物理学史上著名的科学争论

首先，理解热的本质

在理解热的本质的历史上，“热量理论”和“热的运动理论”之间有一场持续了200多年的争论。直到19世纪中叶热力学第一定律的建立，热运动理论才赢得了决定性的胜利。热是组成物体的粒子的运动的理论使得热和机械功的等价在概念上可以理解，并且为机械功和热的相互转化提供了解释基础，也为气体动力学理论提供了基础。

1热运动理论

17世纪初，英国哲学家培根从摩擦生热等现象中得出结论，“热是一种膨胀的、受限制的运动，在其斗争中作用于较小的物体颗粒”。这一观点影响了许多科学家。英国物理学家波义耳看到铁钉受到撞击时会产生热量，并认为铁钉内部有强烈的运动，所以他认为热量是“物体各部分的强烈而混乱的运动”胡克用显微镜观察火花。认为热“不是别的，而是一个物体各部分非常活跃和非常剧烈的运动”牛顿还指出，物体的粒子“因为运动而变热”洛克甚至意识到“极度寒冷是不可察觉的粒子运动的停止”

俄罗斯学者罗蒙诺索夫在19世纪40年代提出了以下观点:“热的全部来源在于运动”，即热是物质的运动，是物体内部肉眼看不见的微小粒子的运动。他认为热量从高温物体转移到低温物体的原因是高温物体中的粒子将运动转移到低温物体中的粒子上，低温物体会自行冷却。这些分析证实了热现象中运动守恒的正确性。这表明气体分子的运动呈现出一种“混沌和交错”的状态，即混沌和不规则。但总的来说，当时认为热是运动的观点还缺乏足够的实验依据，因此不能形成科学理论。

2热量理论的建议

随着古希腊原子论的复兴，热是一种特殊物质实体的观点也开始流传。法国科学家和哲学家伽森狄认为，运动的原子是构成一切的世界上最原始、最不可分割的元素。同样，热和冷也是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。它们非常详细，有一个球的形状，非常活泼，所以它们可以穿透所有的物体。这个概念把人们引向“热量理论”，认为热量是由一种没有重量的特殊物质组成的。

布雷克是热量理论的主要倡导者和英国化学家，他主张区分热和温度这两个概念。他引入了“热容”的概念，得到了量热法的基本公式δQ = CmδT。其中，C被称为比热，它表示每单位质量物质因温度上升1K而吸收的热量。当他研究冰和水的混合物时，他发现冰的融化需要用温度计无法探测的热量。此外，他发现当各种物质的状态发生变化时，它们都会产生这种效应。他引入了“潜热”的概念，指出冰的融化过程是潜热的产生过程，水的凝固过程是潜热的释放过程。

在热量理论观点的指导下，热学研究取得了一些进展。在18世纪上半叶，人们开始理解一个有意义的事实:在混合物实验中，即把不同温度的物体放在一起，热量既不会产生也不会被破坏。也就是说，无论热量如何在混合物或各种密切接触的物体之间重新分配，总热量将保持不变。现在，这个热量守恒定律可以表述如下:在不受外界影响的隔热系统中，物体A损失的热量等于物体B获得的热量，即δQA+

这样的热量守恒定律自然提醒人们物质守恒的概念，有效地使热量理论的观点占了上风。事实上，热量理论给出了热传导现象的一个简单而可信的图像，也就是说，剩余的热质量应该从较热的物体连续地流向较冷的物体，直到达到平衡状态。然而，用热被认为是粒子的运动模式的观点来解释观察结果是很困难的。

此外，热量理论还简要解释了当时发现的大部分热现象，如热质的吸收或释放引起的物体温度变化、携带热质的物体流动引起的对流、热质传播引起的辐射、热质粒子相互排斥引起的物体膨胀等。自19世纪80年代以来，热量理论的成功使几乎整个欧洲确信热量理论的正确性，从而压倒了热运动理论。

