用霍尔元件测电功率的原理

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霍尔效应概述

霍尔效应Hall Effect是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成霍尔元件，它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

通过该实验可以了解霍尔效应的物理原理以及把物理原理应用到测量技术中的基本过程。

当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。

霍尔效应原理

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为

UH=RHIB/d（18）

RH=1/nq（金属）（19）

式中RH——霍尔系数：

n——载流子浓度或自由电子浓度；

q——电子电量；

I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度；

d——导体的厚度。

对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（19）不同，此处从略。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。

利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。

霍尔效应在应用技术中特别重要。

霍尔发现，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电压(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。

好比一条路，本来大家是均匀的分布在路面上，往前移动.当有磁场时，大家可能会被推到靠路的右边行走.故路(导体)的两侧，就会产生电压差.这个就叫“霍尔效应”。

方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电场为VH / a。设磁场强度为B。

qVH / a = qvB

VH / a = BI / (nqad)

VH = BI / (nqd)

霍尔效应的应用

根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。

讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。

例如：汽车点火系统，设计者将霍尔传感器放在分电器内取代机械断电器，用作点火脉冲发生器。这种霍尔式点火脉冲发生器随着转速变化的磁场在带电的半导体层内产生脉冲电压，控制电控单元（ECU）的初级电流。相对于机械断电器而言，霍尔式点火脉冲发生器无磨损免维护，能够适应恶劣的工作环境，还能精确地控制点火正时，能够较大幅度提高发动机的性能，具有明显的优势。

用作汽车开关电路上的功率霍尔电路，具有抑制电磁干扰的作用。许多人都知道，轿车的自动化程度越高，微电子电路越多，就越怕电磁干扰。而在汽车上有许多灯具和电器件，尤其是功率较大的前照灯、空调电机和雨刮器电机在开关时会产生浪涌电流，使机械式开关触点产生电弧，产生较大的电磁干扰信号。采用功率霍尔开关电路可以减小这些现象。

霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

霍尔效应的定义

定义1：

霍尔效应是指当施加的外磁场垂直于半导体中流过的电流时，会在半导体垂直于磁场和电流的方向上产生霍尔电动势

源自：高速磁浮列车磁场测量系统的设计《仪表技术与传感器》2004年田武刚，潘孟春，罗飞路，陈棣湘

来源文章摘要：高速磁浮列车磁场主要分布在列车和轨道之间很小的空气隙中，气隙磁场是一个恒定磁场和交变磁场的叠加磁场，而且磁感应强度很大，最大可达12T.针对高速磁浮列车磁场分布的特殊性，设计了一套两自由度磁场的闭环自动化测量系统。系统的设计基于PC机，可以实现对列车磁场中的固定点和一段距离上的磁场大小的自动化测量，并将测量数据存入数据库以便于进一步处理分析。在列车实验平台磁场的实际测量中，该系统性能稳定，测量范围可达0～15T.

定义2：

种现象即称为霍尔效应.UH称为霍尔电势其大小可表示为：图回霍尔效应原理图式中RH称为霍尔系数由半导体材料的性质决定

源自：霍尔传感器在电参量测量中的应用《中国民航学院学报》1999年刘建英

来源文章摘要：介绍了霍尔传感器在测量交流电参量中的应用，着重分析了采用单片机及霍尔元件测量电功率的几种方法及其优缺点，并提出了本文采用的方法。

定义3：

这个现象称为霍尔效应，所产生的电压差ΔU称为霍尔电压差(也称霍尔电压).由经典电子理论可以解释霍尔电压产生的原因

源自：霍尔效应测量大电流的理论探讨《中国测试技术》2005年袁国胜，刘浙华

来源文章摘要：大电流、大电压的测量一直是困扰工程测量学的难题。本文着重探讨了霍尔效应应用于测量大电流的工作原理、数学推算以及应用中需要注意的几个问题。力图寻求将新技术用于工程测量中难点问题的理论依据

定义4：

一现象称为霍尔效应.产生前电动势称为霍尔电势半导体薄片称为霍尔元件.2．2感应式相序测定仪的工作原理在IOKV线路中B相置于三相线路中间所以只要确定左右两线路的相位即可测定相序

源自：感应式10KV线路相序测定仪《自动化博览》1999年周洪，李崇晟，贺剑锋

来源文章摘要：基于霍尔效应，采用霍尔元件集成电路将高压线路相序的测定工作简单化，使相序测定工作安全、准确，为大范围的配电网技术改造工作提供了得力的工具。

定义5：

其电流I的疗向与磁场H的方向之间有夹角a时，则在载流体中平行丁H、I的两侧面之间将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应

