须是电子(或其他粒子)的几率密度。” 2.统计解释: 他不同意薛定谔片面强调波性, 首先在散射问题上,在论文中他指出: 只要认为发现粒子的几率正比于波函数的平方, 散射结果就有明确的意义。

96 并明确指出: “对应空间的一个状态,就有一个
由伴随这状态的德布罗意波确定的概率。” “若与 电子对应的波函数在空间某点的零, 这就意味着在这点发现电子的概率小到零。” ( Max Born, Atomic Physics, 1962) 三. 玻恩对哲学的认识 他十分深刻地指出: “真正的科学是富有哲理性的,尤其是物理学,它不仅是迈向技术的第一步,而且是通向人类思想的最深层的途径。” 《我的一生和我的观点》(商务印书馆, 1979)

97 16. 爱因斯坦是如何建立狭义相对论的(包括背景,科学思想和遭到怀疑)? 狭义相对论的重大意义何在?
爱因斯坦 （1879 — 1955） 相对论的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对时空概念的一场革命，对物理学、天文学和哲学思想都有深远影响。

98 一. 科学背景 1. 伽利略变换下的牛顿方程满足力学相对性原理。但伽利略变换建立在绝对时空观念基础上。但是当时一些科学家和哲学家对绝对时空观都表示怀疑。一些哲学家（如马赫等人）更是采取了批判的态度。 2. 电磁场方程不满足相对性原理，但洛伦兹在1895年找到了一种时空变换关系（不是推导出来的）可以满足相对性原理。 3. 迈克耳逊—莫雷实验的结果，即测不到“以太”,没有绝对静止的参考系。(但无法对此作出解释,因为人们不愿放弃静止以太的存在。但此实验对爱因斯坦提出相对论没起重要作用)

99 二. 爱因斯坦是如何创建狭义相对论的？ 1. 在爱因斯坦1946年写的《自述》（《文集》第一卷P1）中提到早在16岁就思考“追光佯谬”。
“如果我以速度c(真空中的光速)追随一条光线运动，那么我们就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。” 直觉告诉他，这个佯谬答案是“人永远追不上光”或者是不同惯性系中有“光速不变性”。但这与伽利略变换相抵触。也就是力学与电动力学不协调了, 他认为伽利略变换有问题, 但这问题又出在哪里？

100 2.爱因斯坦“坚持把理论建立在基本原理之上”
在爱因斯坦《自述》中写道：“不论是力学还是热力学（除非在极限情况下）都不能要求严格有效。渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力得越久，就愈加失望，也就愈加确信，只有发现一个普遍形式的原理，才能使我们得到可靠的结论。我认为热力学就是放在我面前的一个范例。” 爱因斯坦的目标是: 要从基本原理出发, 找出新的、时空有联系的变换式。这也说明了为什么在他的1905年提出相对论的论文中没提到迈克尔逊 -莫雷实验。

101 在获奖演讲中讲:“为了使狭义相对性原理同光速不变原理相协调, 必须放弃适用于一切惯性系的绝对时间这个假设。”
3. 受到马赫等人对绝对时空观的批判和启发。 使他逐步认识到解决“佯谬”问题的症结是 对时空观的认识。 1922年在日本京都大学的讲演（《我是怎样创立狭义相对论的？》）中讲到：“是我在伯尔尼的朋友麦克尔•比索（Michele Besso）偶然间帮我摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节，忽然我领悟到了这个问题的症结所在。这个问题的答案来自于对时间概念的分析。不可能绝对地确定时间，在时间与信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新观念，我第一次彻底解决了这个难题。” 在获奖演讲中讲:“为了使狭义相对性原理同光速不变原理相协调, 必须放弃适用于一切惯性系的绝对时间这个假设。”

102 4. 两个基本原理 《论动体的电动力学》。在此文中明确提出了作为狭义
不出5个星期（1905年6月）爱因斯坦完成了论文 《论动体的电动力学》。在此文中明确提出了作为狭义 相对论出发点的两个基本原理，并指出以太是多余的，不需要特设的静止参考系（以太）。 （1）物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参考的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中哪一个并无关系。 （2）任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度运动着，不管这道光线是由静止的还是运动着的物体发射出来的。 在两个原理下推导出了新的时空变换关系，由它立即推导出了运动物体的“长度缩短”，运动时钟“变慢”，同时性的相对性，以及新的速度合成公式等，由此形成了一套崭新的时空观。

