物理学中长期悬而未决的问题

 (一)概况英国物理学家开尔文在1900年瞻望20世纪物理学时曾说:“在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”。为驱散这两朵乌云,诞生了相对论和量子论,导致了20世纪人类社会空前的技术进步,极大地改变了人类的生产方式和生活方式,并促使人类整个自然科学的改观。与19世纪相比,本世纪的物理学取得了更加辉煌的成就。     

量子论的建立和发展

 19世纪与20世纪之交,是物理学发展史上不平凡的时期。经典理论的完整大厦与晴朗天空的远方飘浮着两朵小小的乌云,勾画出19世纪末的画卷;20世纪初,新现象、新理论犹如雨后春笋不断涌现,物理学界思想异常活跃,堪称物理学的黄金时代。量子论和相对论的诞生驱散了乌云,使整个物理学面貌一新。 马克思有句名言:“历史上有惊人的相似之处”。当前,正处于新的世纪之交。20世纪物理学硕果累累,但也遇到两大困惑:“夸克禁闭”、“对称性破缺”,这预示着物理学正面临新的挑战。     

20世纪物理学革命的启示

 回顾百年前发生的物理学革命是令人激动不已的,那一段时期发生的故事可以说是百听不厌,给我们的启示则是既深刻又发人深省的。19世纪末,人类完全掌握自然规律来造福人类的梦想、似乎已经到了实现的边缘。1894年美著名科学家迈克尔逊兴高采烈的宣称:“尽管谁也不会轻率断言,未来物理科学再也不会提出什么使人惊奇的东西来,未来物理学的真理将在小数点后第六位寻找。”然而物理学大厦却已经山雨欲来风满楼。1900年4月27日,开尔文勋爵在英国皇家学会上以“19世纪热和光的动力理论上空的乌云”为题的长篇演讲中指出:“动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色。     

狭义相对论的建立与时代背景

经典物理学到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系,1899年开尔文提到物理界"还有两朵小小的乌云",正是这两朵"小小的乌云"不断扩大,酿成了物理学一场革命风暴,最终导致了量子论和相对论的诞生,从而开创了物理学的新纪元.     

电磁学以及相对性原理和狭义相对论的变革

19世纪的物理学在热力学、光学、电磁理论和统计力学等方面取得了重大进展。以至到19世纪末,不少学者以为物理学已经基本完成。著名物理学家迈克尔逊就认为：“当然无法绝然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹,但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立,而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。一位卓越的物理学家曾经说过,物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索。”然而,恰恰是他为首的以太漂移实验的零结果和黑体辐射与理论的冲突,成为晴朗天空中的“两朵乌云”。     

科学晴空中的两朵乌云——生命科学专题之一

遗传语言的解读和生物分子手性起源佯谬的解释，是两个牵动当今和今后几十年自然科学整体发展的重要问题，本文称之为两朵乌云，并对此进行了分析。     

暗物质的天体物理限制

正1.引言暗物质和暗能量是飘在现代物理学和天文学上空的"两朵乌云"。我们日常所熟悉的各种东西,如花草、土石、水与空气等,乃至组成它们的分子、原子甚至电子、光子等,只占整个宇宙组成的约5%。目前的粒子物理标准模型也仅限于解释这5%的宇宙组成,剩下的95%只是由它们的万有引力效     

《相对论、宇宙与时空》连载②——爱因斯坦与狭义相对论(上)

1 两朵乌云 1900年,就是八国联军侵略中国的那一年,东方各国大都处于西方帝国主义的奴役之下,只有日本由于明治维新而走上了富强的道路.那年的4月27日,在英国皇家学会迎接新世纪的年会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言.     

从J.H.Schn的科学不端行为探讨防范对策

20世纪末和21世纪初世界科学行为的上空出现了三朵乌云,第一朵是科学前沿的原创活动中出现了实验数据的作假和虚构现象,严格地说出现了行为严重的科学不端事件;第二朵是一般科技研究人员中产生了为数不算少的范围不同的抄袭甚至剽窃的严重问题;第三朵是在研究生的习作和学位论文中出现了将互联网上的信息、资料和国内外披露或发表的论文片断予以摘引、拼凑或连接而构成"论文"的屡见不鲜的情况.这些利用信息技术和设施发展不平衡的背景,以授其奸的科学不端行为,严重违犯了国际科学界长期形成的周知科学准则和科学精神,引起了舆论的普遍贬斥和指责.文章仅就普世关注的、关系到近年来世界科学发展和影响最大的事件--舍恩(J. Hendrick Schn)博士的不端科学行为,作为一个案例予以分析."麻雀虽小,五脏俱全",通过这个分析可以从中得出一些对科学不端行为的防范和决策等有益的启示.     