源自：桑塔纳2000型轿车专用霍尔传感器及其...《上海汽车》1998年喻德海

来源文章摘要：本文介绍了桑塔纳2000型轿车专用霍尔传感器的结构及工作原理。

定义6：

1引言美国物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间出现了电势差，这一现象称为霍尔效应

源自：不等位电势差《甘肃科技》2004年周珺

来源文章摘要：只要不等位电势差不为零，则测量值就会出现“台阶”，而不等位电势差大于霍尔电压是发生负号突变的根源

定义7：

2霍尔元件在磁场中垂直放置一块通有电流的金属或半导体薄片薄片的两侧之间就会产生电动势这种现象称为霍尔效应.霍尔元件是在霍尔效应原理基础上制成的

源自：霍尔传感器及其应用《中国煤炭》1995年萧光岐

来源文章摘要：霍尔传感器是一种性能优良的磁敏传感器，在煤炭科研和技术革新中有着广泛的应用前景。文章简述了霍尔元件和霍尔集成电路及工作原理，并通过几个应用实例介绍了霍尔传感器在煤炭工业中的应用情况。

定义8：

此现象称为霍尔效应，此电位差称为霍尔电势，图1a表示出霍尔效应原理：在三维空间内，导电板在XOY平面内，它与磁场方向垂直，磁场指向Y轴的方向，沿X轴方向通以电流j，由于运动的电荷与磁场的栩互作用

源自：国内外霍尔线性传感器性能及应用《现代车用动力》1997年张礼林

来源文章摘要：1概述随着汽车电子控制技术的发展，霍尔传感器被大量用于测量转速、转角、角位移、线位移等，其中测转速用的是霍尔开关传感器，其余为霍尔线性传感器。用于测油嘴针阀升程的霍尔传感器与以前采用的电感式传感器相比，具有结构简单、体积小、安装方便等优点。我所于1984年购进两只进口霍尔线性传感器，一直成功地使用至今。

定义9：

此现象称为霍尔效应.设KH为霍尔灵敏度，I为电流强度，B为磁场的磁感应强度，θ为磁感应强度B和霍尔元件平面法线间的夹角

源自：基于霍尔效应的铁磁性磨粒测试方法《煤矿机械》2004年马怀祥

来源文章摘要：为检测润滑油中铁磁性磨粒的含量，根据霍尔效应原理和高梯度磁力分离技术原理设计了铁磁性磨粒检测仪。设计确定了合适的霍尔传感器及后续处理电路。结果表明：利用它能很方便地对机械润滑油中的铁磁性磨粒捕获、测量和分析，为机械状态监测和故障诊断提供了一种方法。介绍了其工作原理、基本结构、电路系统及元件选用。

定义10：

这种物理现象被人们称为霍尔效应.由于金属中自由电子浓度很大，它的霍尔效应十分微弱，所以，当时没有引起人们的重视

源自：霍尔传感器在小型内燃机电控系统中的应用《小型内燃机与摩托车》2001年穆卫强，孙成军，周大森

来源文章摘要：本文介绍了霍尔传感器的原理及其目前在汽车发动机上的一些应用，并对其在摩托车发动机上作为油门位置传感器进行了实验研究

通过霍尔效应测量磁场

在磁场中的载流导体上出现横向电势差的现象是24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在1879年发现的，现在称之为霍尔效应。随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经称为研究半导体材料的主要方法之一。通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。

在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本产量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默()在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。

