最初,美国物理学会是在哪所大学里成立的?
最初,美国会是在哪所大学里成立的?
美国会(APS)成立于1899年的哥伦比亚大学,会员由当时的36人发展到如今的40000余人,其宗旨是推动和传播物理学知识... ========================== 追溯物理学的内涵 -------------------------------------------------------- 褚慧玲 （上海市七宝中学，上海 201101） ------------------------------------------------- 1905年，爱因斯坦先后发表了五篇具有划时代意义的论文，奠定了相对论、量子论等物理学领域的基础。为纪念这一奇迹100周年，在全球物理学界一致呼吁下，联合国大会于2004年6月通过了2005年为“国际物理年”的决议。 国际物理学界认为，在“2005—世界物理年”，通过展示物理在经济、技术、文化等方面的重要作用，在全球范围内争取公众对物理学的理解与支持，坚定公众对物理学的信念，推动物理教育，培养物理人才，使物理学在21世纪得到全新的发展。 值此机会，我们来追溯物理学内涵的发展。在现代科学体系结构中，按科技的层次结构，一般认为可分为基础科学、技术科学和应用科学。物理学属于基础科学，物理学与科学等概念一样，是历史的、发展的，可以从不同方面、不同角度加以阐述解释。尽管物理学中各个概念以严格谨慎著称，不能多一字，也不能少一字，唯独物理学的内涵随着时代的发展一直在变化着。 一、早期的物理学 大约在公元前六七世纪后，中国和古希腊形成了东西两个科学技术发展的中心，形成了物理学的萌芽。与现代我们运用物理学理论，通过数学计算就能对过程的演化作出定量的预言，再和实验结果进行比较而言，古代对自然现象的单纯的观察技术或是对自然规律的抽象的思辨玄想，还都没有达到建立定量物理学定律的阶段。因而那时人们的科学研究内容，不能构成物理学的主体。 人类在实践中首先接触和观察到的是宏观的物体和现象，物理学就是从研究宏观的物理现象开始，从而导致经典物理学的诞生和发展。物理学是一切自然科学中最基本和最抽象的科学，物理学的概念也是各个时期科学认识所达到的基本的概念。物理学的重大成就总会直接推动哲学的发展，而哲学则给物理学家提供思维的工具和准则，物理学上的重大突破往往来自思想突破，物理学在希腊文中意为自然哲学。在古代，物理学只是哲学的一个部分。当时，人们对自然界的认识主要依靠不充分的直接观察和简单的逻辑推理得到的。 16世纪以后，物理学家采用了系统的实验观察、精确的数学方法和严密的逻辑论证相结合的方法，认识自然界的武器取得了突破性成就。1687年牛顿出版力学和经典著作《自然哲学的数学原理》，从书名我们可以知道物理学就是自然哲学。此书从力学的基本概念和运动三定律出发，运用微积分建立了经典力学的完整而严密的体系，把天体力学的地面上物体的力学统一起来，成为物理学史上的第一次大综合，对自然科学的发展作出不可磨灭的贡献。牛顿说：“自然界的一切现象，可以根据力学的原理用相似的推理，一一演绎出来。”这样逐步形成了把一切运动归结为机械决定论的自然观。 19世纪中叶，物理学逐渐从哲学中区分出来，由于自然科学的研究对象是物质及其运动形态、运动性质和运动规律，科学的分类应能反映客观存在的各种物质运动。因此，恩格斯认为物质形式上的区别才是区分各门科学的依据。根据当时科学发展的水平，恩格斯把整个自然界的物质运动的基本形式划分为机械运动、物理运动、化学运动和生命运动四大类；与此相应，整个自然科学就被划分为力学、物理学、化学和生物学四门学科。 二、近代物理学涵义 在19世纪后期，物理学研究开始进入微观世界，人们对高速现象，主要是光的传播和干涉现象进行深入的研究，这时，经典物理学的局限性开始显露出来，从而导致20世纪物理学的重大革命。然而物理学的涵义，并未脱离机械决定论的自然观。