20世纪初物理学的两大危机是什么？
物理学不仅为我们解释了周围的物质世界，而且创造了内容丰富、思维缜密、不断创新、乐趣无穷的理论方法和实验体系。20世纪的近代物理革命与19年到20世纪之交的物理形势有关。当时物理学上空有两朵所谓的乌云，让一些物理学家惊呼出现了物理学危机。现代物理学革命不仅解决了两朵乌云带来的危机，而且将整个物理学置于以量子论和相对论为支柱的现代物理学基础之上。《纽约时报》
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19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家曾经聚在一起。会上，英国著名物理学家汤姆逊回忆物理学取得的巨大成就时说，物理大楼已经建成，只剩下一些装修工作。同时，他在展望20世纪物理学的未来时，若有所思地说，动力学理论肯定了热和光是两种运动方式，但在其美丽晴朗的天空中，它们是两朵花。这两朵乌云现在都被量子论和相对论驱散了，虽然今天的物理学确实面临着一些亟待解决的重要理论和实验问题，比如类星体的能量问题，暗物质、暗能量和反物质的问题，爱因斯坦场方程的宇宙项，中微子振荡，质子衰变等等。但是到目前为止，还没有一个物理学家像20世纪的19那样惊呼物理学的危机。虽然相对论和量子论在科学各个领域的拓展和应用都取得了巨大的成功，但是科学是无止境的，并没有达到完美的阶段。看来，一直是精密科学典范的物理学并没有失去魅力，它作为其他实证科学基础的地位短期内不会改变。现在我们科技发展的重心已经开始向生命科学和信息科学倾斜，但物理仍然是基础，数学仍然是基础和重要工具，这一点没有改变。物理学的巨大魅力在于，它从理论认识上延伸出许多技术原理。20世纪，物理学为我们的社会提供了四大新技术原理，即核能技术、半导体技术，包括大规模集成电路技术、激光技术和超导技术。半导体技术和激光技术也衍生出了网络技术。虽然在20世纪现代物理学革命之后，在大约3/4个世纪的时间里，物理学没有出现新的根本性的革命性的重大变化，物理学的进步主要表现在相对论量子论的完善和普及上，但这并不意味着物理学的发展已经走到了尽头。
19年底，经典物理理论已经发展到相当完备的阶段。几大系——力学，热力学O-~？k % & gtb
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科学和分子运动理论，电磁学和光学，建立了完整的理论体系，在应用方面也取得了很大的成就。
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伟大的成就。它的主要标志是物体的机械运动在速度远小于光速时严格遵守牛顿力“Wl43jVl”。
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学习的规律；电磁现象总结为麦克斯韦方程组；光的现象有光的波动说，最后归结为Mike +W7XX。！& gt
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Swe方程；热现象有热力学和统计物理学的理论。那时候物理学的发展好像已经到了Q8adi & Y
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达到了巅峰。所以，大部分物理学家认为已经发现了重要的物理定律，不会再有什么伟大的发现了，qOxStC。
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这个理论相当完美。以后的工作无非是做一些补充和修正，提高实验精度和理论细节，使T=y*vF。
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更精确地测量常数。英国著名物理学家开尔文在一篇展望20世纪物理学的文章中曾说
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谈及:“在已经基本建成的科学大楼里，后世的物理学家只需要做一些零碎的修复工作。”rQU * " V；
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然而，当物理学界沉浸在满足的喜悦中时，一系列重要的发现从实验中浮现出来. 4 #: ` "(# ~ u
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固体比热、黑体辐射、光电效应、原子结构cdots cdots等新现象都涉及L ' NSG >；y
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微观过程无法用既定的经典理论解释，尤其是真实的U′f = wt-
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根据测试定律，经典理论得到的瑞利-詹金斯公式在低频部分与实验结果吻合较好，} [g = "k
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但随着频率的增加，辐射能量单调增加，在高频时趋于无穷大，即在紫端发散，z\eru+w)。