用霍尔效应之辈的各种传感器，以广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。

制冷的基本原理1、定义制冷：从低于环境的物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程。制冷机：完成制冷循环所必需的机器和设备的总称。制冷装置：将制冷机同使用冷量的设施结合在一起的装置。如冰箱，空调机等。制冷剂：除半导体制冷以外，制冷机都是依靠内部循环流动的工作介质来实现制冷过程，完成这种功能的工作介质，称为制冷剂，也称制冷工质。2、制冷的基本原理由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体，因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程。制冷机的基本原理：利用某种工质的状态变化，从较低温度的热源吸取一定的热量Q0，通过一个消耗功W的补偿过程，向较高温度的热源放出热量Qk,。在这一过程中，由能量守恒得 Qk= Q0 + W。3、制冷的基本方法       为了实现能量转移，首先必须有使制冷剂能达到比低温环境介质更低的温度的过程，并连续不断地从被冷却物体吸取热量，在制冷技术的范围内，实现这一过程有下述几种基本方法：相变制冷：利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸取热量。普通空调器都是这种制冷方法。气体膨胀制冷：高压气体经绝热膨胀后可达到较低的温度，令低压气体复热即可制冷。气体涡流制冷：高压气体经过涡流管膨胀后即可分离为热、冷两股气流，利用冷气流的复热过程即可制冷。热电制冷：令直流电通过半导体热电堆，即可在一端产生冷效应，在另一端产生热效应。4、单级压缩蒸气制冷循环蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机，有单级、多级和复叠式之分。单级压缩蒸气制冷机是指将制冷剂经过一级压缩从蒸发压力压缩到冷凝压力的制冷机。单级制冷机一般可用来制取-40℃以上的低温。

物理学危机

物理学在为我们解释周边物质世界的同时，也为我们营造出了内容丰富、思维缜密、不断创新、妙趣无穷的理论方法和实验体系。20世纪的近代物理学革命与19到20世纪之交的物理学形势相关，那时物理学上空有两朵所谓乌云，使得一些物理学家惊呼出现了物理学危机。近代物理学革命不仅解决了两朵乌云导致的这场危机，而且把整个物理学都置于以量子论和相对论两大理论为支柱的现代物理学的基础之上。 F[eWnYT[

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19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家曾经欢聚一堂，会上，有一位英国著名的物理学家汤姆生，回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩的只是一些修饰工作，同时他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲，动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但在它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦波兹曼理论上。这两朵乌云，现在被量子论跟相对论所驱散，虽然目前今天的物理学，诚然面临着一些重要的理论与实验问题亟待解决，比如类星体的能源问题，暗物质、暗能量和反物质的问题，爱因斯坦场方程的宇宙项问题，中微子振荡问题，质子衰变问题等。但是到现在为止，物理学家还没有人像19世纪20世纪惊呼物理学的危机。相对论和量子论在科学各个领域的扩展与应用，虽然已经取得了很大成功，但科学永无止境，没有到非常完善的成动，看来一直作为精密科学典范的物理学还是魅力未减，作为其他经验科学基础的地位短时期还不会改变。现在我们的科学技术发展的重心开始向生命科学，向信息科学等倾斜，但是物理学依然是基础，数学依然是基础，是重要的工具，这一点并没有改变。物理学的巨大魅力还在于它从理论认识中，延伸出众多的技术原理，20世纪物理学为我们这个社会提供了四个主要的新技术原理，这就是核能技术，半导体技术，包括大规模集成电路的技术，激光技术和超导技术。半导体技术和激光技术还衍生出网络技术，虽然在20世纪近代物理学革命以后，在约为3/4世纪的时间内，物理学并没有发生新的基础性的革命性的重大变革，物理学的进展主要还表现为对于相对论量子论的完善及推广应用上，但这并不意味着物理学的发展已经走到了尽头。

在19世纪末,经典物理学理论已经发展到相当完备的阶段.几个主要部门----力学,热力 O-~?k%>b

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学和分子运动论,电磁学以及光学,都已经建立了完整的理论体系,在应用上也取得了巨 .p7 L7}-]

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大成果.其主要标志是:物体的机械运动在其速度远小于光速的情况下,严格遵守牛顿力 "Wl43jVl

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学的规律电磁现象总结为麦克斯韦方程组光现象有光的波动理论,最后也归结为麦克 +W7XX.!>

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斯韦方程组热现象有热力学和统计物理的理论.在当时看来,物理学的发展似乎已达到 Q8aCDI&Y

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了颠峰.于是,多数物理学家认为物理学的重要定律均已找到,伟大的发现不会再有了, qOxStC

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理论已相当完善了.以后的工作无非是在提高实验精度和理论细节上作些补充和修正,使 T=y*vF

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常数测得更精确而已.英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中,就曾 Y{mtHo

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谈到:"在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了." rQU*"V

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然而,正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现. 4# :`"(#~U

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如固体比热,黑体辐射,光电效应,原子结构cdots cdots这些新现象都涉及物质内部的 l'nSg>y

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微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力.特别是关于黑体辐射的实 u`f=WT-

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验规律,运用经典理论得出的瑞利-金斯公式,虽然在低频部分与实验结果符合得比较好, }[G="K<T

