1、科學問題的生成及其在科學研究中的作用20世紀物理學中兩朵“烏云” 為了能夠論述“科學問題的生成及其在科學研究中的作用”，我們需要先把科學問題的定義給闡釋清楚。在我們的生活、工作、科研中，問題無處不在，無時不有。那什么是問題呢？在一定的背景知識條件下，問題被定義為信息對排除不確定性的缺乏。問題首先表現為一種欲知，也就是“為什么”，或者說是主體要求排除不確定性的需求。根據問題的深淺不同，問題可分為日常問題和科學問題。其中日常問題是提問者對諸如天氣情況日常生活事件發問，而科學問題則可以定義為：一定時代的科學認識主體，在特定的知識背景下，通過對研究對象的具體分析和縝密思考，提出關于科學認識和科學實踐中

2、有待解決的矛盾或疑難，它蘊含一定的求解目標和應答域，但尚無確定的答案。下面我以相對論和量子力學的發展來闡述科學問題的生產及其對科學發展的影響。20世紀之前，人們一直認為光、電、磁都是依靠以太傳播的，麥克斯韋方程組也是以電磁波波源相對以太靜止為條件建立起來的。如果電磁波波源相對以太運動，電磁波傳播的速度就會變得各向異性。電磁波是橫波，這就要求以太比鋼還堅固，但又比空氣還稀薄，這樣天體才能在以太中自由運動。這種奇特的以太究竟存在不存在呢？科學家們對于以太存在與否的問題爭論不休。1887年美國物理學家邁克耳遜和美國化學家莫雷合作，設計了邁克耳遜-莫雷實驗來尋找以太。邁克耳遜設法使一束光線分成相互垂直

3、的兩束，經平面鏡反射后，又使它們回到一起，發生干涉。由于地球的運動，光沿不同的方向傳播速度不一樣，這樣上述兩束相互垂直的光即使經過相同的距離，再回到同一地方，所花費的時間一般是不相同的。時間的差值不同，干涉條紋的位置也將不同。如果整個實驗裝置一起轉過一個角度。那么，兩束光回到同一地方的時間差將變化，干涉條紋的位置也就變化了。邁克耳遜和莫雷做了這個實驗，但在整個實驗過程中，他們沒有看到條紋的位置有絲毫變化。這個實驗使科學家面臨痛苦的選擇，要么承認地球不在運動，要么承認宇宙中根本不存在以太。這次實驗的結果就是飄在19世紀末物理學萬里晴空中的一朵烏云！為了解釋這個實驗事實，科學家們開始提出了種種假設

4、，其中之一就是假設運動物體沿運動方向的長度將縮短。洛倫茲根據這個假設提出了著名的洛倫茲變換。1905年，愛因斯坦放棄了以太學說，把伽利略的力學相對性原理推廣到所有物理學規律，提出了光速不變原理，創立了狹義相對論。在狹義相對論中，洛倫茲變換成了兩個基本原理的必然結果。狹義相對論把時間、空間和物質、運動的內在聯系揭示出來了。1915年，愛因斯坦又通過引進"引力場"把相對性原理從慣性系推廣到作勻加速運動的參考系，建立了廣義相對論。廣義相對論進一步揭示了物質及其存在形式的辯證關系。廣義相對論導出的一些結論，已被一些實驗和觀察結果所證實。愛因斯坦（18791955）因此成為20世紀最

5、偉大的物理學家。愛因斯坦從小就是一個奇怪的孩子。他酷愛音樂，6歲時學習小提琴，14歲時已能登臺演出。但上學時，教師說他智力遲鈍，除數學外，歷史、地理和語言成績都很差，以致遭退學處分。他的教育主要靠家庭和自學。在叔父影響下，他對數學特別愛好，受舅父影響又對自然科學產生強烈的好奇心。17歲時，他就開始接觸了一些理論物理學。愛因斯坦大學畢業后，到伯爾尼市聯邦專利局工作，在這段工作期間他陸續發表了許多論文，特別是1905年他發表的五篇論文，其中三篇都有資格獲得諾貝爾獎。1916年他又發表了著名的廣義相對論的基礎。1921年，愛因斯坦因對光電效應的研究而獲得諾貝爾獎。1933年，希特勒上臺，愛因斯坦因受

