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科学的求实精神(2).pdf

科学的求实精神(2)

ligun
2011-09-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《科学的求实精神(2)pdf》,可适用于高等教育领域

科学的求实精神科学的求实精神()()梁昌洪第第讲讲上一讲我们初步讨论了科学的求实精神。开门见山说明了科学的求实精神最简单又是最难做到。我们身边的不求实现象随处可见。同时点明了:素质是科学求实的关键科学家开普勒以高超的求实素质发现了行星的“椭圆”轨道。在近代物理史上没有任何人比法拉第的求实精神更令人感动。法拉第()出身英国自小家庭贫寒父亲是一名铁匠。他仅上到小学二年级便辍学回家。岁到伦敦布朗福街号订书铺当学徒也分送过报纸正是订书铺的工作使他如饥如渴的攫取人类的知识提高自己素质。法拉第坚持求实发现“场”和“电磁感应”法拉第法拉第在晚年回忆订书铺的七年犹如上了七年(社会)大学。可见逆境是相同的而人不同因而会得出截然不同的结果。大家都说机遇降临在有心人的身旁。突然来临法拉第身边的机遇是著名大化学家戴维(SirHumphryDavy)要在皇家学院作演讲。戴维当时才岁他已名扬四海。岁创立电化学拿破仑破例向他授了勋章。岁那年采用电解法他发现了钾、钠元素。岁又分离出钡、锶、镁、錋。轰动了世界化学界。年初秋法拉第终于通过一位常来书铺买书的皇家学会会员的帮助弄到了四张戴维演讲会入场券从而拉开了法拉第人生的另一大幕。小学二年级的法拉第没有其它办法吸引戴维的注意。除了他在Davy的四次讲演中非常用心听讲并作出详尽的笔记且回家重复每一个实验除外法拉第采取了一个大胆而又幼稚的举动他把Davy的讲演笔记艺术性地誊写了一遍。凡是可以发挥的地方他都根据自己的体会给出了补充为了说明文意还精心绘制了许多图表并说明Davy所进行的一些示范实验然后寄给Davy。并写了一封充满激情的信。述说贫穷身世要求Davy介绍工作。几天之后Davy即要约见法拉第并于年月做了Davy的助手。戴维的推荐意见是我们科学界的一个楷模。他写道:“迈克尔·法拉第一个岁青年根据我的观察这个人能够胜任工作。他的习惯很好上进心强举止和蔼十分聪明。”Davy一生发现建树极多但应该说其最大的贡献是他发现了法拉第并为法拉第创造了成为杰出科学家的最重要条件。法拉第得知学历、数学、物理等科班知识他是不具备的。他所唯一具备的是超群的求实素质,和对实践敏锐的眼光。也正是这一点他做出了一般人根本做不出的成绩。法拉第发现了“场”(Field)。杨振宁博士把场的发现认为是世纪物理学中非常重要的概念。他把电流的纸板上放上磁粉很明显的磁力线使他坚定了场的概念。场的出现使我们真正认识到了波是可以离开源的也就是说波是源的一种异化。Farady由磁粉发现了力线和场I关于法拉第“电磁感应”的发现那一直是物理史中经久不息的趣闻佚事。它对于电磁对称性的研究起到了关键的作用。人们对于磁的认识似乎远要比电来得早尽管西方学者总喜欢举出吉尔伯特(WilliamGilbert)《论磁》作为这方面的代表但是指南针作为古代四大发明之一始终是我们中华民族的骄傲不论怎么说地球本身存在着这固有的磁场是磁学初期发展的强大动因。电学的早期研究则可以列出摩擦起电富兰克林(BenjaminFranklin)天电和地电的统一实验以及库仑(CharlceAugustedeCoulomb)定律。电生磁的“第一次握手”历史上电学和磁学的研究很长一段时间是作为两个独立的分支。真正把电和磁首先联系起来的是丹麦学者奥斯特(HansChristianOersted)他在年发现电流可以影响邻近的磁针。其所做的实验是直观且朴实的也就是在电流线周围的小磁针发生了环形的偏转。这一工作的最杰出之点在于它揭开了电(或是电流I)能够产生磁把两个原先独立的分支联系起来了从而使电磁发展史揭开了新的一页。奥斯特本人也是首创了“电磁学”(Electromagnetics)这一名词。在这一工作中有一个不应忽略的细节:奥斯特试验中所产生的磁实际是磁场尽管他本人没有场的概念奥斯特还用纸片阻隔在电流和磁针之间磁针依然偏转。然而重要的场的概念重要与他擦肩而过。另外还应该看到奥斯特实验之所以获得成功除了他敏锐的洞察力而外还在于当时的条件(即伏打电池所能产生的电流I)足以使其产生的磁场远超过地磁物而发生磁偏转。在物理史上先进思想由于实验条件不足而无法证实的事例并不罕见。Faraday的对称性思想关于法拉第(MichaelGaraday)发现的电磁感应现象一直是作为物理史上最优秀的范例之一而被人们津津乐道。自学成才的法拉第具有直观简明和单刀直入的科学风格。他是物理史上提出力线和场观点的第一人而且贯彻始终。