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徐孟献的博客

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放弃与观察渗透理论  

2016-08-18 17:03:11|  分类: 范围论 |  标签: |举报 |字号 订阅

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紫外灾难与量子

19世纪末,物理学界出现了一系为经典理论无法解释的新的实验事实,其中最著名的就黑体辐射现象。
对黑体辐射现象的研究,有两种方法,一种以英国的物理学家瑞利和金斯为代表,一种以德国的物理学家普朗克为代表。
瑞利和金斯研究的思路是相同的,都是从能量匀分定理出发,运用经典物理学中的电磁理论和统计学理论来研究黑体辐射,他们的研究成果归纳为一个公式,称为瑞利——金斯公式,从经典理论这个角度观察,这个公式的逻辑严密性是无懈可击的,然而,却与实验结果发生很大的分歧,就是说,理论推断与实验结果不一致。这对经典物理学是一个致命的打击。这个公式,由于问题出在可见光的紫外一端,因而被称为经典物理学的紫外灾难。1900年元旦英国物理学家开尔芬在新年献辞中,对物理学所取得的辉煌成就十分满意,甚至认为,经典物理学宏伟的大厦已经建立,后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就可以了。但他同时又说,在物理学美丽而晴朗的天空有两朵令人不安的乌云,这其中之一,指得就是紫外灾难现象。
紫外灾难现象表明:
㈠,经典物理学有它无法解释的现象,虽然经典物理学取得了辉煌的成就、发展到一定的高度甚至被认为不可能再往前发展了,后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就可以了,但是,既是如此,也有它无法解释的现象,因此,我们可以这样说:经典物理学只是在一定的范围内才是正确的;
㈡真理性和范围性,是理论的基本特征,理论只是在一定的范围内才是正确的,理论不可超出范围应用;经典物理学属于宏观世界的理论,而黑体辐射属于微观世界的现象,这是两个不同的范围,用经典物理学研宄黑体辐射现象,是理论超出范围应用,理论一旦超出范围应用,其真理性就走向了它的反面成为错误的东西,用错误的东西研究问题,其结果一定是错误的;紫外灾难现象是经典物理学超出范围应用的必然结果;
运用经典物理学,解释不了黑体辐射现象它需要另辟蹊径,因为黑体辐射现象属于另一范围的东西
瑞利——金斯是用属于宏观世界理论的经典物理学,去观察研究微观世界的黑体辐射现象,与此不同的是,德国的物理学家普朗克却用另外一种方法研究黑体辐射现象,这就是放弃经典物理学。
普朗克不为理论束缚,尊重实验结果,与实验物理学家鲁本斯配合默契。他把与实验结果相符的瑞利定律和维恩公式综合在一起,应用娴熟的数学技巧,借助内插法,经过一系列的推导,得出一个非常著名的普朗克辐射公式,也称普朗克定律。实验物理学家鲁本斯实验结果发现,在任何情况下,这一公式都与实验结果符合的相当好。然而这也给他带来了困惑:从已有的经典物理学理论推导出的公式与实验不符,而毫无理论根据凑出的公式却与实验结果符合的很好。普朗克深信,这个公式背后一定蕴涵着深刻的物理意义,他要寻求这个公式的物理解释。
普朗克面临的抉择是,是放弃经典物理学的能量连续性这一基本概念呢?还是继续维护经典物理学的逻辑性呢?普朗克毅然选择了放弃,提出了一个与经典理论很不同的新概念:他认为在黑体辐射中,所放出的能量不是连续的,而是一个与辐射频率有关的,他称之为能量子的最小能量单位一份一份发出的。这就是“量子”假说。“量子”假说成功地解释了普朗克黑体辐射公式,这是一个与实验结果完全符合的公式。
“量子”概念的提出,为人们打开微观世界之门提供了一把钥匙。
“量子”概念的产生表明:
㈠从已有的理论推导不出新理论,新理论产生于假说,假说产生于对己有理论的放弃;
㈡放弃是就观察新现象而言的,而不是对已有理论的否定;
㈢放弃是说不要用已有的理论去观察新现象,是说判定正确与错误的标准不是理论,而是实验结果;
㈣紫外灾难现象正是对已有理论该放弃而没有放弃的结果,而“量子”概念的成功正是放弃经典理论的结果。

放弃与“观察渗透理论”
放弃,是因为“观察渗透理论”。
汉森在《发现的模式》一书中说:“看是一件‘渗透着理论’的事情。X的先前知识形成对X的观察。表达我们知道什么所使用的语言或符号也影响着观察,没有这些语言和符号也就没有我们能认作知识的东西。”已有理论的实用价值使我们对它的信任根深蒂固,因此,它影响着我们对客观事物的观察和认识,使我们总是用已有理论去套眼前的感觉资料我们常常就是这样观察客观事物的,即使像普朗克这样的大科学家也不例外。本来,普朗克可以把“量子”概念应用到其它领域解释经典物理学不能解释的现象,从而有更多的新发现,但他认为“量子”概念只是解释黑体辐射现象形式上的一个假说,它应当纳入经典物理学的框架之中,为此他花费了十多年的努力,结果却是劳而无功。1905年爱因斯坦应用“量子”概念解释光的夲性问题,获得了成功。但既是这样,人们也依然不愿意放弃经典物理学。1911年,英国物理学家卢瑟福提出了一个类似太阳系的原子结构模型。这一模型与实验结果是一致地。但是,在作进一步研究时他仍然用经典物理学中的电磁理论进行研究,只是遇到了无法克服的困难时,才引入“量子”概念,这一问题才得以解决。由此我们可以看到科学家对经典物理学的信任是多么地根深蒂固,放弃是多么地艰难。
从这些例子中,我们可以看到面对新现象,己有理论对我们观察的影响是多么的巨大。
因此,面对新现象,虽然纯粹客观的观察是不可能的,观察不可避免地渗透着理论,但我们完全可能有意识地主动地放弃已有理论。在观察过程中﹐我们不可避免地会受到背景理论、生活经历、兴趣爱好、立场观点等主观因素的影响﹐但我们必须主动积极地排除这种影响﹐不先入为主﹐客观地观察新现象﹐提出假说解释新现象。不是用自已熟悉的理论去套眼前的新现象﹐更不是用书上的话去衡量新现象﹐而是放弃自已熟悉的理论,客观地观察新现象。
放弃不是对已有理论的否定,而是不用已有的理论观察新现象,不用已有的理论去套眼前的新现象。
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