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20世纪末和21世纪初世界科学行为的上空出现了三朵乌云,第一朵是科学前沿的原创活动中出现了实验数据的作假和虚构现象,严格地说出现了行为严重的科学不端事件;第二朵是一般科技研究人员中产生了为数不算少的范围不同的抄袭甚至剽窃的严重问题;第三朵是在研究生的习作和学位论文中出现了将互联网上的信息、资料和国内外披露或发表的论文片断予以摘引、拼凑或连接而构成"论文"的屡见不鲜的情况.这些利用信息技术和设施发展不平衡的背景,以授其奸的科学不端行为,严重违犯了国际科学界长期形成的周知科学准则和科学精神,引起了舆论的普遍贬斥和指责.文章仅就普世关注的、关系到近年来世界科学发展和影响最大的事件--舍恩(J. Hendrick Schn)博士的不端科学行为,作为一个案例予以分析."麻雀虽小,五脏俱全",通过这个分析可以从中得出一些对科学不端行为的防范和决策等有益的启示.     

从J．H．Schōn的科学不端行为探讨防范对策

20世纪末和21世纪初世界科学行为的上空出现了三朵乌云，第一朵是科学前沿的原创活动中出现了实验数据的作假和虚构现象，严格地说出现了行为严重的科学不端事件；第二朵是一般科技研究人员中产生了为数不算少的范围不同的抄袭甚至剽窃的严重问题；第三朵是在研究生的习作和学位论文中出现了将互联网上的信息、资料和国内外披露或发表的论文片断予以摘引、拼凑或连接而构成“论文”的屡见不鲜的情况．这些利用信息技术和设施发展不平衡的背景，以授其奸的科学不端行为，严重违犯了国际科学界长期形成的周知科学准则和科学精神，引起了舆论的普遍贬斥和指责．文章仅就普世关注的、关系到近年来世界科学发展和影响最大的事件——舍恩(J．Hendrick Schōn)博士的不端科学行为，作为一个案例予以分析．“麻雀虽小，五脏俱全”，通过这个分析可以从中得出一些对科学不端行为的防范和决策等有益的启示．     

开尔文勋爵的“两朵乌云”

一些科学史和自然辩证法文章,常常提到开尔文勋爵所谓的“两朵乌云“.但是,几乎所有的叙述都是以讹传讹,与历史事实大相径庭.1981年某刊物的一篇文章就写道:“著名的物理学家开尔文在二十世纪第一个春天的‘新年贺词’中曾把黑体辐射之谜比喻为物理学晴朗天空中的远处飘浮着的‘令人不安的乌云’.”类似的议论也出现在近年来的有关出版物中,例如《爱因斯坦》(1979年)、《基础科学及其辩证法》(1980年)和《自然科学哲学问题论丛》第一辑(1981年)等.就连日本著名的科学史家广重彻在叙述这个问题的也有不确切之处,他竟然把时间也弄错了(说讲演…     

物理学技术革命之第二次量子技术革命

 1665年，一场可怕的瘟疫在英国伦敦流行，剑桥大学被迫停课，学生们都回家躲避。当时只有23岁的艾萨克·牛顿（Issac Newton）也在其中，回到了位于伍尔索普村的一个庄园里，在这里待了18个月。这段时期被晚年的牛顿称为"是我发明创造时期的顶峰"，正是在这段时期里，牛顿潜心自由的钻研开普勒、笛卡尔、阿基米德、伽利略等前辈科学家的主要论著，并发明了微积分，发现了牛顿运动的定律、万有引力定律以及光色散定律等一生中最伟大的几个成就。牛顿将力学体系化后，当时处于萌芽阶段的机械制造有了理论基础，快速发展起来。后来蒸汽机被发明，且不断的被改进提升效率，由蒸汽机带来的"动力革命"引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃，促使了纺织、船舶、铁路等产业飞速发展，这场"动力革命"也被称之为第一次工业革命。1873年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwel）出版了《论电和磁》，建立了完整的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，并预言了电磁波。对于麦克斯韦来说，他是站在法拉和W.汤姆逊这两位巨人的肩上。他面对众说纷纭的电磁理论，以深邃的洞察力完成了电、磁、光的统一。有了电磁理论的支撑，发电机和电动机相继问世，电器开始用于代替机器，进入人们的生活和生产中。强电能够提供绝大部分生产和生活的能源，而弱电能够提供主要的通信手段（电报、电话等），从此电力开始成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源。另一方面，在1862年，法国人德罗夏提出了四冲程理论，成为内燃机发明的科学基础。19世纪70~80年代，以煤气、汽油为燃料的内燃机相继问世，此后不久，以柴油为燃料的内燃机也研制成功。内燃机的工作效率远远高于蒸汽机，大大提高了工业部门的生产力，特别是迅速推动了交通运输领域的革新。如果使用蒸汽机来发动汽车的话，恐怕需要数十平方米的空间才能容纳动力部分。而如果利用油气为原料的内燃机，动力部分可以缩小放置于仅四平米的汽车当中。这场"电气革命"也被称之为第二次工业革命。19世纪末期，经典力学与电动力学的理论框架已建立完善，并完成了机械革命和电气革命。当时的物理学家普遍很自满的认为，所有的物理系统都可以被经典力学与电动力学的基本方程描述，尽管还存在"两朵乌云"，其中一朵便是黑体辐射中的紫外发散问题。然而正是这一朵乌云，逐渐发酵导     

