物理學的經典與現(xiàn)代
內容提要
物理學的發(fā)展與中醫(yī)有相同之處�，F(xiàn)今中醫(yī)的發(fā)展離不開經典，現(xiàn)代物理的產生與發(fā)展也沒有離開經典物理。二者的關系是基礎與提高、繼承、發(fā)展的關系。因而，當今各國物理教育教學中，對經典物理課程的重視是不言而喻的
關鍵詞
經典 現(xiàn)代 相對論 量子力學
經典物理的產生一般認為從文藝復興時期開始，前期經過許多科學家，特別是伽利略、笛卡爾、惠更斯等先賢的努力，建立起力學的實驗基礎。牛頓總結前人的成果，確立了經典力學的基本理論體系，麥克斯韋、玻爾茲曼等確立了經典統(tǒng)計力學和電磁場理論。經典物理經過幾百年的不斷發(fā)展和完善，形成了自然科學中唯一有完整的理論、思想、數(shù)學推理和研究方法體系的學科。牛頓力學和麥克斯韋電動力學號稱經典物理的兩大支柱，牛頓和麥克斯韋在物理學界的位置，可以相比于中醫(yī)學的先圣張仲景。
現(xiàn)代物理從二十世紀初始興起，由愛因斯坦、玻爾為代表的眾多科學家的杰出工作，創(chuàng)立了相對論和量子力學，開創(chuàng)了物理學的新局面。以相對論和量子力學標志的、研究微觀、高速物理現(xiàn)象的新的理論和方法體系，統(tǒng)稱現(xiàn)代物理學�，F(xiàn)代物理學在原子、分子、固體、原子核、天體力學和宇宙學、等離子體、激光技術、基本粒子、半導體、超導的研究中得到了廣泛的應用。
有人稱相對論和量子力學的創(chuàng)立是“物理學上的一次革命”。更多的局外人則認為現(xiàn)代物理是一種全新的理論，完全推翻和取代了經典物理學，經典物理已經完成了自己的歷史使命，現(xiàn)代社會已經不再需要她。這其實是一種誤解。如果我們從歷史和現(xiàn)實的的角度重新審視事實，就會發(fā)現(xiàn)，經典物理沒有被拋棄，她不僅是現(xiàn)代物理產生的溫床、理論與方法的啟示、研究的工具，更是現(xiàn)代社會的頂梁柱，仍在現(xiàn)今眾多高科技領域中發(fā)揮著不可替代的作用。本文主要從以下幾個方面討論現(xiàn)代物理與經典物理的關系，從而說明重視經典是物理發(fā)展的需要，是現(xiàn)代科學、社會發(fā)展的需要。
現(xiàn)代是經典恰當?shù)臄U展
讓我們用事實說明問題。愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對論時，提出了兩個基本假定：相對性原理和光速不變原理。首先我們注意到，愛因斯坦的相對性原理與伽利略相對性原理驚人地相似，比較一下就可以看到：
伽利略相對性原理：（由伽利略等人經過反復多次的實驗檢驗而提出)
一個相對于慣性參照系做勻速直線運動的系統(tǒng)，其內部所發(fā)生的一切力學過程，都不受系統(tǒng)運動的影響，或：一切慣性系統(tǒng)都是等價的。
愛因斯坦假定，不僅力學過程，所有的物理過程都不受系統(tǒng)運動的影響，即
物理學的基本規(guī)律在相互作勻速運動的一切參照系中都是相同的，或：一切慣性系統(tǒng)都是等價的。
從中我們不僅看出，愛因斯坦對伽利略的相對原理有著非常深刻的、超出常人的理解，已經達到了熟能生巧的地步，自然會有如此隨手拈來、為我所用的“上工”境界；也看出創(chuàng)造經典的先賢們的超前意識和睿智之魅力所在。
再看光速不變原理，只要對經典電磁理論稍有了解的人都會發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋的電磁理論完全可以給出明確的關于光速不變的預言。這是因為，只要從著名的麥克斯韋方程組出發(fā)，利用簡單的數(shù)學推演，可以毫不困難地導出電磁場波動方程，不僅預言了電磁波的存在，還給出了電磁波在真空中的傳播速度。用c表示電磁波在真空中的速度，c的大小是
其中 為真空磁導率， 為真空介電常數(shù)，由于 和 數(shù)值的大小固定，與參照系的選擇無關，換句話說，與系統(tǒng)的運動狀態(tài)無關，這正是光速（光屬于電磁波)不變原理。
據(jù)說，愛因斯坦在創(chuàng)立狹義相對論時，對當時著名的、能夠證明光速不變的邁克耳孫光干涉實驗并不知曉，他能參考的資料只有經典電動力學，麥克斯韋方程組和電磁場波動方程表達的深刻內涵才是他提出光速不變假設的根據(jù)。
現(xiàn)代是對經典的包容而非否定
無論是相對論和量子力學，都無法否定經典物理，也沒有否定經典的企圖。相反，所有的新理論都試圖找到和經典的聯(lián)系，如果找不到應有的聯(lián)系，這樣的新理論有可能破產。所以，相對論和量子力學實際都包含了經典。這與所有的后世中醫(yī)大家，在發(fā)表自己的新見解時，都要證明自己的觀點與《內經》、《
