楊 睿 曹欣偉 劉曉燕

（西安文理學院機械與材料工程學院 陜西·西安 710065）

大學物理課程作為高校理工科專業(yè)普遍學習的一門基礎必修課，其重要性和對學生發(fā)展的深遠影響已達成共識。但目前大學物理教學也存在許多亟待解決的問題。

學生學習的主動性不足，科學求真探索精神欠缺，學生對課程學習的目標停留于追求一個較高的總評成績，學習方式停留在應試教育階段的解題層次，較少去關注知識形成過程中的來龍去脈。另一方面，教師的直接講授和結論呈現(xiàn)對于課堂教學無疑是最高效的做法，但也造成當今部分大學生被動學習，機械做題的學習弊端。當今時代要求大學生成為具備良好科學精神、科學素養(yǎng)、科學作風、創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)人才。在這樣的要求下，大學物理作為一門重要的基礎理論必修課需要承擔起培養(yǎng)學生科學精神和思辨能力的功能。

本文嘗試從物理學發(fā)展歷程中兩起重大爭論談起，尤其是兩位科學巨匠，愛因斯坦與玻爾長達幾十年的爭論，借此希望對大學物理的教與學引發(fā)一些思考和啟示。

1 玻爾與愛因斯坦之爭

量子力學的發(fā)展過程中，十九世紀末是一個新舊交替的特殊階段。在低速宏觀的領域中，經(jīng)典物理學仍然是理論支柱；而對于高速微觀的世界，由海森伯，薛定諤，玻爾等為代表建立的量子力學揭示了微觀粒子的結構和運動規(guī)律[1]。

愛因斯坦第一個意識到量子概念的普遍性，對量子理論的發(fā)展做出了重大貢獻。然而從量子力學誕生之日起，愛因斯坦與玻爾就圍繞它進行了長達幾十年爭論，甚至到他們各自去世也沒有完結。

玻爾（1885—1962）是一位丹麥物理學家，他于1921年在丹麥哥本哈根大學創(chuàng)建了理論物理研究所。這個研究所創(chuàng)建后，很快成為當時國際上公認的物理研究中心，并逐漸地形成了一個以玻爾為核心的“哥本哈根學派”[2]。這個學派提出了對量子力學的所謂“正統(tǒng)解釋”。

其主要觀點是：微觀粒子的各種力學量（如位置、動量、能量等）的出現(xiàn)都是概率性的；量子力學對微觀粒子運動的概率性描述是完備的；決定論不適用于量子力學領域；儀器的作用同觀察對象具有不可分割性。每次測量都會由于觀測儀器與微觀客體之間不可控制的相互作用從而引進新的初始條件，使通常意義下的因果關系鏈被打斷。所以他們提出在量子力學中，人們必須放棄力學意義上的因果律和機械決定論，而把概率性看成是本質(zhì)的。他們主張在微觀領域徹底拋除力學的機械決定論和因果律[2]。

在反對的聲音中爭論最激烈的是對量子力學的統(tǒng)計解釋與決定論、因果性的問題。其中愛因斯坦（1879—1955）正是反對哥本哈根學派觀點的主要代表。愛因斯坦認為量子力學并沒有接觸到事物的本質(zhì)。按照量子理論，所有物理定律都同概率有關，同客觀實體無關。愛因斯坦指出，物理規(guī)律是精確的，微觀世界的規(guī)律也不應該例外。量子力學在說明微觀粒子運動規(guī)律時采用了統(tǒng)計規(guī)律，但這并不是因為微觀世界的物理規(guī)律本身有統(tǒng)計性質(zhì)，而是因為量子力學的發(fā)展還不夠完備。統(tǒng)計理論并不是什么新的東西，過去在生物學中早已用過了，因為我們對生物過程的認識還不充分，所以生物學定律總具有統(tǒng)計特征。我們不應當永遠滿足于對自然界如此馬虎、如此膚淺的描述。[1]

愛因斯坦堅定地相信決定論，相信因果性。他對測不準關系和量子力學的概率解釋極為不滿，認為出現(xiàn)這樣的理論是由于量子力學主要的描述方式不完備所造成的，從而限制了我們對客觀世界的完備認識，所以才只能得出不確定的結果。[8]

愛因斯坦為了證明自己的想法，從1927年一直到逝世，提出了各種非常巧妙的思想實驗，如“單縫衍射”的理想實驗，“光子箱”實驗，以揭露哥本哈根學派觀點的錯誤，但每次都被玻爾成功地化解。但愛因斯坦并沒有動搖，他曾說過一句名言：“你信仰擲色子的上帝，我卻信仰客觀存在的世界中的完備定律和秩序?！?/p>

