对经典力学发展过程的思考
分析:
物理学的概念在20世纪经历了深刻的变化。人们从“经典”或“牛顿”物理学步入“现代”物理学阶段，从而推动了物理学的发展。这样看来，19世纪的物理学似乎是一个介于“经典”与“现代”之间的“生存”阶段。19世纪物理学发展到什么程度了？它与“现代”物理学的产生和发展有着怎样的关系？
《19世纪物理学概念的发展——能量、力和物质》(作者彼得·迈克尔·哈曼，龚译，复旦大学出版社出版)是剑桥科学史系列丛书之一。作者哈恩教授简要讲解了19世纪物理学的理论框架，重点讲述了当时的物理学家在机械论的基础上尽力建立自己理论的过程。虽然就我目前的物理知识而言，对整本书的理解只能是肤浅的印象，但我认为，在19世纪这个完善和孕育物理学两大支柱的关键时期，我们在虔诚地崇拜他们，学习和研究他们的理论知识，钻研大量习题的时候，不仅需要对物理学有一个常识性的理解，至少对我来说，感觉好处不浅。
整本书可以说是19世纪的物理学编年史。全书的论述从19世纪上半叶如何进一步扩大物理学的范围入手，重点阐述了19世纪的几大概念问题——能量物理和热力学的出现，发光以太和电磁以太的理论，场论、分子物理和统计热力学的概念，以及力学解释程序的主导地位。
书中充满了平淡乏味的理论讲解，很多都涉及到我们尚未触及的物理知识。比如以太，分子物理等等，但是总有一个想法让我一直看完这本书。因为真正吸引我的不仅仅是这些理论和公式，还有这些物理学家从“经典”物理向“现代”物理过渡时期的思维痕迹。我渴望知道:物理学的概念在19世纪发展到了一个什么样的高度，整个19世纪物理学的核心问题是什么？
19世纪的物理学——物理学与数学的完美结合
起初在读这本书的时候，我常常会惊讶地发现，为什么这本物理读物里会有那么多知名数学家的名字——这些名字是我们正在学习的高等数学书里的常客——拉普拉斯、傅立叶、拉格朗日...他们研究出来的一系列数学公式，我们要花很长时间去消化和理解，这是很难得的。没想到他们会“涉足”物理领域。随着内容的深入，我的理解逐渐丰满:在19世纪，“物理学”这个术语的含义发生了很大的变化。虽然这个术语有时被用来指传统意义上的自然科学，但在19世纪早期，“物理学”已经被用来指近代更专门意义上的运用数学方法和实验方法研究力学、电学和光学的科学。当时的物理研究方法主要采用定量描述，以寻求数学规律为总目标，以建立能量守恒定律的统一原理和力学解释程序为物理理论的支柱。
[i]在19世纪的物理理论中，力学现象是在数学的基础上进行分析研究的。可以说，物理现象的数学处理在力学研究中达到了顶峰。主要体现在以下四个方面的进步。他们为统一物理学的建立奠定了可靠的基础:
1.P . S De Laplace和他的追随者们建立了一个关于粒子间作用力的通用数学理论，它既适用于力学，也适用于热学和光学现象。虽然这一理论在1815-1825时期随着热学和光学的最新进展而被抛弃，但拉普拉斯的数学化和公式化对统一的物理世界观，甚至对以后物理理论的发展都产生了深远的影响。
2.1822约瑟夫·傅立叶关于热的数学理论的发表1把原本只适用于力学问题的数学分析方法应用于热的研究。傅立叶的工作在这种传统的概念差异中磨合，在强调数学表达和物理表达的差异时，对统一物理学的建立产生了深远而广泛的影响。正是在这种影响下，威廉·唐慕孙在65438年到2009年的40年代，从他的热学理论和静电理论的数学相似性中获得了灵感。他一方面研究了热力学定律和电学定律之间的数学相似性和物理相似性，另一方面探索了粒子力学、流体力学和弹性力学之间的数学相似性。唐慕孙通过这种物理的比较方法和同一数学形式所反映的不同现象之间的概念联系方法，加深了人们对物理现象统一性的认识。