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这种情况被Ellen Fister称为“紫外线灾难”。迈克尔逊-莫雷实验的“零结果”使E[]8v~%
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令人费解的是，实验结果显示不存在“以太漂移”，这让物理学家感到震惊，也体现了经典的* IPY | F
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新儒家面临着严峻的挑战。这两件事被当时的物理学权威称为“物理学晴空中的遥远”。2*'enNPfw
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还有两个小而令人不安的乌云。然而，正是这两个小小的乌云给物理学带来了一个WYPW: q。
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一场深刻的革命。Tr#p？公证人
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下表列出了世纪之交物理学中的重大实验发现
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1895。发现X射线！特别提款权，S \；@
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1896。mbox { Bekkerel } &；Mbox{发现放射性} D[#d@ OK+P]
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1896。Mbox{塞曼} & Mbox{发现磁场分裂谱线}！# & ltj[& lt；问\
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1897。Mbox{J.J .汤姆森} &；Mbox{发现电子}:f & gt；H#x4[
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1898。mbox { Rutherford } &；mbox { discovery }αηmbox { ray }-&；& gt+AOO(
mUWPNg。F
1898。Mbox{居里夫妇} &；Mbox{放射性元素钋和镭的发现} {*D:"m
C*O2 :tx
1899 - 1900。Mbox{ Lummel和Rubens等人} & amp；Mbox{发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布率} p:-0F|0
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1900 & amp；mbox { vila de } &；mbox { found } gamma box { ray } 1bY * Q Q。
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1901。Mbox{ Kaufman} & Mbox{发现电子质量随速度增加} t{fGs]Y39t
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1902。Mbox{ Lenard} & Mbox{发现光电效应的基本定律} (9YT m)
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1902。发现热离子发射定律
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1903。mbox { Rutherford } &；Mbox{发现放射性元素的蜕变规律} {CD R WXR]
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这些新的物理现象打破了沉闷的空气，把人们的注意力引向更深更广的世界；本部门@7 >欧盟
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新发现与经典物理的理论体系存在尖锐矛盾，暴露了经典物理理论中的隐患，指TiB bxb[
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走出经典物理学的局限，物理学只能从概念、基本假设、理论体系等方面进行改进。2UUha
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只有通过彻底的变革，我们才能适应新的形势。8\9Hb(Y
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因为这些新发现，物理学面临大发展的局面:*b6F+nM
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1.电子的发现打破了原子不可分的传统观念，开辟了原子研究的新领域；4x`VTx
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2.放射性的发现带动了放射学的研究，为核物理做了必要的准备；Ig-`]PMht