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但是,随着频率的增加,辐射能量单调地增加,在高频部分趋于无限大,即在紫色一端发散, z\eru+w)

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这一情况被埃伦菲斯特称为"紫外灾难"对迈克尔逊-莫雷实验所得出的"零结果"更是令 E[]8v~%

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人费解,实验结果表明,根本不存在"以太漂移".这引起了物理学家的震惊,反映出经典物 *ipY|f

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理学面临着严峻的挑战.这两件事被当时物理学界的权威称为"在物理学晴朗的天空的远 !2*'enNPfw

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处还有两朵小小的,令人不安的乌云".然而就是这两朵小小的乌云,给物理学带来了一场 WYPW: q

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深刻的革命. Tr#p?NP

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下表列出了世纪之交物理学上有重大意义的实验发现: `KO)V[F

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mbox{年代}&mbox{人物}&mbox{贡献} 0Bae',f

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1895 &mbox{伦琴} &mbox{发现X射线} !sdR,S\@

Xg8b^x gpR

1896 &mbox{贝克勒尔}&mbox{发现放射性} D[#d@ OK+P

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1896 &mbox{塞曼} &mbox{发现磁场使光谱线分裂} !#<j[<Q\

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1897 &mbox{J.J汤姆生} &mbox{发现电子} :f>H#x4[

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1898 &mbox{卢瑟福} &mbox{发现}alpha.eta mbox{射线}---- &>+AOO(

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1898 &mbox{居里夫妇} &mbox{发现放射性元素钋和镭} {*D:"m

C*O2 :tx

1899--1900 &mbox{卢梅尔和鲁本斯等人} &mbox{发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布率} p:-0F|0

p"DWKH`

--1900 &mbox{维拉德} &mbox{发现了}gammambox{射线} 1bY *Q.

p.P1F2n

1901 &mbox{考夫曼} &mbox{发现电子的质量随速度增加} t{fGs]Y39t

x'+=!br1/(

1902 &mbox{勒那德} &mbox{发现光电效应基本规律} (9YT m)

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1902 &mbox{里查森} &mbox{发现热电子发射规律} 'g^#R,Z`<

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1903 &mbox{卢瑟福} &mbox{发现放射性元素的蜕变规律} {CD R^wXr]

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end *qF (A HGl

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这些新的物理现象,打破了沉闷的空气,把人们的注意力引向更深入,更广阔的天地这一系 @7 >EU

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列新发现,跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾,暴露了经典物理理论中的隐患,指 TiB bxb[

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出了经典物理学的局限.物理学只有从观念上,从基本假设上以及从理论体系上来一番 >2UUha

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彻底的变革,才能适应新的形势. 8\9Hb(Y

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由于这些新发现,物理学面临大发展的局面: *b6F+nM

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1.电子的发现,打破了原子不可分的传统观念,开辟了原子研究的崭新领域4x`VTx

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2.放射性的发现,导致了放射 学的研究,为原子核物理学作好必要的准备Ig-`]PMht

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3.以太漂移的探索,使以太理论处于重重矛盾之中.为从根本上抛开以太存在的假设,创立狭 "RVY

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义相对论提供了重要依据$p-DCq{5

908)d$MsSy

4.黑体辐射的研究导致了普朗克黑体辐射定律的发现.由此提出了能量子假说,为量子理论 !30|=OXU8

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的建立打响了第一炮. 7jF7R.

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总之,在世纪之交的年代里,物理学处于新旧交替的阶段.这个时期,是物理学发展史上不平 23MJ]hD.wW

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凡的时期.经典理论的完整大厦,与晴朗天空的远方漂浮着两朵乌云,构成了19世纪末的画 x/b}eW Rs

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卷20世纪初,新现象,新理论如雨后春笋般不断涌现,物理学界思想异常活跃,堪称物理学 Y#JR@@pQ

V|Pq!Wmb?

的黄金时代.这些新现象与经典理论之间的矛盾,迫使人们冲破原有理论的框架,摆脱经典 o@miKUh~^

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理论的束缚,在微观理论方面探索新的规律,建立新的理论. <N_lYKX3

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二旧量子论的建立 e _1y(

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20世纪初,新的实验事实不断发现,经典物理学在解释一些现象时出现了困难,其中表现最 @u` P e7m

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为明显和突出的是以下三个问题:1.黑体辐射问题2.光电效应问题3.原子稳定性和原子 ^ a a=,94

N <) H.