然而，热量理论在阻碍热量的发展方面发挥了重要作用。因为热被认为是一种物质而不是一种运动形式，所以不可能有各种运动形式的转换。在热量理论看来，摩擦生热仅仅是因为摩擦挤出了“潜热”，并将潜热转化为显热。物体摩擦后的比热小于摩擦前的比热，因此温度升高，热量和质量不增加。因此，在18世纪，当热量理论占据主导地位时，不可能正确理解蒸汽机发明所揭示的热量和机械运动之间的关系。

3.运动理论的复兴

到18世纪末，热量理论面临着严峻的挑战。随着实验材料的增加，越来越多的证据表明热量理论不能解释摩擦生热的现象。1798年，英国物理学家厄尔·拉姆福德(Earl Rumford)向英国皇家学会(British Royal Society)提交了一份名为《摩擦产生的热源》的报告，报告称，当他在慕尼黑军火库监督火炮的钻孔工作时，他注意到枪管温度升高，钻孔下的金属温度更高。他提出了大量热量从哪里来的问题。他敏锐地感觉到，对这一课题的深入研究可以导致对热的本质的进一步理解，从而对热质的存在作出合理的推测，这是一个自古以来就被哲学家争论的问题。

然后，他写道，“热量是来自被空心钻切割的金属片吗？如果确实如此，那么根据现代潜热和热质理论，金属板的热容量不仅应该改变，而且应该大到足以成为所有热量的来源。”然而，他通过一系列绝热条件下的钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎片的比热，发现钻孔不会改变金属的比热。他还用钝钻头钻了桶。半小时后，枪管上升了70华氏度，金属碎片只有54克，相当于枪管质量的1/948。这一小部分碎片能释放出如此大的“潜热”吗？因此，他得出结论:“这些实验产生的热量不是来自金属的潜热或综合热团。”他在论文的结尾写道:“在这些实验中，摩擦产生的热量似乎是取之不尽的。不用说，任何不受任何与外界隔绝的物体或系统限制的东西都不可能是特定的物质实体。在我看来，这些实验中激发的热量似乎很难被视为除了运动以外的任何东西。”

1799年，英国化学家大卫在他的论文中描述了这个实验:在一个与周围环境隔绝的真空容器中，两块29华氏度的冰被发条摩擦并融化成水。他在论文中写道:“如果热是一种物质，它必须以下列方式之一产生:要么是因为冰的热容量减少，要么是因为两个物体的氧化。或者吸引周围物体的热量。”但显而易见的事实是，水的热容量比冰大得多，而且冰必须增加一定的热量才能变成水，所以摩擦不会降低冰的热容量。"它不是由物体氧化引起的，因为冰根本不能吸收氧气. "最后，他总结道:“既然这些实验表明这些方法不能产生热质，那么它们就不能作为物质使用。因此，热质量不存在。”他清楚地指出热是粒子的运动。他说:当物体因摩擦而膨胀时，很明显，它们的粒子会相互移动或分离。由于粒子的运动或振动是摩擦和冲击的必然结果，我们可以得出一个合理的结论:热是粒子的运动或振动。

伦福德和大卫的实验和论点是令人信服的，可以说为热量理论的最终崩溃和热运动理论的建立提供了最早的证据。然而，他们的实验当时并没有被人们重视，大多数学者也没有改变他们对热的本质的看法。这个问题直到19世纪热力学第一定律发表后才真正得到解决。

二、光的粒子理论和波动理论之间的争论

光学是物理学最古老的分支之一。光的本质一直是人们非常关心和热衷讨论的问题。自17世纪以来，随着科学技术的发展，这种争论达到了前所未有的水平，即物理学史上著名的粒子理论和波动理论之间的争论。

1.根深蒂固的粒子理论

17世纪的伟大科学家牛顿也是光学大师。关于光的本质，牛顿认为光是由像小球一样的机械粒子组成的粒子流。发光物体不断向周围空间发射高速直线光粒子流。一旦这些光粒子进入人眼并撞击视网膜，它们就会引起视觉。这就是光的粒子理论。牛顿用粒子理论很容易解释光的直入、反射和折射。由于粒子理论易于理解，并能解释一些常见的光学现象，它很快引起了人们的注意。