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3.以太漂移的探索使得以太理论处于诸多矛盾之中。为了从根本上抛弃以太存在的假设，建立了狭义的“RV”；Y
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义相对论提供了重要的基础；$p-DCq{5
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4.对黑体辐射的研究导致了黑体辐射普朗克定律的发现，由此提出了能量量子假说。30|=;OXU8
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第一枪的确立。7;jF7R。
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简而言之，在世纪之交，物理学处于新旧交替的阶段。这个时期在物理学发展史上是23MJ]hD.wW。
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范时期，经典理论的完整建筑，晴空远处漂浮的两朵乌云，构成了19结尾的绘画x/b}eW Rs。
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体积；20世纪初，新的现象和理论如雨后春笋，物理学领域的思潮异常活跃，被称为物理学Y#JR@@pQ。
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这些新现象与经典理论的矛盾迫使人们突破原有理论的框架，摆脱经典的O @ mikuh ~。
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受理论束缚，要在微观理论上探索新规律，建立新理论。N_lYKX3
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二、旧量子论的建立e _1y(
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20世纪初，新的实验事实不断发现，经典物理在解释某些现象上存在一定困难，其中表现最@u` P e7m。
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以下三个问题明显而突出:1。黑体辐射问题；2.光电效应；3.原子稳定性和原子A A =，94
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光谱和量子的概念是在理论上解释这三个问题时作为假设提出的。a)体育
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2.1黑体辐射研究=u.e~gr6r
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热辐射是19世纪发展起来的一门新学科。它的研究得到了热力学和光谱学的支持，也使用了+` K cT@z。
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电磁学和光学方面的新兴技术被引进，所以发展很快。到19年底，在这个领域打开了一个缺口，即f8JgByS3v。
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对黑体辐射的研究导致了量子理论的诞生。rlxKh33
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为了获得与实验相符的黑体辐射定律，许多物理学家进行了各种尝试。VpgADX/q
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1893年，德国物理学家Winhelm Wein(1864-1928)提出了黑体辐射能量分布定律，即_#jJ~
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韦恩公式。该公式在短波部分与实验结果符合较好，但在长波部分明显；:U)[AvD
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与实验不符。1900年，英国物理学家瑞利和J.H .金斯提出了另一个辐射定律，7d ddsx >；\
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即瑞利-詹金斯公式，在长波部分与观测一致，但在短波(高频)部分与实验大相径庭，-gNRa$I*，o
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导致了所谓的“紫外线灾难”。这场“灾难”让大多数物理学家敏锐地看到，经典物理学正面临严重的lyc\[r[:I]。
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危机。
李兴民:物理学危机的出现及其实质