邮票上的得诺贝尔奖的物理学家和工作

一、总的介绍 每年１１月,全球学术界的目光都注视着瑞典首都斯德哥尔摩,看今年的诺贝尔奖将颁给哪些人．诺贝尔奖现在已成为有关学科的国际最高荣誉奖．虽然也存在一些争议,特别是在和平奖和文学奖的授予上,但是在自然科学的几个奖项（物理奖、化学奖、生理学或医学奖）上,争议是比较少的（不是没有,我们下面会讲到）．就物理奖而言,每年得诺贝尔奖的工作,基本上反映了过去一些年里物理学领域内的最高水平;而历年的诺贝尔奖得奖名单,连起来就是一部近代物理学史．例如,１９世纪末的三大发现,上一个世纪之交时的“两朵乌云”和…     

邮票上的得诺贝尔奖的物理学家和工作

 一、总的介绍每年１１月,全球学术界的目光都注视着瑞典首都斯德哥尔摩,看今年的诺贝尔奖将颁给哪些人．诺贝尔奖现在已成为有关学科的国际最高荣誉奖．虽然也存在一些争议,特别是在和平奖和文学奖的授予上,但是在自然科学的几个奖项（物理奖、化学奖、生理学或医学奖）上,争议是比较少的（不是没有,我们下面会讲到）．就物理奖而言,每年得诺贝尔奖的工作,基本上反映了过去一些年里物理学领域内的最高水平;而历年的诺贝尔奖得奖名单,连起来就是一部近代物理学史．例如,１９世纪末的三大发现,上一个世纪之交时的“两朵乌云”和它们带来的相对论和量子论两大革命理论的建立,在诺贝尔奖的得奖名单上都得到了反映．     

对普朗克常数h的思考

 1900年普朗克(Planck)为解释黑体幅射的能量-波长实验曲线,提出辐射能量的不连续性概念,即任何能量都是某最小能量的整数倍,而此最小能量中的比例系数便是普朗克常数h,h=6·63×10^-34焦耳·秒(J·s)。物理学为简化公式常用h-=h/2π,h-称为约化普朗克常数。h是微观现象量子特性的表征。h的提出是对传统物理的划时代挑战,开创了量子力学的新纪元。常数h的推导19世纪末,在物理学上空飘起的一朵乌云是黑体(只能吸收而不能反射或透射电磁幅射的物体)辐射能量按波长的分布曲线在整个波段理论计算和实验结果总是不一致。其中维恩导出的公式适合短波部分而瑞利-金斯导出的公式适合长波部分.     

光中之光——从激光器的发明看创新思想的闪光

 物理是一门涵盖极广的学科,它的发展过程不仅给人类带来无数进步,更折射出许多可贵的思想。这些思想不仅在物理学,更在人类社会进步的天空中闪耀着不灭的光辉。如今就让我们从物理学史中截取一朵小小的浪花,从中或可触及到那光辉的印迹。激光(LASER---LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)是20世纪60年代发现的新型光源。与普通光相比,它有许多优异的特性。首先激光具有高单色性。这种高单色性不仅在彩色电视的制作技术中大有用武之地,还能极其精确的测量物体的长度和运动的速度。     

核物理学前沿领域中的“五位巾帼英雄”

 从19 世纪末开始,随着原子核结构的探索,核裂变的发现以及核理论研究的不断深入,到了20 世纪30 年代以后,核科学就逐步进入了一个向纵深发展和广泛应用的新的更加成熟的阶段。面临着这种宏伟壮观和激动人心的发展局面,使我们不由地回想起那些曾为此而作出过杰出贡献的女科学家们。     

电学系统与分析力学

物理系统常常有惊人的相似之处，电学系统与力学系统虽然是完全不同的两类系统，但描述它们的微分方程式却可以是完全一样的．这种情形可以启发我们深入思考它的实用意义．例如，可以实现力学系统的电学模拟，可以用分析力学的方法来研究电学系统或者电学、力学混合系统等等。