物理百年（上），本文主要内容关键词为：物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一个时代的诞生（1896—1899）
19世纪末，自希腊哲学家的求知奋斗进行了两千多年之后。物理学家有理由认为他们开始了解这个宇宙了。他们关于物质和能量、电和磁、热、声和光的理论在世界各地的实验室都被越来越精确地证实了。这个宏伟连贯的知识体系叫做经典物理学，它的方法是实验，而它的语言则是数学。
在进入20世纪之前和之后的几年中，世界有一个短暂的没有战争和叛乱的喘息时期。科学、技术和工业的重要成就（如横越大西洋电报电缆的铺设），使人们憧憬着一个和平昌盛的未来。但是在这表面的平静下，在政治方面和科学方面一些引发混乱的根源却在静静地积蓄力量。即使是经典物理学的牢固基础也出现了惊人的裂痕。人们在实验与理论的碰撞中发现了一些不一致的情况。其中最令人不安的可能是未发现以太。在经典物理理论中，人们普遍认为是一种波，波的传播是需要媒介的。实验证明，光可以在真空中传播。于是，物理学家就设想真空中依然存在一种物质——“以太”，做为光传播所必须的介质。物理学家设计了大量的实验，试图描述“以太”的性质，但最终没有得到可信的结果。光可以不依赖于某种介质的存在传播，这对于光的本质和波的传播机理都提出了挑战。
另外的一些令人迷惑不解的情况是偶然出现的。1895年11月8 日德国物理学家伦琴偶然发现一种方法可以产生能够穿透黑纸、甚至活的肌肉的奇怪射线。由于X是代数中的未知数，伦琴就把这种射线叫做X射线。12月时，他利用X射线拍下了人骨骼的照片。还不到一年X射线的实用价值就广为人知了。全世界迅速推广使用X 射线的情况预示了在下个世纪科学家、工程师和发明家将把基础理论上的发现变成应用技术的情况。但是还没有人知道X射线是从哪里来的。 放射现象的发现最终标志着物理学开始了一个新的时代。当1898年波兰出生的物理学家居里鉴别出元素钋会发出辐射时，天然放射性元素的发现成为研究的热点。这个发现动摇了人们从希腊人那里继承下来的认为元素是永恒的，而它们的原子是不可灭的信念。
是什么东西引起原子衰变？
它们是由什么组成的？
在原子内部是什么力在起作用？
这些问题对物理学来说是全新的，这些问题的答案对我们生活的影响程度是生活在1900年的人所无法想象的。
新物理学的基础（1900—1910）
20世纪是以飞机、大量生产的汽车和横跨大西洋的无线电通讯等一系列新鲜事物开始的。它们改变了这个世界；但与些同时，遍及整个物理学领域的变化却更加强烈。这些变化不仅带来了不同的生活方式，而且带来了新的思维方法。
近代物理学是从经典物理学发展起来并建立在三大支柱上的：描写原子及其核的量子理论、研究时间与空间关系的狭义相对论和对引力进行解释的广义相对论。后面两个完全是爱因斯坦一人创立的，甚至于对量子理论他也在其形成初期做过关键性的贡献。
爱因斯坦的奇迹发生在1905年他在瑞士伯尔尼当专利审查员的时候。这年3月他提交了一份报告，在报告中他提出， 被传统物理学作为波现象处理的光也可以看作是由叫作量子的一个个分立的微小能量组成。这个看法意味着光的波粒二象性成为新的量子理论的奠基石。这年5月他又提出悬浮在水中的花粉的无规律运动是无数看不见的分子互相碰撞的结果。当这个理论在实验室里得到证实的时候，即使是最怀疑他的物理学家也不得不承认原子是真正的物质实体（在此之前原子的存在一直只是一种推测）。
物理学的触角的扩展（1915—1924）
1914—1918年四年期间，第一次世界大战席卷了整个世界，并给科学探索投下了阴影。战争过后当科学家能够重新进行研究时，他们立即利用在战前已经完善了的思想工具把物理学在广度和深度方面加以扩展。
在宇宙领域，广义相对论提供了一个理论框架；巨型望远镜在加州的晴空为物理宇宙学——研究宇宙的结构及其历史的科学——的出现奠立了观测的基础。至关重要的第一步是对广义相对论的检验。1919年当爱因斯坦所预言的太阳使星光弯曲的现象被观察到时，他立即成为国际传媒关注的焦点人物。虽然多数人并不能完全理解这个时空曲率，但是它似乎却成了一种抓住了广大群众想象力的对宇宙结构的真知灼见。之后，广义相对论又为许许多多的观察所证实，时至今日，它一直是关于引力的正确理论。但是在以后的10年中宇宙学本身的研究却带来了意想不到的结果。经典物理学在解决原子领域的问题上，仍存在着若干问题。全球的物理学家为此做出了不懈的努力，丹麦物理学家玻尔的理论仅在解释原子发射光谱和X射线的特性方面取得了有限的成功。1923年，31 岁的法国物理学家德布罗意完成他的博士论文。由于受到爱因斯坦对于光做出的波粒二象性解释的影响，他考虑将波粒二象性应用于物质粒子。他特别提到了电子也有和波一样的性质，甚至给出了电子的波长公式。他的“物质波”理论说明了亚原子粒子的波能够穿透势垒，这个理论得到了爱因斯坦的大力支持。1927年，美国科学家用实验证实了电子的波动性，并且测出的波长与德布罗意的理论推断结果完全一致。
