物理学的发展以及其为我们创造的生活
学院：艺术与设计学院班级：工业设计141班
姓名：叶祥学号：5203014023
摘要：物理学的发展历经千年终于完善，近代物理学从牛顿建立经典力学开始，不断取得突破性的进展，一步步完善着这栋恢弘的物理学大厦，当最后一片砖瓦加上去之后，人们似乎又发现这一片是那么的重要却又格格不入，那么我们的工作并没有结束，爱因斯坦的相对论，牛顿的经典力学，这两部书写了革命的理论，并不能完全支撑住整栋大厦。整个物理学的发展，为我们创造了现在的世界，而我们活在这个世界，享受着它带来的便利。
关键词：发现推翻实验创造天才
一、物理学的起源
“上下四方曰宇，古往今来曰宙”，这是古人们对于宇宙的概念与定义：宇宙就是时间，空间与物质的总称。老子说：“万物生于有，有生于无”，这是中国古代贤者们对宇宙的认识。泰勒斯说：“万物的本源乃是水。”这是古希腊的贤者们对宇宙的认识。宇宙是万事万物的起源，对于研究自然的物理，宇宙是终极的目标。运动学，力学，磁场，电场，波，原子结构……这些是物理学里面的分支学科，大到宇宙，小到原子，都有物理学的研究范畴。
欧洲“物理”一词最先出自古希腊文φυσικ，愿意是指自然，泛指一般的自然科学。在古希腊人那里，物理学就是“自然哲学”，古希腊出现了一批著名的自然哲学家，“物理学”的名称就来自亚里士多德的《物理学》一书中。后来牛顿发表的经典物理学的奠基之作，就叫做《自然哲学之数学原理》。在古代中国，“物理”原是泛指一切事物的道理，其实在《墨子》中，就有过关于光学的描述，而春秋战国时期公输班（即民间相传的鲁班）与墨翟（墨子）便已经发展出很完整的机关术了，有文献记载墨子擅长工巧和制作，在军事技术方面高于其他诸子，堪称博学多才。据说他能在顷刻之间将三寸之木削为可载300公斤重的轴承。据《韩非子·外储说左上》载:"墨子为木鸢，三年而成，一日而败"。他利用杠杆原
理研制成桔槔，用于提水。他还制造了辘轳、滑车和云梯等，用于生产和军事。他还擅长守城技术(即所谓的"墨守")，其弟子将他的经验总结成《城守》二十一篇。这里面已经有着很成熟的物理力学原理在里面了。由此可见，物理作为一门科学它的广度和时间的跨度都是相当大的。
二、近代物理学的发展（物理学定律，思想和研究方法）
近代物理学的摩天大厦是以经典力学为基础的。1590年意大利物理学家伽利略在比萨斜塔做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落地的速度与重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论，成为了近代经典力学的奠基者，同时他也开创了一种新的科学研究方法：观察现象→发现问题→提出假想或假设→通过逻辑包括数学计算→通过实验对推论进行验证→对结论进行修正和推广。1942年，伽利略在意大利逝世，同年12月，牛顿出生，这个相传被苹果砸中的小男孩便是近代经典力学的建立者。1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》一书，这本书的发表标志着经典力学的建立。这本书里面包含着牛顿的三大运动定律：物体沿直线匀速运动或保持静止，知道有外力改变其速度或方向为止；力产生加速度，且加速度的大小与物体质量成反比（F=ma）；有作用力就有反作用力，二者大小相等，方向相反。牛顿的第一定律是按照伽利略的惯性原理提出的，它并不是通过实验得出的定律且不能通过实验证明。牛顿的第二定律解释了伽利略在假想实验中所提出的问题：铁球和羽毛同时降落谁先落地？按照我们的生活经验一想便能得出答案：铁球。但这是因为存在空气阻力的缘故，如果没有空气阻力，结果如何？1971年，阿波罗15号的宇航员们在月球上（没有大气阻力）所做的实验表明：羽毛与地
质锤是以相同的速率下降的。牛顿的第三定律解释了为什么我打你一拳，被打的明明是你而我也会痛的原因，因为物体与物体之间的作用力是相互的。利用这三大定律，牛顿几乎能够解决所有物体的运动问题，时至今日，要描述驾车快速通过或者撞击弯道时所涉及的力，牛顿定律也已经足够了。除了三大运动定律外，牛顿还提出了解释万物的万有引力，每两个独立的物体之间都存在相互的引力，大小与两者的乘积成正比，与两者距离的平方成反比，万有引力很好的解释了太阳系中各个天体的运转，对开普勒于1609年提出的开普勒定律做出了很好的解释。除了这两项成就之外，牛顿对光学的研究也做出了相当大的贡献，他通过三棱镜发现了光的色散现象：白光是由七彩光混合而成的。并发表在他的另一部著作《光学》里。牛顿很好的利用了前人的基础，“站在巨人的肩膀上”，注重实验，缔造了他那个时代的传奇。
继牛顿之后的几百年里，牛顿所建立的经典力学作为近代物理学的基础继续推动者物理学向前发展。
1820年，丹麦物理学家奥斯特在一次演示中发现了电流的磁效应。1831年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，推动了第二次工业革命，开启了电气时代。这个时代，开始进入了波的时代。虽然没有得到足够的正式教育，法拉第是历史上最具有影响力的科学家之一。实际而言，他时常被认为是科学史上最优秀的实验家。他详细地研究在载流导线四周的磁场，想出了磁场线的点子，因此建立了电磁场的概念。法拉第观察到磁场会影响光线的传播，他找出了两者之间的关系。他发现了电磁感应的原理、抗磁性、法拉第电解定律。他发明了一种电磁旋转机器，这就是今天电动机的雏型。由于法拉第的努力，电磁现象开始出现于具有实际用途的科技发展。法拉第是一位优秀的实验家，能够用清楚与简单的语