摘要:本文在考察物理学危机的产生和物理学家对危机的反应的基础上，着重探讨了物理学危机的实质。作者认为物理学的危机主要是物理学本身的危机，其哲学表述来源于物理学本身的危机。而且，哲学的危机主要是机械唯物主义的危机。c# e & lt；#tX
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第一，身体危机的出现
自1687年牛顿代表作《自然哲学的数学原理》发表以来，在接下来的两百年里，物理学基本上是在牛顿力学的理论框架内发展的。到了19世纪后期，经典物理学已经形成了一个严密的理论体系，几乎可以解释所有已知的物理现象。当时局限于机械论自然观的物理学家普遍认为，所有的物理现象都可以用力学的角度来解释，未来的物理真相还得在小数点后第六位才能找到。4p#^k<；o
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在物理学家们沾沾自喜、盲目乐观的同时，一些实验事实却在他们的心里暗暗蒙上了一层阴影。1887.通过精确的实验，迈克尔逊和莫雷发现地球和以太之间没有明显的相对运动，从而动摇了流行的菲涅耳静态以太理论。然而，静态以太理论不仅是电磁理论所要求的，也有更早的像差现象和斐索实验的支持。这样，以太作为光现象和电磁现象传播介质的力学模型在自然界中就难以自圆其说，光学和电磁学的力学基础面临着某种危险。M3/H
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经典理论无法解释的新的实验事实，也就是所谓的“反常现象”接踵而至，气体比热的实验结果也与能量均分定理产生了尖锐的冲突。19世纪中期，玻尔兹曼和麦克斯韦提出了能量均分定理，可以解释很多现象，对一般固体和单原子气体在室温下的比热给出了满意的答案。而对于双原子和多原子气体，实测恒压热容与定容热容之比明显大于理论计算值。开尔文1900，2000年4月27日在英国皇家学会的演讲中，曾把上述两个问题称为“19世纪笼罩在热和光的动力学理论上空的乌云”。\ & lt|+oT6@
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开尔文毕竟把物理学的天空看得太清楚了。事实上，当时物理学的天空中并不只有“两朵乌云”。早在他发言之前，就已经是“乌云压城欲摧”、“山雨欲来风满楼”了！事实上，在19世纪末，光电效应、黑体辐射、原子光谱等实验事实相继与经典物理理论严重对立。=b3i1eYA88
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物理学的危机可以说是在1895之后才真正开始的。特别是由于放射性的发现和研究，强烈冲击了原子不可分、质量不变的传统物质观。即使是顽固坚持旧观念的人，也无法反对大量确凿的实验证据，最多只能持观望态度。V @ & amp|yc，h
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1895 165438+10月8日至65438+2月28日，伦琴在德国维尔茨堡大学实验室研究阴极射线时发现了X射线。伦琴的发现不仅引起了惊讶，也引起了轰动。它开启了一个美好的新世界。随后，冲击经典物理学理论基础的铀放射性(1896)、电子(1897)、放射性元素钋和镭(1898)等一系列新发现接踵而至。在此基础上，卢瑟福和索迪于1902年提出了元素嬗变理论。{HDnE~
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这一系列新发现不仅动摇了整个物理学的基础，也冲击了统治自然科学领域200多年的力学自然观，于是出现了所谓的物理学危机。面对无法纳入力学理论框架的新事物，当时的一些科学家中出现了“物质消失了”、“科学破产了”等奇怪的理论。这一切造成了物理学领域的一些思想混乱，进一步加深了物理学危机的严重性。h%L？法国标准
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第二，物理学家对危机的回应
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物理学家如何看待世纪之交物理学的危机？U3wk h qlB
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当时的物理学家一开始并没有意识到物理学的危机，至少没有意识到危机的严重性。他们仍然坚信经典力学的理论框架是整个理论物理大厦的基础，是其他所有科学分支的根源。从来没有人想到物理学的整个基础可能需要从根本上改革。普；(r%s。
在哪里？
开尔文是英国科学界的元老，他没有意识到物理学的危机。他只是认为物理学的发展只是几个严重的困难，这些困难可以通过适当的方案逐一解决，而不会触及物理学的整个基础。因此，他常常对动摇这一基础的新实验和新理论持怀疑态度，甚至公开站出来反对。！m+ zf9]
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造成所谓“紫外线灾难”的黑体辐射问题，极大地加剧了经典物理学的危机。然而，即使是当时深陷这个问题的韦恩、瑞利、洛伦茨等人，也没有意识到这种危机。他们试图在经典理论的框架内解决问题，所以始终没有找到正确的出路。即使是量子理论的创始人普朗克，当时也没有意识到这种危机。所以他的创业不是自觉的，而是被迫的。难怪普朗克在迈出关键一步后开始犹豫。他怀疑自己的推导可能存在一些缺陷，并尽力使量子论与经典理论相调和。至于韦恩和瑞利，他们直到1905才认同量子的概念。洛伦茨还说，1908年在罗马演讲时，很难接受普朗克的理论。0r$P_k