众多的研究者都注意到:法拉第发现电磁感应的思想是自觉的即接受了对称性思想指导他认为根据自然法则的对称性既然奥斯特证明了电能产生磁那么很有可能磁能产生电。如果没有对称性思想的信念不可能设想经过种种的实验失败熬过了沮丧的年法拉第还能锲而不舍朝这一方向努力。年月日早晨确实是物理学史值得纪念的一个日子。由于满足了磁场运动和导线切割磁力线的条件终于促成了电磁感应的发现。年的无数次失败终于换来了丰硕的成果有意思的是处处坚持观点的法拉第所设计的电磁感应实验企图产生的电是源(电流I)而不是场即使以现代的观点来看怎么评价这一伟大发现都不过分。但是也必须看到有几个不应忽略的环节。法拉第发现的电磁感应与原来设想并不相同。在原设计方案中法拉第并没有考虑磁铁或线圈的运动。奥斯特设想是电流产生磁那么对称性思想应该是磁流产生电(图)。但是遗憾的是磁铁不等于磁流。而且至今仍未发现磁流。法拉第具备伟大物理学家的最重要的品格:实事求是。他特别善于从试验中调整自己的思想并进一步深入研究发现产生电的关键是需要磁随时间的变化()。tB∂∂Orest思想电流I产生磁HFaraday对称性思想磁流M产生电E图电磁联系的对称性构想电和磁的“第二次握手”一般人看来在法拉第发现电磁感应之后电与磁的相互联系已经完成。其实并非如此。首先看出其中问题并深入研究的是比法拉第年幼岁的麦克斯韦本人(JamesClerkMaxwell)。一个历史巧合是他恰好出生于电磁感应被发现的年麦克斯韦本人也说他没有做过一个实验而却潜心研究法拉第的全部实验资料。历史赋予他的重任是完成一项伟大的理论综合。麦克斯韦之所以能完成如此艰巨的使命除了前述的实验基础作强大支撑而外他深邃的哲学思考雄厚的数学基础是最为重要的条件。麦克斯韦关于电磁理论的最大贡献有两点:()充分发挥法拉第的力线和场的思想并完成其优美的数学表述。()深入发现和分析了奥斯特电产生磁和法拉第磁产生电的不对称性。并且进一步运用对称性思想作指导得出结论:既然法拉第发现磁的时间变化可以产生电(E),那么很可能电的时间变化可以产生磁(H)。这就是著名的位移电流思想(图)。)(tD∂∂)(tB∂∂Faraday电磁感应磁的时间变化产生电EMaxwell对称性猜测电的时间变化产生磁HtB∂∂tD∂∂图麦克斯韦的对称性猜想值得指出:这是电产生磁的“第二次握手”。它与奥斯特发现的情况不同。而且也只有这时才能完成电磁第一次对称性发现。现在来考察Maxwell方程组是很有意义的⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧∂∂−=×∇∂∂=×∇tBEtDJH首先从方程中可明显看出:电(D)可转化为磁(H)磁(B)又可以转化为电(E)。这种电磁的相互转化产生了电磁振动。其次从方程中还可以看出:时间的变化可转化为地点的变化而地点的变化又可以转化为时间的变化。正是在对这种变化作出深入研究之后麦克斯韦才大胆预言了电磁波的存在。)(t∂∂()×∇()×∇()×∇)(∇×)(t∂∂从Maxwell方程中可发现电磁不对称而J和之间比值的不同使我们把媒质从电特性方面划分成导体半导体和绝缘体。麦克斯韦所完成的全部理论综合没有马上获得实验验证。因为在当时的历史条件下位移电流大小而不容易被检出。直到年和年才由天才科学家赫兹(HeinrichRudolfHertz)先后证实位移电流和电磁波的存在这时麦克斯韦已去世近年了。)(tD∂∂对称性研究没有结束从上面叙述非常具体地反映出科学方法论与科学发现之间的相互关系。重大的科学发现很多都是由正确的哲学先进的方法论作为信念和前导的。对称性思想在电磁理论发展史所起的作用就是一个生动的例子。但是一切哲学一切先进的方法论都不能代替科学实验和发现。这不仅因为客观世界是丰富的、复杂的它决不会简单按人们愿望的模式来运动而且即使现在我们也只能说认识到某一层次。由对称性思想作指导获得了不对称的电磁关系可以给我们极多的启示。科学的认识运动并没有结束磁单极的探索研究和实验也从未中断过。这里也没有涉及爱因斯坦(AlbertEinstein)关于狭义相对论中的电磁洛仑兹对称(不变性)。随着我们对于客观世界研究的深入了解的事物愈多。然而应该看到不了解而能够提出问题本身就意味着认识的深化并带来科学的进步。法拉第的故事讲完了。我们在这里要给出提炼和归纳。对于这样的学历这样境遇而又得出这样伟大的法拉第不仅我们感到奇怪。就连最深入了解他并作出近代物理第二次伟大的电磁综合的麦克斯韦(maxwell)也感到大为惊异甚至不可理解。麦克斯韦经过散度旋度这类当时极为深奥的数学工具而得到场的概念在法拉第那里则是清清楚楚他是怎么想出的?麦克斯韦多次提出这样的疑问。法拉第的最大法宝就是求实向实践学习向实践深入学习。从实践中找到灵感从实践中得到成果更重要的是从实践中纠正错误确立科学研究的正确方向。