光谱.量子概念就是在对这三个问题进行理论解释时作为一种假设而提出的. HX!a)pe

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2.1 黑体辐射的研究 =u.e~gr6r

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热辐射是19世纪发展起来的一门新学科,它的研究得到了热力学和光谱学的支持,同时用到 +` K cT@z

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了电磁学和光学的新兴技术,因此发展很快.到19世纪末,由这个领域又打开了一个缺口,即 f8JgByS3v

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关于黑体辐射的研究,导致了量子论的诞生. {rlxKh33

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为了得出和实验相符合的黑体辐射定律,许多物理学家进行了各种尝试. VpgADX/q

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1893年德国物理学家维恩(Winhelm Wein,1864-1928)提出一个黑体辐射能量分布定律,即 _#jJ~

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维恩公式.这个公式在短波部分与实验中观察到的结果较为符合,但是在长波部分则明显地 :U)[AvD

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与实验不符.1900年英国物理学家瑞利(Rayleigh)和金斯(J.H.Jeans)又提出一个辐射定律, 7D ddSX>\

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即瑞利-金斯公式,这个公式在长波部分与观察一致,而在短波(高频)部分则与实验大相径庭, -gNRa$I*,o

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导致了所谓的"紫外灾难".这个"灾难"使多数物理学家敏锐地看到,经典物理正面临着严重 lyc\[r[:I

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的危机.

李醒民：物理学危机的产生及其实质 PvqDX/yS

[内容提要] 本文在考察了物理学危机的产生及物理学家对危机反应的基础上，着重论述了物理学危机的实质。作者认为，物理学危机主要是物理学本身的危机，物理学危机在哲学上的表现则是由物理学本身的危机派生出来的，而且，哲学方面的危机也主要是机械唯物主义的危机。 c#e<#tX

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一、物理学危机的产生 ziH$M

自1687年牛顿的集大成著作《自然哲学的数学原理》出版以来，物理学此后两百年间基本上是在牛顿力学的理论框架内发展起来的。到十九世纪后期，已经形成了经典物理学的严整理论体系，几乎能说明所有已知的物理现象。当时，囿于机械论自然观的物理学家普遍认为，一切物理现象都能够从力学的角度来说明，未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位中去寻找。 4P#^K<o

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正当物理学家怡然自得、盲目乐观之时，一些实验事实却在他们心头暗暗地投下了阴影。1887年．迈克耳孙和莫雷通过精密的实验，发现在地球和以太之间并没有显著的相对运动，从而动摇了较为流行的菲涅耳的静止以太说。但是，静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到早先的光行差现象和斐索实验的支持。这样，作为光现象和电磁现象传播媒质的以太这一力学模型在性质上就难以自圆其说，光学和电磁学的力学基础于是面临着某种危险。 M3/H

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经典理论所无法解释的新的实验事实，即所谓的“反常现象”接踵而来，气体比热的实验结果也与能量均分定理发生了尖锐的冲突。十九世纪中叶，玻耳兹曼和麦克斯韦提出的能量均分定理能够解释许多现象，对于常温下的一般固体和单原子气体的比热，也能给出比较满意的答案。但是对于双原子和多原子气体，实测的定压热容量与定容热容量之比显著地大于理论计算值。开耳芬1900年4月27日在英国皇家学会的讲演中，曾称上述两个疑难为“在热和光的动力理论上空的十九世纪的乌云” 。 \<|+oT6@

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开耳芬毕竟把物理学的天空看得过于晴朗了。其实，当时物理学的天空并非只有“两朵乌云”，早在他讲演之前，就已经是“黑云压城城欲摧”，“山雨欲来风满楼”了!事实上，在十九世纪末，光电效应、黑体辐射，原子光谱等实验事实也接二连三地和经典物理学理论发生了严重的对立。 =b3i1eYA88

^S!@pH+I*

物理学危机可以说是从1895年之后真正开始的。特别是由于放射性的发现和研究，有力地冲击了原子不可分、质量不可变的传统物质观念。就连那些顽固坚持旧观点的人，也无法反对大量确凿的实验证据，至多只能抱一种走着瞧的态度。 V@&|yc,h

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1895年11月8日到12月28日，伦琴在德国维尔茨堡大学实验室研究阴极射线时发现了X射线。伦琴的发现不仅引起了惊讶，而且产生了轰动，它打开了一个奇妙的新世界。随后，铀放射性(1896年)、电子(1897年)、放射性元素钋和镭(1898年)等一系列冲击经典物理学理论基础的新发现纷至沓来。在此基础上，卢瑟福和索迪于1902年提出了元素嬗变理论。 {HDnE~