这可以从20世纪70年代以后出版的物理教科书对物理学的定义反映出来： “物理学研究的是物质运动最基本最普遍的形式，包括机械运动、分子热运动、电磁运动，原子和原子核内的运动等等。” “物理学研究的是自然界中最普遍的物质运动现象，是研究物质的一切最基本、最普遍的运动形态和物质各层次的结构、相互作用和运动的基本规律的科学。” “物理学是物质的科学，它力求了解物质的基本结构、性质和行为。” “物理学是一门科学，它的目的是研究物质的组成以及它们之间的相互作用，科学家们以这些相互作用来解释宏观物质的性质以及我们所观察到的其他自然现象。” “物理学是自然科学的一个分科，它研究物质运动最基本、最普遍的形式，包括机械运动、分子热运动、电磁运动，原子和原子核内部的运动等。” “物理学是研究自然界的一门科学……是研究自然界中最普遍的现象及其运动规律。” “物理学古称自然哲学，它研究自然界中最基本和最普遍的现象和规律，因此，物理学是与人们对自然的总体认识相关的。” “物理学是研究物质运动最普遍性质和形式的科学。” “物理学是一门引人入胜的科学，它研究物质的性质和自然界的力。” “物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。” “物理学是自然科学中研究物质最基本结构和最普遍运动形式的学科。” “物理学是一门基本科学，它研究的是物质运动的基本规律。” “物理学是研究自然界的物质结构，大到宇宙结构，小到最微小的粒子结构，以及物质运动的最普遍最基本规律的自然科学。” “物理学归根结底是一门实验科学，它依赖于定量的观察，唯有通过定量观察以及采用抽象、假设、物理推理等手段，人们才能得到定量的关系，而这些关系，构成了整个物理学的核心内容。” 在纪念中国物理学会成立（1932年8月成立）60周年时，一些著名学者应邀作报告。报告中谈到，“物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理学中各种理论之所以有价值，无非是由于它们能够反映自然现象中的一些基本规律”。 上述所有定义中，其共同部分是物质结构和运动规律，只涉及“物质”，没有牵涉物理学中另一普遍应用的概念──能量。而能量可能比物质更具普遍性，因为自然界中发生的任何事件都可以描述成一种能量的转换，宇宙中发生的每件事都包含这种或那种能量转换。在牛顿经典力学建立以后的二百年，人们才对能量有所了解。能量是物理学中的一个抽象概念，而科学概念的力量在于它具有能解释和统一种种自然现象的能力，能量与许多科学原理不同，能量定律是普适的，在各种场合都能正确地运用。 三、当代的发展 物质质量和能量的联系源自质量的相对性。若从静止开始加速一物体，对物体所做的功，将增加物体的动能，同时由相对论效应，物体的质量将会增大。由此，爱因斯坦发现，从相对论和能量守恒定律出发，不论给一个物体什么形式的能量，如热能、引力能、电磁能，物体质量和能量都相应增加，从而，爱因斯坦给出质量增加和能量增加的定量关系，这说明物质的静止质量不守恒，给予一个物体的能量，也就增加了该物体的质量。进一步，又推演到物体的总质量和总能量，形成著名的质能关系公式：E＝mc2，此公式说明，能量有质量，或一切质量有能量。能量有做功的本领，因而，应该有一些物理过程能够从物体的质量而获得相当的功。实验上已经发现了这种过程，就是物质—反物质湮灭过程。这一过程是1930年中国物理学家赵忠尧先生首先发现的：当电子和正电子相碰到一起时，粒子就会完全消失而产生高能辐射，即变成一对光子。他测量了其中一个光子的能量，约等于电子的静止能量，E＝mc2＝0.511 MeV。这个实验比安德逊发现、确认正电子的存在还要早两年，而安德逊因观测到正电子的径迹获1936年诺贝尔奖。这种湮灭反应是物质不守恒的一个极端的例子。反过来，高能辐射产生物质粒子的例子也存在，例如，高能r射线，当物质相互作用时，其能量高于1.02 MeV以后，就可能产生电子对效应，即产生电子和正电子对，正电子继续与其他原子中电子反应，产生高能辐射。 当代物理学表明，物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次，目前，最低层的粒子为夸克和电子，其尺寸皆小于10-16cm，其所需能量大于100 Gev；其上层为质子，10-13cm，1～100 Gev；再上层为原子核，若干个10-13cm，几个100 Mev；（原子核上层为原子，约10-8cm，绕核运动的电子为几个ev；原子上层为分子、大分子，10-5cm～10-7cm，每个原子为0.1—几个ev）。