大學(xué)物理教學(xué)中的思辨能力培養(yǎng)
——從物理史的兩起爭(zhēng)論談起

楊 睿 曹欣偉 劉曉燕

（西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 陜西·西安 710065）

大學(xué)物理課程作為高校理工科專業(yè)普遍學(xué)習(xí)的一門(mén)基礎(chǔ)必修課，其重要性和對(duì)學(xué)生發(fā)展的深遠(yuǎn)影響已達(dá)成共識(shí)。但目前大學(xué)物理教學(xué)也存在許多亟待解決的問(wèn)題。

學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性不足，科學(xué)求真探索精神欠缺，學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)停留于追求一個(gè)較高的總評(píng)成績(jī)，學(xué)習(xí)方式停留在應(yīng)試教育階段的解題層次，較少去關(guān)注知識(shí)形成過(guò)程中的來(lái)龍去脈。另一方面，教師的直接講授和結(jié)論呈現(xiàn)對(duì)于課堂教學(xué)無(wú)疑是最高效的做法，但也造成當(dāng)今部分大學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，機(jī)械做題的學(xué)習(xí)弊端。當(dāng)今時(shí)代要求大學(xué)生成為具備良好科學(xué)精神、科學(xué)素養(yǎng)、科學(xué)作風(fēng)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。在這樣的要求下，大學(xué)物理作為一門(mén)重要的基礎(chǔ)理論必修課需要承擔(dān)起培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和思辨能力的功能。

本文嘗試從物理學(xué)發(fā)展歷程中兩起重大爭(zhēng)論談起，尤其是兩位科學(xué)巨匠，愛(ài)因斯坦與玻爾長(zhǎng)達(dá)幾十年的爭(zhēng)論，借此希望對(duì)大學(xué)物理的教與學(xué)引發(fā)一些思考和啟示。

1 玻爾與愛(ài)因斯坦之爭(zhēng)

量子力學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，十九世紀(jì)末是一個(gè)新舊交替的特殊階段。在低速宏觀的領(lǐng)域中，經(jīng)典物理學(xué)仍然是理論支柱；而對(duì)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(xué)揭示了微觀粒子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1]。

愛(ài)因斯坦第一個(gè)意識(shí)到量子概念的普遍性，對(duì)量子理論的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。然而從量子力學(xué)誕生之日起，愛(ài)因斯坦與玻爾就圍繞它進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾十年?duì)幷?，甚至到他們各自去世也沒(méi)有完結(jié)。

玻爾（1885—1962）是一位丹麥物理學(xué)家，他于1921年在丹麥哥本哈根大學(xué)創(chuàng)建了理論物理研究所。這個(gè)研究所創(chuàng)建后，很快成為當(dāng)時(shí)國(guó)際上公認(rèn)的物理研究中心，并逐漸地形成了一個(gè)以玻爾為核心的“哥本哈根學(xué)派”[2]。這個(gè)學(xué)派提出了對(duì)量子力學(xué)的所謂“正統(tǒng)解釋”。

其主要觀點(diǎn)是：微觀粒子的各種力學(xué)量（如位置、動(dòng)量、能量等）的出現(xiàn)都是概率性的；量子力學(xué)對(duì)微觀粒子運(yùn)動(dòng)的概率性描述是完備的；決定論不適用于量子力學(xué)領(lǐng)域；儀器的作用同觀察對(duì)象具有不可分割性。每次測(cè)量都會(huì)由于觀測(cè)儀器與微觀客體之間不可控制的相互作用從而引進(jìn)新的初始條件，使通常意義下的因果關(guān)系鏈被打斷。所以他們提出在量子力學(xué)中，人們必須放棄力學(xué)意義上的因果律和機(jī)械決定論，而把概率性看成是本質(zhì)的。他們主張?jiān)谖⒂^領(lǐng)域徹底拋除力學(xué)的機(jī)械決定論和因果律[2]。

在反對(duì)的聲音中爭(zhēng)論最激烈的是對(duì)量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)解釋與決定論、因果性的問(wèn)題。其中愛(ài)因斯坦（1879—1955）正是反對(duì)哥本哈根學(xué)派觀點(diǎn)的主要代表。愛(ài)因斯坦認(rèn)為量子力學(xué)并沒(méi)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(guān)，同客觀實(shí)體無(wú)關(guān)。愛(ài)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(yīng)該例外。量子力學(xué)在說(shuō)明微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)采用了統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但這并不是因?yàn)槲⒂^世界的物理規(guī)律本身有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，而是因?yàn)榱孔恿W(xué)的發(fā)展還不夠完備。統(tǒng)計(jì)理論并不是什么新的東西，過(guò)去在生物學(xué)中早已用過(guò)了，因?yàn)槲覀儗?duì)生物過(guò)程的認(rèn)識(shí)還不充分，所以生物學(xué)定律總具有統(tǒng)計(jì)特征。我們不應(yīng)當(dāng)永遠(yuǎn)滿足于對(duì)自然界如此馬虎、如此膚淺的描述。[1]

愛(ài)因斯坦堅(jiān)定地相信決定論，相信因果性。他對(duì)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系和量子力學(xué)的概率解釋極為不滿，認(rèn)為出現(xiàn)這樣的理論是由于量子力學(xué)主要的描述方式不完備所造成的，從而限制了我們對(duì)客觀世界的完備認(rèn)識(shí)，所以才只能得出不確定的結(jié)果。[8]

