世纪之交的物理学革命及其哲学论争
【摘要】到19世纪末，经典物理学取得了前所未有的进步和成功。物理学的辉煌成就使不少科学家认为，物理学的大厦已经落成，物理学已经发展到了顶峰。当他们陶醉于这种“尽善尽美”的境界之中的时候，物理学的万里晴空中却飘来了两朵乌云，物理学上出现了一系列新的发现。这些无法用经典物理学解释的新发现，使经典物理学陷入了危机。并由此掀起了一场空前的物理学革命，把物理学由经典物理学阶段推进到现代物理学阶段，而相对论和量子力学就是这场物理学革命的最主要成果。物理学上的一系列新发现，使物理学基本观念发生了根本变革，引发了一系列关于物理学哲学问题的激烈争论, 如列宁与唯心主义之争、相对时空观与绝对时空观之争、爱因斯坦与波尔之争。
【关键词】 物理学危机 相对论 量子力学 波尔——爱因斯坦之争
一、对物理学革命的基本回顾
19世纪末20世纪初对古典物理学理论体系的基础所进行的根本性变革。目的在于克服由于古典物理学理论无法解释新的实验事实的发现而造成的整个物理学的严重危机，解决新事实同旧理论体系之间的矛盾。这场革命先后延续了30多年，改变了人类对物质、运动、空间、时间、因果性等的基本认识，带动了20世纪整个自然科学和技术的革命，为人类文明开辟了新纪元。
（一）揭开物理学革命序幕——物理学的三大发现
19世纪末物理学的三大发现——X 射线、放射线、电子的发现，打开了原子世界的大门，人们开始认识到原子不是组成物质的不可分割的基本单位，物质结构还有比原子更深入的层次，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学的研究由宏观进入到微观，标志着现代物理学的产生。
1、 X 射线的发现
1895年, 伦琴用黑的厚纸板把阴极射线管子包起来，意外的发现1米以外的荧光屏在闪光，而这绝不是阴极射线，因阴极射线穿不透玻璃，只能行进几厘米远。伦琴断定这是一种新射线，将其命名为X 射线，引起轰动。
由于X 射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。
2、 放射性的发现
1896年，克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。在进一步
研究中，他发现铀盐所放出的这种射线能使空气电离，也可以穿透黑纸使照相底片感光。他还发现，外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝克勒尔的这一发现使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。1898年，居里夫妇又发现了放射性更强的钋和镭。
3、电子的发现
汤姆逊于1897年在英国皇家学院作了“阴极射线”的报告，正式宣布发现了阴极射线的本质。1899年，汤姆逊正式将其命名为电子。这宣告了原子是可分的。
（二） 引发物理学革命的导火线——两朵乌云
三大发现对经典物理学的理论提出了严峻的挑战。随后，物理学的天空飘浮着的两朵乌云——一朵为以太漂移实验的“零结果”，另一朵为黑体辐射的紫外灾难，对电磁物理学和经典物理学造成了毁灭性冲击。
1、第一朵乌云—— 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
第一朵乌云是随着光的波动理论出现的。菲涅尔和托马斯·扬研究究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。
但是，美国物理学家迈克尔逊在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动，即人们预期的“以太风”并不存在。这就如同宣告，经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的！
2、第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”
第二朵乌云涉及的是热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了从理论上来解释实验的结果所反映的热辐射的特征，维恩根据一些特殊性假设得到了一个经验公式，它在频率高、温度较低时与实验事实相符，而在低频率范围内与实验显著不同。后来，瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学中的“能量均分原理”又得到了一个公式，与维恩的公式相反，它在低频率、温度较高时与实验值相符，在高频范围与实验差距甚大。经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，这个困境被称埃伦菲斯特为“紫外灾难”。
（三）物理学革命爆发——相对论和量子力学的诞生
1、 相对论的建立
（1）、相对论诞生前夕，各物理学家对相对论的贡献。
为了解释以太漂移实验的“零结果”，菲茨本拉德首先提出了物体长度沿运动方向收缩的假说，这样，光速的不可变性就可以被解释为观测中光速的真实减少与仪器纵向长度缩短而相互补偿的唯象结果，从而使经典物理学从困境中摆脱出来。洛伦兹也独立地提出了类似的假说，并给出了著名的洛伦兹变换。该变换使相对于以太静止的两种参考系均满足相同形式的麦克斯韦方程组，但由于洛伦兹没有摆脱经典时空观的束缚，他始终没能认识到自己所发现的变换的真正意义。当然，洛伦兹的工作大大地修改了许多传统的观念，例如得出了运动粒子的质量不在是不变的，速度以光速为上限等结论。彭加勒也对时空问题和物质运动问题突出了一些新观点，如强调运动的相对性，甚至提出了四维时空问题等。爱因斯坦根据这些丰富的材料，建立了相对论。
