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经典物理学史

古希腊的阿基米德在流体静力学和固体平衡方面有过辉煌的成就，但当时他把这些归入应用数学，并没有把他的成就，特别是他的精确实验和严格的数学论证方法，划入物理学。从希腊罗马到漫长的中世纪，自然哲学一直是亚里士多德的天下。文艺复兴时期，哥白尼、布鲁诺、开普勒、伽利略不顾宗教迫害，挑战旧传统。其中，伽利略将物理学理论和定律建立在严格的实验和科学论证之上，因此被尊称为物理学或科学之父。

伽利略的成就是多方面的。就力学而言，他的结论是:一个物体从一个光滑的斜面上滑下来，在另一个斜面上会上升到同样的高度。举个例子，如果另一个斜面的倾角很小，为了达到同样的高度，物体会匀速运动到无穷大，从而得出结论:如果没有外力，物体会无休止地运动。他精确地确定了不同重量的物体以相同的加速度滑下一个光滑的斜坡，并推导出物体自由下落时的加速度及其运动方程，反驳了亚里士多德关于重物体比轻物体下落速度快的结论，通过整合水平方向的匀速运动和垂直地面方向的匀加速运动，得到了抛物线轨迹和最大射程角45°。伽利略还分析了“地球总是在不为人知的情况下运动”，提出了著名的“伽利略相对性原理”(中国18年写)。但是他对力和运动关系的分析仍然是错误的。全面正确概括力与运动关系的是牛顿运动三定律。牛顿还将地面的引力外推至月球和整个太阳系，建立了万有引力定律。牛顿利用上述四大定律和他创造的“流数法”(即初步微积分)，解决了太阳系中的两体问题，推导出开普勒三大定律，从理论上解决了地球上的潮汐问题。历史上说牛顿是第一个把天上和地上的机械运动综合起来并取得巨大成就的物理学家。与此同时，几何光学也取得了巨大的进步。16年末或17年初，显微镜和望远镜相继发明，开普勒、伽利略、牛顿都对望远镜进行了重大改进。

大革命前后，法国人才济济。以P.S.M .拉普拉斯(历史上称为拉普拉斯学派)为首的法国科学家发扬牛顿力学理论，将偏微分方程应用于天体力学，找到了太阳系三体和多体问题的近似解，初步探讨和解决了太阳系的起源和稳定性，使天体力学达到了相当完善的状态。在牛顿和拉普拉斯的太阳系中，引力而不是造物主主导着天体的运动。难怪拿破仑听完拉普拉斯的太阳系介绍后问:你把上帝放在哪里？无神论者拉普拉斯直截了当地回答:我不需要这个假设。

拉普拉斯学派还将力学定律广泛应用于刚体、流体和固体，并在W.R .汉密尔顿和G.G .斯托克斯的共同努力下，完善了分析力学，将经典力学推向了更高的阶段。该学派还把热、光、电、磁甚至化学相互作用等各种物理现象都归结于粒子间的吸引和排斥，例如，用物质对光子的排斥来解释反射，用物质对光粒子的吸引来解释折射和衍射，用不同形状的光子来解释偏振，用热粒子和质量粒子的相互排斥来解释热膨胀和蒸发，都曾经获得成功，从而使机械唯物主义世界观统治了几十年。就在这个学派如日中天的时候，受到了英国物理学家T. Young和这个学派的后院，法国科学院和科学界的挑战。J.B.V傅立叶讲了热传导，t .杨、D.F.J阿拉戈、A.-J菲涅耳讲了光学，特别是光的波动理论和粒子理论(见光的二重性)。为了反驳粒子理论，年轻的土木工程师菲涅耳在阿拉戈的支持下，制作了多种以他的名字命名的干涉和衍射装置，将光波的干涉引入惠更斯的波前在介质中传播的理论，形成了惠更斯-菲涅耳原理。他还大胆提出了光是横波的假设，并用它来研究各种光的偏振和偏振光的干涉。他创造了“菲涅尔带”方法，充分解释了球面波的衍射。假设光是以太力学剪切波，解决了光在不同介质界面反射和折射的强度和偏振问题，从而完成了经典波动光学理论。菲涅耳还提出了地球自转使一些以太在地表漂移的假设，并给出了牵引系数。在阿拉戈的支持下，J.B.L .福柯和A.H.L .菲佐确定了光速在水中确实小于在空气中的速度，从而证实了波动理论的胜利。历史称这个实验为决定性的光的实验。此后，据说光的波动主导了19世纪后半叶，著名的物理学家如法拉第、麦克斯韦、开尔文等。所有人都相信以太理论。另一方面，利用干涉仪中干涉条纹的移动，可以精确地测量长度、速度和曲率的微小变化。利用棱镜和衍射光栅产生的光谱，可以确定地面和天空中物质的组成以及原子的变化。因此，这些光学仪器已成为物理学、分析化学、物理化学和天体物理学中的重要实验手段。