求实的素质在法拉第身上表现出无限的魅力。最后我们把Faraday的求实思路总结如图:法拉第用磁粉研究力线I法拉第由运动磁铁发现了电磁感应电流Faraday提出场(field)的重要概念总结了磁场的时间变化可产生电实现了电和磁的“第一次握手”。图法拉第的求实思路和开普勒最大的不同是:Faraday的所有试验都是自己做的参考文献【】缪克成《近代的大物理学家》华东师范大学出版社pp-普朗克求实抢到了一个量子大金蛋刚过去的世纪由planck提出量子而开创了一个新时代这一点已为人所共知。但是绝大多数人对于为什么是planck而不是别人发现微观世界离散化即量子这一件事并不了解。并且在科学发展史上。量子的发现与别的还很不同:z微观的量子发现是由宏观的绝对黑体辐射切入而突破的z问题的尖锐性致使开尔芬勋爵在年正式提出了物理学上空的两朵乌云之一z其它发现往往由两人或两人以上得到,如:非欧几何的罗巴切夫斯基波耶和高斯微积分的牛顿和莱布尼兹万有引力除牛顿外胡克已经擦了一条边而量子则是由Planck一人发现没有任何历史争议。于是深入研究为什么Planck能发现的原因成了我们十分感兴趣的问题。()绝对黑体辐射问题由来热辐射是物体具体温度而产生的辐射不同温度的物体发出不同的辐射谱。用来表示物体表面单位面积所发射的波长在之间的辐射功率。λλdTe),(λλλd↔则全部辐射功率为:当然物体还会吸收辐射到它上面的功率。所谓绝对黑体就是能完全吸收落在它上面的全部功率的一类物体。实际上如空腔的开口炉门等等。图空腔绝对黑体它吸收进入黑腔内的全部功率∫∞=),(λλdTeE()()黑体问题的实验规律黑体问题因为重要有很多著名科学家作了实验研究:年德国科学家基尔霍夫(Kirchohoff)提出:在相同温度T下同一波长的辐射本领与吸收功率之比与物体无关。对所有物体均相同是一个取决于波长和温度T的函数即:*),(Teλ),(Tλα),(),(),(TTTeλϕλαλ=()λ是与物体无关的普适函数。绝对黑体时吸收率:这时:年又有德国科学家斯特藩(Stefau)作了总结:即总辐射能量E与它的绝对温度T成四次方规律其中斯特藩常数:),(Tλφ),(≡Tλα()),(),(TeTλλϕ=()*TEσ=()σ)(kmw⋅×=−σ就是绝对黑体的辐射本领年德国科学家维恩(wien)得到了Wien位移定律:其中这表明辐射中能量最强的波长黑体温度成反比最后测出了绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线*bTm=λ()kmb⋅×=−mλ至此黑体辐射的实验规律基本摸清。()维恩和瑞利的理论研究黑体辐射不单纯是一个理论问题而且是一个有非常广泛的应用问题。这一点用一句话即可加以概括:黑体的不同颜色可以表示不同的温度。由于这个重要性质在对于天文星体表面测温炼钢炉中的温度等等均有十分重要的应用因此世纪末对于发生黑体辐射的理论研究十分热烈为了统一他们研究的参量是:其中是频率,c是光速。首先提出理论的是WWien他本身已是一位权威。前面所提的Wien位移定律()使他的声誉陡增。在海森堡博士论文答辩中他的提问差一点使年轻的海森堡无法过关。但是他对于黑体辐射分布曲线的研究却走了一条不太正确的道路。cTeT),(),(ννρ=()νλνc==Tmλ黑体辐射的能量按频率分布从理论假定Wien假定与Maxwell理想气体分子按动能分布相同结合热力学导出三次方规律低频时与实践不合实践图WWien从理论假定到实践的思路WWien研究用热力学结合Maxwell统计理论证明发射率是频率的三次方即:正因为他并不是从实验规律出发所以理论和实践在较小时偏离很大。接着研究的又是一位物理权威英国物理学家瑞利(Rayleigh)他在年用电磁理论得到:ν)exp(),(TCcTννλρ−=()ν其中表示空腔内的一切可能驻波数则是根据经典能量均分定理所得每个驻波的平均能量。()cπνkTkTcT),(πννρ=假定空腔内电磁辐射形成一切可能的驻波采用热力学能量均分定理:每个驻波平均能量为kT导出频率二次方定律从理论假设出发实践高频不符且会出现紫外灾难图Rayleigh的理论假定到实践的基本思路图黑体辐射的实验曲线与wienRayleighJeans理论之比较值得指出:Rayleigh在数学推导中弄错了一个因子后由年轻的英国天文学家金斯(Jeans)提出《自然》杂志纠正。后称RayleighJeans公式。由此看出Rayleigh得到结果后未与实践作认真比较。Rayleigh公式中频率高时趋于无限大即光在紫端发散。这个失败被埃伦菲斯特(Ehrenfest)称为紫外灾难。上面埃伦菲斯特所提到的灾难正是经典物理学的灾难。开尔文在年高瞻远瞩于月日在英国皇家学会作了题为《在热和光的动力理论上空的世纪乌云》的讲演中把迈克尔逊所作的以太飘移实验零结果比作经典物理学晴空的第一朵乌云而把RayleighJeans的能量均分定理的紫外灾难(即频率大时发散)比作第二朵乌云。