6、法西斯迫害而被迫移居美國。1933年，愛因斯坦寫信給美國總統羅斯福，建議搶在德國法西斯的前面制造原子彈。后來當他得悉美國的原子彈轟炸了人口稠密的日本城市時，他大為震驚，并為自己曾給羅斯福寫過信這件事感到無比懊悔。1955年4月18日，愛因斯坦病逝于普林斯頓醫院。法國著名物理學家朗之萬這樣評價愛因斯坦："在我們這一代的物理學史中，愛因斯坦的地位將在最前列。他現在是并且將來也還是人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星。""也許比牛頓更偉大，因為他對于科學的貢獻更深入到人類思想基本概念的結構中。"物理學天空中的第二朵烏云是黑體輻射問題。19世紀末，許多科學家用經典理論

7、研究黑體的熱輻射問題都遭到了失敗。普朗克以瑞利-金斯和維恩公式為基礎，利用數學的內插法，導出了一個與實驗結果非常一致的輻射公式。但普朗克從理論上論證這個公式時，發現要得到正確的黑體輻射公式，除非黑體在輻射或吸收能量過程中，能量是一份一份的，而不是連續的。1900年普朗克在一篇論文中宣布了這一革命性的發現，創立了量子說。1905年愛因斯坦把熱輻射的量子說推廣到光現象，提出了光量子理論，指出了光的波粒二象性。愛因斯坦用光量子理論成功地解釋了經典理論無法解釋的光電效應現象。普朗克（18581947年）是德國物理學家，1858年生于德國的基爾，普朗克少年時就表現出很有天分。他對數學和音樂有特殊的愛好。

8、據說，中學畢業選擇專業時，他曾在音樂和自然科學之間猶豫不決。1874年普朗克考入慕尼黑大學，初主攻數學，隨后又愛上物理。他的老師約里曾勸阻他這樣做。在約里的眼里，當時的物理學已是一門高度發展的、幾乎是盡善盡美的科學，似乎在這個領域已無事可做。約里的觀點實際是反映了當時物理學家的普遍想法。普朗克一生在科學上提出了許多創見，貢獻最大的就是1900年提出的黑體輻射中的量子假說。此項成就使他獲得了1918年的諾貝爾獎。在從事科學的同時，普朗克還從事音樂演奏和登山運動。他把音樂和登山運動看作是緊張的科研活動后的必不可少的調劑。普朗克退休后仍經常參加物理研究所的懇談會和舉辦大眾講座。他參加會議總是十分準時

9、，據說根據他在會場上的出現時刻可以校正鐘表！1913年，玻爾引進普朗克的量子概念，建立了氫原子核外電子軌道理論，這個理論成功地解釋了氫原子光譜，建立了經典原子物理學。玻爾的經典量子論雖然在確定原子能級的細節方面取得了許多成就，但到那時為止，即使能夠算出譜線的頻率，但不能計算它們的強度和解釋光為什么會偏振等問題。量子力學的建立才解決了這些問題。1924年德布羅意受光量子具有波粒二象性啟發，提出了實物粒子跟光子一樣，也具有波粒二象性。后來實物粒子波叫做物質波，又稱德布羅意波。德布羅意還給出了物質波的波長跟粒子質量、運動速度等關系。1927年戴維遜和革麥通過電子衍射實驗證實了德布羅意的假說。1925

10、年海森堡、玻恩等人，采用矩陣數學的方法，拋棄了以經典軌道、坐標和動量等描述微觀世界的方法，創立了矩陣力學。1926年，薛定諤從物質波的思想出發，采用了德布羅意提出的波函數作為描述微觀粒子的狀態，建立了薛定諤方程，創立了波動力學。波動力學和矩陣力學后來被證明為等價的學說，以后兩者統稱為量子力學。量子力學用"幾率波"、"測不準關系"等新概念來描述微觀粒子的運動，揭示了微觀世界的許多新特點。通過解氫原子的薛定諤方程，能非常自然地導出玻爾理論中的四個量子數和電子躍遷時的選擇定則。量子力學把描述宏觀現象的牛頓力學作為一種極限情況包括在內，這是物理學發展史上又一次大

11、的綜合。1928年狄拉克又把量子力學與狹義相對論結合起來，創立了相對論性量子力學。由于量子力學能很好地統一說明分子、原子、電子等微觀粒子運動的規律。因此，量子力學后來被應用到化學上，產生了量子化學。隨著生物學研究水平逐漸深入到分子水平，在這個水平上研究生物學，量子力學又成了最有力的工具，于是產生量子生物學。這樣在微觀世界中，物理學、化學和生物學的界限又變得模糊起來。古代的不分學科的自然科學經過發展、分化，現在又在微觀問題的研究中又逐步趨向合并了起來。科學問題對于科學的發展進步必然起著至關重要的作用，為了解決一定的科學問題，人們根據已知的科學事實和科學原理，對所研究的問題及其相關的現象做出一系列猜測性的陳述或假定性的說明。這