然而，粒子理论并不是“万能的”。例如，它不能解释为什么当几束光在空间交叉时可以彼此独立而没有干涉，为什么光不总是走直线，而是可以绕过障碍物的边缘转向和传播。

为了解释这些现象，与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯提出了与粒子理论相反的波动理论。惠更斯认为光是一种机械波，由发光物体的振动引起，并通过一种叫做“以太”的特殊弹性介质传播。波动理论不仅解释了几束光在空间相遇时不受干扰地独立传播，而且解释了光的反射和折射。然而，在解释折射现象时，惠更斯假设光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的解释正好相反。谁是谁非，引发了现代科学史上关于光是粒子还是波动的激烈争论。

虽然波动理论可以解释许多光学现象，但它并不完美，不能解释最常见的问题，如光的直接前进和颜色的起源，因此它没有得到广泛的支持。加上当时实验条件的限制，不可能测量水中的光速，所以不可能判断牛顿和惠更斯关于折射现象的假设是对是错。尤其是牛顿，在学术界有着悠久的声誉。他的支持者批评了波动理论，并完全否定了它。最后，波动理论被压制，导致它在很长一段时间内几乎消失。然而，粒子理论非常流行，并且实际上存在于光学世界中。

2.子婴焕发上下说道

进入19世纪后，曾经被粒子理论扼杀的波动理论再次活跃起来。新的实验事实使波动理论变得英勇并能够应付它，进入了一个“英勇时期”。

1801年，年轻的托马斯·杨尖锐地说:“虽然我钦佩牛顿的名字，但我不必认为他是一贯正确的。我很遗憾地看到，他也会犯错误，他的权威有时可能会阻碍科学的进步。”为了证明光是波，托马斯·杨在一个黑暗的房间里做了一个世界著名的光干涉实验。我们知道。干涉现象是波动的一个特征。托马斯·杨的成功证明了光确实是一种波，这只能用波动理论来解释。粒子理论是无助的。

第二个给粒子理论带来沉重打击的实验是光的衍射实验。衍射现象也是波的基本特征之一。在传播过程中，波可以绕过障碍物或穿过小孔和缝隙而不沿直线传播，这是一种现象。法国物理学家菲涅尔设计了一个实验，并成功地演示了明暗之间的衍射图案。在粒子理论看来，光的衍射现象是不可理解的。

对粒子理论的致命打击是对光速的精确测量。牛顿和惠更斯在解释光的折射时，对光在水中的速度有完全相反的假设。很难证明谁对谁错。到19世纪中叶，法国物理学家*灵魂和福柯分别使用高速旋转的齿轮和镜子，成功地精确测量出光速在水中仅为在空气中的3/4。他们再次证明了波动理论的正确性。

经过反复的竞争，波动理论终于超越了粒子理论，获得了稳定的地位。到19世纪60年代，麦克斯韦总结了电磁现象的基本规律，建立了光的电磁理论。到20世纪80年代，赫兹已经通过实验证明了电磁波的存在，并证明了电磁波可以像光一样产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。光的电磁理论可以对以前发现的各种光学现象给出令人满意的解释。所有这些都给波动理论锦上添花，使它在与粒子理论的争论中取得了无可争议的胜利。