3.A.J .菲涅耳关于光的波动的理论，假设光是通过机械以太的振动来传播的，所以光学已经被纳入了机械自然观的范畴。大约65438+30年代，光的波动理论已经被普遍接受。物理学家试图找到光学力学的逻辑理论，探索各种物理和数学理论。光以太的机械论为力学解释提供了一个典型的普适例子。
4.65438+20世纪40年代，能量守恒定律的建立，加强了物理学的统一性，使热、光、电、磁等现象都融合到力学原理的框架中。赫尔曼·赫尔姆霍茨在1847年发表的一篇非常有创意的论文中将这些现象表述为不同形式的能量，从而解释了力学、热学、光学、电学和磁学之间的关系。他还强调能量的概念是力学自然观的另一种表达，他建立的能量守恒定律也是数学和力学的一个定理。
虽然很多物理学家试图用数学的方法解决一些问题失败了，但总体来说，19世纪物理学的发展是物理学和数学的完美结合。正是数学与物理的完美结合，使得“物理学”的学科范围和内容极其精彩。物理学作为一门完整的学科，不仅在外延和内涵上得到了进一步的补充和完善，而且达到了概念准确、逻辑统一的新阶段。
19世纪的物理学——力学世界观的衰落
回顾19世纪的物理学，在1850年前后，当时物理学最重要的基础是明确的:所有的物理现象都可以用一个统一的框架来解释，即以力学解释为原理的起点，通过数学描述模拟物理现象，并推导出数学方程来描述，然后冠之以宇宙法则——能量守恒定律。在经典力学的支持和能量守恒定律的建立下，人们对力和能量的认识达到了一个更高的层次。然而，当物理学家试图完善这个以力学为主体的物理体系，并期望依靠这个体系来解释自然规律时，困难和矛盾意外地出现了。一切正如w .唐慕孙在1900年发表的题为《19世纪的热和光学动力学上空飘来的乌云》的演讲中所指出的:力学自然观面临两大问题，一是无法解释地球穿越以太的运动机制；第二，能量共享的概念不能提出分子模型的构建。唐慕孙强调，正是这两朵“乌云”阻止了他提出物理现象的力学模型。但是，由于这两个问题涉及的范围很广，所以物理学家也有很大的空间去关注力学自然观的概念基础。
事实上，我认为传统的机械解释程序在19的80年代和90年代引起了物理学家的各种反应。但是，在解释的过程中，难免会有些捉襟见肘或困难。这似乎是当时物理学研究的瓶颈。比如汤慕孙的以太模型3，玻尔兹曼的场论讲座，都试图阐述物理现象的模型，千方百计维护力学程序。玻尔兹曼对他的电磁场力学模型的结构和运动做了详细的描述。唐慕孙指出，现象的力学模型的结构是容易理解现象的重要标准；但是，与力学模型相关的概念上的困难已经被深入理解。赫兹也相信机械解释程序，强调他的以太概念是基于以太的所有部分都由机械结构连接的模型。然而，因为他仔细区分了电磁的形式和机械模型的形式，这促使他产生了电磁场没有机械属性的观点。在他对电子理论的第一次描述中，他把电磁场想象成一个动力系统，但他最终放弃了与分析动力学有关的形式，反其道而行之，在非机械原理的范畴内建立了电子和电磁以太的本体论，而他的电磁以太理论并不是建立在机械程序的基础上。洛伦茨从自己的电磁自然观出发，解释了地球穿过以太的运动，这也是避免弹性以太的力学理论所面临的困难的一种方式。关于场论机制的争论和关于热力学的争论一模一样。玻尔兹曼竭力维护机械自然观不可动摇的地位。在用分子的统计原理建立了熵和不可逆的概念后，他用力学自然观的本体论解释了热力学第二定律。普朗克并没有完全否定机械论的本体论，但他试图以纯热来解释熵。总之，他们都想把原子论的概念从物理理论的范畴中去除。
