1、1第一章 物理学发展简史引言物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。一、古代物理学时期古代物理学时期大约是从公元前 8 世纪至公元 15 世纪，是物理学的萌芽时期。物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学
2、有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的
3、束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。二、近代物理学时期近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从 16 世纪至 19 世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。2近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前 4 世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说” ，即认为地球位于宇宙的中心。公元 140 年，古希腊天文学家托勒密发表了他的 13卷巨著天文学大成 ，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、
4、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达 1300 余年。公元 15 世纪，哥白尼经过多年关于天文学的研究，创立了科学的日心说，写出“自然科学的独立宣言”天体运行论 ，对地心说发出了强有力的挑战。16 世纪初，开普勒通过从第谷处获得的大量精确的天文学数据进行分析，先后提出了行星运动三定律。开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。近代物理学之父伽利略，用自制的望远镜观测天文现象，使日心说的观念深入人心。他提出落体定律和惯性运动概念，并用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德
5、的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。他提出惯性原理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的科学逐渐从哲学中分裂出建立奠定了基础。伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。16 世纪，牛顿总结前人的研究成果，系统的提出了力学三大运动定律，完成了经典力学的大一统。16 世纪后期创立万有引力定律，树立起了物理学发展史上一座伟大的里程碑。之后两个世纪，是电学的大发展时期，法拉第用实验的方法，完成了电与磁的相互转化，并创造亚里士多德哥白尼 开普勒牛顿伽利略3性地提出了场的概念。19 世纪，麦克斯韦在法拉第研究的基础上，凭借其
6、高超的数学功底，创立了了电磁场方程组，在数学形式上完成了电与磁的完美统一，完成了电磁学的大一统。与此同时，热力学与光学也得到迅速发展，经典物理学逐渐趋于完善。三、现代物理学时期现代物理学时期，即从 19 世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。19 世纪末，当力学、热力学、统计物理学和电动力学等取得一系列成就后，许多物理学家都认为物理学的大厦已经建成，后辈们只要做一些零碎的修补工作就行了。然而，两朵乌云的出现，打破了物理学平静而晴朗的天空。第一朵乌云是迈克尔孙-莫雷实验：在实验中没测到预期的“以太风” ，即不存在一个绝对参考系，也就是说光速与光源运动无关，光速各向同性。第二朵乌云是
7、黑体辐射实验：用经典理论无法解释实验结果。这两朵在平静天空出现的乌云最终导致了物理学的天翻地覆的变革。20 世纪初，爱因斯坦大胆地抛弃了传统观念，创造性地提出了狭义相对论，永久性地解决了光速不变的难题。狭义相对论将物质、时间和空间紧密的联系在一起，揭示了三者之间的内在联系，提出了运动物质长度收缩，时间膨胀的观点，彻底颠覆了牛顿的绝对时空观，完成了人类历史上一次伟大的时空革命。十年之后，爱因斯坦提出等效原理和广义协变原理的假设，并在此基础上创立了广义相对论，揭示了万有引力的本质，即物质的存在导致时空弯曲。相对论的创立，为现代宇宙学的研究提供了强有力的武器。物理学的第二朵乌云黑体辐射难题，则是在普