3重新组合的粒子表示

正当波动理论庆祝胜利的时候，意想不到的事情发生了，以太存在的否定和光电效应的发现，这些新的实验事实再次使波动理论走向死亡。

波动理论认为光是由弹性机械振动通过以太网传播的，以太网是一种充满整个空间的连续介质。为了验证以太网的存在，美国物理学家迈克尔逊和莫雷在1887年用当时最复杂的仪器设计了一个精密的实验。结果证明地球周围没有机械以太网。没有以太网，光波和电磁波如何传播？面对这种波动理论难以克服的困难，粒子理论渴望尝试。光电效应的发现使粒子理论“重获宝座”。所谓光电效应是指金属在光的照射下从金属表面释放电子的现象。释放的电子被称为光电子。大量实验证明，光电效应的发生只与入射光的频率有关。只要入射光的频率足够高，不管它的强度有多弱，一旦它照射到金属上，光电子就会立即飞出。从波动理论的角度来看，光电效应是绝对不可理解的。因此，波动理论完全陷入了困境。爱因斯坦用光粒子理论的量子理论在一个新的意义上清楚地解释了光电效应。此时，光的粒子理论昂首挺胸，活跃在科学舞台上。然而，爱因斯坦没有放弃波动理论，而是巧妙地将两者结合起来。并辩证地指出:“光既是波又是粒子，既连续又不连续。大自然喜欢矛盾……,这一观点充分反映在他的两个基本方程e = h ν和p = (h/λ)中，这两个方程将粒子和波紧密联系在一起。第三，爱因斯坦和玻尔的历史争论

阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔是20世纪最伟大的两位物理学家，他们都对量子力学的创立和发展做出了巨大贡献。有趣的是，1927年9月，当玻尔正式提出他著名的“互补原理”时，他们遭到了爱因斯坦的强烈反对。从那以后，这两位同时代且同行业的科学巨星，直到他们去世，在将近40年的时间里进行了一场带有强烈哲学色彩的大辩论。即使现在，我们仍然可以感受到这场辩论对现代物理理论基础研究的影响。

1.争论的起因

提到这个大论点，必须从哥本哈根学派开始。

20世纪20年代，丹麦著名物理学家玻尔在哥本哈根研究理论物理，他严谨的学术风格和尊重他人主动性的领导风格吸引了一大批对量子物理有着基本相同理解的科学家，成为当时世界上最强大的物理学派。年轻的物理学家如海森堡、泡利和狄拉克都在这里相继工作。玻尔非常欣赏海森堡的测不准关系。1927年9月在意大利科尔莫举行的国际物理会议上，玻尔提出了著名的“互补原理”，从哲学上总结了不确定性关系，解释了量子理解的基本特征——波粒二象性。这个著名的互补原理，被称为量子力学的哥本哈根解释，受到了爱因斯坦的尖锐批评，从而揭开了这场伟大辩论的序幕。

2争议的过程

爱因斯坦和玻尔之间的争论持续了将近40年，这是非常引人注目的。争论的内容围绕着量子力学理论的特征和基本概念的解释，而这些问题都属于哲学领域。因此，争论的实质围绕着量子力学的方法论原则及其哲学解释。这场争论是曲折而迂回的，高潮一个接一个地发生，大致分为两个阶段。

(1)辩论的第一阶段

1927年，玻尔首次提出了“互补原理”，并对量子力学给出了补充解释。玻尔认为，量子力学理论是基于能量作为动量的统计守恒的纯概率观点，量子力学定律具有统计性质。此外，他主张在量子物理学中应该抛弃因果关系和决定论的概念，代之以互补原理。

，，1927年10月，第五届苏威国际物理研讨会在布鲁塞尔举行。爱因斯坦在会议上发言，首次公开表达了对量子力学发展的不满。他反对放弃严格因果关系和决定论的概念，并坚持认为基础理论不应是统计的。他认为概率的解释背后应该有更深层次的关系，应该能够揭示微观世界中的因果联系。因此，他在会上支持德布罗意的导波理论。

为了揭露量子力学理论的逻辑矛盾，从而否定测不准关系，爱因斯坦还精心设计了一系列的理想实验，试图反驳玻尔，玻尔一个接一个地论证并巧妙地摆脱了困境。例如，爱因斯坦设计了一个灯箱实验，可以称重，并有一个可控的快门来消除能量和时间之间的不确定性关系。玻尔花了一个不眠之夜思考这个严峻的挑战。最后，他欣喜地发现爱因斯坦的挑战可以通过“以其人之道还治其人之身”来反驳，也就是说，通过利用爱因斯坦广义相对论中时钟速率和引力势之间的关系，爱因斯坦不得不承认量子力学的逻辑一致性。