由于均分原理和以太模型结构等相关问题，也就是唐慕孙所谓的力学自然观上方出现了两块‘乌云’，围绕物理学大厦基本框架的争论变得越来越突出。无论是用电磁学本体代替机械程序，还是能量均衡原理符合气体运动理论，还是在为熵寻求纯机械解释的过程中，种种失败都加速了机械程序的衰落。作为物理理论进化的一个例子，这种灭绝深受机械解释的哲学批评家的支持。
我不想在这里讨论这种哲学上的批判。至少现在我们知道，唐慕孙的两朵“乌云”终于消散了，当然不是通过他对机械物理机制的修正实现的。19世纪下半叶，随着物理探索者认识的深入，机械程序的消亡促进了新的物理体系的萌发，也完成了依靠机械程序的经典物理向现代物理的过渡。
19世纪的物理学——“经典”与“现代”的链接
在这里，我只想从一个物理初学者的角度，谈谈我对19世纪物理学发展的感性认识。
总是惊叹于“经典物理”和“现代物理”支撑的物理学宏伟宫殿；我一直以为，从“经典力学”到“现代物理学”的飞跃，是几个物理天才的灵光一闪——一切都像牛顿墓志铭上的描述:“大自然和自然的法则藏在黑夜里。上帝说:“让牛顿去吧。”一切都是光明的。“6上帝创造了牛顿，它也创造了这个落在牛顿头上的苹果，于是牛顿力学三定律诞生了——天才爱因斯坦也是偶然灵光一闪，拍了拍脑袋，想出了一个游离于“绝对空间”之外的“相对空间”，构建了一系列被人们奉为经典的时空观。众所周知，当物理学和人类文明的车轮从18世纪滚滚向前，滚滚而去，这100年间，物理学概念、理论、观念发生了多么巨大的变化。在这犹如沧海一粟的100年里，物理探索者们不得不在完全不同的思维中来回穿梭，寻找平衡的支点。无论机械解释程序发挥的主导地位有多突出，无论偶尔求助于牛顿理论的实际情况有多强烈，在19世纪将“牛顿的”一词应用于物理学时，往往会被误解。19世纪物理学的概念——能量守恒、物理场理论、电磁以太振荡和发光理论、熵的概念——已经不能用牛顿来表示了。真理似乎是谬误，新的理论似乎在昏暗的灯光下徘徊。一切似乎都很混乱，毫无头绪。在线讨论时，有同学有这样一个问题:如果有一天，物理学发展之前的所有理论都必须被推翻，我们该怎么办？我们的回答都是乐观的，轻描淡写的“从头再来”等。试想一下，当时的物理探索者不也面临着类似的情况吗？——物理学的一些不寻常的形式，类似于牛顿的自然观，长期以来被认为是真理。谁能理解其中的迷茫和困惑？是老派还是先锋？——一方面是奋力维护的传统原则，一方面是呼之欲出的新兴理念。谁能想象这两种思想的碰撞和摩擦？保留还是丢弃？——当新思想开始闪耀时，谁能想象这个过程中必须经历的怀疑、批判、批判的目光？而为了维护这些萌芽中的观点，谁能想象需要什么样的大胆想法和缜密推论？……
19世纪物理学的发展，虽然没有可以和“力学三定律”或“相对论”相提并论的理论，但我觉得用“百花齐放，百家争鸣”来形容也不为过。因为，它像一个充满生机的婴儿，在去伪存真，总结完善“经典力学”体系的同时，也在为新的同样伟大的理论蓄势待发；它就像是连接经典物理学和现代物理学的纽带，是物理学发展过程中一个重要而特殊的阶段。
在16和17世纪，力学和天文学的智力胜利给科学革命史留下了清晰的印象，但也给“经典”物理学坚如磐石的统一世界观留下了非常错误的印象；20世纪，爱因斯坦抛弃了相对论中的绝对时空概念，否定了量子力学中的因果论和决定论。爱因斯坦和普朗克的工作，即相对论和量子论的发展，是对传统物理学理论的重大突破，标志着20世纪初物理学方向的重大转变。长期以来，我们一直关注着由“经典力学”和“量子力学”支撑的物理学的殿堂，却没有很好地意识到这两大支柱是由19世纪的物理学紧密维系的。19世纪的物理学无疑对经典力学体系的发展和进一步完善以及量子力学和相对时空概念的产生和兴起起到了重要作用。
感谢哈恩教授，他带领我们领略了19世纪物理学的发展史，也让我体会到了深藏在科学探索者心中的坚定不移的科学精神。