他满怀信心地预言:“对于世纪最后时期内遮蔽了热和光的动力学理论上空的这两朵乌云人们在世纪就可以使其消散。”()开尔文宣布其为世纪物理学上空的一朵“乌云”历史证明了开尔文的预言。他的演讲完全可以和希尔伯特年的著名演讲相比拟。()Planck登台亮相正是在这个问题上正是在这个时候Planck登台亮相了。德国物理学家Planck()年他从慕尼黑大学的数学专业改为物理。为此他的老师Jolly极力劝说:“物理这一领域里几经没有什么本质上的新东西有待发现了。”德国物理学家普朗克我们来看一下Planck在晚年是如何描述他坚持转向物理的思想过程。Planck晚年《科学自传》中提及“引导我从事科学(物理)研究和从青年时期就爱好它的原因是一个十分自然的事实这就是我们的思维规律和我们从外界受到自然过程的规律是一致的因而使人们有可能通过纯粹的思维对这种规律做出解释。”不用我们过多的解释就可以看出科学的求实精神在Planck身上熠熠发光。但是历史落到Planck身上而不是别人发现量子是存在着科学必然性的。我们在下面给出了Planck具备攻克热辐射分布曲线的条件。Planck强烈的科学求实精神。一切从实际出发其他都可以舍弃。素质条件热力学特别是熵基础雄厚。熵的研究是普朗克的博士论文Planck服从真理从反对Boltzman到采用他的统计思想S=h*ln(w)终于获得划时代的突破与德国实验学家鲁本斯(Rubens)是极好的朋友。而正是Rubens年给Planck最新的实验数据基础条件实验条件近水楼台先得月科学家的勇气图普朗克具备的条件Planck研究黑体辐射规律有两个重要的背景:()从年起的年内Planck一直对热力学第二定律和不可逆过程保持着持续的高温。年完成PhD论文对热力学第二定律给出了详尽的分析但是这时大家对这位岁的小人物未感兴趣。年发表“不同温度条件下物体的平衡熵”。得到慕尼黑大学的特别奖。开始在学校崭露头角。年年他已在观念上形成不可逆过程是一个“自然过程”。熵和能量一样是物理过程中最重要的特性。在一切不可逆过程中熵趋最大。年年Planck用五年时间开始研究不可逆的黑体辐射。他认为既然熵S是不可逆过程的一个最普适量那么黑体辐射应该采用熵S来研究。用今天的眼光来看Planck他用了与众不同的创新方法。()Planck始终抓住结果应满足实验规律就在年前后天赐良机给Planck。年月日他的好朋友德国实验物理学家鲁本斯(Rubens-)夫妇来访随同报告了黑体材料的实验曲线情况。Planck坚持从实验出发用熵概念内插当晚就得到了一个辐射新公式并把它写在明信片寄给Rubens希望与实验比较两天后即月日Rubens又来Planck家报告新的公式与实验观察完全一致(先把深奥的道理放在以后解决而要给出实验规律的正确数学形式这就是Planck科学求实精神在研究中的突出体现)。年月日在德国物理学年会会议上Planck报告了《Wien散射定律的改进》给出了新的散射公式(可以看Planck研究的快节奏)。下面我们具体地看一下Planck如何利用熵猜出正确公式。大家知道熵是状态函数dQdST=其中Q-热量T-绝对温度Planck在黑体散射中引入熵方法(原创思想)它把()中dQ换成dU写出。Planck引入熵S的研究方法。它把熵表达式()dQ换成能量dU写出()dUdST=()通过分析得到维恩定律意味着dSkdUU=其中-常数kRayleigh定律意味着dSkdUU=()()显然()和()是一对矛盾Planck根据实验检验的标准毅然写出(猜测)()dSdUUUαβ−=当时为维恩公式时为Rayleigh公式见图所示()U<<βU>>βPlanck猜测()dSdUUUαβ−=dSkdUU=dSkdUU=维恩公式Rayleigh公式图Planck猜测U<<βU>>βNote:公式()表明的Planck猜测是他研究中非常重要的一步由此他首先根据实验得到了正确的数学公式:ln()dSUdUUTαββ==于是可知:TUeβαβ=−()()最后给出:(),vCVTCvvTeρ=−更重要的是他还知道了并所以有这个结果是与熵有关根据()可知:也即:()dSddUdUUUαββ⎛⎞=−−⎜⎟⎝⎠ln()dSUdUUαββ=()进一步写出:ln()ln()ln()UdSUUUdUααββββββ==−ln()ln()UUUSdαβββ=−解出熵函数:{()ln()ln()}UUUUSαββββ=−()()()后面的有些物理史家由于Planck公式是从猜测开始颇有微词。但是从上面的分析中完全可以看清Planck的研究工作与Wien、Rayleigh最大的区别也就在这里即大胆猜测出符合实际的公式再作深入的研究这正是Planck科学的求实精神。