20世纪的物理学经历了什么

在19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很有名的话，就是“19世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。

这两朵乌云指什么呢，一个是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问另外一个是关于黑体辐射的，谱形没有得到很好的解释。这两个理论问题都没有很好的解决，所以说在晴朗的天空上还留有两朵乌云。

这是19世纪物理学家说的话，没有想到这就成为了20世纪物理学发展的序幕。第一朵乌云的驱散，导致了狭义相对论的诞生，另外一朵乌云的澄清。导致了量子力学诞生。这两朵乌云一澄清以后，物理学就有飞速发展。

我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。狭义相对论之所以提出来，是针对光速测量产生的。当时有好多实验，有的证明了以太是静止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太是随着物质的运动而部分地带运动的。所以这个以太就成为了一个“谜”。

爱因斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光源的速度是多少，观察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在运行。

根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱因斯坦就提出了狭义相对论，这是人们对事件空间的观念的一个转变。

在狭义相对论中发现，牛顿力学需要有修正。牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候，运动规律就有很大的修改。同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现，比如钟慢尺缩。

20世纪另外一个重大的发现是量子力学，量子力学的发现是由于黑体辐射问题很难得到一个统一的解决而产生出的问题。这一件事情，当时有一个大物理学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收，而是以一个一个光量子的形态来出现，这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光的频率。

这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应，进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外，还具有动量，这个动量就是普朗克常数h乘以振动频率再除以光速c。

光子就不再简单看作电磁波的振动，也看作是粒子，这个粒子既有能量又有动量。后来康普顿和吴有训先生在实验上证明了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。

进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子而普通称为粒子的电子，中子，质子3，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的波粒二象性。这就是德布洛意波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成量子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。我觉得这两件事情就是20世纪物理的重大发现.

记 者：20世纪三大发现中，这两大发现都是物理学的。

何祚庥：是的。我可以这样来评价一下物理学的大发现。物理学的大发现，在历史上有三次。第一次是牛顿力学。牛顿力学以及当时跟牛顿力学有关系的科学所发现的物理学定律是宏观的低速运动的规律。因为牛顿力学讨论象地球，太阳，月球这些天体运动，即讨论对象的运动速度是慢的，物体是宏观的。

记 者：所以说牛顿力学勾画的是经典物理学的图景。

何祚庥：对。到后来，人们研究了电磁相互作用的定律。电磁相互作用定律的一个重要特点就是以光速而运动。电磁波的运动可以说是一种宏观而高速的运动。到了爱因斯坦的相对论，就把宏观低速运动和高速运动有机的联系在一起，其中，描写光的高速运动的麦克斯韦方程却自然而然的满足狭义相对论。

这就是物理学的第二次突破，爱因斯坦，包括他的前人麦克斯韦就发现了宏观高速运动的规律。第三次突破是量子力学。量子力学回答的是微观粒子的运动规律，而薛定鄂，海森堡的量子力学是涉及微观低速作用下的规律。

这三次突破都引起了生产技术的重大变革。牛顿力学奠定的是机械工程等方面的基础，麦克斯韦方程，狭义相对论是我们现代电气化的支撑，至于第三次大突破的量子力学的出现，就涉及化学运动的规律，半导体的规律，原子核运动的规律等。我们现在面临的原子能时代，电脑时代的技术，都是量子力学的贡献。物理学每一次划时代的发现都带来了划时代技术的进展。

20世纪的物理学革命大大改变了我们对于空间、时间和物质以及我们自己在宇宙中的存在等问题的思考方式。它对许多诸如事物的终极本质、宇宙如何起源等一些重大问题做出了解答。它动摇了我们关于牛顿宇宙和宿命论的观念，并提出了有关平行宇宙、时间旅行和万物起源的问题。同时，我们也目睹了物理学家追求统一理论的令人惊叹的努力。有了这样一个理论，众多物体、所有粒子的类型以及它们的相互作用都可由之推得。本书讲述的就是有关这些发现以及做出这些发现的人们的故事，很大程度上是通过讲述获得诺贝尔奖的物理学家们的工作展开的。

该书生动地介绍了20世纪物理学的主要脉络，旨在激起中学高年级学生、大学生和教师们的兴趣，它也会引起对科学真正有兴趣的广大普通读者的注意。书中也放入了必不可少的数学细节，但对它们的解释和处理颇具匠心，使得读者略过它们也能连贯地读完本书。