8、朗克，爱因斯坦，玻尔等一大批物理学家的努力下，最终导致了量子力学的产生与兴起。普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。爱因斯坦，对于新生“量子婴儿” ，表现出热情支持的态度。并于 1905 年提出了“光量子”假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，并成功地解释了爱因斯坦卢瑟福4光电效应实验，捍卫和发展了量子论。随后玻尔在普朗克和爱因斯坦 “量子化”概念和卢瑟福了“原子核核式结构”模型的影响下提出了氢原子的玻尔模型。德布罗意把光的“波粒二象性”推广到了所有物质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学量子力学迈进了革命性的一步。他认为辐射与粒子应是对称的、平
9、等的，辐射有波粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也赋予它们波动性。薛定谔则用波动方程完美解释了物质与波的内在联系，量子力学逐渐趋于完善。量子力学与相对论力学的产生成为现代物理学发展的主要标志，其研 究 对 象由 低 速 到 高 速 ， 由 宏 观 到 微 观 ， 深 入 到 广 垠 的 宇 宙 深 处 和 物 质 结 构 的 内 部 ， 对 宏观 世 界 的 结 构 、 运 动 规 律 和 微 观 物 质 的 运 动 规 律 的 认 识 ， 产 生 了 重 大 的 变 革 。其发展导致了整个物理学的巨大变革，奠定了现代物理学的基础。随后的几十年即从 1927 年至今，是现代物理学的飞速
10、发展阶段，这一期间产生了量子场论、原子核物理学、粒子物理学、半导体物理学、现代宇宙学、现代物理技术等分支学科，物理学日渐趋于成熟。四、经典物理学发展史古希腊时代的阿基米德已经在流体静力学和固体的平衡方面取得辉煌成就，但当时将这些归入应用数学，并没有将他的成果特别是他的精确实验和严格的数学论证方法汲入物理学中。从希腊、罗马到漫长的中世纪，自然哲学始终是亚里士多德的一统天下。到了文艺复兴时期，哥白尼、布鲁诺、开普勒和伽利略不顾宗教的迫害，向旧传统挑战，其中伽利略把物理理论和定律建立在严格的实验和科学的论证上，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，仅就力学而言，他以物体从光滑斜面下滑
11、将在另一斜面上升到同一高度，推论出如另一斜面的倾角极小，为达到同一高度，物体将以匀速运动趋于无限远，从而得出如无外力作用，物体将运动不息的结论 。他精确地测定不同重量的物体以同一加速度沿光滑斜面下滑，并推论出物体自由下落时的加速度及其运动方程，驳倒了亚里士多德重物下落比轻物快的结论，并综合水平方向的匀速运动和垂直地面方向的匀加速运动得出抛物线轨迹和45的最大射程角，伽利略还分析“地常动移而人不知” ，提出著名的“伽利略相对性原理” （中国的成阿基米德5书于1800年前的尚书考灵曜有类似结论） 。但他对力和运动变化关系的分析仍是错误的。全面、正确地概括力和运动关系的是牛顿的三条运动定律，牛顿还把
12、地面上的重力外推到月球和整个太阳系，建立了万有引力定律。牛顿以上述的四条定律并运用他创造的“流数法”(即今微积分初步)，解决了太阳系中的二体问题，推导出开普勒三定律，从理论上解决了地球上的潮汐问题。史称牛顿是第一个综合天上和地上的机械运动并取得伟大成就的物理学家。与此同时，几何光学也有很大发展，在16世纪末或17世纪初，先后发明了显微镜和望远镜，开普勒、伽利略和牛顿都对望远镜作很大的改进。法国在大革命的前后，人才辈出，以 P.S.M.拉普拉斯为首的法国科学家(史称拉普拉斯学派)将牛顿的力学理论发扬光大，把偏微分方程运用于天体力学，求出了太阳系内三体和多体问题的近似解，初步探讨并解决了太阳系的起