Planck当然不满足于猜测公式而对()熵公式的意义刨根问底终于导出了的量子革命hvε=Planck本人在一开始不太同意玻尔菲曼的熵概率解释但是实践使他认识到正是玻尔菲曼的思想把熵和微观世界联系起来。年玻尔菲曼发表《论热力学第二定律于概率理论之间的关系》。首次提出:一个系统的任意状态的熵和该状态热力学概率的对数成正比即:其中W表示系统状态的配容数。()WSln∝在研究里体辐射时Planck设想腔内有数目很多的谐振子系统中频率为v的振子数总能量为EE只能作为有限划分。例如划分成N个相等的份额且一份额为即:εEpε=把P个分配到N个振子的方案有:ε()!()!!NPWNP−=−()()Planck形象地把表示振子表示。组合的第一个必然是而后面跟的表示这个振子分配到几个如图所示:Fig能量的配容数图中表示第一个振子分到份第二个振子分到个……根据斯特林公式:εεεln!lnxxxx=−()当N很大时略掉则可知ln()ln()lnlnWNPNPNNPP=−−()Planck根据熵的可加性和概率的可乘性得到N个振子系统熵和热力学概率的关系NSWlnNSkW=其中k-是波尔兹曼常数NSNS=()()式()中S表示单个振子的平均熵在这种情况下可写出每个振子的平均能量为EPUNNε==又根据公式NSln()ln()lnln()lnPPPPWNPNNNNNN=−−归并后可知ln()ln()ln()PPPPWNNNNN=−()()根据()式得到()PUNε=这样有结果()ln()ln()NUUUUSSkNεεεε==−()从()到(),Planck的研究工作又得到了一个新的飞跃。经过深刻的思考Planck在理论上终于找到了其振子熵的正确形式且他认为这是一个普遍函数。S对比()和()已知即等于一个能量元根据热力学的关系式β得到共振子的εβ=()TUkUUkdUdSlnlnln=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=εεεεεεεε()−==kTeNPUεε()()式又是十分重要它是Planck熵导出的一种普遍的函数我们称之为Planck函数其物理意义是一个振子的量子数。(),−⋅=kTheCTνπννρ()其中是Planck常数。hPlanck在晚年曾经深情地回忆这一段:“这个问题导致我自动地去考虑熵和概率之间地联系即真正承认了波尔兹曼思想直到我生活中最艰苦地几个星期过去之后光明冲破了黑暗至今一个新的梦想不到的远景突然在我的眼前呈现了。”由此看来量子是Planck发现而不是别人确实有着极其深刻的原因。Planck的从实践→理论→再到实践的道路和Wien以及Rayleigh等人完全不同。这一点我们再回顾年Planck在诺贝尔奖仪式上的演说词或许是有益的。“即使这个辐射公式被证明是完全正确的毕竟它只是一个由碰运气猜测而发现的内插公式因此它使我们相当不满意。于是我从它被发现那天起就争取给它一个真正的物理解释这使我按Boltzmann思想考虑熵和几率之间的关系。在经历了我一生中最忙的几周工作后光明开始出现在我面前不曾预料到的一些领域在远处展现出来。”图年月召开的著名德国物理年会记录在这次会议上Planck首次提出量子假设图MaxPlanck在柏林的家这里经常召开物理学家的音乐晚会图MaxPlanck物理学的泰斗ρλ(),−⋅=νπννρCeCT(),−⋅=kTheCTνπννρWkSlog=ενh=图Planck的科学求实风格图MaxPlanck的发现量子论文图论文中给出Planck常数在Planck工作介绍的最后有五个问题很值得提及:很多人以为Planck研究热辐射是理论兴趣所致。事实上主要是站在工业发展新浪潮前列的德国迫切需要研究这一领域。国立物理研究院专门成立了“热辐射研究中心”该中心有WienRubens和鲁末等人。他们与Planck相互碰撞相互激励使研究迅速走向前沿。年Planck在一篇纪念Rubens的演讲中如是说:“倘若没有Rubens的介入热辐射定律的表述以及量子论的建立也许会以完全另外的一种方式出现也有可能根本就不会在德国诞生。”我们应该注意到作为微观世界最大的量子革命恰恰是出现在一个完全宏观的热辐射问题。这使有些学者感到诧异。其实热辐射和分子速度分布等这一类都属于统计物理领域统计物理是一个典型的“以大见小”的物理领域。我们看到的是宏观分布而决定这一分布的本质却是微观的排列规则。热(也可以说光)辐射正是光量子在宏观的体现。此后伟大的物理天才AEinstein敏感地抓住这一本质提出了光量子使量子真正进入了微观世界而玻尔则更进一步用到了原子核模型于是一场真正的量子大革命揭开了序幕。由此分析Wien和Rayleigh实在是够倒霉的因为他们遇到了由“新规则”决定的统计规律但却还在应用经典于是在实践中碰了壁。