大学物理教学中的思辨能力培养——从物理史的两起争论谈起

杨 睿 曹欣伟 刘晓燕

（西安文理学院机械与材料工程学院 陕西·西安 710065）

大学物理课程作为高校理工科专业普遍学习的一门基础必修课，其重要性和对学生发展的深远影响已达成共识。但目前大学物理教学也存在许多亟待解决的问题。

学生学习的主动性不足，科学求真探索精神欠缺，学生对课程学习的目标停留于追求一个较高的总评成绩，学习方式停留在应试教育阶段的解题层次，较少去关注知识形成过程中的来龙去脉。另一方面，教师的直接讲授和结论呈现对于课堂教学无疑是最高效的做法，但也造成当今部分大学生被动学习，机械做题的学习弊端。当今时代要求大学生成为具备良好科学精神、科学素养、科学作风、创新精神和实践能力的高素质人才。在这样的要求下，大学物理作为一门重要的基础理论必修课需要承担起培养学生科学精神和思辨能力的功能。

本文尝试从物理学发展历程中两起重大争论谈起，尤其是两位科学巨匠，爱因斯坦与玻尔长达几十年的争论，借此希望对大学物理的教与学引发一些思考和启示。

1 玻尔与爱因斯坦之争

量子力学的发展过程中，十九世纪末是一个新旧交替的特殊阶段。在低速宏观的领域中，经典物理学仍然是理论支柱；而对于高速微观的世界，由海森伯，薛定谔，玻尔等为代表建立的量子力学揭示了微观粒子的结构和运动规律[1]。

爱因斯坦第一个意识到量子概念的普遍性，对量子理论的发展做出了重大贡献。然而从量子力学诞生之日起，爱因斯坦与玻尔就围绕它进行了长达几十年争论，甚至到他们各自去世也没有完结。

玻尔（1885—1962）是一位丹麦物理学家，他于1921年在丹麦哥本哈根大学创建了理论物理研究所。这个研究所创建后，很快成为当时国际上公认的物理研究中心，并逐渐地形成了一个以玻尔为核心的“哥本哈根学派”[2]。这个学派提出了对量子力学的所谓“正统解释”。

其主要观点是：微观粒子的各种力学量（如位置、动量、能量等）的出现都是概率性的；量子力学对微观粒子运动的概率性描述是完备的；决定论不适用于量子力学领域；仪器的作用同观察对象具有不可分割性。每次测量都会由于观测仪器与微观客体之间不可控制的相互作用从而引进新的初始条件，使通常意义下的因果关系链被打断。所以他们提出在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和机械决定论，而把概率性看成是本质的。他们主张在微观领域彻底抛除力学的机械决定论和因果律[2]。

在反对的声音中争论最激烈的是对量子力学的统计解释与决定论、因果性的问题。其中爱因斯坦（1879—1955）正是反对哥本哈根学派观点的主要代表。爱因斯坦认为量子力学并没有接触到事物的本质。按照量子理论，所有物理定律都同概率有关，同客观实体无关。爱因斯坦指出，物理规律是精确的，微观世界的规律也不应该例外。量子力学在说明微观粒子运动规律时采用了统计规律，但这并不是因为微观世界的物理规律本身有统计性质，而是因为量子力学的发展还不够完备。统计理论并不是什么新的东西，过去在生物学中早已用过了，因为我们对生物过程的认识还不充分，所以生物学定律总具有统计特征。我们不应当永远满足于对自然界如此马虎、如此肤浅的描述。[1]

爱因斯坦坚定地相信决定论，相信因果性。他对测不准关系和量子力学的概率解释极为不满，认为出现这样的理论是由于量子力学主要的描述方式不完备所造成的，从而限制了我们对客观世界的完备认识，所以才只能得出不确定的结果。[8]

爱因斯坦为了证明自己的想法，从1927年一直到逝世，提出了各种非常巧妙的思想实验，如“单缝衍射”的理想实验，“光子箱”实验，以揭露哥本哈根学派观点的错误，但每次都被玻尔成功地化解。但爱因斯坦并没有动摇，他曾说过一句名言：“你信仰掷色子的上帝，我却信仰客观存在的世界中的完备定律和秩序。”