（2）、爱因斯坦的狭义相对论
以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与数学论证，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。
爱因斯坦认为以太漂移实验的“零结果”与经典力学的矛盾，根本问题在于经典力学的“绝对同时性”。为此，爱因斯坦提出了狭义相对论的两个基本假设：一是光速不变原理，即对于任何惯例系，自由空间中的光速都是相同的。这一原理表明，在这些惯例中，光速与光源和光的接受者的运动状态无关，这叫意味着必须对经典物理学的理论进行修改。二是相对性原理，即对于任何惯例系，一切自然定律都同样适用。它表明，绝对静止的参考系是不存在的，没有一种在一个系统中所做的实验能够确定这一系统的“绝对”运动，这些实验对于运动的描写只有相对意义。
狭义相对论的核心内容是洛伦兹变换。但是，在洛伦兹那里，洛伦兹变换仅仅是由猜测得到的具有纯粹形式意义的假象，他根本无法理解运动参考系中的坐标的真正含义而将其称为“虚时空”，而在物理学的相对论中，洛伦兹变换则是两条基本原理必然的逻辑推论，因此有充分理由将其视为时空内在属性的变化。以这样的思路去理解洛伦兹变换，就十分自然地得到以下一些结论：物体在运动方向上的收缩，即空间间隔的“尺缩效应”；运动时钟的延缓，即时间间隔的“钟慢效应”；物体的质量随速度变化；质能相关。
（3）、爱因斯坦的广义相对论
广义相对论是把现对论推广到非惯例系，广义相对论建立在等效原理和广义协变原理基础之上，按照这两个原理建立了广义相对论的引力场方程，论述了空间的结构和性质取决于物质的分布，证明现实存在的空间不是平坦欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间，空间的曲平取决于引力场的强度。
相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。无论是在科学上还是在哲学世界观与方法论上，无论是在理论上还是在实践上，相对论都具有极其重要的意义。
2、量子力学的建立
（1）、量子假说的提出
面对“紫外灾难”，普朗克认为，解决黑体辐射问题的关键在于弄清楚这些“振子”吸收和辐射电磁波的规律。于是决定放弃经典的能量均分原理，于1900年提出了“能量子”假说，说明振子吸收和辐射能量的过程不是连续进行的，而是以能量子的整数倍即一份儿、一份儿跳跃的方式进行的，从而揭示了微观领域中新的奥妙，迫使人们思考：在微观领域里是否存在着与宏观规律不同的规律？但是由于它与物理学几百年来信奉的关于自然界的连续性的观念直接矛盾，因此受到当时绝大多数的物理学家的拒绝和反对。
（2）、光的波粒二象性的发现
在19世纪末，光被认为是一种波而不是粒子流。但是，由于光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）的出现，使光的波动说与粒子说之间又重新展开了争论。通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律： ① 每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率，即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。
② 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。
③ 光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。
④ 入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。
在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关, 光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光量子假说——当光照射到物体表面时，光子被电子吸收，电子把这部分能量中的一部分用来克服物体表面对它的束缚力，另一部分则离开物体表面后的动能。成功地解释了光电效应。光既具有波动性又具有粒子性，光的这种特征被称为波粒二象性。
（3）关于原子结构问题
1913年波尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定（按经典理论，原子中电子绕原子核作圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和），提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量必须为h 的整数倍。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线。
（4）、物质波概念的提出
德布罗意根据光的波粒二象性，提出了微观实物粒子也具有二象性的假说。实物粒子的波称为物质波。
（5）、量子力学的建立
1925年，海森伯抛弃了电子轨道的概念及其他相关的不可观察的经典运动学的量，根据可观察到的辐射频率和谱线强度，建立了新的力学——矩阵力学。薛定谔把德布罗意波推广到非自由态粒子上，于1926年创立了波动力学。量子力学建立以后，1927年，海森伯发现了不确定原理；1928年，狄拉克得出相对论波动方程；后来，泡利提出不相容原理，从而使量子力学发展成为比较完善的理论体系。
二、由物理学革命引发的哲学论争
有人说物理学上的一系列新发现，使物理学基本观念发生了根本变革，引发了一系列关于物理学哲学问题的激烈争论。