原子、分子聚集起来构成气相、液相和固相等宏观物质。层次与层次之间是有联系的，但到上一个层次往往就会有新的规律出现，对这些新的规律的研究本身具有基本性。这也就是说，大量的、复杂的粒子的集体，并不等于几个粒子性质的简单外推，即使我们知道两个、三个或四个、五个粒子的规律，并不能说明1020个粒子的集体规律。人是由1014个细胞构成的，每个细胞约有1014个分子，故人是由1028个分子集合而成的，知道几个分子运动规律，绝不意味着整体人的运动规律。更具体地说，有夸克、原子核、原子、分子生物学、遗传学（即包含遗传信息的DNA分子）等各个层次，后面的层次是由前面的层次构成的，但每一个层次都有新的、普遍的规律，而且这些规律往往不能从所谓更基本的规律推导出来。顶夸克在1995年被间接证实其存在，这对粒子物理学是一件大事，但对相距几个层次的凝聚态物理，到现在为止，并未看到有什么影响。因此，企图探索最基本的规律来解决各层次的问题是不现实的，而能量则是各层次粒子的特征。 量子场论认为，世界上没有别的，只有场，世界万物仅仅由场构成，这是万物皆“空”的思想，这种思想认为物质实际上只是力场的一种堆砌。一个场是空间的一种紧张状态，可以把它描述成施力的可能性。例如电场就是产生一个电力的可能性，电场由带电的物体产生，弥散于空间中，在有电场的地方，带电的物体将感受到一个力的作用。磁场、引力场也是如此。因为场具有能量，所以就具有质量，实物粒子都只是一个场，一个粒子的位置只是它的场的中心。 人类文明在很大程度上被人类对大自然能源的利用所限定。最早的人类只使用自己身体的能量，这能量由食物和氧的结合而获得。在原始社会中，一个正常人大约要摄取8兆焦耳能量来维持生命和工作的需要，这能量约相当于点亮一个100瓦灯泡24小时。当人类有组织地利用太阳能种植植物，就告别游牧生活定居下来，形成村落文化，此时人类用火释放的化学能来烹饪和取暖，这使人均每天消耗的能量提高五倍，达40兆焦。至工业时代，约从1750—1950年，使用煤油、天然气，又使人均每天消耗的能量再增加五倍，达200兆焦。20世纪后半叶，由于供电和运输，人均每天消耗的能量又上升五倍，达1000兆焦。人类会使用能量后，就解放了体力劳动。人类会使用信息后，又可使脑力劳动大大减轻。由此可见，能量与社会有着至关重要的联系。人类从力可以得到有用的能量。由于引力、电磁力、强相互作用核力的强度不同，从这三种力得到等量的输出所需燃料量也不相同。 由于能量的重要性和普遍性，许多物理学者对物理学定义有了新的见解： “对物理世界的研究叫做物理的科学。化学是一门物理的科学，它是研究物质组成和物质各种形态之间的反应。物理学是另一门物理的科学，它是讨论物理和能量之间的关系……地质学和天文学也被列为物理的科学。” “物理学是关于物质性质和能量转化的系统知识。” “理论物理学所探索的是物质世界（其中包括物质世界的特殊形式）和精神世界的基本运动规律。” “物理学就是对普遍存在的现象的研究，例如下落。地质学家研究岩石和地球的结构，生物学家研究青蛙和其他生物，而物理学家则研究岩石、青蛙以及所有其他东西都遵循的普遍原则。” 值得注意的是，1999年3月16～21日在美国亚特兰大举行的“第23届国际纯粹物理和应用物理联合会（IUPAP）代表大会”通过的决议五：“物理学对社会的重要性”。决议五的第一句阐明了物理学的内涵：“物理学──研究物质、能量和它们的相互作用的学科──是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。”此次会议共计有42个国家、80余名代表和30余名观察员参加。我国为副主席国家，派出副主席1名、代表4名，观察员1名参加会议。这次大会的学术活动与美国物理学会成立一百周年纪念大会的学术活动结合在一起，参加纪念大会的有一万名学者，云集了世界各地物理学界的著名人士，是一次内容广泛、高水平的国际盛会。