在当时，量子力学已经处于蓬勃的发展中，爱因斯坦将自己置身于物理学发展的主流之外，晚年的他感到孤独与烦恼。[3]争论中，玻尔曾极力想把爱因斯坦争取过来，他十分尊重爱因斯坦的各种质疑。[4]直到玻尔去世前一天，他还在办公室里对着爱因斯坦的光子箱草图沉思，同爱因斯坦进行了无言的争辩。这两位大师的思想始终未能相互接近，令人遗憾。玻尔曾经这样谈论同爱因斯坦的争论：“我们中间有许多人认为这对他来说是个悲剧，因为他在孤独地摸索他的道路，而这对我们来说也是一个悲剧，因为我们失去了一位导师和旗手”。[3]

2 阴极射线本性的争论

阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象。1858年，由德国物理学家普吕克尔(1801—1865)在观察放电管中的放电现象时发现的。

值得注意的是关在19世纪的后30年，围绕这个问题出现了一场争论。有趣的是，这场争论的双方基本上是以国界划分的。德国学派主张“以太说”，英国学派主张“带电微粒说”。以部分德国科学家为代表的一派根据阴极射线会引起化学作用，而认为阴极射线是类似于紫外线的以太波。著名的德国物理学家赫兹(1857—1894)曾经在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没能观察到阴极射线的任何偏转，他就以此作为阴极射线不带电。另外，赫兹根据阴极射线可以透过极薄的铝箔，使他想到只有波才能穿越实物，所以，1892年，赫兹宣称阴极射线不可能是粒子流，而只能是以太波。就此形成了以太说。

1871年，英国物理学家瓦尔利(1828—1883)发现阴极射线在磁场中发生偏转，提出了阴极射线是由带负电的物质微粒组成，并得到同为英国人的物理学家克鲁克斯(1532—1919)的赞同。1895年，法国物理学家佩兰（1870—1942）将圆桶电极安装在阴极射线管中，再用静电计去测试圆桶中接收到的电荷是带负电的。但是，坚持“以太说”的物理学家认为静电计上所检测到的负电荷可能是伴随阴极射线所出现的其他产物。[2]

这场争论终结于英国剑桥大学卡文迪许实验室教授J.J.汤姆生（1856—1940），他带领学生对阴极射线作了更加细致地研究，给出了定性及定量的结论。

1897年，汤姆生对佩兰的实验进行了认真的改进。[2]他把放电管和金属筒（即电荷接收器）分开放置，二者都与一个玻璃泡相连。实验时，从阴极发出的阴极射线经缝隙进入玻璃泡，在它没有受到磁场作用时，没有电荷进入接收器；用磁场来偏转阴极射线，当磁场达到某一量值时，观察到电荷接收器上接收的负电荷猛增。

汤姆生还特意重复了赫兹的静电场偏转实验，在反复的观察中，他发现因为放电管中残余的气体被电离而具有了导电性，他进一步提高了放电管的真空度，且减小极间电压，成功观察到稳定的静电偏转。[2]

这两个关键性实验的成功，结束了一场关于阴极射线本性的争论。

关于阴极射线本质争论虽然结束了，但汤姆生又提出这种粒子是什么？他用了两种办法进行这种粒子比荷的测量。[3]两种方法得到的结论相近，都是1011库仑/千克。1898年，汤姆生和他的学生用云雾法测定阴极射线粒子的电荷，并证明其质量是氢离子质量的1/1000，从而使人们认识了第一个基本粒子——电子。[4]

这两起物理学史中著名的争论给我们极大的启示，在科学的发展过程中，争论的对错经常并不重要，爱因斯坦和玻尔两位科学伟人，既是严肃论战的对手，又是追求真理的战友。爱因斯坦与玻尔之间持续多年的争论，对量子力学的迅速发展起了极重要的作用[5]，使得量子力学的意义不断地得到澄清和进步。

在争论的碰撞中擦出的不全是火花，还有学科的进步甚至新理论的诞生，关于阴极射线本性的争论就得到了一个“意外”的收获。J.J.汤姆生也被人们尊称为“分离原子的人”。

以上仅为物理史上争论中的两个例证，科学发展的道路从来都不是坦途，如果教师能在大学物理教学过程中将相关概念和理论的曲折发展贯穿课堂教学中，丰富教学素材，不仅可以调动学生的学习兴趣，对学生思辨能力和科学精神的培养也有一定的帮助。