1. 第一次物理学革命
从1543年哥白尼提出的日心说开始，到开普勒根据布拉赫大量的天文观测资料总结出来的行星运动三定律，再到伽利略为捍卫、发展和传播哥白尼学说做出的艰苦卓绝的努力，为诞生第一次物理学革命奠定了深厚的科学基础。1632年, 伽利略出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，哥白尼的日心说与托勒密的地心说进行了残酷的较量。为此，伽利略付出了惨重的代价，他被教会传讯和刑讯逼供，最后被判为终身监禁,《对话》也列为禁书。1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，建立了经典力学的理论体系，提出了运动三定律和万有引力定律，揭示了行星绕太阳运动的根本原因。托勒密的地心说因牛顿的《原理》而被世人抛弃，彻底退出了科学舞台。第一次物理学革命就这样在波折重重中诞生了。 牛顿的《原理》将数学、实验以及观察统一起来，创造出一门真正的新科学。它被认为是科学发展史上最伟大的著作，对人类的思想文化产生了重大而深远的影响。 由伽利略和牛顿等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展，到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展，达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力学、热力学、声学、光学、电动力学诸学科在内的、完整的理论体系。 2. 第二次物理学革命 第二次物理学革命起源于19世纪末出现的两朵“乌云”。 第一朵乌云是“以太”学说。由于声波的传播需要媒介的参与，在真空中声波无法传播。所以，经典理论认为，光波和电磁波的传播也需要媒介的参与，它们的传播媒介就是“以太”。于是，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的绝对运动的背景框架。它顺理成章地变成了一种静止不动的物质，表征着物化了的绝对空间。如果这种理论是正确的，科学家就可以通过精密的实验测量出物体相对于以太背景的绝对运动，由此而诞生出迈克尔逊-莫雷实验。实验的结果否定了“以太”的存在，从而引发出经典物理学第一次危机。 第二朵乌云是“紫外灾难”。它实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为，能量是一种连续变化的物理量，并建立起适用于波长较长、温度较高的黑体辐射公式。根据这条公式，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加。这个推理结果显然与实验数据相差极大，是根本不可能的，由此而否定了能量是连续变化的物理量，从而引发出经典物理学第二次危机。 19世纪末出现的这两朵乌云最终导致物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致量子力学的诞生。 3.第三次物理学革命被当今科学界确认 在当今科学界，被宣传得火红火绿的谜团要数暗物质了。目前世界各国都在集中人力、物力和财力研究这个谜团。美国科学家在一份报告中列出21世纪要解答的11个科学难题，“什么是暗物质”被列在第一位。 暗物质和暗能量是物理和天文学家公认的21世纪最重要的科学谜团，很有可能孕育出物理学的重大发现。美国和欧洲科学界纷纷布局这个领域的研究计划，期望在暗能量和暗物质研究上抢先取得突破。 诺贝尔物理学奖获得者、美国国家科学院院士、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布，已借助阿尔法磁谱仪发现40万个正电子，这些正电子很可能就来自人类一直寻找的暗物质。阿尔法磁谱仪由16个国家和地区约600余名科学家历时近18年完成，耗资21亿美元，于2011年5月16日由美国“奋进”号航天飞机携带到国际空间站。