13、源和稳定性问题，使天体力学达到相当完善的境界。在牛顿和拉普拉斯的太阳系内，主宰天体运动的已经不是造物主，而是万有引力，难怪拿破仑在听完拉普拉斯的太阳系介绍后就问 ：你把上帝放在什么地位？无神论者拉普拉斯则直率地回答 ：我不需要这个假设。拉普拉斯学派还将力学规律广泛用于刚体、流体和固体，加上 W.R.哈密顿、G.G.斯托克斯等的共同努力，完善了分析力学，把经典力学推进到更高阶段。该学派还将各种物理现象如热、光、电、磁甚至化学作用都归于粒子间的吸引和排斥，例如用光子受物质的排斥解释反射，光微粒受物质的吸引解释折射和衍射，用光子具有不同的外形以解释偏振，以及用热质粒子相互排斥来解释热膨胀、蒸发等等，
14、都一度取得成功，从而使机械的唯物世界观统治了数十年。正当这学派声势煊赫、如日中天时，受到英国物理学家 T.杨和这个学派的后院法兰西科学院及科学界的挑战，J.B.V.傅里叶从热传导方面，T.杨、D.F.J.阿拉戈、A.-J.菲涅耳从光学方面，特别是光的波动说和粒子说（见光的二象性）的论争在物理史上是一个重大的事件。为了驳倒微粒说，年轻的土木工程师菲涅耳在阿拉戈的支持下，制成了多种后以他的姓命名的干涉和衍射设备，并将光波的干涉性引入惠更斯的波阵面在介质中传播的理论，形成惠更斯-菲涅耳原理，法拉第6还大胆地提出光是横波的假设，并用以研究各种光的偏振及偏振光的干涉，他创造了“菲涅耳波带”法，完满地说明
15、了球面波的衍射，并假设光是以太的机械横波解决了光在不同介质界面上反射、折射的强度和偏振问题，从而完成了经典的波动光学理论。菲涅耳还提出地球自转使表面上的部分以太漂移的假设并给出曳引系数。也在阿拉戈的支持下，J.B.L.傅科和 A.H.L.菲佐测定光速在水中确比空气中为小，从而确定了波动说的胜利，史称这个实验为光的判决性实验。此后，光的波动说及以太论统治了 19 世纪的后半世纪，著名物理学家如法拉第、麦克斯韦、开尔文等都对以太论坚信不疑。另一方面，利用干涉仪内干涉条纹的移动，可以精确地测定长度、速度、曲率的极微细的变化；利用棱镜和衍射光栅产生的光谱，可以确定地上和天上的物质的成分及原子内部的变化
16、。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。 蒸汽机的发明推动了热学的发展，18世纪60年代在 J.瓦特改进蒸汽机的同时，他的挚友 J.布莱克区分了温度和热量，建立了比热容和潜热概念，发展了量温学和量热学，所形成的热质说和热质守恒概念统治了80多年。在此期间，尽管发现了气体定律，度量了不同物质的比热容和各类潜热，但对蒸汽机的改进帮助不大，蒸汽机始终以很低的效率运行。1755年法国科学院坚定地否决了永动机 。1807年 T.杨以“能”代替莱布尼兹的“活力” ，1826年 J. V. 彭赛列创造了“功”这个词。1798年和1799年，朗福德和 H.戴维分析了摩擦
17、生热，向热质说挑战；J.P.焦耳从 19 世纪 40 年代起到1878 年，花了近40年时间，用电热和机械功等各种方法精确地测定了热功当量；生理学家 J.R.迈尔和 H.von 亥姆霍兹，更从机械能、电能、化学能、生物能和热的转换，全面地说明能量既不能产生也不会消失，确立了热力学第一定律即能量守恒定律。在此前后，1824年，S.卡诺根据他对蒸汽机效率的调查，据热质说推导出理想热机效率由热源和冷却源的温度确定的定律。文章发表后并未引起注意。后经 R.克劳修斯和开尔文分别提出两种表述后，才确认为热力学第二定律。克劳修斯还引入新的态函数熵；以后，焓、亥姆霍兹函数、吉布斯函数 等态函数相继引入，开创了
18、物理 化学 中的重要分支热瓦特7化学。热力学指明了发明新热机、提高热机效率等的方向，开创了热工学；而且在物理学、化学、机械工程、化学工程 、冶金学等方面也有广泛的指向和推动作用。这些使物理化学开创人之一 W.奥斯特瓦尔德曾一度否认原子和分子的存在，而宣扬“唯能论” ，视能量为世界的最终存在。但另一方面，J.C.麦克斯韦的分子速度分布率（见麦克斯韦分布）和 L.玻耳兹曼的能量均分定理把热学和力学综合起来，并将概率规律引入物理学，用以研究大量分子的运动，创建了气体分子动力论（现称气体动理论） ，确立了气体的压强、内能、比热容等的统计性质，得到了与热力学协调一致的结论。玻耳兹曼还进一步认为热力学第二
