物理學革命

19世紀末20世紀初對古典物理學理論體系的基礎所進行的根本性變革。目的在於克服由於古典物理學理論無法解釋新的實驗事實的發現而造成的整個物理學的嚴重危機，解決新事實同舊理論體系之間的矛盾。這場革命先後延續了30多年，改變了人類對物質、運動、空間、時間、因果性等的基本認識，帶動了20世紀整個自然科學和技術的革命，為人類文明開闢了新紀元。

由G.伽利略和I.牛頓奠定基礎的古典物理學理論，到了19世紀40年代以後，由於海王星和能量守恆原理的發現、M.法拉第、J.C.麥克斯韋電磁理論的輝煌成就以及分子運動論的建立，而包羅了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界。這一理論在科學的各個領域中所向披靡，使當時不少物理學家認為，物理理論已接近最後完成，今後只需在細節上作些補充和發展，在小數點第六位上做文章。

可是，正當古典物理學發展到了頂峰的時候，它本身卻開始出現了危機和革命。危機開始於19世紀80年代的“以太漂移”實驗的“零結果”，到19世紀末出人意料地發現了X射線和放射性，接著又發現了電子和鐳等等。這就使一向被看作天經地義的原子的不可分割性和不變性、物質不滅性和能量守恆性、空間和時間的絕對性、運動的連續性等等，都產生了動搖，物理學領域中許多基本原理和基本概念都受到懷疑和重新審查。法國數學家J.H.彭加勒於1905年指出，物理學處於危機之中，並醞釀著一場革命。

物理學革命發軔於量子論和相對論的誕生。M.K.E.L.普朗克於1900年為解決黑體輻射實驗結果同古典理論的矛盾，提出了量子假說，認為在輻射的發射或吸收過程中，能量不是無限可分的，而是有一個最小的單元即量子。這是一個大膽的假說，它直接違背了G.W.萊布尼茨的“自然界無飛躍”的論斷。因而在1911年以前，老一輩物理學家幾乎全部拒絕接受它，就連普朗克自己也惴惴不安，曾於1911年和1914年兩度提出以古典概念取代量子假說的新理論。

第一個認真對待並努力發展量子概念的是年輕的愛因斯坦。他從認識論的角度意識到，量子概念帶來的將是整個物理學理論框架的根本變革，物理學家需要做的工作是建立新的理論基礎，而不是局部地修補。他於1905年把量子概念擴充到輻射的傳播過程，提出光量子假說，認為光既具有波動性又具有粒子性，即波－粒二象性，這是人類第一次認識到的微觀客體的最基本的特徵。隨後，他又把量子概念推廣到輻射領域以外，用來研究低溫固體比熱和光化學現象，開創了固體量子論和光化學理論。

直接向牛頓力學理論體系挑戰的是愛因斯坦於1905年創立的狹義相對論（見相對論）。狹義相對論否定了作為牛頓力學理論基礎的絕對空間和絕對時間概念，否定了作為一切電磁現象和光學現象載體的“以太”的存在，驅散了由“以太漂移”實驗所帶來的困惱。狹義相對論把古典力學定律全部加以改造，使之適合於低速運動的極限情況。作為狹義相對論的推論，運動的尺要縮短，運動的鐘要變慢，任何物體運動速度都不可能超過光速。這些顯然都為常識所不容。狹義相對論揭示了作為物質存在形式的空間和時間的統一性，揭示了物質和運動統一性的最本質的形式──質量和能量的相當性。這不僅發展了物質和運動不可分離的原理，而且為原子能時代的到來開闢了道路。愛因斯坦經過多年的艱苦努力，於1915年進一步建立了廣義相對論。廣義相對論揭示了空間、時間同物質的統一關係，指出空間、時間不是離開物質獨立存在的，時空的結構取決於物質的分佈；物理空間不是平坦的，而是彎曲的，空間曲率表現為引力。1917年，愛因斯坦根據廣義相對論考察整個宇宙空間，開創了現代宇宙學。他提出的有限無界的宇宙模型，後來發展成為宇宙膨脹理論和大爆炸理論(見大爆炸宇宙學)。這是繼N.哥白尼之後對天文學宇宙觀的又一次革命。

量子論在光量子論以後又經歷了兩次大發展。一次以N.H.D.玻爾建立的原子結構理論為標誌。玻爾於1913年把量子論同E.盧瑟福的有核的原子模型結合起來，並把原來只用於能量的量子概念推廣到其他物理量。這一理論成功地解釋了關於化學元素光譜線的各個經驗定律，也為化學元素周期律的理論解釋奠定了基礎。另一次以量子力學的建立為標誌。量子力學是用兩種不同的形式建立起來的，一種是L.-V 德布羅意的物質波理論和E.薛定諤的波動力學，另一種是W.K.海森伯的矩陣力學。德布羅意於1923年把愛因斯坦關於光的波粒二象性擴展到一切物質粒子，揭示了電子也具有波動性，為玻爾的量子化條件提供了理論根據。薛定諤發展了德布羅意的理論，於1926年建立了波動力學，提出微觀物理學的基本運動定律，即薛定諤方程。受玻爾影響的海森伯，於1925年效法愛因斯坦建立狹義相對論時否定不可觀察的絕對時間概念，拋棄象玻爾的電子軌道這類不可觀察的古典運動學的量，專門研究可觀察量之間的關係。他在玻恩等人的合作下建立了矩陣力學，亦稱量子力學。在這個力學方案中，動量與坐標相乘是不可對易的。

同年，P.狄拉克用更有力的數學工具把古典力學基本方程改為量子力學方程，為量子力學提供了更為寬廣的數學基礎。隨後，薛定諤於1926年發現波動力學和矩陣力學在數學上是完全等價的，兩者實質上是同一個物理理論。

根據量子力學，海森伯於1927年發現“測不準原理”,揭示了一個粒子的位置和動量（或能量和時間）不能同時準確地加以測量。狄拉克根據量子力學和相對論，於1929年預言有正電子及其他“反粒子”即“反物質”的存在，並揭示了真空不空。這些都深刻地改變了人們的自然觀。量子力學對古典物理學的衝擊比相對論更為猛烈。因為，相對論提供了新的時空觀，並為科學理論清除先驗因素提供了範例；量子力學則提供了一種考察和描述自然的新方法，它的一系列基本概念，如波粒二象性、共軛物理量的不可對易性、測不準關係等，都同傳統的概念框架格格不入，在哲學思想領域中引起了巨大的震動。

物理學革命的歷程使人們認識到，任何科學理論都不可能一成不變，隨著科學實驗的發展，理論必須不斷發展，甚至要徹底更新。這場革命也帶動了其他各門科學的革命，使整個20世紀成為科學技術革命的世紀。物理學革命也帶來了自然觀的革命，使幾個世紀以來在整個自然科學領域中占統治地位的機械唯物主義自然觀終於讓位給辯證唯物主義自然觀。