（一）、列宁与唯心主义之争
X 射线的发现严重地冲击了“原子是坚硬的、不可入的最小实体”的机械唯物论的观念。电子的发现打破了“原子不可再分”的形而上学观点。放射性的发现，展示出由一种元素的原子衰变为另一种元素的原子的事实，对“原子永恒不变”的绝对观念直接发难。这一切都动摇了原子不可分的基本观念，引发了关于哲学层面的争论。
1、唯心主义对物理学新发现的观点
首先，物理学唯心主义者歪曲利用了一些物理学家对于物理学一系列重大发现的不确切的，否认物质世界及其发展规律的客观实在性。他们把电子的发现和原子的可分性看作是物质论的破产，认为既然原子是电子组成的，而电子是电、是一种运动，那末电子的发现就是“电代替了物质”、“原子非物质化了”、“物质消失了”。
其次，物理学唯心主义完全否定已获得的物理学规律的客观真理性。法国物理学家彭加勒在《科学的价值》一书中断言：镭的永恒发热和强放射性的发现推翻了能量守恒定律，电子电磁质量随速度变化的发现推翻了质量守恒定律，以太漂移实验的否定结果推翻了伽利略相对性原理，等等。在彭加勒看来摆在我们面前的是物理学旧原理的“废墟”，是“原理的普遍毁灭”，他把物理学的革命性称作“现代物理学的危机”，说什么以物质为研究对象的物理学也跟着毁灭了。
最后，物理学唯心主义者得出结论说：各个基本原理的“崩溃”，证明了自然科学不是自然界的复写、映像，不是对意识之外的客观实在的摹写，而只是人们意识的产物，是人为了“方便”和“思维的经济”而创造的符号和记号。原子、电子、以太是简单的符号和“作业假说”，必须以心理的东西普遍代替整个物质自然界。
4．列宁对唯心主义观点的批判
列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中，对当时物理学中唯心主义的思潮，进行了全面而深刻的分析和批判。
（1）、批判机械唯物主义的自然观，提出了科学的物质定义和物质无限可分的思想。 列宁指出：“承认某些不变的要素。‘物的不变的实质’等等，并不是唯物主义，而是形而上学的即反辩证法的唯物主义”。为捍卫辩证唯物主义的物质客观性原则，列宁在人类认
识史上第一次给“物质”概念下了一个严格的科学定义，指出物质的唯一特性是客观实在性。这就克服了把“物质统一于原子”的机械唯物主义的局限性。进而，列宁强调指出：“原子的可破坏性和不可穷尽性、物质及其运动的一切形式的可变性，一向是辩证唯物主义的支柱。”以物质无限可分的思想为前提，根据 X 射线、放射性和电子等一系列新的发现，列宁作出了一个预言：“电子和原子一样，也是不可穷尽的”。这个预言很快被物理学的发展所证实。
（2）、批判物理学唯心主义的观点，揭露了物理学危机的实质，提出了“科学革命”的思想。
列宁深刻地指出：唯心主义者所说的“物质消失”，是这些人把迄今我们认识物质所达到的那个界限正在消失歪曲为“物质消失了”；“现代物理学危机的实质就是：旧定律和基本原理被推翻，意识之外的客观实在被抛弃，这就是说，唯物主义被唯心主义和不可知论代替了”；他们认为科学规律是人为的一些符号和记号，或者为人心的产物，或者为人心的产物，或者是作业假说，是因为那些人由绝对主义滑到了相对主义，并“把相对主义作为认识论的基础，就必然使自己不是陷入绝对怀疑论、不可知论和诡辩，就是陷入主观主义。”进而，列宁卓有远见地指出：物理学中的新发现是“最近自然科学革命”的标志；现代物理学正在临产中，它正在产生辩证唯物主义。
（3）分析物理学唯心主义产生的认识论根源，指明了摆脱“物理学危机”的道路。 列宁在分析认识根源时指出：“新物理学陷入唯心主义，主要就是因为科学家不懂得辩证法。”科学家由绝对主义滑到相对主义并导致主观主义，这是从所谓的“物理学危机”中应该汲取的主要教训。最后列宁指出，物理学唯心主义只是科学发展中的暂时现象，科学发展必然使得辩证唯物主义代替形而上学唯物主义。
(二) 、相对时空观与绝对时空观之争
牛顿在古典力学中引入了绝对空间和绝对不变的时间这两个概念，牛顿时间和空间看成是脱离物质运动而独立存在的空架子。到 19 世纪末 20 世纪初，一些有见地的科学家对牛顿的绝对时空观提出了怀疑与批评。马赫指出牛顿的“水桶实验”不能说明绝对空间的存在。他认为一切都是相对的，谈论绝对时间也是错误的，并提出了惯性力本质上是一种引力的见解。洛伦兹为了解释迈克耳逊－莫雷实验与牛顿力学的矛盾，曾先后提出过 11 个特殊假说，其中包括含有“收缩因子”的收缩假说，从而把伽利略变换改为“洛伦兹变换”，提出了长度的收缩、惯性质量的增加和局部时间的新概念。1906 年彭加勒在《科学与假说》一书中
说，所谓的绝对空间和绝对时间的廉洁是毫无意义的。他认为几何学是一种公约的语言，我们既可以把力学事实归入欧氏空间，也可以归入非欧空间，几何空间也是相对的。爱因斯坦发现，两个在空间上分隔开的事件的所谓同时，取决于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。即空间和时间都与物质的运动有关。相对性原理的本质在于运动的相对性这一事实，而不存在绝对运动。相对论否定了绝对运动的存在，就否定了绝对时空的概念。它通过不变的光速把时间和空间联合为一个整体，由洛伦兹变换建立起各个惯性系之间的时空关系。
在狭义相对论中，时间、空间都变成了相对的量，它们都随物质的运动而变化，时间和空间也是相互联系在一起的，根本不存在绝对不变的时间和空间。广义相对论所提示的物质同时空的关系更为深刻，因为时空的性质不仅取决于物质的时空观。相对论以严密的数学公式提示了物质、运动、时间和空间的内在统一性，极大地丰富了辩证唯物主义时空观的内容。
（三）、爱因斯坦——波尔之争
