從牛頓力學到愛因斯坦相對論

張紹梅

摘 要：物理作為一門自然科學，從其萌芽的那一刻起就注定了它的實用價值和卓越貢獻。毋庸置疑，一部物理學的發(fā)展史就是一部社會經(jīng)濟發(fā)展史。

關(guān)鍵詞：電磁場理論；思想問題；非智力因素

聯(lián)合國教科文組織把2005年定為第一個世界物理年，對從事與物理有關(guān)的工作者而言，這無疑是一件令人振奮的事。作為一名中學物理教師，面對學生普遍厭煩物理的現(xiàn)狀，不由我不去更深地思考。

遠古時代，人們在繁重的生產(chǎn)勞動中逐漸發(fā)明了杠桿、螺旋、滑輪、斜面等簡單機械，誕生了力學知識的萌芽。作為革命標志的就是狹義相對論、廣義相對論和量子理論。相對論和量子力學的誕生，使雷達技術(shù)、自動化技術(shù)、原子能的利用、激光技術(shù)、航空航天技術(shù)等相繼出現(xiàn)，核能得到開發(fā)和利用，電腦得到普遍的應(yīng)用，帶來了第三、第四次科學技術(shù)革命。也許正是由于物理學的巨大的社會經(jīng)濟效益，才會有“物理年”的誕生。

僅僅認識到這一步，其實還遠遠不夠，物理學的發(fā)展史更是一部前人艱辛的勞動史和教育史。幾乎每一條規(guī)律、定理的發(fā)現(xiàn)，每一套理論的建立都凝聚了大量科學家集體的心血和智慧，正是他們的協(xié)作精神和對科學的無限熱愛精神推動了物理學一步步朝著更高層次、更完美的境界發(fā)展著。

1687年，牛頓《自然哲學的數(shù)學原理》一書的發(fā)表完成了物理學史上的第一次大綜合，標志了經(jīng)典力學體系的初步建立，這是牛頓創(chuàng)造性研究的結(jié)晶，同時也是天文學、數(shù)學和力學歷史發(fā)展的產(chǎn)物。牛頓曾稱自己站在巨人肩膀上，應(yīng)該說這并不夸張。但站在巨人肩膀上的人太多了，為什么是牛頓完成了這一大業(yè)，而不是別人呢？我們都知道，機遇總是青睞那些有準備的頭腦。牛頓善于繼承前人的成果，這和他的奮發(fā)好學、勤于思考是分不開的。正是他廢寢忘食不停地思考和它的勤奮好學的精神，使他做出了震驚世人的豐功偉績。這不正是我們要學習的么？

麥克斯韋電磁場理論的建立過程，讓我們再一次領(lǐng)略到科學史上的接力賽和群體精神的閃光。同牛頓一樣，他受到法拉第力線思想的鼓舞，又得到W·湯姆生類比研究的啟發(fā)，同時又有安培、庫侖、赫茲、奧斯特等一大批人為電磁學打好了基礎(chǔ)，給麥克斯韋的再一次大綜合預(yù)備了條件。

相對論的建立是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學有關(guān)分支的又一次的綜合。早在1895年，愛因斯坦16歲的時候，他就開始思考這樣一個問題：如果自己以光速追隨光線運動，應(yīng)當看到這一條光線，就好像一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁場。可是無論依據(jù)經(jīng)驗，還是按照麥克斯韋方程看來都不會有這樣的事情。這是一個悖論，實際上包含了狹義相對論的萌芽。愛因斯坦對這個問題的思考經(jīng)歷了10年才找到了解決問題的關(guān)鍵。這期間邁克爾遜—莫雷實驗的零結(jié)果，促使他向狹義相對論邁出了第一步。費茲杰惹和洛侖茲分別提出的收縮假說，暗含了狹義相對論和麥氏理論之間內(nèi)在的淵源關(guān)系，以太的不可探測，長度收縮的不可探測，都為狹義相對論的誕生預(yù)備了條件。彭加勒、洛侖茲甚至都走到了狹義相對論的邊緣，只是由于絕對時空觀的思維定式，使他們沒能跳出框架，這些令人遺憾的教訓不該給我們帶來深刻的啟示么？愛因斯坦的狹義相對論發(fā)表后擱置了14年沒有受到應(yīng)有的重視，可見舊觀念的根深蒂固，它的改變不是一朝一夕之事，曲高和寡在這里也得到充分的印證。

不僅僅理論的創(chuàng)立是艱辛而漫長的，與之相印證的物理實驗更是艱苦，一個實驗往往一做就是一年、幾年：邁克爾遜-莫雷實驗斷斷續(xù)續(xù)前后作了六年，戴維森的電子散射試驗也作了六年，為了提煉足以進行試驗的純鐳鹽，居里夫婦經(jīng)過四年從8噸礦渣石中提取了0.1克的純鐳鹽，是什么給了他們綿綿不絕的動力呢？是對科學的負責精神和實事求是的精神以及堅韌不拔的毅力和斗志。我們在工作中、學習中遇到一點小困難與之相比又算得了什么呢？

物理學的發(fā)展史更是一部科學方法的創(chuàng)建史，一部思維方法的進化史。

縱觀物理學的各個分支領(lǐng)域，理想模型幾乎無處不在。無論是運動學的勻速直線運動，勻變速直線運動、質(zhì)點、剛體、光滑平面，熱學的理想氣體、理想循環(huán)、理想液體，電磁學的勻強電場、恒穩(wěn)電流，光學的點光源、絕對黑體等等。它們的建立都充分展現(xiàn)了物理學家們敏銳的洞察力，高度的概括性，高明的預(yù)見性。抓主要矛盾，忽略次要因素，簡化問題，突出主要性質(zhì)，這是何等的高明！

而科學假說、等效替換、類比、逆推、歸納等等比比皆是。物理學真堪稱一部方法論大全。影響著人們的思想、觀點、方法。這種思維方法應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，應(yīng)該說是放之四海而皆準的真理，許多年輕時搞過物理，后又轉(zhuǎn)向其他方面的人，不管是從政、從商還是從事其他工作，都普遍感受到當年學習中訓練的思維方法使他們獲益匪淺，受益終生。

物理學更蘊含了豐富的真、善、美，是一部美學大全。

從它的外延看，它的發(fā)展過程，無時不透射著風趣、幽默、睿智。忘不了牛頓，請客時，別人吃飯他肚子不餓，煮雞蛋時，差點將手表煮熟；忘不了“泊松亮斑”的戲謔；忘不了“紫外災(zāi)難”的幽默；更忘不了以愛因斯坦為代表的EPR一派和以玻爾為代表的哥本哈根學派的爭論。那是一群多么可愛、可親、可敬的人們，那是一群永遠不老的科學斗士，一代科學偉人。他們既是嚴肅論戰(zhàn)的對手，又是追求真理的戰(zhàn)友。爭論時不留情面，生活中友誼真誠，可歌可泣，足令我輩敬仰。

從它的內(nèi)涵看，它的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、方法的簡單美，一個F=d（mv）/dt就把天地萬物的機械運動規(guī)律統(tǒng)一起來了，不令人折服么？

作為中學教師，如何能讓學生聽到這首動人的歌，如何能讓學生體會到這其中的美，將是我們今后面臨的最艱巨的任務(wù)。我想：幫助學生樹立榜樣，解決學生思想問題，提高他們的非智力因素才是解決問題的關(guān)鍵。

（作者單位 山東青島萊西一中南校）