从牛顿力学到爱因斯坦相对论

摘 要:物理作为一门自然科学,从其萌芽的那一刻起就注定了它的实用价值和卓越贡献。毋庸置疑,一部物理学的发展史就是一部社会经济发展史。

关键词:电磁场理论;思想问题;非智力因素

联合国教科文组织把2005年定为第一个世界物理年,对从事与物理有关的工作者而言,这无疑是一件令人振奋的事。作为一名中学物理教师,面对学生普遍厌烦物理的现状,不由我不去更深地思考。

远古时代,人们在繁重的生产劳动中逐渐发明了杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械,诞生了力学知识的萌芽。作为***标志的就是狭义相对论、广义相对论和量子理论。相对论和量子力学的诞生,使雷达技术、自动化技术、原子能的利用、激光技术、航空航天技术等相继出现,核能得到开发和利用,电脑得到普遍的应用,带来了第三、第四次科学技术***。也许正是由于物理学的巨大的社会经济效益,才会有“物理年”的诞生。

仅仅认识到这一步,其实还远远不够,物理学的发展史更是一部前人艰辛的劳动史和教育史。几乎每一条规律、定理的发现,每一套理论的建立都凝聚了大量科学家集体的心血和智慧,正是他们的协作精神和对科学的无限热爱精神推动了物理学一步步朝着更高层次、更完美的境界发展着。

1687年,牛顿《自然哲学的数学原理》一书的发表完成了物理学史上的第一次大综合,标志了经典力学体系的初步建立,这是牛顿创造性研究的结晶,同时也是天文学、数学和力学历史发展的产物。牛顿曾称自己站在巨人肩膀上,应该说这并不夸张。但站在巨人肩膀上的人太多了,为什么是牛顿完成了这一大业,而不是别人呢?我们都知道,机遇总是青睐那些有准备的头脑。牛顿善于继承前人的成果,这和他的奋发好学、勤于思考是分不开的。正是他废寝忘食不停地思考和它的勤奋好学的精神,使他做出了震惊世人的丰功伟绩。这不正是我们要学习的么?

麦克斯韦电磁场理论的建立过程,让我们再一次领略到科学史上的接力赛和群体精神的闪光。同牛顿一样,他受到法拉第力线思想的鼓舞,又得到W・汤姆生类比研究的启发,同时又有安培、库仑、赫兹、奥斯特等一大批人为电磁学打好了基础,给麦克斯韦的再一次大综合预备了条件。

相对论的建立是电磁理论合乎逻辑的继续和发展,是物理学有关分支的又一次的综合。早在1895年,爱因斯坦16岁的时候,他就开始思考这样一个问题:如果自己以光速追随光线运动,应当看到这一条光线,就好像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论依据经验,还是按照麦克斯韦方程看来都不会有这样的事情。这是一个悖论,实际上包含了狭义相对论的萌芽。爱因斯坦对这个问题的思考经历了10年才找到了解决问题的关键。这期间迈克尔逊―莫雷实验的零结果,促使他向狭义相对论迈出了第一步。费兹杰惹和洛仑兹分别提出的收缩假说,暗含了狭义相对论和麦氏理论之间内在的渊源关系,以太的不可探测,长度收缩的不可探测,都为狭义相对论的诞生预备了条件。彭加勒、洛仑兹甚至都走到了狭义相对论的边缘,只是由于绝对时空观的思维定式,使他们没能跳出框架,这些令人遗憾的教训不该给我们带来深刻的启示么?爱因斯坦的狭义相对论发表后搁置了14年没有受到应有的重视,可见旧观念的根深蒂固,它的改变不是一朝一夕之事,曲高和寡在这里也得到充分的印证。

不仅仅理论的创立是艰辛而漫长的,与之相印证的物理实验更是艰苦,一个实验往往一做就是一年、几年:迈克尔逊-莫雷实验断断续续前后作了六年,戴维森的电子散射试验也作了六年,为了提炼足以进行试验的纯镭盐,居里夫妇经过四年从8吨矿渣石中提取了0.1克的纯镭盐,是什么给了他们绵绵不绝的动力呢?是对科学的负责精神和实事求是的精神以及坚韧不拔的毅力和斗志。我们在工作中、学习中遇到一点小困难与之相比又算得了什么呢?

物理学的发展史更是一部科学方法的创建史,一部思维方法的进化史。

纵观物理学的各个分支领域,理想模型几乎无处不在。无论是运动学的匀速直线运动,匀变速直线运动、质点、刚体、光滑平面,热学的理想气体、理想循环、理想液体,电磁学的匀强电场、恒稳电流,光学的点光源、绝对黑体等等。它们的建立都充分展现了物理学家们敏锐的洞察力,高度的概括性,高明的预见性。抓主要矛盾,忽略次要因素,简化问题,突出主要性质,这是何等的高明!

而科学假说、等效替换、类比、逆推、归纳等等比比皆是。物理学真堪称一部方***大全。影响着人们的思想、观点、方法。这种思维方法应用于社会各个领域,应该说是放之四海而皆准的真理,许多年轻时搞过物理,后又转向其他方面的人,不管是从***、从商还是从事其他工作,都普遍感受到当年学习中训练的思维方法使他们获益匪浅,受益终生。

物理学更蕴含了丰富的真、善、美,是一部美学大全。

从它的外延看,它的发展过程,无时不透射着风趣、幽默、睿智。忘不了牛顿,请客时,别人吃饭他肚子不饿,煮鸡蛋时,差点将手表煮熟;忘不了“泊松亮斑”的戏谑;忘不了“紫外灾难”的幽默;更忘不了以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根学派的争论。那是一群多么可爱、可亲、可敬的人们,那是一群永远不老的科学斗士,一代科学伟人。他们既是严肃论战的对手,又是追求真理的战友。争论时不留情面,生活中友谊真诚,可歌可泣,足令我辈敬仰。

从它的内涵看,它的内容、结构、方法的简单美,一个F=d(mv)/dt就把天地万物的机械运动规律统一起来了,不令人折服么?

作为中学教师,如何能让学生听到这首动人的歌,如何能让学生体会到这其中的美,将是我们今后面临的最艰巨的任务。我想:帮助学生树立榜样,解决学生思想问题,提高他们的非智力因素才是解决问题的关键。

(作者单位 山东青岛莱西一中南校)

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