关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其核心是因果性和物理实在问题。科学界展开了一次前所未有的大讨论，论战主要在爱因斯坦和哥本哈根学派之间进行，争论的主题就是微观世界能逃脱自然界的因果性吗？以爱因斯坦为首的少数科学家始终坚持微观世界有严格的因果性；而以玻尔为首的哥本哈根学派则把测不准原理做为否定自然界因果性的杰出证据。因果律在量子论中也不再适用，量子论挣脱了因果链，根据量子论，在没有因的情况下也可能有果。物质不灭律对量子力学也不再成立，量子论打碎了人们的常识所珍视的关于实在性质的概念。
测不准关系提出后，波尔提出著名的互补原理，用来解释量子现象的主要特征——波粒二象性。对测不准关系等一系列理论问题加以哲学概括。互补原理为哥本哈根学派所拥护，并成为哥本哈根学派的重要精神支柱。
玻尔提出互补原理的事实根据是：首先，微观粒子在某些实验条件下只表现波动性；在另一些实验条件下只表现粒子性。波粒二象性不能同时在一种实验中出现。其次，根据测不准关系，要精确 测量微观粒子的速度，就弄不清它的位置；要精确测量它的位置，就弄不清它的速度。此外，时空描述与因果描述也不可能同时确立，因为要对客体进行精确的时空描述，就要发生仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造成缺口，无法确定严格的因果性；要想确定因果性，就要排除任何仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造成缺口，无法确定严格的因果性；要想确定因果性，就要排除任何仪器对客体的干扰，而这样一切观察就不可
能了，也就无法实现对时空的描述了。因此，玻尔主张在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念，而代之以互补原理。
如果把机遇当作是支配世界的终极规律，将无法满足所有人对世界的理解或解释欲。这种哲学上的不满意，导致爱因斯坦等人极力反对哥本哈根学派抛弃决定论和因果性的概念，并提出批判。
普朗克说，只要有选择的余地，决定论在一切情况下都比非决定论更可取。薛定谔认为，自然界的终极规律不是统计规律而是动力学规律，他相信他的波动理论最后有可能回到决定论的经典物理学。
在狄拉克看来，在量子力学中找不到因果联系，并不能说量子现象本身有什么非决定性因素，而是由观察对客体的干扰造成的，量子理论将来可能回到决定论，但不是回到经典决定论。德布罗意说：现代原子物理学对波粒二重性的真正性质一点也不了解，它只是用“互补性”这个含糊不清的术语来掩饰自己的无知。
爱因斯坦依据广义相对论的引力场方程，认为方程的边界条件和各种极限条件，能够合理、完满的解释包括牛顿万有引力定律在内的“光 时间”所确定的宇宙半径内的物理现象，证明因果律和决定论所确立的场微分方程是符合科学发展规律的。但是，量子力学的“测不准原理”无法用因果律和决定论来解释，也是不争的事实。
哥本哈根学派割裂微观世界中的必然性与偶然性的联系，即在正确地否定机械的决定论和因果性概念时，却走向否定一般决定论和因果性；在正确地批判形而上学地断定粒子必定具有确定的坐标及动量的同时，却把对微观客体的观测离不开宏观仪器错误地看成是微观客体的性质依赖于对客体的观测，这就使得玻尔等人的哲学思想不能带有实证主义的色彩。此外，他们还把互补原理夸大到不适当的地步。诚然，爱因斯坦把客观规律的统计性质排斥在基本理论之外是没有道理的。由于他没有完全摆脱因果决定论的影响，对量子力学怀有明显的偏见，使他后来在某种程序上脱离了当时量子理论发展的主流。
三、对哲学发展的启示
一切事物都处在永不停息的运动、变化和发展的过程中，整个世界就是一个无限变化和永恒发展着的物质世界。物理学革命的一系列新发现，否定了经典物理学的传统的哲学观点，对经典物理学造成了毁灭性的冲击。我们应当认识到，实践是检验真理的唯一标准，相对论和量子力学的诞生是人们认识不断发展的结果。关于无知无限可分的思想, 不过是人们对物质可分概念的简单化、绝对化的理解, 是人们对物质无限可分思想的误解, 是人们认识上的
局限造成的。人对世界的认识，从目前所能达到的成果都是相对的，不存在终极的、绝对的真理，只能无限地接近真理。但是，这并不意味着不可知论是正确的，因为思维的至上性和非至上性是辩证统一的。人对世界的认识的成果都是相对的，这是从思维按其在每个人和每个历史阶段上来说的。但是，思维按其本性、使命和终极目的来说，是至上的、无限的，能达到绝对真理，不可知论只看到思维的非至上性，而没有看到思维的至上性，是形而上学的观点，其必然会滑向唯心主义。人们对物理现象及其本质的认识是不断地发展和完善起来的，每一种理论的建立过程都体现了“实验(事实) ——理论假设——实验(新的事实) ——修正理论”，遵循着辩证唯物主义中的“否定之否定”规律。
哲学的发展是长期的、持续的，在新发现的争论中进一步发展。随着物质和意识的发展，哲学的发展仍然会遇到许多新的挑战，并在这些挑战中进步我们应当在一系列哲学论争面前保持冷静，坚信马克思主义，用发展的眼光看待新事物的产生。
【参考文献】
【1】林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，1985
【2】列宁选集（第二卷），人民出版社，1974
【3】列宁，唯物主义与经验批判主义，人民出版社，1970
【4】塞耶编，牛顿自然哲学，上海人民出版社，1974
【5】许良英等编译．爱因斯坦文集（第一卷），商务印书馆，1976
【6】玻尔，原子论和自然的描述，郁蹈译，商务印书馆，1964
【7】曹天元，量子力学史话，辽宁教育出版社，2008
世纪之交的物理学革命及其哲学论争