蒸汽机的发明促进了热能的发展。18的60年代，在j .瓦特改进蒸汽机的同时，他的密友J. Blake区分了温度和热量，建立了比热和潜热的概念，发展了量热学和量热学。由他形成的热量论、热量和质量守恒等概念统治了80多年。这期间虽然发现了气体定律，测量了不同物质的比热容和各种潜热，但对蒸汽机的改进帮助不大，蒸汽机始终低效率运转。1755法国科学院坚决拒绝永动机。1807年，t .杨用“能量”代替了莱布尼茨的“活力”，1826年，J. V .庞斯列创造了“工作”一词。在1798和1799中，Langford和H. David分析了摩擦生热，挑战了热量理论。J.P .焦耳从65438+1940年代到1878年用了近40年的时间，用电热、机械做功等多种方法精确地确定了热的机械当量。生理学家J.R .迈尔(J.R. Mayer)和H.von Helmholtz从机械能、电能、化学能、生物能和热的转化出发，全面阐述了能量既不能产生也不能消失，建立了热力学第一定律，即能量守恒定律。1824左右，s·卡诺根据他对蒸汽机效率的考察和热量理论，推导出理想热机效率由热源和冷源的温度决定的规律。文章发表后，并未引起关注。在克劳修斯和开尔文分别提出两种表述后，它被确认为热力学第二定律。克劳修斯还引入了新的状态熵函数；后来，焓、亥姆霍兹函数、吉布斯函数等状态函数相继被引入，开创了物理化学的一个重要分支——热化学。热力学为发明新的热机和提高其效率指明了方向，开创了热工程学。而且在物理、化学、机械工程、化学工程、冶金等方面都有广泛的指向和推动作用。这些使得物理化学的创始人之一W. ostwald曾经否认原子和分子的存在，但却主张“能量论”，把能量视为世界的终极存在。另一方面，J.C .麦克斯韦的分子速度分布率(见麦克斯韦分布)和l .玻尔兹曼的能量均分定理将热学和力学结合起来，将概率定律引入物理学研究大量分子的运动，创立了气体分子动力学理论(现称气体动力学理论)，建立了气体的压强、内能、比热容等统计性质，得到了与热力学一致的结论。玻尔兹曼进一步认为热力学第二定律是一个统计定律，通过将熵与态概率联系起来建立了统计热力学。任何实际的物理现象都不可避免地涉及能量转换和热量传递，热力学定律成为综合所有物理现象的基本定律。在20世纪的物理学革命之后，这些定律仍然成立。而且平衡与不平衡、可逆与不可逆、有序与无序乃至涨落与混沌等概念都是从自然科学的相关分支移植到社会科学中来的。

在19的20世纪20年代之前，电和磁一直被认为是两种不同的物质。所以虽然W. Gilbert在1600发表了关于磁学的文章，对磁和地磁的现象进行了深入的分析，B. Franklin在1747提出了电的单流体理论，明确了正负电荷，但是电和磁的发展却是，要使用弧光灯，需要连接2000个伏打电池，所以电的应用并不普及。1920年，H.C .奥斯特的电流磁效应实验，开始了电和磁的合成，电磁学迅速发展。几个月内，通过A.-M .安培的实验，建立了平行电流间的安培定律，提出了磁性分子理论。J.-B. Biot和F. Savart建立了载流导线对磁极的作用力(以下简称Bi-Sa-)1831年，法拉第发现了电磁感应现象，磁性的变化在闭合回路中产生了电流，完成了电和磁的融合，使人类获得了新的电源。1867年，W.von Siemens发明了自励电机，用变压器完成远距离输电。这些基于电磁感应的设备改变了世界的面貌，并创造了新的学科——电工技术和电气工程。法拉第还将场的概念引入电磁学；1864年，麦克斯韦将场的概念进一步数学化，提出了位移电流和旋转电场的假设，建立了麦克斯韦方程组，完善了电磁理论，预言了以光速传播的电磁波的存在。但他的成果并没有马上被人理解，直到H.R .赫兹完成了这组方程组的微分形式，并通过实验证明了麦克斯韦预言的电磁波具有光波传播速度、反射、折射干涉、衍射、偏振等全部性质，从而完成了电磁学和光学的综合，使人类掌握了传递各种信息的最快工具，开创了电子学的新学科。