19、定律是统计规律，把熵同状态的概率联系起来，建立了统计热力学。任何实际物理现象都不可避免地涉及能量的转换和热量的传递，热力学定律就成为综合一切物理现象的基本规律。经过20世纪的物理学革命，这些定律仍然成立。而且平衡和不平衡、可逆和不可逆、有序和无序乃至涨落和混沌等概念，已经从有关的自然科学分支中移植到社会科学中。在 19 世纪 20 年代以前，电和磁始终认为 是两种不同的物质，因此，尽管1600 年 W.吉伯发表论磁性 ，对磁和地磁现象有较深入的分析，1747 年 B.富兰克林提出电的单流质理论，阐明了正电和负电，但电学和磁学的发展是缓慢，1800 年 A.伏打发明伏打电堆，人类才有能长期供电的
20、电源，电开始用于通信；但要使用一个电弧灯，就需联接 2 千个伏打电池，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，开始了电和磁的综合，电磁学就迅猛发展，几个月内，通过实验 A.-M.安培建立平行电流间的安培定律，并提出磁分子学说，J.-B.毕奥和 F.萨伐尔建立载流导线对磁极的作用力（后称毕-萨-拉定律） ，阿拉戈发明电磁铁并发现磁阻尼效应，这些成就奠定了电磁学的基础。1831 年 M.法拉第发现电磁感应现象，磁的变化在闭合回路中产生了电流，完成了电和磁的综合，并使人类获得新的电源。1867 年 W.von 西门子发明自激发电机 ，又用变压器完成长距离输电，这些基于电磁
21、感应的设备，改变了世界面貌，创建了新的学科电工学和电机工程。法拉第还把场的概念引入电磁学；1864 年麦克斯韦进一步把场的概念数学化，提出位移电流和有旋电场等假设，建立了麦克斯韦方程组，完善了电磁理麦克斯韦8论，并预言了存在以光速传播的电磁波。但他的成就并没有即时被理解，直到 H.R.赫兹完成这组方程的微分形式，并用实验证明麦克斯韦预言的电磁波，具有光波的传播速度和反射 、折射干涉、衍射、偏振等一切性质，从而完成了电磁学和光学的综合，并使人类掌握了最快速的传递各种信息的工具，开创了电子学这门新学科。 直到19世纪后半叶，电荷的本质是什么，仍没有搞清楚，盛极一时的以太论，认为电荷不过是以太海洋中
22、的涡元。H.A.洛伦兹首先把光的电磁理论与物质的分子论结合起来，认为分子是带电的谐振子，1892年起，他陆续发表“电子论”的文章，认为1859年 J.普吕克尔发现的阴极射线就是电子束；1895年提出洛伦兹力公式，它和麦克斯韦方程相结合，构成了经典电动力学的基础；并用电子论解释了正常色散、反常色散（见光的色散）和塞曼效应。1897年 J.J.汤姆孙对不同稀薄气体、不同材料电极制成的阴极射线管施加电场和磁场，精确测定构成阴极射线的粒子有同一的荷质比，为电子论提供了确切的实验根据。电子就成了最先发现的亚原子粒子。1895年 W.K.伦琴发现 X 射线，延伸了电磁波谱，它对物质的强穿透力，使它很快就成
23、为诊断疾病和发现金属内部缺陷的工具。1896年 A.-H.贝可勒尔发现铀的放射性，1898年居里夫妇发现了放射性更强的新元素钋和镭，但这些发现一时尚未引起物理学界的广泛注意。20世纪的物理学到19世纪末期，经典物理学已经发展到很完满的阶段，许多物理学家认为物理学已接近尽头，以后的工作只是增加有效数字的位数。开尔文在19世纪最后一个除夕夜的新年祝词中说：“物理大厦已经落成，动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空出现两朵乌云，一朵出现在光的波动理论，另一朵出现在麦克斯韦和玻耳兹曼的能量均分理论。 ”前者指的是以太漂移和迈克耳孙 - 莫雷测量地球对（绝对静止的）以太速度的实验
24、，后者指用能量均分原理不能解释黑体辐射谱和低温下固体的比热。恰恰是这两个基本问题和开尔文所忽略的放射性，孕育了20世纪的物理学革命。1905年 A.爱因斯坦为了解决电动力学应用于动体的不对称(后称为电动力学与伽利略相对性原理的不协调)，创建了狭义相对论，即适用于一切惯性参考系的相对论。他从真空光速不变性出发，即在一切惯性系中，运动光源所射出的光的速度居里夫妇9都是同一值，推出了同时的相对性和动系中尺缩、钟慢的结论，完满地解释了洛伦兹为说明迈克耳孙 -莫雷实验提出的洛伦兹变换公式，从而完成了力学和电动力学的综合。另一方面，狭义相对论还否定了绝对的空间和时间，把时间和空间结合起来，提出统一的相对的
