二十世纪物理学发展的一般特征1

二十世纪物理学发展的一般特征 (1)

二十世纪物理学发展的一般特征

二十世纪物理学在研究领域、研究方法、研究体制和社会职能方面，都表现出一些崭新的特点。

二十世纪的物理学呈现出高速发展的状况，其内容之丰富，思想之深刻和观念之新颖，远非过去物理学发展的各个历史时期所可比拟。现代学远远超出了宏观物体缓慢运动的范围。从微观领域来说，已经深入到原子内部、基本粒子内部，人们已经发现了大小不断减小，能量不断增加的许多连续的层次原子、原子核、基本粒子、夸克等，已经达到10-14厘米以下线度。目前还无法预见这个层级链条有没有一个终端。从宏观领域来说，人们的视野已经扩展到半径为150亿光年的宇宙范围。依次突破了银河系、星团、星系和总星系的领域。所以，对物质内部结构和特性的认识，对微观物质运动规律的认识，对宇观世界的结构和演化规律的认识，都发生了重大的变革。物理学一系列成果在理论思想上突破了原子不可分、元素不变的观念，运动只具有连续性的观念，绝对时空观念以及机械决定论的局限性，提出了量子态、波立二象性、几率决定性、四维时空与弯曲时空、实物与场的联系和转化以及宇宙膨胀的思想，物理学的基本观念和理论基础发生了质的飞跃。

由于研究工作日益向纵深推进，包括物理学在内的所有科学的一个共同趋势是分化愈来愈严重，分支学科与日俱增和专业化愈来愈强，熟悉物理学全部学科的精确知识并了解物理学各个前沿领域研究的具体进展是愈加困难了。这一趋势是不可逆转的。但在理论思想上，追求统一和走向统一，从更高的角度对各种理论进行更大范围的综合，却成为现代物理学发展中的一颇有成效的总方向，由于各种物理现象的本质愈来愈充分地得到揭露，传统的各个物理学学科研究领域之间的本质联系也更充分地显示出来。质量与能量、实物与场、粒子与波、时间与空间、时空与物质运动、微观过程与宇观现象之间的联系，已经构成现代物理学各种基本理论的内容，各种物理学理论之间也呈现出极其深刻的交织与渗透。对四种基本相互作用统一的追求与探索，已成为带动整个物理学基础理论研究进步的重要前沿。

从十七世纪以来，物理学的理论和研究方法就不断地向其它学科移植渗透，对其它学科的建立和发展起到了有力地推动作用。这种趋势在二十世纪三年代后明显地得到增强，相继产生一系列物理学的新部门和边缘学科，如量子化学、生物物量学、天体物理学和广义相对论宇宙学等，如量子化学、生物物理学、天体物理学和广义相对论宇宙等，这些学科大多数也成为现代物理学发展的前沿，并且给现代科学技术的发展提供了新思路和新方法。

在十九世纪末的经典物理学中，曾经出现过普遍认为基本规律

都已被发现了乐观和保守的情绪，二十世纪初的现代物理学革命，完全推翻了这种预料；而现代物理学空前的高速度的发展，再没有为那种保守观点的重新抬头提供任何证据，实际上，我们今天所已掌握的物理学知识，比起整个物理世界可能和我们提供的信息来说，还是极其有限的，例如，粒子物理学的发展虽然已经获得了辉煌的成果，但它的基本规律还表明未探明，这个领域的探索是以可能寻找到超出量子学范围的新的规律性为其目标的。寻求四种相互作用统一的努力，很可能会被新的基本相互作用的发现而引向渺远。对于宇宙的构成、天体的演化以及有关和生命现象的物理学实验和理论的研究还只是刚刚开始。可以期待，今后物理学的变革，完全有有可能出现对现有的物理学基本理论产生根本性冲击的新的突破。随着科学实验的发展，任何已有的理论都要不断发展，甚至会彻底更新，不存在什么绝对不变的级极真理。坂田昌一起1968年的论文《现代科学的哲学和方法论》中指出，现代科学的特点是：它认识到任何科学规律都有一定的应用范围，自然界的各个层次在性质上互不相同，各自遵循它自身的规律，而且每一个层次都永远处于发生、消灭和转化之中，物理学近年的发展更增强了这种看法。

现代物理学的研究方法，也出现了一些新的特点。

随着工业和生产技术的巨大发展，二十世纪初以来物理实验提供了电子显微镜、射电望远镜、高能加器、电子计算机等大批大型、精密提实验装置，光谱分析、质谱分析、X射线衍射等分析技术也

得到了很大的发展，从而使物理学实验在精密、高能、快速和自动化方面达到了新的水平，物理学观测的视野也得一很大的拓展。现代物理学实验除了能够用更有效的手段纯化实验条件和隔离实验因素之外，还发展了有效地施加外部干扰和使研究对象处于极限条件，在对象的激发状态或破坏状态下进行观测的实验方法，这就更加充分地发挥了实验的变革作用和控制作用，以更好地揭露物理现象中各种内在的和外在因素之间的相互联系，另外，现代物理实验的规模越来越大，它的集体化、社会化的程度也越来越高，许多实验是在较大规模的实验机构中刊物，有些实验需要组织甚至国际的力量才能完成，例如，现代高能物理实验，往往要在几千亿电子伏特的能量范围，上百万美元的费用，几十个人在几年的时间内才能完成；为了得到所需要的实验信息，物理学家们必须把大部分精力用于荆发仪表和技术，实验的准备工作往往比实验本身困难得多，这样的实验是靠个人力量所不能完成的。