阿尔法磁谱仪（AMS）是一台精密粒子探测装置，是目前灵敏度最高、最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段。 中国科学界对暗物质暗能量研究的重要性早有共识。2009年，中科院发布了战略研究系列报告：“创新 2050：科学技术和中国未来”。报告指出：“揭开暗物质、暗能量之谜，将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃，可能导致一场新的物理学革命。为此，需投资建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置，以取得第一手实验数据，在国际竞争中处于主导地位。” 2015年12月17日，中国首颗暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射升空，顺利进入预定轨道。该卫星造价约1亿美元，其性能超过国际上同类探测器。“悟空”卫星将在500公里高的轨道上，探测神秘暗物质存在的证据。暗物质粒子探测卫星首席科学家、紫金山天文台研究员常进说，暗物质是不带电荷的，也没有电磁场的相互作用，能像幽灵一样穿透阻碍物，不着痕迹地从身边飞走。因此尽管我们周围存在暗物质，例如平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子，但并不能为我们所看到或感觉到。 中国科学家利用锦屏地下实验室做暗物质研究。锦屏地下实验室是中国首个极深地下实验室，于2010年底在四川雅砻江锦屏水电站投入使用。锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖最深的实验室。科学家开展20吨液氙暗物质探测实验预研项目以及200公斤高纯锗半导体探测项目，与欧美同类项目开展竞争。 科学界公认，揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论及量子力学之后的又一次重大飞跃，将带来物理学的又一次革命。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”李政道教授所说的“物理学的又一次革命”，自然是指科学发展史上第三次物理学革命。 4.暗物质概念的产生 既然暗物质触动着当今科学界的敏感神经，预示着第三次物理学革命，那么，我们就得从头理一理暗物质概念了。暗物质问题起因于星系旋转曲线和开普勒运动曲线的区别，见图1所示。在图1中，不同的星系有不同的a值和b值。但对于所有星系来说，a值小于5kpc（1kpc=3262光年），b值在每秒150至350公里之间变化。
科学家认为，恒星的运动同时受制于星系中心的引力（用F1来表示）和恒星绕星系中心运动产生的离心力(用F2来表示)。只有当F1=F2时，恒星的运动才能保持恒定。如果F2比F1大很多，该恒星就会脱离星系中心的引力束缚，离星系而去。在图1中，当R≧a时，恒星的运动速度基本上保持不变。在这种情况下，F2和F1的比值就会发生巨大变化，两者不再相等。因为根据离心力公式和引力公式，两者的比值为： F2/F1= (V^2)R/GM ……（1） 公式（1）中，G为引力常数，M为星系的质量，它们都为恒定值。当恒星的运动速度V也为恒定值时，F2/F1的比值就与距离R成正比，R越大，F2/F1的比值就越大，恒星越容易脱离自己的星系。在星系的边缘，R值最大，F2/F1的比值也达到最大值。按照上述推理，星系边缘的恒星应该很容易脱离星系中心的引力束缚，逃离自己的星系。但实际情况却与之相反，星系边缘的恒星仍然在围绕星系中心运动，并未逃离自己的星系。为了解释这种物理学的反常现象，科学家们便猜想，在星系的边缘必定存在着大量我们无法观察到的暗物质，正是在这些暗物质的引力作用下，才把星系边缘的所有恒星束缚住，使它们不至于脱离星系而去。科学家们之所以有这样的猜想，是因为他们认为引力是由质量产生的。根据科学家们的精确计算，这些暗物质的质量大约是我们能够观察到的恒星、星云等物质质量的5倍以上。