直到19世纪下半叶，电荷的本质还不清楚。流行的以太论认为电荷只是以太海洋中的一个漩涡元素。H.A. Lorenz首先把光的电磁理论和物质的分子理论结合起来，认为分子是带电的谐振子。从1892开始陆续发表“电子理论”的文章，认为J. Pluckel在1859年发现的阴极射线是电子束；洛仑兹力公式是在1895年提出的，它与麦克斯韦方程相结合构成了经典电动力学的基础。用电子理论解释了正常色散、异常色散(见光的色散)和塞曼效应。1897 J.J .唐慕孙对不同稀有气体和不同材料的电极制成的阴极射线管施加电场和磁场，精确地确定了构成阴极射线的粒子具有相同的荷质比，为电子理论提供了确切的实验依据。电子成为第一个被发现的亚原子粒子。1895年，W.K .伦琴发现了X射线，扩展了电磁波谱。它对物质的强穿透力使它成为诊断疾病和发现金属内部缺陷的工具。1896年，A.-H .贝克勒尔发现了铀的放射性，1898年，居里夫妇发现了放射性更强的新元素——钋和镭，但这些发现暂时没有引起物理学界的广泛关注。

20世纪的物理学到了19世纪末，经典物理学已经发展到了完美的阶段。很多物理学家认为物理学已经接近尾声，未来的工作只是增加有效数字的个数。开尔文在19世纪最后一个除夕的新年贺词中说:“物理楼已经建成...动力学理论已经确定热和光是运动的两种方式。现在它美丽晴朗的天空中有两朵乌云，一朵在光的波动理论中，另一朵在麦克斯韦和玻尔兹曼的能量共享理论中。”前者指的是以太漂移和迈克尔逊-莫雷测量地球对以太(绝对静止)速度的实验，后者指的是黑体辐射光谱和低温下固体的比热不能用能量共享原理解释。正是这两个基本问题和被开尔文忽略的放射性，催生了20世纪的物理学革命。

1905A。为了解决应用于运动物体的电动力学的不对称性(以下简称电动力学与伽利略相对性原理的不协调)，爱因斯坦创立了狭义相对论，即适用于所有惯性参考系的相对论。他从光速在真空中的不变性，即运动光源发出的光在所有惯性系中的速度相同出发，推导出运动系统中同时相对论和标度收缩、时钟慢度的结论，完美地解释了洛伦兹提出的解释迈克尔逊-莫雷实验的洛伦兹变换公式，从而完成了力学和电动力学的综合。另一方面，狭义相对论也否定绝对空间和时间，把时间和空间结合起来，提出统一的、相对的时空观，构成四维时空；并彻底否定以太的存在，从根本上动摇经典力学和经典电磁学的哲学基础，将伽利略的相对论原理提升到一个新的阶段，适用于所有的动力学力学和电磁现象。但当运动物体或系统的速度远小于光速时，相对论力学与经典力学是一致的。经典力学中的质量、能量和动量在相对论中也有了新的定义，推导出的质能关系为核能的释放和利用提供了理论准备。1915年，爱因斯坦建立了广义相对论，并将其推广到非惯性系。他认为引力场在物理上等价于具有相当加速度的非惯性系，引力场中的时空是弯曲的，其曲率取决于引力场的强弱，创新了宇宙是直的欧几里得空间的旧观念。但是对于范围和强度都很小的引力场，比如地球引力场，空间的曲率可以完全忽略，而对于引力场很强的空间，比如太阳等恒星的环绕，以及范围很大的空间，比如整个可观测的宇宙，就必须考虑空间的曲率。所以广义相对论解释了一些牛顿引力理论解释不了的天文现象，比如水星近日点的异常岁差，光的引力离析。基于广义相对论的宇宙学已经成为天文学中发展最快的分支。

另一方面，1900年，M·普朗克提出了全波长范围的黑体辐射公式，并以能量量子化的假设从理论上进行推导，首次提出了物理量的不连续性。1905年，爱因斯坦发表了光量子假说，用光的波粒二象性解释了光电效应。1906年发表固体热容的量子理论；1913 N .玻尔(见玻尔父子)发表了玻尔的氢原子理论，用量子概念精确计算了氢原子光谱的巴尔默公式，预言了氢原子其他谱线的存在，后来得到证实。1918年，玻尔提出了对应原理，建立了从经典理论到量子论的桥梁。1924年，L.V .德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的假设，并预言了电子束的衍射。1925年，w .泡利发表泡利不相容原理，W. K .海森堡在m .玻恩和数学家E.P .乔丹的帮助下创立矩阵力学，P.A.M .狄拉克提出非对易代数理论；1926