愛(ài)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(shí)驗(yàn)，如“單縫衍射”的理想實(shí)驗(yàn)，“光子箱”實(shí)驗(yàn)，以揭露哥本哈根學(xué)派觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，但每次都被玻爾成功地化解。但愛(ài)因斯坦并沒(méi)有動(dòng)搖，他曾說(shuō)過(guò)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(dāng)時(shí)，量子力學(xué)已經(jīng)處于蓬勃的發(fā)展中，愛(ài)因斯坦將自己置身于物理學(xué)發(fā)展的主流之外，晚年的他感到孤獨(dú)與煩惱。[3]爭(zhēng)論中，玻爾曾極力想把愛(ài)因斯坦?fàn)幦∵^(guò)來(lái)，他十分尊重愛(ài)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(duì)著愛(ài)因斯坦的光子箱草圖沉思，同愛(ài)因斯坦進(jìn)行了無(wú)言的爭(zhēng)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?wù)撏瑦?ài)因斯坦的爭(zhēng)論：“我們中間有許多人認(rèn)為這對(duì)他來(lái)說(shuō)是個(gè)悲劇，因?yàn)樗诠陋?dú)地摸索他的道路，而這對(duì)我們來(lái)說(shuō)也是一個(gè)悲劇，因?yàn)槲覀兪チ艘晃粚?dǎo)師和旗手”。[3]

2 陰極射線本性的爭(zhēng)論

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

值得注意的是關(guān)在19世紀(jì)的后30年，圍繞這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)了一場(chǎng)爭(zhēng)論。有趣的是，這場(chǎng)爭(zhēng)論的雙方基本上是以國(guó)界劃分的。德國(guó)學(xué)派主張“以太說(shuō)”，英國(guó)學(xué)派主張“帶電微粒說(shuō)”。以部分德國(guó)科學(xué)家為代表的一派根據(jù)陰極射線會(huì)引起化學(xué)作用，而認(rèn)為陰極射線是類(lèi)似于紫外線的以太波。著名的德國(guó)物理學(xué)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(chǎng)，卻沒(méi)能觀察到陰極射線的任何偏轉(zhuǎn)，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(guò)極薄的鋁箔，使他想到只有波才能穿越實(shí)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(shuō)。

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

這場(chǎng)爭(zhēng)論終結(jié)于英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授J.J.湯姆生（1856—1940），他帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)陰極射線作了更加細(xì)致地研究，給出了定性及定量的結(jié)論。

1897年，湯姆生對(duì)佩蘭的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了認(rèn)真的改進(jìn)。[2]他把放電管和金屬筒（即電荷接收器）分開(kāi)放置，二者都與一個(gè)玻璃泡相連。實(shí)驗(yàn)時(shí)，從陰極發(fā)出的陰極射線經(jīng)縫隙進(jìn)入玻璃泡，在它沒(méi)有受到磁場(chǎng)作用時(shí)，沒(méi)有電荷進(jìn)入接收器；用磁場(chǎng)來(lái)偏轉(zhuǎn)陰極射線，當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到某一量值時(shí)，觀察到電荷接收器上接收的負(fù)電荷猛增。

湯姆生還特意重復(fù)了赫茲的靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，在反復(fù)的觀察中，他發(fā)現(xiàn)因?yàn)榉烹姽苤袣堄嗟臍怏w被電離而具有了導(dǎo)電性，他進(jìn)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(zhuǎn)。[2]

這兩個(gè)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)的成功，結(jié)束了一場(chǎng)關(guān)于陰極射線本性的爭(zhēng)論。

關(guān)于陰極射線本質(zhì)爭(zhēng)論雖然結(jié)束了，但湯姆生又提出這種粒子是什么？他用了兩種辦法進(jìn)行這種粒子比荷的測(cè)量。[3]兩種方法得到的結(jié)論相近，都是1011庫(kù)侖/千克。1898年，湯姆生和他的學(xué)生用云霧法測(cè)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(rèn)識(shí)了第一個(gè)基本粒子——電子。[4]

這兩起物理學(xué)史中著名的爭(zhēng)論給我們極大的啟示，在科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，爭(zhēng)論的對(duì)錯(cuò)經(jīng)常并不重要，愛(ài)因斯坦和玻爾兩位科學(xué)偉人，既是嚴(yán)肅論戰(zhàn)的對(duì)手，又是追求真理的戰(zhàn)友。愛(ài)因斯坦與玻爾之間持續(xù)多年的爭(zhēng)論，對(duì)量子力學(xué)的迅速發(fā)展起了極重要的作用[5]，使得量子力學(xué)的意義不斷地得到澄清和進(jìn)步。

在爭(zhēng)論的碰撞中擦出的不全是火花，還有學(xué)科的進(jìn)步甚至新理論的誕生，關(guān)于陰極射線本性的爭(zhēng)論就得到了一個(gè)“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(zhēng)論中的兩個(gè)例證，科學(xué)發(fā)展的道路從來(lái)都不是坦途，如果教師能在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中將相關(guān)概念和理論的曲折發(fā)展貫穿課堂教學(xué)中，豐富教學(xué)素材，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生思辨能力和科學(xué)精神的培養(yǎng)也有一定的幫助。