暗物质概念就这样顺顺利利地诞生了。 5. 暗物质谜团的破解 (1). 宇宙大爆炸产生的物质运动的初速度 宇宙大爆炸理论是根据哈勃定律推理出来的，并得到宇宙微波背景辐射实测数据的支持，所以，该理论得到当今科学界的普遍认同。根据宇宙大爆炸理论，目前我们看到的所有星系都是在大爆炸之后产生的。宇宙大爆炸时，所有物质都会产生一个初速度(用V0表示)。这个初速度V0究竟有多大，我们可以推理出来。根据美国宇航局公布的数据，距离地球最远的星系为315亿光年，为了方便叙述，称之为A星系。根据最新的测量结果，哈勃常数H0 = 67.6 ± 4.0 km /(s.Mpc)。根据哈勃定律公式V= H0×d，可以求出A星系的退行速度V≈61~69万公里/秒。 星系的退行速度就是星系逃离地球的速度，可以近似地认为河外星系逃离银河系的速度。宇宙大爆炸时，所有物质都有一个初速度V0，在没有引力的情况下，物质的运动速度和方向会一直保持不变。假设宇宙大爆炸发生在O点。在星系形成之后，所有星系相对O点的运动速度都应该等于V0，但方向各异。 宇宙大爆炸发生在137亿年前，A星系存在的时期距离宇宙大爆炸仅有4.8亿年。根据A星系的退行速度V≈61~69万公里/秒,可以断定宇宙大爆炸产生的物质运动的初速度V0必定大于20万公里/秒。 (2).星系边缘的恒星不脱离星系的原因 假设宇宙从0点开始爆炸，爆炸之后物质以20万公里/秒的速度向四面八方逃逸,则V0=20万公里/秒。图2所示是一个星系的运动情况。
在图2中，恒星的运动受到三种速度的影响：宇宙大爆炸时产生的初速度V0，由星系中心引力产生的线速度V2，以及由离心力产生的离心速度V1。当F1=F2时，V1=0;当F1＜F2时，V1＞0。很显然，导致恒星脱离星系的只有离心速度 V1。根据实测数据，在图1中，当R≧a(5kpc)时，恒星的运动速度在每秒150至350公里之间变化。所以，V1必定小于350公里/秒。现在假设恒星的离心速度V1=350公里/秒，这个假设对计算结果偏向保守。根据这个假设，V0:V1≈571:1，读者可以按照571:1的比例来作V0和V1的矢量图，由于这个比例太大，在此处很难提供清晰的图片。从V0和V1的矢量图中可以看出，它们合矢量的大小几乎等于V0，合矢量的方向几乎与V0的方向相同。这种推理结果表明，恒星的离心速度V1无法控制恒星的运动，恒星的运动完全受制于V0。 在图2中，b点的离心速度V1是向上的，但被强大得多的速度V0硬拖曳着向V0的方向拐弯，结果，b点处的恒星无法脱离星系。C点的离心速度V1是向右的，与V0的运动方向相反，但被强大得多的V0抹平，结果，C点处的恒星也无法脱离星系。d点的离心速度V1是向下的，但被强大得多的速度V0硬拖曳着向V0的方向拐弯，结果，d点处的恒星也无法脱离星系。a点的离心速度V1是向左的，其运动方向与V0的方向相同，a点的恒星就更不会脱离星系了。 通过上述分析可知，星系已经成为一个惯性系。这个惯性系的运动速度就是宇宙大爆炸时产生的初速度V0（20万公里/秒），其运动方向就是V0的方向。不管恒星是向心运动，还是离心运动，处于这个惯性系中的恒星都不能脱离它们的惯性系，除非它们的运动速度增大到接近这个惯性系的运动速度V0。 结论：星系边缘的恒星不脱离星系的原因，是受制于宇宙大爆炸时产生的初速度，而不是受制于由暗物质的质量产生的引力。宇宙中根本不存在暗物质！ 6.破解暗物质谜团的科学意义 破解暗物质谜团的科学意义有如下几个方面： (1). 在太阳系中，行星的运动规律符合开普勒运动曲线；但在星系中，恒星的运动规律却不符合开普勒运动曲线，见图1所示。这种情况表明，开普勒运动曲线只适用于恒星，而不适用于星系。 (2). 牛顿的引力公式可以根据开普勒第三定律推导出来，两者之间存在因果关系。开普勒运动曲线不适用于星系，牛顿的引力公式也不适用于星系，两者都无法描述星系中恒星的运动规律。也就是说，在星系中，牛顿的引力公式失效。 (3). 牛顿的万有引力定律是根据引力公式推理出来的。