还需指出，随着实验研究对象远离人们直观经验的领域，关于物理实验的方法论思想也发生了变化。传统的观点认为，观察和实验是不依赖于理论的，实验方法的本质是完全离开理性的体系而诉诸无情的事实的裁判。但是，现代物理学实验的发展却使人们愈来愈认识到实验与观察依赖于理论，通过实验所获得的认识实际上要受制于仪器和实验设计中所蕴含的假设，所以是不可能摆脱理性思维的指导的。

由于现代物理研究的内容远离实践经验的范围，理论体系高度抽象化和脱离直觉经验的待征无可避免地日益加强，这使通常的思维方式和机械论的观点愈来愈无能力；创造性思维如抽象思维、科学想象、理想实验、试探猜测和大胆假设以及直觉、灵感等方法在建立新物理学理论中的作用愈来愈突出了，人们愈来愈认识到，传统归纳法和演绎法很难使人类思维成真正创造性的根源。爱因斯坦认为，理论观念的产生固然是建立在经验的基本之上的，但是理论不可能逻辑地从经验事实中导出，“在建立科学时，我们免不了要自由地创造概念”。他特别指出，物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是单纯地由外在世界所决定的.爱因斯坦明确指出了从经验事实到科学理论并没有逻辑的通道，任何一个虽然可以通过不同的途径、运用各种不同的方法建立起来，使本质上都是一种为解决科学所提出的问题而作出的尝试性的猜测，必须依赖于以对经验的共鸣的理解为依据的直觉；而这样建立起来的理论也不会是唯一的，对应于同一组经验事实或同一科学问题，可以建立起各种不同的理论。

这样，在科学研究中主体和客体的关系问题，也就突出出来了，客观事物的存在是不以观察者的意识和存在为转移的，但对自然事物的认识却离不开主体，在近代科学发展的早期，人们曾以为认识可以在毫不改变客体来来面目的情况下实现；即使主体必须在必须在变革客体的过程中认识客体，这种变革所产生的影响也是可以运

用逻辑抽象掉的。但是到了二十世纪，随着科学实验的发展，特别是在微观物理学的研究领域中，由于微观物理的特殊本性以及观测仪器与被观测系统之间不可避免的干扰的存在，主体在认识过程中的巨大的能动作用已成为现代科学方法的一个基本特点。

经典物理学时期，也是科学注重于本体论的探索的时期，人们把“现象-规律-实体”作为把科学研究向纵深推进的基本线索。这无疑是一种有效的方法，今后也还会继续发挥其认识的作用，不过，在现代物理学的研究中，人们更注重于关系和模型，这是一个能动的认识论的时代，一些学者认为，把西方科学中的重视实体，强调经验、分析和定量表述的方法与中国传统哲学中重视关系，强调整体、协调和转化的思想结合起来，将会导致一种更加符合我们时代的科学精神的新的自然面和科学认识方法。

科学活动更加社会化和体制化的趋势，在物理学研究中也体现出来，十九世纪前期，科学的进步基本上是通过科学家个人的自由研究实现的，然而，由于工业革命的发展、生产规模的扩大和科学作用的增强，从十九世纪下半叶开始，科学活动日益集中于工业实验室、高等学校以及专门的机构中，二十世纪以来，特别是两次世界大战中各种新式武器的研制以及作战计划的研究方面的惊人成果，更引起产业界、军界和政府对维持和推进科学研究的重视，全面推动科学和技术的振兴，已经成为各国的基本国策。特别是由于原子能科学、航天技术、高能物理、极地考察等“大科学”的出

现，科学活动进入到国家规模。

在科学活动社会化的转变中，物理学处于中心的地位，这一方面是因为物理学在两次世界大战中成为研制飞机、潜水艇、坦克、雷达、火箭、导弹和原子弹的理论基础，并在战后成为全面技术革新的基础；同时还因为物理学已深入物质的内部结构和浩瀚的宇宙空间，推进到各种极端条件下物质特性的研究，要完成许多规模巨大、内容十分复杂的项目的研究，为了满足这种研究的需要，实验设备必须是大规模的，必然要进行多学科的协作，并协员许多产业和技术部门的力量。例如，为探索原子核和基本粒子内部秘密所应用的高能加速器，就要求有上百万的电力能源，用上万吨钢铁来建筑，这就必然要动员庞大的科学技术队伍进行兴建和管理。美国的阿波罗登月计划的实施，动员了二万多家工厂和公司，一百多所大学生实验室。四十多万人力，资三百多亿美元。这决不是个别实验或大企业进行，科学活动的国家化和社会化是科学技术发展的必然趋，这一趋也促进了各个学科高度综合性的发展。

应该指出的是，科学活动的社会化和国家规模的控制协调，并不排除个人的自由探讨和个人积极性的充分发挥。科学是创造性的探索活动，任何新思想、新发现都不会是许多人同时提出和得到的。在一个科学集体中个人的独创性发挥是越充分，研究工作就会越加生气勃勃、硕果累累。在基础理论的研究中，个人的自由探讨更不可或缺的，另外，科学通过技术转化为巨大的生产力的事实，也使