E.薛定谔发表了一系列基于波粒二象性的波动力学论文，建立了波函数，证明了波动力学和矩阵力学是等价的，所以统称为量子力学。同年6月，玻恩提出波函数的统计解释，说明单个粒子遵循统计规律而不是经典的确定性规律。海森堡在1927发表了不确定关系；1928年发表的相对论电子波动方程奠定了相对论量子理论的基础。由于所有微观粒子都遵循量子力学的规律，因此成为研究粒子物理、核物理、原子物理、分子物理和固体物理的理论基础，也是研究分子结构的重要手段，从而发展了量子化学这一化学的新分支。

几乎与此同时，量子统计方法被发展起来研究由大量粒子组成的粒子系统，包括1924建立的玻色-爱因斯坦分布和1926建立的费米-狄拉克分布，分别适用于具有整数和半整数自旋的粒子系统。后来量子场论也逐渐发展起来。1927年，狄拉克首次提出将电磁场量子化为一个具有无限自由度的系统的方案，以处理光在原子中的自发辐射和吸收。1929海森堡和泡利建立了量子场论的一般形式，奠定了量子电动力学的基础。用重正化方法解决了发散困难，计算了各阶辐射修正。得到的电子磁矩与实验值之差仅为2.5×10-10，其精度在物理学上是前所未有的。量子场论也在向统一场论方向发展，即将电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用统一在一个规范理论中，在电学的弱统一理论、量子色动力学、大统一理论等方面取得了一些成果。

“实践是真理的唯一标准”，物理学也遵循这一标准。所有的假说都必须建立在实验的基础上，必须经得起实验的验证。但物理学也是一门思辨性很强的科学，从诞生之日起就与哲学结下了不解之缘。无论是伽利略的相对论原理，牛顿的运动定律，动量和能量守恒定律，麦克斯韦方程，相对论，量子力学，都有很强的科学思辨性。有些科学家，比如19世纪的《物理与化学》杂志主编J.C. Poggendorff，曾经想把思辨从物理学中驱逐出去，两次以思辨内容为由拒绝发表迈尔和亥姆霍兹关于能量守恒的文章，最终遭到后人的批评。要发现隐藏在实验事实背后的规律，需要深刻的洞察力和丰富的想象力。有多少物理学家关注θ-τ的奥秘？只有美籍华人物理学家李政道和杨振宁，在经过仔细的推测和对大量文献的检查后，发现在这个谜的背后隐藏着一个弱相互作用宇称守恒的假说，而没有经过实验鉴定。从物理学的发展史来看，每一次综合都推动了物理学本身及相关学科的大发展，而且每一次综合都建立在大量精确的观测和实验事实的基础上，也具有深刻的思辨内容。因此，为了更好地应用和传授物理知识，普通物理学家和物理教师也应该从物理学的整个体系中去理解重要的概念和规律。

应用物理学是一门广泛应用于各个生产部门的科学。有人曾经说过，一个优秀的工程师应该是一个优秀的物理学家。物理学某些方面的发展确实是由生产生活的需要推动的。在之前的几个世纪里，卡诺为提高蒸汽机效率发现了热力学第二定律，阿贝为改进显微镜建立了光学系统理论，开尔文为更有效地利用大西洋电缆发明了许多灵敏的电气仪器。在20世纪，核物理、电子学和半导体物理、等离子体物理乃至超声波、水声学、建筑声学和噪声研究的迅速发展显然与生产和生活的需要有关。因此，大力开展应用物理的研究是十分必要的。另一方面，许多推动社会进步、极大促进生产的物理成就，都是从基础理论的探索开始的。比如法拉第受电的磁效应启发，研究了磁的电效应，推动了电时代的诞生；麦克斯韦为了完善电磁场理论预言了电磁波，带来了电子学世纪；X射线、放射性甚至电子、中子的发现，都来自于对物质基本结构的研究。考虑到知识和人才的重要性，我们应该特别重视基础理论的学习。所以，要想让科学技术达到世界前沿，基础理论研究是绝对不能忽视的。

展望21世纪前夕，科学家们将从自身学科出发考虑百年前景。物理学是否会像前两三个世纪那样处于领先地位，这是有争议的，但没有一个科学家会像开尔文那样断言物理学已经接近发展的终点。随着能源和矿产资源的短缺以及环境的恶化，向物理学提出了解决新能源、新材料加工和新测试方法的物理学原理和技术。对粒子的深入探索，对物质最基本结构和相互作用的解决，将为人类认识和改造世界提供新的手段，这就需要新的粒子加速原理、更高能量的加速器和更灵敏可靠的探测器。要实现可控热核聚变，需要综合等离子体物理、激光物理、超导物理、表面物理和中子物理的知识来解决一系列理论和技术问题。总之，随着新技术革命的深入发展，物理学也将无限延伸。