在星系中，引力公式失效就意味着万有引力定律也失效，因此，万有引力定律不再存在普遍性。失去了普遍性的万有引力定律，就不会存在“万有”两字，是错误的。 (4). 万有引力定律表明，引力是由质量产生的。万有引力定律错误，就意味着引力不是由质量产生的。 7.第三次物理学革命，正悄然从中国拉开序幕 每一次物理学革命都离不开宇宙科学革命。第一次物理学革命的开端就是哥白尼的日心说，它与陈旧的宇宙科学理论地心说进行了长达140多年的残酷较量，最后由牛顿的万有引力定律来取得宇宙科学的革命性胜利。第二次物理学革命的开端是普朗克于1900年提出的能量子假设，5年之后爱因斯坦发表了狭义相对论。与牛顿的绝对时空观不同，相对论认为，宇宙中不存在绝对静止的空间和物质，也不存在绝对流逝的时间，时间和空间是相互联系和相互制约的。相对论改变了人们对宇宙的时空观念，由此而诞生出第二次宇宙科学革命。 牛顿的万有引力定律影响世界长达300多年之久。暗物质和暗能量的出现标志着万有引力定律出现了严重危机。第三次物理学革命已经被当今科学界确认，革命的对象自然是陈旧的牛顿宇宙观——万有引力定律，因为它已经无法解释宇宙运动的规律。很显然，第三次物理学革命是以宇宙科学革命来打头阵的。打头阵的第三次宇宙科学革命会给21世纪的人类带来什么样的影响？ 第一次物理学革命以宇宙科学革命来打头阵，并由此导引出资本主义的工业化时代。第二次物理学革命由量子力学和相对论同时推动，两者齐头并进，基础物理和宇宙科学同时发生革命性变化，由此导引出当今世界的信息化时代。互联网的出现就是这种信息化时代的最高境界，它标志着信息爆炸时代的来临。 运动是宇宙的基本规律，而推动宇宙运动的动力来源就必然成为解决宇宙问题的关键。牛顿的万有引力定律没有解决宇宙运动的动力来源问题，爱因斯坦的相对论也没有解决宇宙运动的动力来源问题。它们都避开了解决宇宙问题的关键，最终导致错误的结果。这就是产生第三次宇宙科学革命的根源。所以，第三次宇宙科学革命首先要解决的就是宇宙运动的推动力问题。是什么能量推动宇宙运动的？找出这种能量，弄懂产生这种能量的方法，自然就会产生能源革命。所以，第三次宇宙科学革命导引出来的必定是能源革命。在石油、煤炭等能源即将枯竭的21世纪，这场能源革命来得正是时候。它将继续维系和推动科学技术的高速度发展，继续维系和推动人类的文明！ 物理学革命从来就不是群众运动，它是自上而下的变革，是由点到线再到面的变革。牛顿于17世纪发表《原理》时，了解的人并不多，经过100多年在各个基础部门的推广，其影响才逐步扩大。1905年，爱因斯坦发表相对论时，悄无声息，读过相对论的人寥寥无几。直到1919年, 英国天文学家爱丁顿以全日蚀观测证实爱因斯坦的预言——光线从太阳旁边通过时会发生弯曲，这才使相对论名扬天下。 在自然科学理论方面，中国远远落后于西方，没出现过像牛顿、爱因斯坦这样的科学巨人。但中国正在全面崛起，崛起于21世纪。中国这场轰轰烈烈的崛起，必然会伴随着自然科学理论的崛起。19世纪英国的崛起离不开科学巨人牛顿， 20世纪美国的崛起伴随着科学巨人爱因斯坦，21世纪中国的崛起也必然会诞生出属于中国的科学巨人！到时，自然科学研究的重心将由西方转移到东方，自然科学刊物的话语权自然也由西方转移到东方，西方独霸科学话语权的局面将会彻底改变。而在这场自然科学话语权的重新洗牌过程中，将来最有可能脱颖而出、赢得最大科学话语权的就是中国的新兴媒体。 世界战争的乌云似乎正在远去，物理学新旧理论的较量才刚刚开始！ 第一次物理学革命出自西方，第二次物理学革命也出自西方。第三次物理学革命的诞生地发生巨变！它来自东方，来自中国。第三次物理学革命，正悄然从中国拉开序幕！ 在中国诞生的第三次物理学革命，正发生在我们生活的时代，发生在我们的眼前。我们错过了第一次物理学革命，错过了第二次物理学革命的开端，千万不要错过第三次物理学革命的开端！因为物理学革命的开端必定存在着新旧理论的激烈较量，这种较量会锻炼人的意志和胆识，会令人热血沸腾！
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