原子语言（1925—1934）
汹涌澎湃的20年代是一个赛车、爵士乐、大众化收音机和非法酒宴的喧闹时代。在股票市场的暴跌——它引发了1929年的大萧条——结束了这个时代之前，20年代带来了诸如发明电视机和喷气机以及1927年查尔斯·林德伯格首次完成独自飞越大西洋等人类的和技术的成就。在公众的喧哗声之外，这个激动人心的气氛还产生了物理学史上最重大的成就——量子力学的确立。
由爱因斯坦和波尔率先提出的量子理论在当时还很不完善，存在着诸多自相矛盾之处。1925年夏，年仅23岁的德国物理学家海森堡发表了题为《量子论对动力学和力学关系的再解释》的论文，提出不必设定一些无法准确测量的量，如电子在原子中的位置和速度，就可以描述原子的状态。使用矩阵力学的形式，通过一些可测的物理量，如原子发射光谱的频率，对原子的状态及变化过程进行描述。他于1927年发表的“测不准”原理，阐述某些成对的物理量，如位置和动量，永远是相互影响，虽然都可以测量，但永远不可能同时得出精确值。矩阵力学把量子理论发展到了一个新的高度。
海森堡的矩阵提供了正确答案，但是却没有提供原子内部的可见图像。1925—1926年的冬天，奥地利物理学家薛定谔成功地发现了一种在直觉上更加吸引人的描述方法。使用这个方法，德布罗意波可以作为薛定谔方程解的一种表达形式。发光物体发出的分立的颜色表明约束在一个原子内的电子波具有特定的频率，正像一支笛子里的声波只能有分立的频率一样。
新理论的诞生在1926年3月薛定谔的惊人证明中达到顶峰：他的公式和海森堡的公式虽然表面看来是如此不同，但从数学角度看却是等值的。自此之后，两种表现形式的量子力学便取代了牛顿力学，作为对原子粒子的正确描述。它包含波粒的二象性，并在处理物质的基本粒子的基元方面，用概率代替了确定性。与狭义的和广义的相对论比较，它和经典物理学的决裂程度更加彻底。在这个世纪以后的70多年中它通过了所有的实验检验。
二次世界大战期间的物理学（1935—1944）
整个20世纪30年代，在美国与大萧条搏斗、阿道夫·希特勒在德国拥有绝对权力的时候，物理学家仍继续跨越国界静静地协作。量子力学已经证明是研究固态物质、分子和原子的可靠框架。中子的发现和粒子加速器的发明开辟了核物理学这门新的学科。虽然原子核的大小是原子的10万分之一，但它却集中了整个原子所具有的能量中的绝大部分，量子力学继续被证明是卓有成效的。这时物理学的前景似乎是看好了，但是1939年爆发了二次世界大战，战争把整个世界，包括物理学界都卷进了它的漩涡。物理学家和工程师通过研制出雷达帮助英国赢得了空中战争，而它们的德国敌人也设计出了威胁伦敦的V－2火箭。不过具有更重大历史意义的还是原子弹的制造。
原子裂变在欧洲刚一被发现，就明显表明如果能够找到方法将它的能量在炸弹中释放的话，就能改变战争的进程。在美国有许多物理学家，其中不少是来自欧洲，担心希特勒会掌握这种武器，他们说服天性爱好和平的爱因斯坦向罗斯福总统提出有关警告。在1939年8月2日的一封急件中，爱因斯坦用下面一段话表明这个危险：“可以想象得出，一种杀伤力极大的新型炸弹可能被制造出来。”爱因斯坦的信没有立即产生效果，但是它最终在劝说美国开始制造原子弹的巨大工程方面起了积极的作用。
被选中领导这个项目的是理论物理学家奥本海默。虽然他没有工业甚至实验方面的经验，事实却证明他是一个能力很强的领导者。他在新墨西哥偏僻的平顶山上的研究小组，以及在其它几个秘密实验室的研究小组拥有美国最优秀的物理学家。奥本海默凭借他杰出的智慧，把小组组织起来共同设计和制造原子弹，并于1945年6月成功地进行了试验。
1945年8 月两颗原子弹在日本广岛和长崎的投放使二次世界大战迅速结束。然而，原子弹爆炸后遗留下来的影响却长时间仍可以被感觉得到。美苏两国冷战期间核武器竞赛主宰这个世界几乎达半个世纪之久。