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这一系列接踵而至的新发现不仅动摇了整个物理学的基础，而且也震撼了两百多年来在自然科学领域占统治地位的机械自然观，于是出现了所谓的物理学危机。面对着无法纳入力学理论框架的新事物，当时在一些科学家中间曾流行着诸如“物质消失了”，“科学破产了”之类的奇谈怪论。这一切，在物理学界造成了一定的思想混乱，进一步加深了物理学危机的严重性。 h%L ?nF

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二、物理学家对危机的反应 $Xt^F@

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在世纪之交，物理学家是怎样看待物理学危机的呢? U3wk h qlB

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当时，物理学家一开始都没有觉察到物理学危机，至少是没有意识到危机的严重性。他们依然坚信经典力学的理论框架是整个理论物理学大厦赖以建立的基础，是所有其它科学分支赖以产生的根源。谁也没有想过，整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造。 pu(r%s.

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英国科学界元老开耳芬没有觉察到物理学危机。他只是认为，物理学的发展不过是遇到了几个较为严重的困难而已，这些困难能够通过适当的方案逐一加以解决，而无须触动整个物理学的基础。因此他对于动摇这个基础的新实验和新理论往往持怀疑态度，甚至公开站出来反对。 !m+ zf9]

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引起所谓“紫外灾难”的黑体辐射问题本来大大加剧了经典物理学的危机。可是，就连当时深深卷入这个问题的维恩、瑞利、洛伦兹等人都没有意识到这种危机。他们力图在经典理论的框架内解决难题，因而始终找不到正确的出路。甚至连量子论的创始人普朗克当时也没有认识到这种危机。因此，他的开创性的工作不是自觉的，而是被迫的。难怪普朗克在迈出了关键性的一步后便开始犹豫彷徨，他怀疑自己的推导可能有某种缺陷，竭力设法把量子论与经典理论调和起来。至于维恩、瑞利，直到1905年都不同意量子概念，洛伦兹在1908年的罗马讲演中也表示难以接受普朗克的理论。 0r$P_k

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在玻耳兹曼看来，实际上存在着一种危机，但它只是哲学危机，而物理学本身不存在危机。玻耳兹曼1904年在美国圣路易斯国际技术与科学会议的讲话中表示，问题在于哲学错误而不在于科学研究的不可矫正的缺点。物理学的迅猛发展清楚地表明，错误在于把研究某些普遍特征的问题，如因果性的本质、物质和力的概念等任务托付给哲学了，而“哲学在阐明这些问题时显然是无能为力的。” 玻耳兹曼认为，反对哲学的斗争是使物理学获得解放的首要条件，因而他十分激烈地进行了这一斗争。玻耳兹曼是一位坚定的机械唯物主义者，他所反对的当然是一些唯心主义的哲学流派。他之所以这样做，是因为无论在他生前或死后，以实证论为代表的唯心主义哲学思潮广为流行，许多人错误地认为物理学危机导致了科学的破产和唯物主义的失败，从而引起了一定的思想混乱。例如奥斯特瓦尔德就宣称，物理学的发展已经面临着危机。要消除这种危机，只能借助于物质消失的哲学见解，把实体的属性让给能量(即唯能论)。皮尔逊也声称，“当前的危机实际在于”，“人们把物质看做是物理学的基本概念，”“现在似乎很显然，电必定比物质吏为根本。”皮尔逊由此得出唯心主义的结论：“渴求给每一个概念都赋予客观性，是完全没有必要的。” 这些一度时髦的哲学很容易把物理学引入歧途，玻耳兹曼坚决反对它们是值得称道的。但是，他的作法没有、也不可能取得过大成效，因为作为他的战斗武器的机械唯物主义也正处于深刻的危机之中。而且，他又断然否认物理学本身存在危机，这就使他无法对症下药。因此玻耳兹曼虽然早先为经典物理学的发展做出了杰出的贡献，但是在世纪之交物理学大变革时期，他却看不到变革经典理论及其基础的必要性和紧迫性，未能对已经出现的物理学革命的形势提出有预见性的见解。 *FR0-HlR