【摘要】到19世纪末，经典物理学取得了前所未有的进步和成功。物理学的辉煌成就使不少科学家认为，物理学的大厦已经落成，物理学已经发展到了顶峰。当他们陶醉于这种“尽善尽美”的境界之中的时候，物理学的万里晴空中却飘来了两朵乌云，物理学上出现了一系列新的发现。这些无法用经典物理学解释的新发现，使经典物理学陷入了危机。并由此掀起了一场空前的物理学革命，把物理学由经典物理学阶段推进到现代物理学阶段，而相对论和量子力学就是这场物理学革命的最主要成果。物理学上的一系列新发现，使物理学基本观念发生了根本变革，引发了一系列关于物理学哲学问题的激烈争论, 如列宁与唯心主义之争、相对时空观与绝对时空观之争、爱因斯坦与波尔之争。
【关键词】 物理学危机 相对论 量子力学 波尔——爱因斯坦之争
一、对物理学革命的基本回顾
19世纪末20世纪初对古典物理学理论体系的基础所进行的根本性变革。目的在于克服由于古典物理学理论无法解释新的实验事实的发现而造成的整个物理学的严重危机，解决新事实同旧理论体系之间的矛盾。这场革命先后延续了30多年，改变了人类对物质、运动、空间、时间、因果性等的基本认识，带动了20世纪整个自然科学和技术的革命，为人类文明开辟了新纪元。
（一）揭开物理学革命序幕——物理学的三大发现
19世纪末物理学的三大发现——X 射线、放射线、电子的发现，打开了原子世界的大门，人们开始认识到原子不是组成物质的不可分割的基本单位，物质结构还有比原子更深入的层次，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学的研究由宏观进入到微观，标志着现代物理学的产生。
1、 X 射线的发现
1895年, 伦琴用黑的厚纸板把阴极射线管子包起来，意外的发现1米以外的荧光屏在闪光，而这绝不是阴极射线，因阴极射线穿不透玻璃，只能行进几厘米远。伦琴断定这是一种新射线，将其命名为X 射线，引起轰动。
由于X 射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。
2、 放射性的发现
1896年，克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。在进一步
研究中，他发现铀盐所放出的这种射线能使空气电离，也可以穿透黑纸使照相底片感光。他还发现，外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝克勒尔的这一发现使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。1898年，居里夫妇又发现了放射性更强的钋和镭。
3、电子的发现
汤姆逊于1897年在英国皇家学院作了“阴极射线”的报告，正式宣布发现了阴极射线的本质。1899年，汤姆逊正式将其命名为电子。这宣告了原子是可分的。
（二） 引发物理学革命的导火线——两朵乌云
三大发现对经典物理学的理论提出了严峻的挑战。随后，物理学的天空飘浮着的两朵乌云——一朵为以太漂移实验的“零结果”，另一朵为黑体辐射的紫外灾难，对电磁物理学和经典物理学造成了毁灭性冲击。
1、第一朵乌云—— 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭
第一朵乌云是随着光的波动理论出现的。菲涅尔和托马斯·扬研究究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。
但是，美国物理学家迈克尔逊在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动，即人们预期的“以太风”并不存在。这就如同宣告，经典物理学的理论预言同实验结果是不相符的！
2、第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”
第二朵乌云涉及的是热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了从理论上来解释实验的结果所反映的热辐射的特征，维恩根据一些特殊性假设得到了一个经验公式，它在频率高、温度较低时与实验事实相符，而在低频率范围内与实验显著不同。后来，瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学中的“能量均分原理”又得到了一个公式，与维恩的公式相反，它在低频率、温度较高时与实验值相符，在高频范围与实验差距甚大。经典物理学因无法解释这一现象而再次陷入困境，这个困境被称埃伦菲斯特为“紫外灾难”。
（三）物理学革命爆发——相对论和量子力学的诞生
1、 相对论的建立
（1）、相对论诞生前夕，各物理学家对相对论的贡献。
为了解释以太漂移实验的“零结果”，菲茨本拉德首先提出了物体长度沿运动方向收缩的假说，这样，光速的不可变性就可以被解释为观测中光速的真实减少与仪器纵向长度缩短而相互补偿的唯象结果，从而使经典物理学从困境中摆脱出来。洛伦兹也独立地提出了类似的假说，并给出了著名的洛伦兹变换。该变换使相对于以太静止的两种参考系均满足相同形式的麦克斯韦方程组，但由于洛伦兹没有摆脱经典时空观的束缚，他始终没能认识到自己所发现的变换的真正意义。当然，洛伦兹的工作大大地修改了许多传统的观念，例如得出了运动粒子的质量不在是不变的，速度以光速为上限等结论。彭加勒也对时空问题和物质运动问题突出了一些新观点，如强调运动的相对性，甚至提出了四维时空问题等。爱因斯坦根据这些丰富的材料，建立了相对论。
（2）、爱因斯坦的狭义相对论
以光速不变原理和力学相对性原理为前提，经过严密的逻辑与数学论证，爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论。