在當時，量子力學已經(jīng)處于蓬勃的發(fā)展中，愛因斯坦將自己置身于物理學發(fā)展的主流之外，晚年的他感到孤獨與煩惱。[3]爭論中，玻爾曾極力想把愛因斯坦爭取過來，他十分尊重愛因斯坦的各種質(zhì)疑。[4]直到玻爾去世前一天，他還在辦公室里對著愛因斯坦的光子箱草圖沉思，同愛因斯坦進行了無言的爭辯。這兩位大師的思想始終未能相互接近，令人遺憾。玻爾曾經(jīng)這樣談論同愛因斯坦的爭論：“我們中間有許多人認為這對他來說是個悲劇，因為他在孤獨地摸索他的道路，而這對我們來說也是一個悲劇，因為我們失去了一位導師和旗手”。[3]

2 陰極射線本性的爭論

陰極射線是低壓氣體放電過程中出現(xiàn)的一種奇特現(xiàn)象。1858年，由德國物理學家普呂克爾(1801—1865)在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)的。

值得注意的是關在19世紀的后30年，圍繞這個問題出現(xiàn)了一場爭論。有趣的是，這場爭論的雙方基本上是以國界劃分的。德國學派主張“以太說”，英國學派主張“帶電微粒說”。以部分德國科學家為代表的一派根據(jù)陰極射線會引起化學作用，而認為陰極射線是類似于紫外線的以太波。著名的德國物理學家赫茲(1857—1894)曾經(jīng)在陰極射線管中加垂直于陰極射線的電場，卻沒能觀察到陰極射線的任何偏轉，他就以此作為陰極射線不帶電。另外，赫茲根據(jù)陰極射線可以透過極薄的鋁箔，使他想到只有波才能穿越實物，所以，1892年，赫茲宣稱陰極射線不可能是粒子流，而只能是以太波。就此形成了以太說。

1871年，英國物理學家瓦爾利(1828—1883)發(fā)現(xiàn)陰極射線在磁場中發(fā)生偏轉，提出了陰極射線是由帶負電的物質(zhì)微粒組成，并得到同為英國人的物理學家克魯克斯(1532—1919)的贊同。1895年，法國物理學家佩蘭（1870—1942）將圓桶電極安裝在陰極射線管中，再用靜電計去測試圓桶中接收到的電荷是帶負電的。但是，堅持“以太說”的物理學家認為靜電計上所檢測到的負電荷可能是伴隨陰極射線所出現(xiàn)的其他產(chǎn)物。[2]

這場爭論終結于英國劍橋大學卡文迪許實驗室教授J.J.湯姆生（1856—1940），他帶領學生對陰極射線作了更加細致地研究，給出了定性及定量的結論。

1897年，湯姆生對佩蘭的實驗進行了認真的改進。[2]他把放電管和金屬筒（即電荷接收器）分開放置，二者都與一個玻璃泡相連。實驗時，從陰極發(fā)出的陰極射線經(jīng)縫隙進入玻璃泡，在它沒有受到磁場作用時，沒有電荷進入接收器；用磁場來偏轉陰極射線，當磁場達到某一量值時，觀察到電荷接收器上接收的負電荷猛增。

湯姆生還特意重復了赫茲的靜電場偏轉實驗，在反復的觀察中，他發(fā)現(xiàn)因為放電管中殘余的氣體被電離而具有了導電性，他進一步提高了放電管的真空度，且減小極間電壓，成功觀察到穩(wěn)定的靜電偏轉。[2]

這兩個關鍵性實驗的成功，結束了一場關于陰極射線本性的爭論。

關于陰極射線本質(zhì)爭論雖然結束了，但湯姆生又提出這種粒子是什么？他用了兩種辦法進行這種粒子比荷的測量。[3]兩種方法得到的結論相近，都是1011庫侖/千克。1898年，湯姆生和他的學生用云霧法測定陰極射線粒子的電荷，并證明其質(zhì)量是氫離子質(zhì)量的1/1000，從而使人們認識了第一個基本粒子——電子。[4]

這兩起物理學史中著名的爭論給我們極大的啟示，在科學的發(fā)展過程中，爭論的對錯經(jīng)常并不重要，愛因斯坦和玻爾兩位科學偉人，既是嚴肅論戰(zhàn)的對手，又是追求真理的戰(zhàn)友。愛因斯坦與玻爾之間持續(xù)多年的爭論，對量子力學的迅速發(fā)展起了極重要的作用[5]，使得量子力學的意義不斷地得到澄清和進步。

在爭論的碰撞中擦出的不全是火花，還有學科的進步甚至新理論的誕生，關于陰極射線本性的爭論就得到了一個“意外”的收獲。J.J.湯姆生也被人們尊稱為“分離原子的人”。

以上僅為物理史上爭論中的兩個例證，科學發(fā)展的道路從來都不是坦途，如果教師能在大學物理教學過程中將相關概念和理論的曲折發(fā)展貫穿課堂教學中，豐富教學素材，不僅可以調(diào)動學生的學習興趣，對學生思辨能力和科學精神的培養(yǎng)也有一定的幫助。