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1905年之前，爱因斯坦还是一个默默无闻的年轻人，他不可能有多少言论和文章公诸于世。但是，从他后来的追忆以及别人所写的有关材料中，我们可以清楚地看到，爱因斯坦在世纪之交对物理学危机具有深邃的洞察和独到的见解。在前人的实验和研究工作的基础上，爱因斯坦看到物理学危机表现在两个基本方面。其一是力学和电动力学两种理论体系之间严重不协调。在这方面，他认为消除危机的出路是：摆脱居统治地位的教条式的顽固，摈弃绝对空间和绝对时间观念，就能为整个物理学找到一个可靠的新基础。其二是由于普朗克对热辐射的研究而突然使人意识到危机的严重性。这就好像地基从下面给挖掉了，无论在什么地方也看不到能够进行建筑的坚实基础了。值得注意的是，爱因斯坦透过一些实验事实与旧理论的矛盾，进一步察觉到经典物理学理论基础，即其基本概念和基本原理的危机。因此，他渐渐对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了；他确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能使我们得到可靠的结果。由于爱因斯坦对物理学危机和摆脱危机的出路具有真知灼见，因此他能够以破竹之势，于1905年一举在上述两方面取得划时代的突破，全面打开了物理学革命的新局面，使物理学有可能消除危机。 ^aNkh,S,

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在当时科学界的知名人士当中，对物理学发展形势看得最为清楚的是法国数学家、物理学家和天文学家昂利•彭加勒。他在1905年出版的《科学的价值》中，第一个明确地提出了物理学危机，并对它进行了比较全面的分析和论述。彭加勒认为，物理学危机是新的实验发现与经典物理学的基本原理发生了无法调和的矛盾。危机是好事而不是坏事，它预示着一种行将到来的变革(彭加勒把镭誉为“当代伟大的革命家”)，是物理学进入新阶段的前兆。他正确地指出，要摆脱危机，就要在新实验事实的基础上重新改造物理学，使力学让位于一个更为广泛的概念。他一再肯定经典理论的固有价值，尖锐地批判了“科学破产”的错误论点。他还预见到了新力学的大致图景，对科学的前途满怀信心

三、物理学危机的实质 *!Ito}T

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尽管彭加勒在《科学的价值》中专用一章(第八章：物理学当前的危机)详尽地论述了物理学危机，但是他主要是从物理学的角度看待这个问题的，他没有彻底地从认识论的角度加以发挥，正如列宁所说，“他对这个问题的哲学方面没有多大兴趣”。 Sg:N=v\

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可是，法国的哲学问题著作家莱伊在《现代物理学家的物理学理论》(1907年)一书中非常详细地论述了这一方面。在谈到物理学危机的实质究竟是什么时，莱伊说，在十九世纪前六十年中，物理学家在一切根本问题上是彼此一致的。他们相信对自然界的纯粹力学的解释，他们认为物理学无非是比较复杂的力学，即分子力学。他们只是在把物理学归结为力学的方法问题上，在机械论的细节问题上有分歧。现在，物理化学的科学展示给我们的景况看来是完全相反的。严重的分歧代替了从前的一致，而且这种分歧不是在细节上，而是在基本的、主导的思想上。一方面，莱伊指出，物理学危机是“新的大发现所引起的典型的发育上的危机，”“危机会引起物理学的改革(没有这点就不会有进化和进步)”，“从而新的时期就开始了。”“在若干年后观察事件的历史家，会很容易地在现代人只看到冲突、矛盾、分裂成各种学派的地方，看到一种不断的进化。看来，物理学近年来所经历的危机也是属于这类情况的(不管哲学的批判根据这个危机做出什么结论)。”另一方面，莱伊又指出，“对传统机械论所作的批判破坏了机械论的这个本体论实在性的前提。在这种批判的基础上，确立了对物理学的一种哲学的看法。”“依据这种看法，科学不过是符号的公式，是作记号的方法。”(转引自文献[5]，第259~262，311~312页，以下引用该书只注页码)列宁在分析了物理学危机和莱伊的有关评论后强调指出：“观代物理学危机的实质就是：旧定律和基本原理被推翻，意识之外的客观实在被抛弃，这就是说，唯物主义被唯心主义和不可知论代替了。”(第264页) !pE^K

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对于物理学危机的实质的看法，目前存在着两种不同的见解。第一种见解认为，列宁强调了危机的两个方面，即物理学方面和哲学方面。例如，有人说，这两方面在于：第一，这是旧概念、理论、原则等等与物理学的最新发现相矛盾；第二，这否定了在意识之外存在着客观实在。有人虽然也认为，物理学危机是物理学理论的变革和做出唯心主义认识论的结论相结合所造成的，但是却强调，关键在于做出唯心主义的结论所造成的。第二种见解则断然认为，物理学根本不存在什么危机问题。例如，有人说：“危机”不是发生在物理学问题上，而是发生在哲学认识论问题上。有人说：危机并不是由自然科学本身引起的，而是唯心主义和不可知论侵入了自然科学领域的结果。 l .NdNv0