爱因斯坦认为以太漂移实验的“零结果”与经典力学的矛盾，根本问题在于经典力学的“绝对同时性”。为此，爱因斯坦提出了狭义相对论的两个基本假设：一是光速不变原理，即对于任何惯例系，自由空间中的光速都是相同的。这一原理表明，在这些惯例中，光速与光源和光的接受者的运动状态无关，这叫意味着必须对经典物理学的理论进行修改。二是相对性原理，即对于任何惯例系，一切自然定律都同样适用。它表明，绝对静止的参考系是不存在的，没有一种在一个系统中所做的实验能够确定这一系统的“绝对”运动，这些实验对于运动的描写只有相对意义。
狭义相对论的核心内容是洛伦兹变换。但是，在洛伦兹那里，洛伦兹变换仅仅是由猜测得到的具有纯粹形式意义的假象，他根本无法理解运动参考系中的坐标的真正含义而将其称为“虚时空”，而在物理学的相对论中，洛伦兹变换则是两条基本原理必然的逻辑推论，因此有充分理由将其视为时空内在属性的变化。以这样的思路去理解洛伦兹变换，就十分自然地得到以下一些结论：物体在运动方向上的收缩，即空间间隔的“尺缩效应”；运动时钟的延缓，即时间间隔的“钟慢效应”；物体的质量随速度变化；质能相关。
（3）、爱因斯坦的广义相对论
广义相对论是把现对论推广到非惯例系，广义相对论建立在等效原理和广义协变原理基础之上，按照这两个原理建立了广义相对论的引力场方程，论述了空间的结构和性质取决于物质的分布，证明现实存在的空间不是平坦欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间，空间的曲平取决于引力场的强度。
相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质及其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。无论是在科学上还是在哲学世界观与方法论上，无论是在理论上还是在实践上，相对论都具有极其重要的意义。
2、量子力学的建立
（1）、量子假说的提出
面对“紫外灾难”，普朗克认为，解决黑体辐射问题的关键在于弄清楚这些“振子”吸收和辐射电磁波的规律。于是决定放弃经典的能量均分原理，于1900年提出了“能量子”假说，说明振子吸收和辐射能量的过程不是连续进行的，而是以能量子的整数倍即一份儿、一份儿跳跃的方式进行的，从而揭示了微观领域中新的奥妙，迫使人们思考：在微观领域里是否存在着与宏观规律不同的规律？但是由于它与物理学几百年来信奉的关于自然界的连续性的观念直接矛盾，因此受到当时绝大多数的物理学家的拒绝和反对。
（2）、光的波粒二象性的发现
在19世纪末，光被认为是一种波而不是粒子流。但是，由于光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）的出现，使光的波动说与粒子说之间又重新展开了争论。通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律： ① 每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率，即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。
② 光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。
③ 光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。
④ 入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。
在光电效应中，要释放光电子显然需要有足够的能量。根据经典电磁理论，光是电磁波，电磁波的能量决定于它的强度，即只与电磁波的振幅有关，而与电磁波的频率无关。而实验规律中的第一、第二两点显然用经典理论无法解释。第三条也不能解释，因为根据经典理论，对很弱的光要想使电子获得足够的能量逸出，必须有一个能量积累的过程而不可能瞬时产生光电子。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关, 光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。
所有这些实际上已经曝露出了经典理论的缺陷，要想解释光电效应必须突破经典理论。为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光量子假说——当光照射到物体表面时，光子被电子吸收，电子把这部分能量中的一部分用来克服物体表面对它的束缚力，另一部分则离开物体表面后的动能。成功地解释了光电效应。光既具有波动性又具有粒子性，光的这种特征被称为波粒二象性。
（3）关于原子结构问题
1913年波尔为解决卢瑟福原子行星模型的不稳定（按经典理论，原子中电子绕原子核作圆周运动要辐射能量，导致轨道半径缩小直到跌落进原子核，与正电荷中和），提出定态假设：原子中的电子并不像行星一样可在任意经典力学的轨道上运转，稳定轨道的作用量必须为h 的整数倍。玻尔又提出原子发光过程不是经典辐射，是电子在不同的稳定轨道态之间的不连续的跃迁过程，光的频率由轨道态之间的能量差确定，即频率法则。这样，玻尔原子理论以它简单明晰的图像解释了氢原子分立光谱线。
（4）、物质波概念的提出
德布罗意根据光的波粒二象性，提出了微观实物粒子也具有二象性的假说。实物粒子的波称为物质波。
（5）、量子力学的建立
1925年，海森伯抛弃了电子轨道的概念及其他相关的不可观察的经典运动学的量，根据可观察到的辐射频率和谱线强度，建立了新的力学——矩阵力学。薛定谔把德布罗意波推广到非自由态粒子上，于1926年创立了波动力学。量子力学建立以后，1927年，海森伯发现了不确定原理；1928年，狄拉克得出相对论波动方程；后来，泡利提出不相容原理，从而使量子力学发展成为比较完善的理论体系。