25、时空观构成了四度时空；并彻底否定以太的存在，从根本上动摇了经典力学和经典电磁学的哲学基础，而把伽利略的相对性原理提高到新的阶段，适用于一切动体的力学和电磁学现象。但在动体或动系的速度远小于光速时，相对论力学就和经典力学相一致了。经典力学中的质量、能量和动量在相对论中也有新的定义，所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，爱因斯坦又创建广义相对论，把相对论推广到非惯性系，认为引力场同具有相当加速度的非惯性系在物理上是完全等价的，而且在引力场中时空是弯曲的，其曲率取决于引力场的强度，革新了宇宙空间都是平直的欧几里得空间的旧概念。但对于范围和强度都不很大的引力场如地球引力场，可以
26、完全不考虑空间的曲率，而对引力场较强的空间如太阳等恒星的周围和范围很大的空间如整个可观测的宇宙空间，就必须考虑空间曲率。因此广义相对论解释了用牛顿引力理论不能解释的一些天文现象，如水星近日点反常进动、光线的引力偏析等。以广义相对论为基础的宇宙学已成为天文学的发展最快的一个分支。另一方面，1900年 M.普朗克提出了符合全波长范围的黑体辐射公式，并用能量量子化假设从理论上导出，首次提出物理量的不连续性。1905年爱因斯坦发表光量子假设，以光的波粒二象性，解释了光电效应；1906年又发表固体热容的量子理论；1913年 N.玻尔（见玻尔父子）发表玻尔氢原子理论，用量子概念准确地地计算出氢原子光谱的巴
27、耳末公式，并预言氢原子存在其他线光谱，后获证实。1918年玻尔又提出对应原理，建立了经典理论通向量子理论的桥梁；1924年 L.V.德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，预言电子束的衍射作用；1925年 W.泡利发表泡利不相容原理，W.K.海森伯在 M.玻恩和数学家 E.P.约旦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 年 E.薛定谔根据波粒二象性发表波动力学的一系列论文，建立了波函数，并证明波动力学和矩阵力学是等价的，普朗克10遂即统称为量子力学。同年6月玻恩提出了波函数的统计解释，表明单个粒子所遵循的是统计性规律而非经典的确定性规律；1927年海森伯发表不确
28、定性关系；1928年发表相对论电子波动方程，奠定了相对论性量子理论的基础。由于一切微观粒子的运动都遵循量子力学规律，因此它成了研究粒子物理学、原子核物理学、原子物理学、分子物理学和固体物理学的理论基础，也是研究分子结构的重要手段，从而发展了量子化学这个化学新分支。差不多同时，研究由大量粒子组成的粒子系统的量子统计法也发展起来了，包括1924年建立的玻色-爱因斯坦分布和1926年建立的费米-狄拉克分布，它们分别适应于自旋为整数和半整数的粒子系统。稍后，量子场论也逐渐发展起来了。1927年 ，狄拉克首先提出将电磁场作为一个具有无穷维自由度的系统进行量子化的方案，以处理原子中光的自发辐射和吸收问题。
29、1929年海森伯和泡利建立了量子场论的普遍形式，奠定了量子电动力学的基础。通过重正化解决了发散困难，并计算各阶的辐射修正，所得的电子磁矩数值与实验值只相差2.510-10，其准确度在物理学中是空前的。量子场论还正向统一场论的方向发展，即把电磁相互作用、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，已取得若干成就的有电弱统一理论、量子色动力学和大统一理论等。“实践是真理的唯一标准” ，物理学也同样遵循这一标准。一切假说都必须以实验为基础，必须经受住实验的验证。但物理学也是思辨性很强的科学，从诞生之日起就和哲学建立了不解之缘。无论是伽利略的相对性原理、牛顿运动定律、动量和能量守恒定律、
30、麦克斯韦方程乃至相对论、量子力学，无不带有强烈的、科学的思辨性。有些科学家例如在19世纪中主编物理学与化学杂志的 J.C.波根多夫曾经想把思辨性逐出物理学，先后两次以具有思辨性内容为由，拒绝刊登迈尔和亥姆霍兹的论能量守恒的文章，终为后世所诟病。要发现隐藏在实验事实后面的规律，需要深刻的洞察力和丰富的想像力。多少物理学家关注 - 之谜 ，唯有华裔美国物理学家李政道和杨振宁，经过缜密的思辨，检查大量文献，发现谜后隐藏着未经实验鉴定的弱相互作用的宇称守恒的假设。而从物理学发展史来看，每一次大综合都促使物理学本身和有关学科的很大发展，而每一次综合既以建立在大量精确的观察、实验事实为基础，也有深刻的思辨内容。因此一般的物理工作者和物理教师，