傷寒論》有內在聯(lián)系如出一轍。
例如相對性原理最著名的數(shù)學表示即洛侖茲變換，具體表述如下：
設兩個相對有勻速運動，速度為v參照系統(tǒng)，它們沿v方向各自建立的直角的坐標系分別為x,y,z,t和x’,y’,x’,z’,t’，若初始時，兩坐標原點重合，兩坐標系由以下變換公式聯(lián)系：
式中 c 是前面提到的光速，具體數(shù)值為30萬公里每秒。我們通常能見到的物體運動速度，如汽車、火車、飛機，能達到1公里每秒的速度并不多見，宇宙飛船的速度，也最多達到10幾公里每秒，即使將來提高100倍，與光速相比仍顯得微不足道。而上式表明，當系統(tǒng)的相對速度v遠遠達不到光速的時候，（日常中大量事實正是如此)上面的公式就變成伽利略變換
x’=x-vt y’=y z’=z t’=t
說明洛侖茲變換與經典的伽利略變換并沒有矛盾，前者包含了后者，后者用更加廣泛。
再看量子力學的例子，量子力學的基本原理是測不準關系。其典型的表述是：粒子的位置和動量不能同時確定。它們在某一方向上不確定量的乘積大于或等于h/2。即
，
可以看出，h是一個很小的量，小到什么程度呢？小數(shù)點后面有34個0！是6的百億億億億分之一。一般氣體分子夠小的了，如
氧氣分子質量為10-23的數(shù)量級，常溫下速度大約為102的數(shù)量級，則動量為10-21的數(shù)量級，和h相比大了10萬億倍，完全可以不考慮測不準關系的影響。所以，當我們研究的對象系統(tǒng)中物理量的數(shù)量級遠遠大于普朗克常數(shù)時，不確定度數(shù)值相對來講，必然微不足道，量子力學很自然地回歸到經典力學。也可以說，測不準關系包容了經典力學，后者應用更為廣泛。
現(xiàn)代對經典的接收和繼承
現(xiàn)代物理不是空中樓閣，它是采用經典的材料和藝術，一磚一瓦構建的絕美珍品。在現(xiàn)代物理學中，經典的概念、定義、研究方法無處不在，發(fā)揮著主導的、關鍵的作用。在相對論力學中，我們可以看到力、加速度和動量以及它們的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密頓量等在經典中熟知的力學量。這些力學量全部統(tǒng)一到了滿足洛侖茲協(xié)變的四維形式中去。至于經典電磁理論中所有規(guī)律，由于自然地滿足相對性協(xié)變，幾乎很少更改地進入相對論，成為相對論的重要的組成部分。
在量子力學中，同樣采用了經典力學的所有量，只是為了描述測不準關系、描述系統(tǒng)的狀態(tài)需要，力學量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是標量、矢量、張量算符。如在坐標表象中，動量具有梯度矢量的算符形式，哈密頓量則包含了拉普拉斯算符。量子力學的創(chuàng)立者之一海森堡更是心有靈犀，他把測不準關系表示成為力學量的對易關系：
這很容易想到經典力學中的泊松括號
二者有驚人的形式上的相似。實際上，海森堡正是運用了泊松定理關于守恒量的結論。同樣，當h可以忽略時，量子力學中所有的力學量與經典完全一致。
綜上所述，經典與現(xiàn)代是“皮”與“毛”的關系，“皮之不存，毛將焉附”，沒有經典物理的“理、法、方、藥”，就不可能有現(xiàn)代物理的“臨證權變”�？v觀對現(xiàn)代物理有貢獻的科學家，他們都是經典物理學的大師，是伽利略、牛頓、麥克斯韋等諸位“至圣先師”的高徒。他們“熟讀經文”，“闡發(fā)經旨”，達到了“神明變化于規(guī)矩之外，而仍不離乎規(guī)矩之中”境界。他們的做法，難道不是勤求經典之“古訓”，博采經典之“眾方”，間以己得，合而成之，欲“愈”當今物理新問題之“諸病”乎？更重要的是，經典就其本身來說，實際應用不僅沒有削弱，反而以其獨特的魅力得到更廣泛的應用。至今為止，經典仍滲透到了高新科技的各個領域和部門，仍然影響著其他自然科學，仍然繼續(xù)發(fā)揮基礎的、不可替代的作用。
由此看來，沒有經典，現(xiàn)代無從談起。所以，大學物理教育與中醫(yī)教育相似，也是從抓經典入手的。近百年來，所有的大學物理教育和教學，經典的力學、熱力學和統(tǒng)計物理、電磁場理論的教學占有無庸置疑的、不可動搖的地位。從內容上來講，物理系本科生的學習，經典的內容占了四分之三。翻開任何一部現(xiàn)代物理書籍或教材，開始的論述都要引經據(jù)典，列出該書論題所需要的經典物理知識，一方面是為了論有所據(jù)，一方面也是為了讓讀者具有能讀懂有關論題的必要條件。
