为了广泛宣传20世纪科学的巨大成就和由此带来的新观点、新思想,上海科技史学会、上海科影厂和中科院上海生化所联合摄制了电视系列片《世纪钟——204纪科学革命》。全片由《巡天》(天文学)、《跃迁》(物理学)、《耗散》(化学)、《寻根》(生物学)、《漂移》(地学)共五集组成。此片本着科学的精神,以富有哲理的语言,用丰富多彩的画面将20世纪科学上的重大发现和新观点奉献给观众。
此片由张沁源、韩王荣、叶齐撰稿,钱伟长、谢希德等著名科学家任科学顾问,胡敬先导演。
这里选登其中的一集《跃迁》的解说词,以飨读者。
人类文明敲响的20世纪钟声,拉开了现代科学革命的帷幕。
伴随着世纪钟声的节拍,科学的每一分支几乎都经历着一场振聋发聩的革命。
当我们已步入20世纪的最后十年,在将要迎来21世纪钟声的时刻,难道不想更多地了解20世纪的科学精华?难道不想带着20世纪人类的骄傲和责任把我们的才智更好地奉献给未来?
让新世纪的钟声更宏亮地回荡在地球的上空。
第二集 跃迁
当你登上这便捷的自动扶梯上楼的时候,当你乘坐现代化交通工具旅行的时候,当你使用集装箱运载大批货物的时候,你是否知道,这是物理学进步带给你的馈赠和方便?
当远方的亲人和你“面对面”交谈的时候,当悬浮列车紧贴着地面飞驰的时候,你是否感到,这是物理学进步带来的巨大威力。
物理学,渗透现代文明的每一个时刻,物理学,遍及大千世界的每一个空间。
从艾萨克 · 牛顿建立三大运动定律和万有引力定律,到人类社会先后进入蒸汽机时代和电力时代的三百多年间,牛顿理论被视为物理学的经典。
直到19世纪末,人们还怀有这样的信念:一切自然过程都是连续的,“过去”和“现在”还没有分手,“现在”已把“未来”抱在怀中。
时间和空间是物质演变的舞台,即使演员全部退场,舞台照样巍然不动。
经典物理学成功地解释了一些天体和地面上物体的运动规律。
世纪的法国科学家拉普拉斯认为:已经可以用一个简单的公式来概括宇宙万物的运动了。
英国科学家法拉第、麦克斯韦对电磁学的贡献使经典物理学更完美。这标志着近代力学诞生的比萨斜塔也成了经典物理学的象征。
上世纪末的许多科学家相信,物理学在理论上不会再有新的突破。然而,科学是不会停止发展的。尽管经典物理学取得了巨大的成就,但它不能解释在地球上为什么测不到光介质以太的运动,也不能解释黑体热辐射的谱线。
英国科学家开耳芬勋爵在20世纪钟声敲响后不久就宣布,在物理学晴朗的天空中漂浮着两朵令人不安的“乌云”,那就是“以太危机”和黑体辐射中的“紫外灾难”。
面对危机,有的科学家抱住经典物理学的观念不放,钻进了死胡同;有的科学家在信仰牛顿和承认事实之间茫茫然不知所从,痛苦不堪;更有一些富有批判、创新精神的科学家在积极地思考,勇敢地探索。
本世纪初,新的物理学理论相对论和量子论像一对孪生子一样在物理学革命中诞生了,从此物理学进入了一个光辉灿烂的新时代。
1900年12月14日,德国物理学家普朗克大胆地提出了黑体辐射过程中的能量交换是一份一份进行的,能量交换的最小值等于一个极小的常数和频率的乘积。
这个常数后来被称为普朗克常数,它在小数点后第34位才出现有效数字。
· 普朗克向一切自然过程都是连续的这一经典物理学的观念提出了挑战。
此后,跃迁这个词汇成了20世纪物理学的重要术语
从普朗克起,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、薛定锷、海森伯等前后两代物理学家的努力,在本世纪20年代建立了量子力学>人类的认识终于进入了微观世界的神秘领域。
微观粒子既是粒子又是波,是波动性和粒子性的微妙结合,这种结合,不能曲解为艺术作品中狮身和人面或者人身和鱼尾那样简单的揉和。
