物理學(xué)的經(jīng)典與現(xiàn)代
內(nèi)容提要
物理學(xué)的發(fā)展與中醫(yī)有相同之處�，F(xiàn)今中醫(yī)的發(fā)展離不開經(jīng)典，現(xiàn)代物理的產(chǎn)生與發(fā)展也沒有離開經(jīng)典物理。二者的關(guān)系是基礎(chǔ)與提高、繼承、發(fā)展的關(guān)系。因而，當(dāng)今各國物理教育教學(xué)中，對經(jīng)典物理課程的重視是不言而喻的
關(guān)鍵詞
經(jīng)典 現(xiàn)代 相對論 量子力學(xué)
經(jīng)典物理的產(chǎn)生一般認(rèn)為從文藝復(fù)興時期開始，前期經(jīng)過許多科學(xué)家，特別是伽利略、笛卡爾、惠更斯等先賢的努力，建立起力學(xué)的實驗基礎(chǔ)。牛頓總結(jié)前人的成果，確立了經(jīng)典力學(xué)的基本理論體系，麥克斯韋、玻爾茲曼等確立了經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)和電磁場理論。經(jīng)典物理經(jīng)過幾百年的不斷發(fā)展和完善，形成了自然科學(xué)中唯一有完整的理論、思想、數(shù)學(xué)推理和研究方法體系的學(xué)科。牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動力學(xué)號稱經(jīng)典物理的兩大支柱，牛頓和麥克斯韋在物理學(xué)界的位置，可以相比于中醫(yī)學(xué)的先圣張仲景。
現(xiàn)代物理從二十世紀(jì)初始興起，由愛因斯坦、玻爾為代表的眾多科學(xué)家的杰出工作，創(chuàng)立了相對論和量子力學(xué)，開創(chuàng)了物理學(xué)的新局面。以相對論和量子力學(xué)標(biāo)志的、研究微觀、高速物理現(xiàn)象的新的理論和方法體系，統(tǒng)稱現(xiàn)代物理學(xué)。現(xiàn)代物理學(xué)在原子、分子、固體、原子核、天體力學(xué)和宇宙學(xué)、等離子體、激光技術(shù)、基本粒子、半導(dǎo)體、超導(dǎo)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。
有人稱相對論和量子力學(xué)的創(chuàng)立是“物理學(xué)上的一次革命”。更多的局外人則認(rèn)為現(xiàn)代物理是一種全新的理論，完全推翻和取代了經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)典物理已經(jīng)完成了自己的歷史使命，現(xiàn)代社會已經(jīng)不再需要她。這其實是一種誤解。如果我們從歷史和現(xiàn)實的的角度重新審視事實，就會發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典物理沒有被拋棄，她不僅是現(xiàn)代物理產(chǎn)生的溫床、理論與方法的啟示、研究的工具，更是現(xiàn)代社會的頂梁柱，仍在現(xiàn)今眾多高科技領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。本文主要從以下幾個方面討論現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理的關(guān)系，從而說明重視經(jīng)典是物理發(fā)展的需要，是現(xiàn)代科學(xué)、社會發(fā)展的需要。
現(xiàn)代是經(jīng)典恰當(dāng)?shù)臄U展
讓我們用事實說明問題。愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對論時，提出了兩個基本假定：相對性原理和光速不變原理。首先我們注意到，愛因斯坦的相對性原理與伽利略相對性原理驚人地相似，比較一下就可以看到：
伽利略相對性原理：（由伽利略等人經(jīng)過反復(fù)多次的實驗檢驗而提出)
一個相對于慣性參照系做勻速直線運動的系統(tǒng)，其內(nèi)部所發(fā)生的一切力學(xué)過程，都不受系統(tǒng)運動的影響，或：一切慣性系統(tǒng)都是等價的。