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在玻尔兹曼看来，其实是有危机的，但只是哲学上的危机，物理学本身并没有危机。玻尔兹曼1904在美国圣路易斯举行的国际技术与科学大会上发表演讲时表示，问题在于哲学上的错误，而不是科学研究中不可纠正的缺点。物理学的迅速发展清楚地表明，错误在于把研究一些共同特征的任务，如因果关系的本质、物质和力的概念，委托给哲学，“哲学在阐明这些问题上显然是无能为力的。”玻尔兹曼认为，与哲学的斗争是物理学解放的首要条件，所以他非常激烈地进行了这场斗争。玻尔兹曼是坚定的机械唯物主义者，他反对的当然是一些唯心主义的哲学流派。他之所以这样做，是因为在他去世前后，以实证主义为代表的唯心主义哲学广泛流行，很多人错误地认为物理学的危机导致了科学的破产和唯物主义的失败，造成了一些思想上的混乱。例如，奥斯特瓦尔德宣称物理学的发展正面临危机。要消除这种危机，只能依靠物质消失的哲学观，把实体的属性赋予能量(即能量论)。皮尔逊还声称，“当前的危机实际上在于”，“人们把物质视为物理学的基本概念”，“现在看来很明显，电必须比物质官更为根本。”皮尔逊由此得出一个唯心主义的结论:“渴望给每一个概念赋予客观性是完全没有必要的。”这些曾经时髦的哲学很容易将物理学引入歧途，玻尔兹曼对它们的坚决反对值得称道。但是，他的实践没有也不可能取得巨大的成果，因为作为他战斗武器的机械唯物主义也陷入了深刻的危机。而且他断然否认物理学本身存在危机，导致他无法对症下药。因此，尽管玻尔兹曼较早地为经典物理学的发展做出了突出贡献，但他未能在世纪之交的物理学大变革时期看到改变经典理论及其基础的必要性和紧迫性，也未能对已经出现的物理学革命的形势提出预测性意见。*FR0-HlR
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在1905之前，爱因斯坦还是一个默默无闻的年轻人，他不可能公开很多演讲和文章。然而，从他后来的回忆和其他相关材料中，我们可以清楚地看到，爱因斯坦对世纪之交物理学的危机有着深刻的洞察力和独特的洞察力。在以往实验和研究工作的基础上，爱因斯坦看到物理危机表现在两个基本方面。一个是力学和电动力学两大理论体系的严重不协调。对此，他认为，摆脱危机的出路在于摆脱占主导地位的教条式的固执，抛弃绝对空间和绝对时间的概念，从而为整个物理学找到一个可靠的新基础。第二是普朗克对热辐射的研究让人们突然意识到危机的严重性。就好像地基是从下面挖过来的，哪里都没有坚实的地基可以建筑。值得注意的是，爱因斯坦通过一些实验事实与旧理论的矛盾，进一步认识到了经典物理学的理论基础，即其基本概念和原理的危机。因此，他逐渐对利用建设性的努力根据已知事实发现真实规律的可能性感到绝望；他确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能得到可靠的结果。由于爱因斯坦对物理学的危机和出路有着深刻的洞察，他才得以在1905年一举在上述两个方面取得划时代的突破，彻底打开了物理学革命的新局面，使物理学消除危机成为可能。^aNkh,S，
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在当时科学界的知名人士中，法国数学家、物理学家、天文学家亨利？庞加莱在1905年出版的《科学的价值》中，他第一个明确地提出了物理学的危机，并对此作了全面的分析和论述。庞加莱认为，物理学的危机是新的实验发现与经典物理学的基本原理之间不可调和的矛盾。危机是好事，不是坏事。它预示着即将到来的变化(庞加莱称赞镭是“当代的伟大革命”)，是物理学进入新阶段的前兆。他正确地指出，要摆脱危机，就必须在新的实验事实的基础上改造物理学，让力学让位给更广泛的概念。他反复肯定经典理论的内在价值，尖锐批判“科学破产”的错误论调。他还预见了新力学的概貌，对科学的未来充满信心。
三、物理学危机的实质*！Ito}T
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虽然庞加莱在《科学的价值》(第八章:物理学当前的危机)中专门用了一章来详细论述物理学的危机，但他主要是从物理学的角度来看问题，他并没有从认识论的角度来充分发挥这一点。正如列宁所说，“他对这个问题的哲学方面兴趣不大。”Sg:N=v\