微观粒子米无踪去无;影,它们没有运动轨迹,只有几率分布。几率,这个一度被看成是不光彩的赌博的语言,如今已堂而皇之地迈进了物理学殿堂。
在微观世界里,粒子的位置和动量不能同时确定,时间和能量也不能同时确定,这便是海森伯发现的测不准原理。
奇妙的量子行为,激发起许多物理学家深入探秘的激情,也使一些人感到困惑,他们或者想方设法把新思想纳入旧轨道,或者指责新思想是不可知论。
探索微观领域的奥秘,寻找微观世界的法则,是众多物理学家的共同目标。
量子力学是微观世界基本法则吗?在这点上,迄今还存在着分歧。
爱因斯坦对量子力学的几率解释深感不满,用“上帝不会在掷骰子”这句名言表达了他的观点。他坚信决定论,因果律,认定未来同过去一样,它的每一个细节都是确定的。
量子论的另一位创始人玻尔则认定微观粒子的几率描述就是微观世界的基本法则,他反对机械论的决定论。
今天看来,大多数人是赞同玻尔的观点。然而,科学是在论战中壮大的,是在争议中前进的。其理就是在不同学派、不同观点、不同思想的毫无拘束的争论中逐渐逼近的。
当然科学更需要探索者正确的哲学思维和无私的执着追求。
可以说20世纪物理学的另一基础理论相对论,就是哲学和科学的共同结晶。20世纪初的一位著名物理学家能斯脱曾不无夸张地说过,与其说相对论是物理学,还不如说它是哲学。确实,爱因斯坦凭藉他那深邃的哲学思维,立足于对和谐、对称、统一的物质世界的追求,使他走到了他那时代的所有物理学家的前列,一部新的物理学在他的执着追求下创立了。
爱因斯坦,这位与马克思,弗洛依德齐名的犹太人,16岁就开始考虑这样一个问题,当我以光速追逐这一条光线时,我将会看到什么图像呢?按照牛顿力学的观点,看到的只能是在空间停滞不前的电磁振荡,就和两辆并肩齐驱的摩托车驾驶员看到的情景相似,而按照麦克斯韦电磁场理论,看到的却还是那条光线。
在寻找物体以接近光速的高速度运动的规律时,究竟选择牛顿力学,还是选择麦克斯韦电磁场理论呢?经过10年探索,爱因斯坦挑选了后者。他写下了这段在科学史上闪烁着光辉的话:“牛顿啊,请原谅我,你所发现的道路,在你那个时代是一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路。你所创造的概念,甚至今天仍然指导着我们的物理学思想、虽然我们现在知道,如果要更加深入地了解各种联系,那就必须用另外一些离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。”
怀疑牛顿,批判牛顿,这在当时需要多么高的智慧,多么大的勇气啊!不怕权威,不畏传统,这正是爱因斯坦的伟大所在。
爱因斯坦是旧物理学的批判者,又是新物理学的建设者。
1905年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》这篇划时代的论文,标志着狭义相对论的诞生。
在相对论世界里,时间和空间不再独立,而是一个统一的四维时空。
光速是一切速度的极限,在真空中它永远等于每秒30万公里。
当物体的运动速度接近光速时,沿运动方向的长度要缩短,时间将延缓,质量会增大。
如果我们以接近光速的高速度运动,我们将看到前方物体的光谱趋向蓝色,后方物体的光谱趋向红色。沿途看到的物体,因运动方向的长度缩短而变形。我们的运动速度越接近光速,看到的这种现象越显著。
质能关系式E=mc2揭示了质量、能量在一定条件下可以相互转化。
这个公式不仅为原子能的应用开辟了道路,也摧毁了那些认为质量和能量毫无关联的形而上学的机械观。
科学家做过一个μ介子寿命的实验。低速运动的μ介子寿命短,测到的粒子数少。高速运动的μ介子寿命长,测到的粒子数多,从而证实了高速运动中的时间确实延缓。