愛因斯坦假定，不僅力學(xué)過程，所有的物理過程都不受系統(tǒng)運動的影響，即
物理學(xué)的基本規(guī)律在相互作勻速運動的一切參照系中都是相同的，或：一切慣性系統(tǒng)都是等價的。
從中我們不僅看出，愛因斯坦對伽利略的相對原理有著非常深刻的、超出常人的理解，已經(jīng)達(dá)到了熟能生巧的地步，自然會有如此隨手拈來、為我所用的“上工”境界；也看出創(chuàng)造經(jīng)典的先賢們的超前意識和睿智之魅力所在。
再看光速不變原理，只要對經(jīng)典電磁理論稍有了解的人都會發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋的電磁理論完全可以給出明確的關(guān)于光速不變的預(yù)言。這是因為，只要從著名的麥克斯韋方程組出發(fā)，利用簡單的數(shù)學(xué)推演，可以毫不困難地導(dǎo)出電磁場波動方程，不僅預(yù)言了電磁波的存在，還給出了電磁波在真空中的傳播速度。用c表示電磁波在真空中的速度，c的大小是
其中 為真空磁導(dǎo)率， 為真空介電常數(shù)，由于 和 數(shù)值的大小固定，與參照系的選擇無關(guān)，換句話說，與系統(tǒng)的運動狀態(tài)無關(guān)，這正是光速（光屬于電磁波)不變原理。
據(jù)說，愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對論時，對當(dāng)時著名的、能夠證明光速不變的邁克耳孫光干涉實驗并不知曉，他能參考的資料只有經(jīng)典電動力學(xué)，麥克斯韋方程組和電磁場波動方程表達(dá)的深刻內(nèi)涵才是他提出光速不變假設(shè)的根據(jù)。
現(xiàn)代是對經(jīng)典的包容而非否定
無論是相對論和量子力學(xué)，都無法否定經(jīng)典物理，也沒有否定經(jīng)典的企圖。相反，所有的新理論都試圖找到和經(jīng)典的聯(lián)系，如果找不到應(yīng)有的聯(lián)系，這樣的新理論有可能破產(chǎn)。所以，相對論和量子力學(xué)實際都包含了經(jīng)典。這與所有的后世中醫(yī)大家，在發(fā)表自己的新見解時，都要證明自己的觀點與《內(nèi)經(jīng)》、《
傷寒論》有內(nèi)在聯(lián)系如出一轍。
例如相對性原理最著名的數(shù)學(xué)表示即洛侖茲變換，具體表述如下：
設(shè)兩個相對有勻速運動，速度為v參照系統(tǒng)，它們沿v方向各自建立的直角的坐標(biāo)系分別為x,y,z,t和x’,y’,x’,z’,t’，若初始時，兩坐標(biāo)原點重合，兩坐標(biāo)系由以下變換公式聯(lián)系：
式中 c 是前面提到的光速，具體數(shù)值為30萬公里每秒。我們通常能見到的物體運動速度，如汽車、火車、飛機，能達(dá)到1公里每秒的速度并不多見，宇宙飛船的速度，也最多達(dá)到10幾公里每秒，即使將來提高100倍，與光速相比仍顯得微不足道。而上式表明，當(dāng)系統(tǒng)的相對速度v遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到光速的時候，（日常中大量事實正是如此)上面的公式就變成伽利略變換
x’=x-vt y’=y z’=z t’=t
說明洛侖茲變換與經(jīng)典的伽利略變換并沒有矛盾，前者包含了后者，后者用更加廣泛。
再看量子力學(xué)的例子，量子力學(xué)的基本原理是測不準(zhǔn)關(guān)系。其典型的表述是：粒子的位置和動量不能同時確定。它們在某一方向上不確定量的乘積大于或等于h/2。即
，
可以看出，h是一個很小的量，小到什么程度呢？小數(shù)點后面有34個0！是6的百億億億億分之一。一般氣體分子夠小的了，如