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第二种见解显然是错误的。首先，它完全违背前述的物理学发展的历史事实，这是最根本的一点。事实上，物理学危机是物理学本身发展过程中出现的一种必然现象，它是新的革命性的发现与旧的基本概念和基本原理发生了尖锐的、不可调和的矛盾的结果，而不是唯心主义和不可知论侵入自然科学领域的结果。要知道，物理学不仅在它的孕育时期，而且从它诞生的第一天起就遭到过唯心主义和不可知论的侵袭(甚至还没有摆脱神学观念)，此后也无时无刻不受到侵袭，但是物理学并没有老是处于危机状态。可见，唯心主义和不可知论侵入物理学并不是物理学危机产生的根本原因。 /uV<qAYF

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其次，科学发展的“危机—革命”观(恕我用此名词代表彭加勒等人的科学发展观)是符合某些科学部门在某个历史时期的发展实际的。最早提出物理学危机的彭加勒就依据历史事实认为，当前的物理学危机是物理学本身的危机，其实质是新的实验事实与经典物理学的基本原理(卡诺原理、相对性原理、牛顿原理、拉瓦锡原理、迈尔原理)发生了尖锐的矛盾，这些矛盾是在旧理论框架内无法解决的。彭加勒认为，物理学发展史向我们表明，物理学在此之前已经历过一次危机(中心力物理学的危机)，它促使我们“舍去旧的见解”把物理学推向一个新的阶段(原理物理学)。彭加勒指出，当前原理物理学又面临危机，而摆脱危机的出路在于：“力学必须让位于一个较为广泛的概念，这种概念将能解释力学，而力学却不能解释这种概念。” !V}$zJi

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被誉为自然科学大革新家的爱因斯坦不仅在世纪之交洞察到经典物理学在两个方面存在着严重的危机，而且后来还多次阐述他的科学发展的“危机-革命”观。在爱因斯坦看来，差不多科学上的重大进步都是由于旧理论遇到危机，在实在跟我们的理解之间发生剧烈冲突时出现的，这种冲突迫使我们排除根深蒂固的偏见，创造出新观念和新理论，从而导致科学革命。爱因斯坦在1922年8月写了一篇文章，题目就叫做“论理论物理学的现代危机” 。他在该文中指出，一定的基本概念和基本假设(基本原理)构成了物理学的基础。“科学的进步会引起它的基础的深刻的变革”，“近二十年来已经弄清楚，物理学的这个基础……抵抗不住新的实验数据的冲击”，它同实验“甚至产生了内在矛盾”(危机)，从而标志着“整个物理学的基础可能需要从根本上加以改造”(革命)。爱因斯坦的这些议论具有真知灼见。 ^TaA^s.

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当代科学史家和科学哲学家库恩进一步使“危机-革命”观系统化。库恩在《科学革命的结构》一书中不仅把“危机”作为他的科学发展的动态模式(前科学→常规科学→危机→科学革命→新的常规科学……)的重要环节，而且用相当篇幅专门论述了“危机”。在库恩看来，当一种反常现象达到看来是常规科学的另一个难题的地步时，就开始转化为危机和非常科学。一切危机都是从一种范式开始变模糊时开始的，同时一切危机都随着范式的新的候补者出现，以及随后为接受它斗争而告终。危机是科学发展进程中的一个重要阶段，是新理论诞生的前奏。危机的意义在于，它可以指示更换工具的时刻已经到来。危机是新理论出现所必需的前提条件，只有清醒地认识到危机和产生危机的根源，才有可能毅然决然地抛弃旧理论框架，自觉地寻找新理论框架，并以此为基础重建新的理论体系；相反，看不到危机的根源和危机的严重性，就难以感觉到变革旧理论基础的必要性和紧迫性，至多只能在旧理论的框架内修修补补，甚至还会把别人所发现的触及旧理论基础的新现象、所提出的革命性的．新概念和新理论当做异端邪说而加以反对。而不能容忍危机的人，无疑已经被迫抛弃科学。库恩的这些思想是值得肯定和借鉴的，物理

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