二、由物理学革命引发的哲学论争
有人说物理学上的一系列新发现，使物理学基本观念发生了根本变革，引发了一系列关于物理学哲学问题的激烈争论。
（一）、列宁与唯心主义之争
X 射线的发现严重地冲击了“原子是坚硬的、不可入的最小实体”的机械唯物论的观念。电子的发现打破了“原子不可再分”的形而上学观点。放射性的发现，展示出由一种元素的原子衰变为另一种元素的原子的事实，对“原子永恒不变”的绝对观念直接发难。这一切都动摇了原子不可分的基本观念，引发了关于哲学层面的争论。
1、唯心主义对物理学新发现的观点
首先，物理学唯心主义者歪曲利用了一些物理学家对于物理学一系列重大发现的不确切的，否认物质世界及其发展规律的客观实在性。他们把电子的发现和原子的可分性看作是物质论的破产，认为既然原子是电子组成的，而电子是电、是一种运动，那末电子的发现就是“电代替了物质”、“原子非物质化了”、“物质消失了”。
其次，物理学唯心主义完全否定已获得的物理学规律的客观真理性。法国物理学家彭加勒在《科学的价值》一书中断言：镭的永恒发热和强放射性的发现推翻了能量守恒定律，电子电磁质量随速度变化的发现推翻了质量守恒定律，以太漂移实验的否定结果推翻了伽利略相对性原理，等等。在彭加勒看来摆在我们面前的是物理学旧原理的“废墟”，是“原理的普遍毁灭”，他把物理学的革命性称作“现代物理学的危机”，说什么以物质为研究对象的物理学也跟着毁灭了。
最后，物理学唯心主义者得出结论说：各个基本原理的“崩溃”，证明了自然科学不是自然界的复写、映像，不是对意识之外的客观实在的摹写，而只是人们意识的产物，是人为了“方便”和“思维的经济”而创造的符号和记号。原子、电子、以太是简单的符号和“作业假说”，必须以心理的东西普遍代替整个物质自然界。
4．列宁对唯心主义观点的批判
列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书中，对当时物理学中唯心主义的思潮，进行了全面而深刻的分析和批判。
（1）、批判机械唯物主义的自然观，提出了科学的物质定义和物质无限可分的思想。 列宁指出：“承认某些不变的要素。‘物的不变的实质’等等，并不是唯物主义，而是形而上学的即反辩证法的唯物主义”。为捍卫辩证唯物主义的物质客观性原则，列宁在人类认
识史上第一次给“物质”概念下了一个严格的科学定义，指出物质的唯一特性是客观实在性。这就克服了把“物质统一于原子”的机械唯物主义的局限性。进而，列宁强调指出：“原子的可破坏性和不可穷尽性、物质及其运动的一切形式的可变性，一向是辩证唯物主义的支柱。”以物质无限可分的思想为前提，根据 X 射线、放射性和电子等一系列新的发现，列宁作出了一个预言：“电子和原子一样，也是不可穷尽的”。这个预言很快被物理学的发展所证实。
（2）、批判物理学唯心主义的观点，揭露了物理学危机的实质，提出了“科学革命”的思想。
列宁深刻地指出：唯心主义者所说的“物质消失”，是这些人把迄今我们认识物质所达到的那个界限正在消失歪曲为“物质消失了”；“现代物理学危机的实质就是：旧定律和基本原理被推翻，意识之外的客观实在被抛弃，这就是说，唯物主义被唯心主义和不可知论代替了”；他们认为科学规律是人为的一些符号和记号，或者为人心的产物，或者为人心的产物，或者是作业假说，是因为那些人由绝对主义滑到了相对主义，并“把相对主义作为认识论的基础，就必然使自己不是陷入绝对怀疑论、不可知论和诡辩，就是陷入主观主义。”进而，列宁卓有远见地指出：物理学中的新发现是“最近自然科学革命”的标志；现代物理学正在临产中，它正在产生辩证唯物主义。
（3）分析物理学唯心主义产生的认识论根源，指明了摆脱“物理学危机”的道路。 列宁在分析认识根源时指出：“新物理学陷入唯心主义，主要就是因为科学家不懂得辩证法。”科学家由绝对主义滑到相对主义并导致主观主义，这是从所谓的“物理学危机”中应该汲取的主要教训。最后列宁指出，物理学唯心主义只是科学发展中的暂时现象，科学发展必然使得辩证唯物主义代替形而上学唯物主义。
(二) 、相对时空观与绝对时空观之争
牛顿在古典力学中引入了绝对空间和绝对不变的时间这两个概念，牛顿时间和空间看成是脱离物质运动而独立存在的空架子。到 19 世纪末 20 世纪初，一些有见地的科学家对牛顿的绝对时空观提出了怀疑与批评。马赫指出牛顿的“水桶实验”不能说明绝对空间的存在。他认为一切都是相对的，谈论绝对时间也是错误的，并提出了惯性力本质上是一种引力的见解。洛伦兹为了解释迈克耳逊－莫雷实验与牛顿力学的矛盾，曾先后提出过 11 个特殊假说，其中包括含有“收缩因子”的收缩假说，从而把伽利略变换改为“洛伦兹变换”，提出了长度的收缩、惯性质量的增加和局部时间的新概念。1906 年彭加勒在《科学与假说》一书中
说，所谓的绝对空间和绝对时间的廉洁是毫无意义的。他认为几何学是一种公约的语言，我们既可以把力学事实归入欧氏空间，也可以归入非欧空间，几何空间也是相对的。爱因斯坦发现，两个在空间上分隔开的事件的所谓同时，取决于它们相隔的空间距离和光信号的传播速度，在静止的观察者看来是同时的两个事件，在运动的观察者看来就不可能是同时的。即空间和时间都与物质的运动有关。相对性原理的本质在于运动的相对性这一事实，而不存在绝对运动。相对论否定了绝对运动的存在，就否定了绝对时空的概念。它通过不变的光速把时间和空间联合为一个整体，由洛伦兹变换建立起各个惯性系之间的时空关系。
在狭义相对论中，时间、空间都变成了相对的量，它们都随物质的运动而变化，时间和空间也是相互联系在一起的，根本不存在绝对不变的时间和空间。广义相对论所提示的物质同时空的关系更为深刻，因为时空的性质不仅取决于物质的时空观。相对论以严密的数学公式提示了物质、运动、时间和空间的内在统一性，极大地丰富了辩证唯物主义时空观的内容。