氧氣分子質(zhì)量為10-23的數(shù)量級，常溫下速度大約為102的數(shù)量級，則動量為10-21的數(shù)量級，和h相比大了10萬億倍，完全可以不考慮測不準(zhǔn)關(guān)系的影響。所以，當(dāng)我們研究的對象系統(tǒng)中物理量的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普朗克常數(shù)時，不確定度數(shù)值相對來講，必然微不足道，量子力學(xué)很自然地回歸到經(jīng)典力學(xué)。也可以說，測不準(zhǔn)關(guān)系包容了經(jīng)典力學(xué)，后者應(yīng)用更為廣泛。
現(xiàn)代對經(jīng)典的接收和繼承
現(xiàn)代物理不是空中樓閣，它是采用經(jīng)典的材料和藝術(shù)，一磚一瓦構(gòu)建的絕美珍品。在現(xiàn)代物理學(xué)中，經(jīng)典的概念、定義、研究方法無處不在，發(fā)揮著主導(dǎo)的、關(guān)鍵的作用。在相對論力學(xué)中，我們可以看到力、加速度和動量以及它們的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密頓量等在經(jīng)典中熟知的力學(xué)量。這些力學(xué)量全部統(tǒng)一到了滿足洛侖茲協(xié)變的四維形式中去。至于經(jīng)典電磁理論中所有規(guī)律，由于自然地滿足相對性協(xié)變，幾乎很少更改地進(jìn)入相對論，成為相對論的重要的組成部分。
在量子力學(xué)中，同樣采用了經(jīng)典力學(xué)的所有量，只是為了描述測不準(zhǔn)關(guān)系、描述系統(tǒng)的狀態(tài)需要，力學(xué)量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是標(biāo)量、矢量、張量算符。如在坐標(biāo)表象中，動量具有梯度矢量的算符形式，哈密頓量則包含了拉普拉斯算符。量子力學(xué)的創(chuàng)立者之一海森堡更是心有靈犀，他把測不準(zhǔn)關(guān)系表示成為力學(xué)量的對易關(guān)系：
這很容易想到經(jīng)典力學(xué)中的泊松括號
二者有驚人的形式上的相似。實際上，海森堡正是運用了泊松定理關(guān)于守恒量的結(jié)論。同樣，當(dāng)h可以忽略時，量子力學(xué)中所有的力學(xué)量與經(jīng)典完全一致。
綜上所述，經(jīng)典與現(xiàn)代是“皮”與“毛”的關(guān)系，“皮之不存，毛將焉附”，沒有經(jīng)典物理的“理、法、方、藥”，就不可能有現(xiàn)代物理的“臨證權(quán)變”�？v觀對現(xiàn)代物理有貢獻(xiàn)的科學(xué)家，他們都是經(jīng)典物理學(xué)的大師，是伽利略、牛頓、麥克斯韋等諸位“至圣先師”的高徒。他們“熟讀經(jīng)文”，“闡發(fā)經(jīng)旨”，達(dá)到了“神明變化于規(guī)矩之外，而仍不離乎規(guī)矩之中”境界。他們的做法，難道不是勤求經(jīng)典之“古訓(xùn)”，博采經(jīng)典之“眾方”，間以己得，合而成之，欲“愈”當(dāng)今物理新問題之“諸病”乎？更重要的是，經(jīng)典就其本身來說，實際應(yīng)用不僅沒有削弱，反而以其獨特的魅力得到更廣泛的應(yīng)用。至今為止，經(jīng)典仍滲透到了高新科技的各個領(lǐng)域和部門，仍然影響著其他自然科學(xué)，仍然繼續(xù)發(fā)揮基礎(chǔ)的、不可替代的作用。
由此看來，沒有經(jīng)典，現(xiàn)代無從談起。所以，大學(xué)物理教育與中醫(yī)教育相似，也是從抓經(jīng)典入手的。近百年來，所有的大學(xué)物理教育和教學(xué)，經(jīng)典的力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理、電磁場理論的教學(xué)占有無庸置疑的、不可動搖的地位。從內(nèi)容上來講，物理系本科生的學(xué)習(xí)，經(jīng)典的內(nèi)容占了四分之三。翻開任何一部現(xiàn)代物理書籍或教材，開始的論述都要引經(jīng)據(jù)典，列出該書論題所需要的經(jīng)典物理知識，一方面是為了論有所據(jù)，一方面也是為了讓讀者具有能讀懂有關(guān)論題的必要條件。
