1簡介

由伽利略(1564—1642)和牛頓(1642—1727)等人於17世紀創立的經典物理學,經過18世紀在各個基礎部門的拓展,到19世紀得到了全面、系統和迅速的發展,達到了它輝煌的頂峰。到19世紀末,已建成了一個包括力、熱、聲、光、電諸學科在內的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經典力學、經典電動力學、經典熱力學和統計力學——已臻於成熟和完善,不僅在理論的表述和結構上已十分嚴謹和完美,而且它們所蘊涵的十分明晰和深刻的物理學基本觀念,對人類的科學認識也產生了深遠的影響。

2建立發展

按物理學自身發展的特點分期,把物理學的發展分為若干時期,在每一時期中找出一些具有表徵性的特點。這主要是根據物理學發展的內在邏輯分期的,採用這一分期原則既可兼顧到社會生產和社會經濟形態的影響,又能揭示出貫穿於物理學發展過程中的內在規律性。
按照物理學本身發展的規律,結合社會經濟各時期的特點,並考慮到不同時期有不同的研究方法,把物理學發展的歷史大體分為三個時期。
經典物理
經典物理學時期(17世紀初—19世紀末) ,這時資本主義生產促進了技術與科學的發展,形成了比較完整的經典物理學體系。系統的觀察實驗和嚴密的數學推導相結合的方法,被引進物理學中,導致了17世紀主要在天文學和力學領域中的「科學革命」。牛頓力學體系的建立,標誌著經典物理學的誕生。經過18世紀的準備,物理學在19世紀獲得了迅速和重要的發展。終於在19世紀末以經典力學、熱力學和統計物理學、經典電磁場理論為支柱,使經典物理學的發展達到了它的頂峰。

現代物理

現代物理學時期(20世紀初至今),十九世紀末葉物理學上一系列重大發現,使經典物理學理論體系本身遇到了不可克服的危機,從而引起了現代物理學革命。由於生產技術的發展,精密、大型儀器的創製以及物理學思想的變革,這一時期的物理學理論呈現出高速發展的狀況。研究對象由低速到高速,由宏觀到微觀,深入到廣垠的宇宙深處和物質結構的內部,對宏觀世界的結構、運動規律和微觀物質的運動規律的認識,產生了重大的變革。

3危機

19世紀是經典物理學的崢嶸歲月,是一個構建科學理論大廈的時代,是理論與實驗完美結合的時代,產生了很多的著名的物理學家。科學技術發展突飛猛進併產生了廣泛的社會影響,由力學、電磁學、熱學、光學、聲學構建經典物理學的大廈。也可以說19世紀是經典物理學的輝煌時代。
物理學發展到19世紀末期,可以說已經達到了相當完美,成熟的程度。物理學的輝煌成就,使得不少物理學家躊躇滿志、沉溺於歡快陶醉之中,於是產生了這樣一種看法:物理學的大廈已經落成,今後物理學家用不著再幹什麼了,只需要把各種數據測得精確些就行了。然而,此刻在物理學的萬里晴空中卻飄來了兩朵烏雲,物理學上出現了一系列新的發現。這些無法用經典物理學解釋的新發現,使經典物理學陷入了危機。第一朵與邁克爾遜實驗有關,第二朵與黑體輻射有關。正是這兩朵烏雲的飄動,引來了20世紀物理學革命的暴風驟雨,使整個自然科學進入了一個嶄新的階段。這「兩朵烏雲」成為20世紀偉大物理學革命的導火線。
事隔不到一年,就從第一朵烏雲中降生了相對論,緊接著從第二朵烏雲中降生了量子論。經典物理學的大廈被徹底動搖。事實上,在十九世紀末,光電效應、原子光譜和原子的穩定性等實驗事實也接二連三地和經典物理學的理論發生了尖銳的對立。量子論的建立,使人類對物質的認識由宏觀世界進入微觀世界。
「烏雲」的出現
1900年新春之際,著名物理學家開爾文勛爵在送別舊世紀所作的講演中講道:「19世紀已將物理學大廈全部建成,今後物理學家的任務就是修飾、完美這座大廈了。」同時他也提到物理學的天空也飄浮著兩朵小小的,令人不安的烏雲,一朵為以太漂移實驗的否定結果,另一朵為黑體輻射的紫外災難。實際上「烏雲」不止這兩朵,還包括氣體比熱中能量均分定律的失敗、光電效應實驗、原子線光譜等。然而,就是這幾朵烏雲帶來了一場震撼整個物理學界的革命風暴,導致了現代物理學的誕生。
第一朵烏雲「以太」學說
第一朵烏雲是隨著光的波動理論而開始出現的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個理論,它包括這樣一個問題:地球如何通過本質上是光以太這樣的彈性固體而運動呢?第二朵烏雲是麥克斯韋-玻耳茲曼關於能量均分的學說。這兩朵烏雲涉及到兩方面的實驗發現與力學、電磁學、氣體分子運動論理論的困難。相對性原理是經典力學的一個最基本的原理,這個原理認為,絕對靜止和絕對勻速運動都是不存在的,一切可測量的、因而也是有物理意義的運動,都是相對於某一參照物的相對運動。牛頓本人也充分意識到了確定「絕對運動」的困難,最後只能以臆測性的「絕對空間」的存在作為避難所。麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之後,電磁波的載體以太,就成了物化的絕對空間,靜止於宇宙中的以太就構成了一切物體的「絕對運動」的背景框架。既然以太也是一種物質存在,或者說它表徵著物化了的絕對空間,當然就可以通過精密的實驗測出物體相對於以太背景的絕對運動。但是,美國物理學家邁克爾遜在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉儀所進行的精密光學實驗,都未能觀察到所預期的以太相對於地球的運動。
第二朵烏雲「紫外災難」
第二朵烏雲涉及的是經典物理學另一分支,熱力學和分子運動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的是「麥克斯韋-玻耳茲曼關於能量均分的學說」。實際上是指19世紀末關於黑體輻射研究中所遇到的嚴重困難。為了解釋黑體輻射實驗的結果,物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續變化的物理量,建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是,這個公式推出,在短波區(紫外光區)隨著波長的變短,輻射強度可以無止境地增加,這和實驗數據相差十萬八千里,是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為「紫外災難」。20世紀初的這兩朵烏雲最終導致了物理學的一場大變革。第一朵烏雲「以太」學說導致了相對論的誕生。第二朵烏雲「紫外災難」導致了量子力學的產生。因此也可以說,對這兩朵「烏雲」的研究就標誌著現代物理時代的到來。