Planck熟悉熵S但却排斥Boltzmann的熵S统计解释即但是如果拒绝这一点就进入不了微观量子排列的新规则。Planck从排斥到接受经历了十分痛苦的过程最后终于战胜了自己并超过了Boltzmann(他没有把)具有讽刺意义的是作为量子革命旗的Planck本人最讨厌量子他讨厌微观世界的新秩序并要想尽一切办法除掉的离散化特征。WkSlog=→εhv=ε他本人有一个深刻的矛盾:一方面实践表明理论必须另一方面他对自己定名的Planck常数很不满意。他说:“将作用量子h引入理论时应尽可能保守从事即除非绝对必要否则不要改变现有的(经典作者注)理论。”hv=ε因此完全可以说从量子出现第一天开始,Planck就一步一步地落在革命大潮的后边直到很长时间他才想通。即便最后成文的Planck量子推导依然存在很多缺陷和漏洞。年德拜推导年爱因斯坦新推导年德希罗意推导年玻色推导前后历时共年但是不论伺后谁修订或补充革命的旗手无疑依然是Planck,他掀起了一场量子革命求实精神使他抱上了一个“量子大金蛋”复旦大学《近代物理研究(二)》(文献【】)p列出了:向义和《物理学的理论与方法、历史与前沿》下册清华大学出版社pp。王福山《近代物理史研究(二》复旦大学出版社,pp赵鑫栅《普朗克之魂》文汇出版社。参考文献四、科学良心是底线中国的老百姓有一句家喻户晓的口头禅:“做人不能昧着良心。”良心是做人的人格底线。巴金老人在晚年写了一本巨著《随想集》。他深有体会地说:做作家最重要的一点就是把心交给读者。在这里我把它推广一下:作为一名科学工作者最要紧的就是把心交给科学说实话做实事。年月日晚时分,巴金老人停止了心跳。一颗文坛巨星陨落了。说好事十分高兴也十分容易而说丑事则要下大决心。又是中国老百姓的话:“家丑不可外扬。”但是发生在Bell实验室年的一件事使我们折服。知道了科学的良心就是要对Science负责。中国科学院院士邹承鲁在《院士新论》中写下了如下的一件事。在知道自己实验室出现家丑时Bell实验室以科学良心向世人如实公布。近年美国著名的Bell实验室发生了一件丑闻。该实验室工作人员舍恩近年来由于在研究有机聚合物薄膜晶体半导体隧道效应时的发现有可能以有机纳米晶体管和电路代替硅晶体管和电路因此意义十分重大。短短几年中他已经在国际顶尖级刊物中发表论文多篇包括Nature和Science中的篇。这些论文引起了同行们的广泛关注年被Science评为当年科技界十大成就的第一项。有人甚至认为舍恩将为Bell实验室添上又一项诺贝尔奖桂冠。贝尔实验室但是舍恩的工作也引起本单位和外单位一些科学家的怀疑他们仔细阅读舍恩的论文之后对文章中的某些数据公开提出质疑。Bell实验室在看到质疑之后并没有为了“保护”本实验室的“面子”而设法予以掩盖而是立即组织了以本领域著名科学家Stanford大学的MBeasley教授为首的人调查小组进行严肃调查并指令该实验室密切配合调查小组工作向调查小组提供全部有关资料包括与舍恩论文有关的原始数据。调查小组最后于年月得出结论并公开发表了调查结果舍恩做了伪造的假数据论文有关结论完全不成立。舍恩的共同工作者仅负责向舍恩提供实验结果他们所提供的实验结果是否采用也由舍恩一人决定论文也完全由舍恩一人撰写因此弄虚作假完全由舍恩一人负责与他的共同工作者无关。真相大白后Bell实验室立即解除了舍恩的职务并向Nature、Science等刊物陆续公开撤回了已经发表的有问题的论文。邹承鲁院士在讲述完这个故事后说:对舍恩事件我们应该得出什么结论呢?科学真理是无法掩盖的。正如古话所说善有善报恶有恶报不是不报时间未到。科学真理滚滚向前所有作假的东西最后都将真相大白。即使没有Beasley为首的人调查小组在后人试图重复舍恩结果的时候终究将发现他的错误。我们应该为Bell实验室采取的果断措施拍手叫好。在遭遇丑闻危机时Bell实验室不是千方百计地予以掩盖或在无法掩盖时千方百计地设法找借口避重就轻设法辩解来保护本实验室的面子而是坚决组织调查组以查明真相。真相大白后公开发表调查结果处分当事人并公开撤回有错误的论文。这样作完全没有影响Bell实验室的威信恰恰相反坚决揭露丑闻并予以严肃处理更提升了Bell实验室的威信增加了Bell实验室成果的可信度。如果当初Bell实验室对舍恩的作假千方百计地予以掩盖或辩解在最后真相大白后Bell实验室的威信必将受到致命的打击。必须消灭科学上的包工头制度。像舍恩那样众人向他提供数据由他一个人完全负责的制度是产生腐败的温床。一篇论文的所有作者都应该对论文负责都应该对科学负责主要研究者当然应该负主要责任。主要研究者不应该是包工头也不是老板。在这个问题上Bell实验室的领导也是有责任的所以他们勇敢地、果断地调查真相实事求是地解决问题这正是Bell实验室的领导对自己、对实验室有信心的表现。科学的良心也反映在高等学校教与学这样一个重要环节。对待老师应该是吾爱师吾更爱真理对待学生则是不怕学生面前露丑向学生传递求实的品质。