103 三. 狭义相对论同样是在开始受到冷遇， 怀疑甚至遭到反对
三. 狭义相对论同样是在开始受到冷遇， 怀疑甚至遭到反对 在法国直到1910年几乎没有人提到相对论，在美国例如迈克尔逊至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是一个怪物。在英国，也由于相对论否定以太，被看成是不可思议的东西。 但与此同时，普朗克等人认识到相对论的价值，作为《物理学年鉴》的主编，及时予以发表。爱因斯坦的学生（劳厄等）大力宣传相对论。直到1919年爱因斯坦的广义相对论在天体实验室证实，他的狭义相对论也同时受到应有的重视。

104 四.爱因斯坦总是以感激和敬仰的心情 赞颂前人贡献
四.爱因斯坦总是以感激和敬仰的心情 赞颂前人贡献 1. 对于提出“光量子”概念，他讲“量子的观念是在本世纪初普朗克为了解释某一比光电效应复杂得多的现象而首先提出的。”（实际“科学界”是由于爱因斯坦对光电效应研究所作的贡献授予他诺贝尔物理学奖） 2. 在谈到相对论的创立时,他说:“我想到的是牛顿所给我们的物体运动和引力理论,以及法拉第和麦克斯韦的借以把物理学放到新基础上的电磁场概念。相对论实在可以说是对麦克斯韦和洛伦兹的伟大构思画了最后的一笔, 因为它力图把场物理学扩充到包括引力在内的一切现象。” （《创新与辉煌》上 P33）

105 五. 狭义相对论的意义 在《物理学的进化》一书中，指出：“相对论的影响远远超过了由此而兴起相对论的那个问题的范围。它扫除了场论的许多困难和矛盾；它建立了更普遍的力学定律；它用一个守恒定律来代替两个守恒定律；它改变了我们旧的绝对时间的概念。它的有效性不止限于物理学的范围之内，它已成为适用于一切自然现象的普遍框架。” (值得大家思考)

106 六. 著名科学家对爱因斯坦的评价 1. “在本世纪初, 发生了三次概念上的革命, 它们 深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论(1905 年)、广义相对论(1916年)和量子力学(1925年)。” 杨振宁《爱因斯坦对理论物理学的影响》(1979) 2. 玻恩的评价: “对于广义相对论的提出, 我过去和现在都认为是人类认识大自然的最伟大的成果, 它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人吃惊地结合在一起。” 摘自路甬祥主编《创新辉煌》上册P.329 年11月居里夫人为爱因斯坦写的推荐书上写道: “我非常钦佩爱因斯坦先生在现代物理学有关的问题上所发表的著作。而且, 我相信所有的数学物理学家都一致认为这些著作是最高级的。在布鲁塞尔, 我出席一次科学会议, 爱因斯坦先生也参加了。我得以欣赏他思想的清晰, 引证的广泛, 知识的渊博。……” 摘自路甬祥主编《创新辉煌》上册 P.326

107 七. 爱因斯坦的高尚品德 年曾在美国普林斯顿高等学术研究院参加爱因斯坦主持的相对论讨论班的周培源教授曾回忆说: “在讨论班中, 他热情地鼓励我们青年人的工作，真诚地提出意见, 同时也能虚心听取青年人对他的工作的意见。虽然他当时在国际科学界负有最高的声誉, 但他为人谦虚、淳朴, 对人和蔼可亲, 并过着俭朴的生话。” 爱因斯坦曾说过:“我自己不过是自然的一个极微小的部分。” 1955年4月18日爱因斯坦逝世, 他留下遗嘱: 要求不发讣告, 不举行葬仪, 不建坟墓, 不立纪念碑, 把大脑献给医学事业, 把骨灰撒到不为人所知的地方。因此在他的遗体送到火葬场火化时, 随行的只有他最亲近的12人, 其他人根本不知道。

108 E:\几张图和我照片\爱因斯坦大脑.TIF

109 爱因斯坦给他儿子的座右铭:“我每天都不止一次地提醒自己：我的精神生活和物质生活都是依靠别人(包括生者和死者)的劳动，我必须尽力以同样的付出来报偿我所领受了和现今还在领受着的东西。我强烈地向往着俭朴的生活，并且时常为自己占有了同胞的过多劳动而感到内心不安。” (3—42—7) 《我的世界观》

110 教学效果: 最近10多年来主要为理科和文科学生开设了
《原子物理》和《物理与文化》两门课程,由于重视了在教学中贯串物理思想与人文精神的融合, 受到学生的欢迎。 1.由于注意让一些伟大的物理学家从神坛上走下来,使学生感到除具体知识外,从他们身上还有许多可学之处(从科学思想、方法和精神) 。 2.使学生体会到提高科学思维能力的重要性(包括哲学对物理学展的指导意义)。 3.加深了对物理学的重大发现和重要公式的理解,它们的得来并不神秘, 但也不简单, 科学发展的道路并不平坦,是曲折艰难的,要敢于挑战和创新。 4.提高了学生学习物理的兴趣。

111 谢谢！