(2)辩论的第二阶段

当爱因斯坦试图从逻辑上反驳哥本哈根学派并遭受挫折时，他放弃了这方面的努力，集中精力批判量子力学理论的不完整性。1931年2月26日，爱因斯坦和其他三个人联合发表了一篇题为《量子力学的过去和未来的知识》的文章，认为不确定性关系不能提供量子力学过去的确定性。于是，进一步的争论开始了。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森联合发表了一篇题为“量子力学中物理实在的描述能被认为是完整的吗？”本文提出了以他们三个名字的第一个字母命名的著名的“生产者延伸责任悖论”，这使得争论再次达到高潮。首先，提出了理论的完备性和现实性的定义，并建立了“非此即彼”的选择关系，即如果量子力学理论是完备的，那么由易算子表示的物理量不可能同时为真。或者相反，如果理论不完整，那么物理量都是真实的。其次，文章证明了如果波函数提供的描述是完整的，那么相关的不可通约量一定是真实的。根据早先建立的“非此即彼”的选择关系，不难看出唯一可能的结论是波函数所提供的描述是不完整的。爱因斯坦等人通过对两个相干系统的分析，不仅完成了逻辑上的挑战，而且还专门构建了一个满足“无干涉测量”要求的系统，以说明量子力学对物理实在的描述是不完整的。这被称为“生产者延伸责任悖论”。

生产者延伸责任悖论的逻辑结构非常严格，极难反驳。然而，生产者延伸责任悖论中提出的定义和观点最终必须诉诸于“测量”。因为它依赖于测量，所以它只是为玻尔的反驳提供了一个突破点。

1935年10月，玻尔用同样的标题公开回答了上述困难。有人指出，既然生产者延伸责任的作者在“现实”的定义中谈到了测量，测量操作不应与被测对象分开讨论，而是必须将现象与获得现象的条件和手段一起描述。因此，玻尔在文章中使用了一种更一般的方法来构造电子顺磁共振双粒子系统。以使它们完全符合EPR设想的情况。玻尔列举了一个实验，其中一个粒子通过一个窄缝，并指出任意选择测量和计算所需物理量的电子顺磁共振询问取决于实验装置的设置。因此，“消除所有干扰”的前提在实验要求中是模糊的。为了进一步说明上述观点，玻尔将量子力学与经典物理学中的观测进行了比较。他指出，在量子物理学中，物体和测量仪器之间的相互作用是量子现象不可分割的一部分，因此物体和测量仪器构成一个整体。因此，玻尔提出的量子现象的整体特征是对电子顺磁共振默认的局域化假设的否定，也是对电子顺磁共振实在判据的否定。这样，玻尔采用放弃电子顺磁共振的逻辑前提，代之以确认量子现象整体特征的手段，从而保存了量子描述的完整性。

3辩论的启示

现在，尽管爱因斯坦和玻尔已经去世，但他们之间探索科学真理的辩论推动了量子物理学的进一步发展。它一步一步地揭示了量子力学的本质意义，早期的争论建立了量子力学与正统解释的逻辑自洽性。后来的辩论揭示了量子现象的总体特征，更清楚地提高了量子力学的理论地位。然而，两位大师的争论以分裂告终，这表明这场争论给现代物理学的理论基础研究带来了冲击。从这个意义上说，这场辩论远未结束。它将促使人们重新审视对现代物理学理论基础的理解，找到一条真正统一这两种理论的道路，从而促进物理学的进一步发展。

此外，这场争论给后代留下了非常有益的启示。首先，它表明学术辩论有利于促进科学理论的发展。其次，学术辩论中唯一正确的态度是坚持百家争鸣。第三，自然科学需要正确的哲学作为指导。

这场争论发生在以爱因斯坦和玻尔为代表的20世纪两位最伟大的物理学家之间，是科学史上持续了很长时间且激烈的著名争论之一。它延续至今，影响深远。