科学理论与科学思维.docx

科学理论与科学思维（1）※普朗克量子假设……十八世纪到十九世纪末，在“晴空无云”的大地上屹立着以牛顿力学为核心的经典理论大厦，人们受传统观念的束缚，固执于旧的理论，固执于旧的世界观，固执于旧的方法论，认为物理世界己经“太平”了，所有的现象己被认识，所有的规律己被发现，大到天体小到原子都在同一个公式之中，过去、现在和将来一样，都可以通过解方程得到答案。…… 作机械运动的物体，当运动速度远小于光速时，准确地遵循牛顿力学的规律；电磁现象的规律有麦克斯威方程理论加以描述；热现象的规律有完整的热力学和统计学理论来说明；光的现象有光的波动理论（最终也归结为麦克斯威方程）来描写。当时的经典物理理论被看成是物理世界的不可逾越的终极真理，有的物理学家公开声称，物理学的基本定律己被发现出来了，剩下的事情仅仅是解方程，“玩弄数学符号罢了”，当时著名的科学家拉普拉斯说，“把宇宙的最大天体的运动和最小的原子的运动囊括在同一的公式中”，从而“无论什么都不是不确定的，…并且将来和过去一样都会呈现在眼前”《注16》可是，就在这一时期，经典物理理论遇到了摆脱不了的困难。如，在热辐射的研究中发现经典物理理论与黑体辐射实验不符，物理学家维恩根据经典热力学推导出的维恩公式，在高频时与实验符合，在低频时与实验不符；而物理学家瑞利与金斯根据经典电动力学推导出的瑞利-金斯公式，在低频时与实验符合，在高频时与实验不符。这些新的实验与经典物理理论不相符合的事实，使不少科学家苦恼，大家称它是“红外光灾难”和“紫外光灾难”。可是，作为当时物理学权威的威廉·汤姆逊却认为，这仅仅是“在平静而晴朗的物理天空中挂着的一朵乌云”，这朵乌云似乎早该被神圣化了的经典物理理论所驱散，然而事实是无情的，摆在物理学家面前的只有两条道路：一条是敢于从新的实验事实出发，大胆地修正、丰富和发展经典物理，另一条从经典物理的传统出发，硬把实验事实纳入旧理论的框框中去。1900年10月19日，24岁的德国物理学家普朗克为了寻求旧理论与实验事实的一致性，向物理学会提交了一份普朗克黑体辐射公式，这个公式没有理论依据，是用机械的办法把维恩公式和瑞利-金斯公式生硬地拼凑在一起，使它在任何频率下都与黑体辐射实验曲线相符合。当天晚上物理学家鲁本斯发现这个经验公式同他曾经作过的实验数据惊人的一致，第二天一早鲁本斯高兴地把这个消息告诉了普朗克，普朗克决定开始寻求这个公式的理论基础。两个月后，普朗克大胆地抛弃了经典物理关于“能量连续辐射”的传统观念，提出了一个把能量值“量子化”即“能量不连续”的新假设_“谐振子能级”，并用这个新的“能量子假设”从理论上推导出了两个月前向物理学会提交的普朗克黑体辐射公式，同时运用这个公式，在高频时推导出维恩公式，在低频时推导出瑞利-金斯公式，这样普朗克黑体辐射公式不仅与实验数据惊人的一致，而且从理论上统一了这两个互不相关并与实验不完全相符的黑体辐射公式。普朗克提出的“能量子假设”冲破了己经神圣化的经典物理传统观念的束缚，解决了“红外光灾难”和“紫外光灾难”，为现代物理理论奠定了新的基础。……※庞加莱删拦……庞加莱是法国著名的数学家，也是第一个用理性的触角遇到可能存在并研究“混沌”的人，后人称他为混沌的鼻祖，因为庞加莱所提出的不少新理论和新方法，在当今非线性科学中的，如“庞加莱截面”、代数拓扑学等很多概念与思想，都来源于庞加莱，所以人们一致认为非线性科学的诞生应该从20世纪的庞加箂开始。……庞加莱所遇到的混沌问题，始于对三体问题的研究。19世纪，数学家们对描述行星轨道的天体力学方程式的级数是否收敛的问题，议论纷纷。1858年德国哥廷大学的数论专家狄利克雷（Lejeuno Dirichlet）对他的学生克罗内克（Leopold Kronecker）讲，他利用一种技巧证明了该级数的收敛性，但不幸的是他还没有告诉他人便于次年5月逝世了，享年54年，走得太早了。狄利克雷逝世后，没有任何一位数学家提出证明。19世纪80年代，为了公开解决这个问题，瑞典斯德哥尔摩大学的数学家们想出了一个主意，打算在瑞士国王奥斯卡60寿辰时，举办一场国际性的数学竞赛，把这个行星轨道计算中的级数收敛性的问题作为国王颁发的4个难题之一。这个问题是一位极具影响力的数学家维尔斯特拉斯（Veiostyass）提出的：如果有几个质点，按牛顿定律互相吸引，可不可以用收敛级数表示它们的坐标（是时间的函数）？谁解荅了这个问题，国王将在60寿辰颁发奖金。作为法国著名的数学家的庞加莱对这个问题感到极大的兴奋。但是，他也知道要解决这个问题是非常困难的，一方面意识到开发这个问题的工具没有出现，难以用精确的语言表达；另一方面感到要解决这一类动力学问题必须以自己熟悉的领域_天体力学入手，并不局限于某个具体的运动之中，而应研究所有可能运动的普遍规律。例如