年获诺贝尔化学奖的斯坦福大学教授亨利陶布很有体会亨利陶布亨利陶布(HenryTaube)年出生于加拿大年起在斯坦福大学任教是世界公认的当代无机机理研究的创始人。他因阐明金属配位化合物的电子反应机理而获得年诺贝尔化学奖。他说:我在加拿大的一所大学读研究生课程时遇到了与我相处得非常不好的导师那应该是我感到非常艰难的时期了。当时我的个子很小也非常腼腆我总想去取悦周围的人却最终没有办法与我的导师建立很好的关系。我与他的冲突存在于怎样来做实验。在做一个有关实验时我发现在一个不可能产生酸的条件下出现了酸我把这归于实验物中的杂质并且花了很多时间和精力纯化这个溶剂直到没有酸产生。但我的导师不但没有在这个实验中帮助我反而指责我浪费时间去做没有意义的事在他看来我应该忽略那些杂质用这些精力去收集这个光化学反应量子产率的数据这样我和他就可以有一篇论文发表在杂志上。这不是一位科学家对于科学应有的态度我非常气愤。这位导师一直没有给我任何帮助在我申请来美国的大学深造博士学位时他也对我漠不关心我的申请没有得到任何答复出于一种失望和抗议的情绪我当时的申请信是用铅笔和笔记本中的草稿纸写的因为我觉得别的学生都有他的导师来关心前途我却受到这种待遇所幸的是出于某种特殊原因我在没有申请的情况下被加利福尼亚大学伯克利分校录取了。陶布还谈到了自己当教师时的体会我认为教的对象不应该是那些有天赋的学生而在于教育那些差的学生。而且在教的过程中身为教师应该将诚实的品质传达给学生我的学生们对于我经常纠正自己在教学过程中所犯的错误有深刻的印象。.在蒙难时保持自己的科学良心坚持真理修正错误在年代到年代遗传学中摩尔根学派和米丘林学派之争使我国大批学者受到蒙难。科学的真理在那非常的年代抬不起头而科学骗子李森科之流却横行天下。最早遗传变异研究是法国科学家拉马克(LamarckJB)他首先在《动物学的哲学》一书中认为物种变异主要是外部环境即提出了“用进废退”的进化法则。达尔文(DarwinC)在《物种起源》中继承和发挥了拉马克的获得性遗传理论。即赫胥黎总结的“物竞天择适者生存”并提出“泛生论”的科学假说认为每个器官中都有“微芽”这是早期的工作。转折点是奥地利遗传学家孟德尔(MendelG)发表《植物杂交实验》认为性状遗传是存在于细胞核的“遗传因子”。年美国著名遗传学家摩尔根(MorganTH)终于形成了《基因学说》()另一派是俄国米丘林和李森科他们主张获得性遗传集结在季米里亚捷夫生物研究所。两派在年代到年代于苏联和我国争论不休提出要打倒摩尔根。我国复旦大学著名教授谈家祯是摩尔根的弟子在非常年代首当其冲受到猛烈批判。特别是他的女儿又是米丘林派更加使他内外交困。但是在最苦难的时期内他维系人格底线保持科学良心以沉默代替最有力的辩论。这种情况下真可谓“沉默是金”。终于当年的毛泽东主席网开一面要保留“反面教员”。留下了“摩尔根学派”的代表人物谈家祯。这时我国在基因学说方面已落后于世界一大截了沉重的教训值得我们反思。谈家桢由此也使我们深刻地认识到:正面教员或反面教员绝不是任何人可以指定的而只能靠科学的实践去检验求实是我们对待科学研究的唯一正确态度。在事业顺利时更要保持科学良心。不嫉妒不怕青年人超过不仅在蒙难的情况下要坚持求真务实在胜利的时候不要让成功冲昏我们的头脑失去正常的科学判断力。在科学史上由权威扼杀青年人成果的事时有发生。翻开近世数学到处可以找见Abel的名字:Abel函数、Abel群、Abel积分方程等等。大家或许不知道这位伟大的数学家在岁即青年夭折而且一生坎坷。尼尔斯•亨利克•阿贝尔(NHAbel)出生于挪威一个农村早年显露数学才华。他在笔记中写道:“要想在数学上取得进展就应该阅读大师的而不是我们的门徒的著作”。在研究工作的开端便立点很高地关注“五次方程的解”。阿贝尔一生最重要的工作《椭圆数理论》关键来自一个简单的类比:∫−=−xxdxsin圆正弦积分(h=)),(kxsnxxkdx−=−−∫椭圆正弦积分abhk−=阿贝尔把这些丰富的成果整理成一篇长篇论文《论一类极广泛的超越函数的一般性质》。他到了法国巴黎希望获得支持。一个乡下的年轻人在法国上层社会到处碰壁他信中说:“法国人对于陌生的来访者比德国人要世故得多。你想和它们亲密无间简直是难上加难老实说我现在也根本不奢望能有些荣耀。到头来任何一个开拓这要想在此间引起重视都会遇到巨大的障碍。”我们现在来看一下当时世界级权威是如何对待Abel论文的:柯西(ALCauchy)法国科学院秘书Fourier专门委托他审查。柯西把Abel的论文带回家后丢失。Cauchy当年岁年富力强他的不认真态度令人失望扼杀了一个青年才子。当稿子找到时时间已过了年Abel由于肺病和心情而青年早逝。在这漫长的两年时间内Abel囊中羞涩为一天两顿饭而奔走。