可以想象孪生子中的哥哥,乘坐光子火箭在宇宙空间航行,由于火箭的运动速度接近光速,火箭上的时间将大大延缓,因此当他航行一周回到地面,看到其孪生弟弟时,将会意外地发现自己的弟弟已白发苍苍,而他的面貌却依然如故。
在科学家用飞机载着铯原子钟快速飞行的实验里,同样证实了时间延缓,即运动时钟会变慢。
当人们还没有对狭义相对论揭示的高速运动世界完全理解时,爱因斯坦又创立了广义相对论。
这是一个新的引力理论,比牛顿万有引力理论更向前跨了一步。
广义相对论发展了时空统一的思想。
时间、空间、物质不能分离,时间和空间不再是物质演变的舞台,而是这一演变的组成部分。
当然,这样的统一体,不能简单地用达利画中软体钟表来比喻。广义相对论预言,在大质量天体周围的空间要弯曲,时间会延缓。
黑洞是天文学家正在寻找中的质量极大的天体。理论计算表明,越接近黑洞,空间越弯曲,时间越延缓。
在黑洞视界面上,时间甚至会停止,屏幕上用时钟的指针形象地表明了这一过程,越靠近视界,指针移动得越慢。
空间弯曲将使远处星光掠过太阳表面时发生偏折。
19 19年,天文学家爱丁顿利用日全食的机会,测到了光线偏折的角度,这个角度很小,在通常情况下是难以觉察到的,但它和理论计算相当符合,这个消息通过新闻媒介传播开来,很快成为妇孺皆知的话题。人们惊讶地问道:空间,难道真的弯曲了吗?
以“光沿直线传播”的常识来衡量,爱因斯坦的预言近乎荒唐,但是,真理却往往诞生在所谓荒唐之中,那些先验的、不证自明的原理、定律,不仅是可以怀疑的,甚至是可以被推翻的,但是,我们也切不可忘记,怀疑的根据是科学,推翻的力量也还是科学。
既然时间和空间都不是绝对的,都不是毫无关联的,那还有什么理由死抱住形而上学的教条不放呢?寻求对世界多样化解释,寻求宇宙间万事万物的联系、发展和变化,正是相对论赋予人类思想的深刻启迪。
广义相对论的建立表明,在20世纪科学发展的道路上,生产和实验不再是唯一的原动力。科学家的求知欲,科学家对物质世界和谐统一的追求,科学家对正确的哲学信念的向往,同样推动着科学的进步。
狭义相对论、广义相对论和量子力学是20世纪物理学的三大基础理论。
量子力学和狭义相对论的结合,在40年代产生了能够描述电磁相互作用过程的量子电动力学。
从50年代起,物理学家进一步探索层层深入的物质结构,寻找比基本粒子还更深一层次的粒子。
著名科学家狄拉克,汤川秀树,杨振宁,李政道,坂田昌一,盖尔曼,丁肇中,里契特,格拉肖,萨拉姆,温伯格以及中国的物理学家们在搞清物质世界的层次结构,研究夸克组成其它基本粒子的规则,寻求万有引力、电磁力、弱力和强力这四种力的“统一理论”的浩大工程中已经作出了卓越贡献。
今天物理学已经在生产和人类社会中起着巨大作用。正负电子对撞机,原子能,航天器,激光,集成块,观察和计算生物大分子结构的显微镜和计算机,钴源辐射杀菌消毒装置,光导纤维,机器人,无一不融进了20世纪物理学的成果,科学生产力已成了社会生产力的中坚,20世纪的物理学是一部不朽的巨著,是人类集体的创造力建立起来的丰功伟绩,即使古埃及的金字塔,伊利亚特史诗,传统的民歌和雄伟的大教堂竟也不能与之伦比。
20世纪的钟声带来了物理学的大跃迁,大进步,带来了现代文明,但是,物理学决不会停滞不前。今天,凝聚态物理、超导物理、生物物理、天体物理、粒子物理等新的物理学分支正像雨后春笋般的出现在辽阔的科学大地上,20世纪的物理学,没有穷尽,也不可能穷尽人们对自然界的认识,有谁能断言,21世纪钟声不会带来一场新的物理学革命呢?!
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