（三）、爱因斯坦——波尔之争
关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其核心是因果性和物理实在问题。科学界展开了一次前所未有的大讨论，论战主要在爱因斯坦和哥本哈根学派之间进行，争论的主题就是微观世界能逃脱自然界的因果性吗？以爱因斯坦为首的少数科学家始终坚持微观世界有严格的因果性；而以玻尔为首的哥本哈根学派则把测不准原理做为否定自然界因果性的杰出证据。因果律在量子论中也不再适用，量子论挣脱了因果链，根据量子论，在没有因的情况下也可能有果。物质不灭律对量子力学也不再成立，量子论打碎了人们的常识所珍视的关于实在性质的概念。
测不准关系提出后，波尔提出著名的互补原理，用来解释量子现象的主要特征——波粒二象性。对测不准关系等一系列理论问题加以哲学概括。互补原理为哥本哈根学派所拥护，并成为哥本哈根学派的重要精神支柱。
玻尔提出互补原理的事实根据是：首先，微观粒子在某些实验条件下只表现波动性；在另一些实验条件下只表现粒子性。波粒二象性不能同时在一种实验中出现。其次，根据测不准关系，要精确 测量微观粒子的速度，就弄不清它的位置；要精确测量它的位置，就弄不清它的速度。此外，时空描述与因果描述也不可能同时确立，因为要对客体进行精确的时空描述，就要发生仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造成缺口，无法确定严格的因果性；要想确定因果性，就要排除任何仪器对客体的干扰，这就要在因果链上造成缺口，无法确定严格的因果性；要想确定因果性，就要排除任何仪器对客体的干扰，而这样一切观察就不可
能了，也就无法实现对时空的描述了。因此，玻尔主张在量子物理中应当抛弃因果性和决定论的概念，而代之以互补原理。
如果把机遇当作是支配世界的终极规律，将无法满足所有人对世界的理解或解释欲。这种哲学上的不满意，导致爱因斯坦等人极力反对哥本哈根学派抛弃决定论和因果性的概念，并提出批判。
普朗克说，只要有选择的余地，决定论在一切情况下都比非决定论更可取。薛定谔认为，自然界的终极规律不是统计规律而是动力学规律，他相信他的波动理论最后有可能回到决定论的经典物理学。
在狄拉克看来，在量子力学中找不到因果联系，并不能说量子现象本身有什么非决定性因素，而是由观察对客体的干扰造成的，量子理论将来可能回到决定论，但不是回到经典决定论。德布罗意说：现代原子物理学对波粒二重性的真正性质一点也不了解，它只是用“互补性”这个含糊不清的术语来掩饰自己的无知。
爱因斯坦依据广义相对论的引力场方程，认为方程的边界条件和各种极限条件，能够合理、完满的解释包括牛顿万有引力定律在内的“光 时间”所确定的宇宙半径内的物理现象，证明因果律和决定论所确立的场微分方程是符合科学发展规律的。但是，量子力学的“测不准原理”无法用因果律和决定论来解释，也是不争的事实。
哥本哈根学派割裂微观世界中的必然性与偶然性的联系，即在正确地否定机械的决定论和因果性概念时，却走向否定一般决定论和因果性；在正确地批判形而上学地断定粒子必定具有确定的坐标及动量的同时，却把对微观客体的观测离不开宏观仪器错误地看成是微观客体的性质依赖于对客体的观测，这就使得玻尔等人的哲学思想不能带有实证主义的色彩。此外，他们还把互补原理夸大到不适当的地步。诚然，爱因斯坦把客观规律的统计性质排斥在基本理论之外是没有道理的。由于他没有完全摆脱因果决定论的影响，对量子力学怀有明显的偏见，使他后来在某种程序上脱离了当时量子理论发展的主流。
三、对哲学发展的启示
一切事物都处在永不停息的运动、变化和发展的过程中，整个世界就是一个无限变化和永恒发展着的物质世界。物理学革命的一系列新发现，否定了经典物理学的传统的哲学观点，对经典物理学造成了毁灭性的冲击。我们应当认识到，实践是检验真理的唯一标准，相对论和量子力学的诞生是人们认识不断发展的结果。关于无知无限可分的思想, 不过是人们对物质可分概念的简单化、绝对化的理解, 是人们对物质无限可分思想的误解, 是人们认识上的
局限造成的。人对世界的认识，从目前所能达到的成果都是相对的，不存在终极的、绝对的真理，只能无限地接近真理。但是，这并不意味着不可知论是正确的，因为思维的至上性和非至上性是辩证统一的。人对世界的认识的成果都是相对的，这是从思维按其在每个人和每个历史阶段上来说的。但是，思维按其本性、使命和终极目的来说，是至上的、无限的，能达到绝对真理，不可知论只看到思维的非至上性，而没有看到思维的至上性，是形而上学的观点，其必然会滑向唯心主义。人们对物理现象及其本质的认识是不断地发展和完善起来的，每一种理论的建立过程都体现了“实验(事实) ——理论假设——实验(新的事实) ——修正理论”，遵循着辩证唯物主义中的“否定之否定”规律。
哲学的发展是长期的、持续的，在新发现的争论中进一步发展。随着物质和意识的发展，哲学的发展仍然会遇到许多新的挑战，并在这些挑战中进步我们应当在一系列哲学论争面前保持冷静，坚信马克思主义，用发展的眼光看待新事物的产生。
【参考文献】
【1】林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，1985
【2】列宁选集（第二卷），人民出版社，1974
【3】列宁，唯物主义与经验批判主义，人民出版社，1970
【4】塞耶编，牛顿自然哲学，上海人民出版社，1974
【5】许良英等编译．爱因斯坦文集（第一卷），商务印书馆，1976
【6】玻尔，原子论和自然的描述，郁蹈译，商务印书馆，1964
【7】曹天元，量子力学史话，辽宁教育出版社，2008