又一位重要的审查者勒让德已岁是一个函数论的同行他明知有价值而嫉妒心使他竟然写下如下的评语:“我们(作者注:这里不应该是我们而是勒让德一个人)感到论文简直无法阅读因为它是用几乎白色墨水写的字母拼写得很糟糕我们都认为应该要求作者提供一个较清楚的文本。”可怜的Abel竟然遇到这几个权威。多年后Jacobi独立写出椭圆函数后勒让德告诉他Abel已走在前面了。Jacobi看了Abel论文说:“Abel先生的发现是多么了不起啊!有谁看到过别的堪与比美的工作呢?然而在我们法国这项或许称得上我们世纪最伟大的发现两年前就提交科学院竟然未引起注意这是怎么回事呢?”这篇论文最后拖延了年之久Hermite说过:Abel留下的后续工作够数学家们忙上年。另外我们都知道杨振宁和李政道关于宇称不守恒获Nobel物理奖。可是也许不知道苏联青年学者沙皮罗也做出了同样的工作由于权威朗道一直压在抽屉里而使苏联失去了一次获奖的机会。参考文献解恩泽《科学蒙难集》湖南科学技术出版社pp北京青年报社《与诺贝尔大师面对面》,文化艺术出版社pp巴金《随想录》人民文学出版社p五、科学勇气是灵魂坚持科学求实的精神就必须有巨大的科学勇气。马寅初的科学勇气在近代中国科学史上对于马寅初先生的科学勇气是应该大书特书一笔的。马寅初()浙江嵊县人著名经济学家教育学家早年留学美国获经济学博士。年回国先后在北大、中山大学、交通大学、重庆大学和浙江大学任教。年代以极大的勇气痛骂独夫民贼蒋介石而受到广大人们钦佩任北京大学校长。马寅初有困难不隐瞒有办法要就做有希望要大家加倍努力。马寅初马寅初题词实实在在其科学求实精神跃然显在纸上。年中国大陆进行历史上第一次规模最大的人口普查。结果表明:截至年月日中国人口总计人。并估计每年要增-万人增长率为%。这次人口普查引起著名经济学家、北京大学校长马寅初的注意。他经过三年的调查研究发现中国人口的增长率是每年增长千分之二十二以上有些地方甚至到达千分之三十这实在是太高了。如此发展下去五十年后中国将有二十六亿人口。由于人多地少恐怕连吃饭都成问题。于是他将自己的研究成果写成“控制人口与科学研究”一文。年月一届全国人大二次会议召开马寅初曾描述过当时的情况:“小组会上除少数人外其余的代表们好多不表示意见好多不同意我的看法且竟有人认为我所说的是马尔萨斯的一套也有的认为说话虽与马尔萨斯不同但思想体系是马尔萨斯的虽然他们的意见我不能接受但我认为都是出于善意故我自动地把这篇发言稿收回静待时机成熟再在大会上提出来。”九月周恩来在中共第八次全国代表大会的报告中指出:“为了保护妇女和儿童很好地教育后代以利民族的健康和繁荣我们赞成在生育方面加以适当的节制。”马寅初看过报告后非常兴奋他认为节育问题被中共中央提上了议事日程看来可以公开谈论控制人口的问题了。年月在最高国务会议第十一次(扩大)会议上马寅初再一次就“控制人口”问题发表了自己的主张:“我们的社会主义是计划经济如果不把人口列入计划之内不能控制人口不能实行计划生育那就不成其为计划经济。”马寅初的发言当即受到毛泽东的赞赏。他说:“人口是不是可以搞成有计划地生产这是一种设想。这一条马老讲得很好我跟他是同志从前他的意见百花齐放没有放出来准备放就是人家反对就是不要他讲今天算是畅所欲言了。此事人民有要求城乡人民均有此要求说没有要求是不对的。”毛泽东还特别注意到积极倡导计划生育的邵力子就坐在马寅初身旁似乎是在表示对马寅初的支持。毛泽东一语双关地笑着说:“邵先生你们两人坐在一起。”邵力子和马寅初听毛泽东这么一说互相看了看也开心地笑起来。马寅初校长深入学生宿舍了解情况马寅初在校运动会上观看比赛月日马寅初在北京大学大饭厅发表人口问题的演讲这是他年后第一次公开的学术演讲。在演讲中马寅初讲述了几年来调查研究的结果。他怀着忧虑的心情说:“解放后各方面的条件都好起来人口的增长比过去也加快了。近几年人口增长率已达到千分之三十可能还要高照这样发展下去五十年后中国就是亿人口相当于现在世界总人口的总和。由于人多地少的矛盾恐怕中国要侵略人家了。要和平共处做到我不侵略人家也不要人家侵略我就非控制人口不可。”这句话很快就传到了毛泽东的耳朵里毛泽东见到马寅初严肃地对马寅初说:“不要再说这句话了。”马寅初也意识到自己说错了话马上写了一张大字报贴在北大校园里公开做了自我批评。后来他在撰写《新人口论》时就确实没有再提出上述观点。六月马寅初将《新人口论》作为一项提案提交一届人大四次会议(全文发表于月日《人民日报》)这篇文章以十个方面论述了为什么要控制人口和控制人口的重要性与迫切性以及如何控制人口等问题。然而这时一场由毛泽东亲自发动和组织领导的波澜壮阔的反右斗争已经开始席卷全社会。马寅初当然也被波及有人说他是借人口问题搞政治阴谋也有人说《新人口论》是配合右派向党进攻…在这场扑面而来的疾风暴雨中马寅

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