4基本觀念

經典力學和機械決定論
由牛頓把它概括在一個嚴密的統一理論中,實現了近代物理學發展史上第一次理論大綜合。在l687年出版的《自然哲學的數學原理》中,牛頓提出了動力學的三個基本原理和萬有引力定律。利用變分法的數學方法和「最小作用量原理」的物理學基礎建立起了和牛頓動力學方程等價的歐拉—拉格朗日方程,並最終於1834年由英國的哈密頓(1805—1865)提出了哈密頓原理和正則方程,建立了「分析力學」理論,實現了牛頓后力學理論的一個最大的飛躍。
熱力學與能量和熵
能量守恆原理的建立,使物理學思想和理論結構獲得了輝煌的進展,是19世紀自然科學上的一個偉大勝利,也是近代物理學發展中的第二次理論大綜合。熵原理的發現,實際上把演化的思想帶進了物理學,指出了自然過程的不可逆性和歷史性。
在經典力學和電磁場理論中,基本物理定律中的時間都是對稱的、可逆的,它們的基本方程對時間反演都是具有對稱性的,運動對於過去和未來沒有本質的區別,時間在那裡僅僅是從外部描述運動的一個參量,它的變化對運動的性質並無影響。因而時間箭頭在那裡沒有實質性的意義。
「統計力學」這個名稱是1884年由美國物理學家吉布斯首先提出的。吉布斯在麥克斯韋和玻耳茲曼思想的基礎上,明確形成了「系綜」概念,創立了系綜統計方法。從而將熱學的唯象的和分子運動論的兩個基本的研究方向統一到一個有機整體之中,完成了統計力學這個經典物理學的又一次理論大綜合。
經典電動力學
1862年,麥克斯韋引入了一個電磁以太的准力學模型和「位移電流」假設,1864年提出了電動力學方程組,預言了電磁波的存在,井揭示了光的電磁波動本性。麥克斯韋的方案使媒遞接觸觀念得以完全實現,並使電磁學理論的全部物理基礎得以奠定,成為近代物理學發展中的第三次理論大綜合。
經典物理學的完成和局限
大約到了1895年前後,以經典力學、經典熱力學和統計力學、經典電動力學為三大支柱的經典物理學,結合成一座具有雄偉的建築體系和動人心弦的「美麗的殿堂」,達到了它的顛峰時期。
在力學方面,與機械觀相聯繫的絕對時間、絕對空間的概念以及關於質量的定義,都已受到普遍的批評,牛頓對於引力的本質問題也採取了迴避的態度。而牛頓力學的理論框架實際上必然要把引力看作是一種瞬時傳遞的超距作用,這與19世紀發展起來的場物理學是根本對立的。
在熱學方面,熵增加原理揭示的與熱現象有關的自然過程的不可逆性,反映出熱力學原理與經典力學和經典電動力學原理之間深刻的內在矛盾,而統計力學中引入的概率統計思想以及熱力學規律的統計性質,已使經典力學的嚴格確定性出現了缺口。
在光學和電磁學方面,作為光波與電磁波的傳播媒介的「以太」,其令人難以理解的特殊性質以及關於它的存在的檢測,都使科學家們費盡心血而一籌莫展。根據電磁學理論,可用空間坐標的連續函數描寫的場,是具有能量的不能再簡化的物理實在,這又與經典力學把運動的質點看作能量的唯一裁體的觀點背離。
牛頓在前人研究的基礎上,取得了非凡的成就。運動三定律和萬有引力定律成功地描述了天上行星、衛星、彗星的運動,又完滿地解釋了地上潮汐和其他物體的運動。此後人們認為自然界的一切已知運動都可以通過牛頓(經典)力學定律來解釋。因此牛頓(經典)力學被看作是科學解釋的最高權威和最後標準。而經典力學建立的過程,實質上就是實驗方法,邏輯思維方法與數學方法的建立和發展的過程。由此可以看出經典物理學中」經典」的含義。由著名的物理學家提出,經過反覆的實驗驗證,最後得出最具權威最為標準最為經典的結論。

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