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然而，法国哲学问题作家莱伊在他的著作《现代物理学家的物理学理论》(1907)中对这一方面进行了非常详细的论述。在谈到物理学危机的实质时，莱伊说，在19世纪的前60年，物理学家们在所有的基本问题上都是相互一致的。他们相信自然界的纯力学解释，他们认为物理学无非是更复杂的力学，也就是分子力学。他们只是在物理归属于力学的方法和力学的细节上有分歧。现在，物理化学科学向我们展示了相反的情况。严重的分歧取代了之前的一致，而且这种分歧不在细节，而在基本的和主导的理念。一方面，莱伊指出，物理学的危机是“由新发现引起的典型的发展危机”，“危机将导致物理学的改革(没有这一点，就不会有进化和进步)”，“从而开始了一个新的时期。”“几年后观察事件的历史学家将很容易看到一个不断的演变，而现代人只看到冲突、矛盾和分成各种流派。看来物理学近年来经历的危机也属于这种情况(不管哲学批判根据这种危机做出什么结论)。”另一方面，莱伊也指出“对传统机制的批判破坏了机制的这种本体论实在性的前提。在这种批判的基础上，建立了物理学的哲学观。”"根据这种观点，科学只是符号的公式和标记的方法."(引自文献[5]，第259~262页，311~312页，书下面引用的只是页码)列宁在分析了物理危机和莱伊的评论后强调:“物理学危机的实质是旧的定律和基本原理被推翻了，超越意识的客观实在被抛弃了。(第264页)！pE^K
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目前，对物理学危机的实质有两种不同的看法。第一种观点认为，列宁强调了危机的两个方面，即物理学和哲学。比如有人说这两个方面是:第一，这是旧的概念、理论、原理和物理学最新发现之间的矛盾；第二，否认意识之外客观现实的存在。虽然也有人认为物理学的危机是物理学理论的改革和唯心主义认识论的结论结合在一起造成的，但他们强调关键在于唯心主义的结论。第二种观点认为，物理学根本不存在危机。比如有人说“危机”不是发生在物理学上，而是发生在哲学认识论上。有人说，危机不是自然科学本身造成的，而是唯心主义和不可知论侵入自然科学领域的结果。l .NdNv0
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第二种观点显然是错误的。首先，完全违背了上面提到的物理学发展的历史事实，这是最根本的一点。实际上，物理学的危机是物理学自身发展过程中不可避免的现象。它是新的革命性发现与旧的基本概念和原理之间尖锐而不可调和的矛盾的结果，而不是唯心主义和不可知论侵入自然科学领域的结果。要知道，物理学不仅在孕育期，而且从诞生的第一天起(甚至没有摆脱神学概念)，就一直受到唯心主义和不可知论的攻击，从那以后一直受到攻击，但物理学并不总是处于危机状态。可见，唯心主义和不可知论对物理学的入侵并不是物理学危机的根本原因。/uV & lt；qAYF
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其次，科学发展中的“危机-革命”概念(原谅我用这个词来代表庞加莱等人的科学发展观)是符合某些科学部门在一定历史时期的发展现实的。根据历史事实，最早提出物理学危机的庞加莱认为，当前物理学的危机是物理学本身的危机，其实质是新的实验事实与经典物理学基本原理(卡诺原理、相对论原理、牛顿原理、拉瓦锡原理和迈耶原理)之间的尖锐矛盾，在旧的理论框架内无法解决。庞加莱认为，物理学发展的历史向我们表明，物理学在此之前经历了一场危机(中心力物理学的危机)，它促使我们“抛弃旧观念”，将物理学推向一个新的阶段(原理物理学)。庞加莱指出，当前的原理物理学再次面临危机，摆脱危机的出路在于:“力学必须让位于更广泛的概念，它将解释力学，但力学不能解释它。”！V}$zJi
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被称为自然科学伟大创新者的爱因斯坦不仅意识到世纪之交经典物理学出现了两次严重危机，而且在后来多次阐述了他的“危机-革命”科学发展观。在爱因斯坦看来，几乎所有科学上的伟大进步都是由于旧理论的危机和现实与我们的认识之间的激烈冲突，迫使我们消除根深蒂固的偏见，创造新的思想和理论，从而导致了科学革命。爱因斯坦在1922年8月写了一篇文章，题目是《论理论物理的现代危机》。在这篇论文中，他指出某些基本概念和基本假设(基本原理)构成了物理学的基础。“科学的进步将引起其基础的深刻变化”，“在过去的二十年中已经清楚地表明，物理学的这一基础...无法抵御新实验数据的冲击”，而且它与实验“甚至有内在矛盾”(危机)，从而标志着“物理学的整个基础可能需要根本改革”(革命)。爱因斯坦的评论很有见地。^TaA^s.
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当代历史学家和科学哲学家库恩进一步系统化了“危机-革命”的概念。在《科学革命的结构》一书中，库恩不仅将“危机”视为其科学发展动态模式(前科学→常规科学→危机→科学革命→新常规科学……)中的一个重要环节，而且用了相当大的篇幅论述“危机”。在库恩看来，当一个异常现象达到似乎是常规科学的另一个难题的地步时，它就开始转变成一种危机，并且是非常科学的。当一个范式开始变得模糊时，所有的危机都开始了，而所有的危机都随着范式的新候选者的出现以及随后接受它的斗争而结束。危机是科学发展过程中的一个重要阶段，是新理论诞生的前奏。这场危机的意义在于，它可能表明，是时候改变工具了。危机是新理论产生的必要前提。只有认清危机及其根源，才能坚决抛弃旧的理论框架，自觉寻找新的理论框架，并在此基础上重建新的理论体系。相反，如果看不到危机的根源和危机的严重性，就很难感受到改变旧理论基础的必要性和紧迫性。最多只能在旧理论的框架内修修补补，甚至把别人发现的触及旧理论基础的新现象、革命性的新概念、新理论都反对为异端邪说。那些不能容忍危机的人无疑已经被迫放弃了科学。库恩的思想值得肯定和借鉴，物理学