言传达思想，但其数学能力只限于最简单的代数，对其它更高阶的数学像是三角学并不熟悉，法拉第最早提出波也是一种电磁波，但由于其数学能力薄弱，一直没有证明，知道后来他的朋友，另外一名跨世纪的物理学家——麦克斯韦初步验证。麦克斯韦提出了决定性问题：既然电场与磁场可以相互转变，那如果它们永远不断相互转变会发生什么情况呢？麦克斯韦发现这些电—磁场会制造出一种波，与海洋波十分类似。令他吃惊的是，他计算了这些波的速度，发现那正是光的速度！在1864年发现这一事实后，他预言性地写道：“这一速度与光速如此接近，看来我们有充分的理由相信光本身是一种电磁干扰。”麦克斯韦接着法拉第的工作继续进行电学和磁学的研究，最后，麦克斯韦仅用四个基本方程就成功描述了所有的电磁现象，令当时所有的科学家都感到震惊，这便是享誉盛名的麦克斯韦方程组。1873年，麦克斯韦发表了其电磁方程组。麦克斯韦预言了电磁波的存在，却没有捕捉到过他们。1886年，德国物理学家赫兹通过实验捕捉到了电磁波，第一次证明了电磁波的存在。波的时代告一段落了。
1887年，英国物理学家汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，测定了电子的荷质比，轰动了整个物理学界。19世纪末期汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。从此时代进入了量子物理的时代。1904年，汤姆逊提出了原子的葡萄干布丁模型。在汤姆生之前，道尔顿的学说认为原子是一个不可再分的实心球，但汤姆生发现原子中的电荷，因此他在道尔顿的模型上作出改进，他认为原子还是一个实心球体，正电荷和负电荷就
象葡萄干一样嵌在这个球上，成为一个“葡萄干布丁”模型。不就之后的1909年，卢瑟福做了一个实验：他用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度比汤姆生模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆森模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型)，与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10的负14次方米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。
暂时放下原子内部的研究，因为与此同时，物理学史上发生了另一场重大的变革。1905年，爱因斯坦发表狭义相对论，解释了牛顿经典力学的局限性。牛顿力学可以解决我们生活中所有见到的受力情况，但是，牛顿定律不能解决接近光速的物体和极小物体的运动。这些极端情形便需要借助于爱因斯坦的相对论和量子力学。按照狭义相对论而言，物体运动时质量会随着物体运动速度增大而增加(质速关系)，同时，空间和时间也会随着物体运动速度的变化而变化，即会发生尺缩效应和钟慢效应。由于任何物体的速度都不能超过光速，因此在接近这个宇宙中的速度极限时，时间和空间本身会发生改变。为了解决狭义相对论中遗留的两个问题：惯性系所引起的困难和万有引力所引起的困难。爱因斯坦于1915
年发表了广义相对论，在广义相对论中，他将万有引力统一到了狭义相对论中，对人们的时空观产生了革命性的影响。它跳出了牛顿定律的范围，向人们展示了具有黑洞，虫洞和引力透镜的宇宙。在广义相对论中，空间的三个维度和时间的一个维度合成四维时空网格。此时，光速仍然不变，是所有速度的极限。运动或加速时，为保持光速固定不变，时空度量会发生弯曲。爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。
讲回原子内部，继电子被发现之后，1932年，查德威克发现了中子。由此为引，1938年，人们首次发现了原子裂变现象，然后，原子弹的概念出现了。1942年人们获得了第一个链式反应，1945年，美国在日本投下原子弹，1951年，开始利用核能发电。而此时，对于粒子的探索并没有结束，1956年，人们探测到了中微子，20世纪60年代，提出了夸克，1995年发现了夸克……直到物理学大厦的最后一片砖瓦——希格斯波色子被探测到。
广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS
哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。2014年6月27日，在欧洲原子能研究中心工作的科学家们在对“上帝粒子”希格斯玻色子的属性进行研究，并将其与最近关于宇宙大爆炸后的另一理论相结合，最后得出“宇宙是不存在的”这一震惊世界的理论。只是还有许多新的物理学现象无法用这一理论进行解答，目前科学家们对宇宙的探索仍在继续进行中。
三、物理学为我们创造的生活
物理学的发展极大地丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术创新和革命，促进了物质生活繁荣与人类文明的进步。物理学的分支涉及到我们生活的方方面面，不只是上述所说的几个大类，它对人类文明的贡献无可估量。在人造建筑方面，世界七大奇迹，埃及吉萨金字塔、奥林匹亚宙斯巨像、罗德岛太阳神巨像、巴比伦空中花园、阿尔特弥斯神庙、摩索拉斯陵墓、亚历山大灯塔，都用到了物理学中的力学知识。在医学方面，由伯努利流体动力学而发明的测量血压工具一直沿用了将近200年，一直到更新的科学技术的出现将其取代。激光的发现与研究应用为现代医学做出了奠基式的作用。杠杆原理,起重机的发明；小孔成像,发明了照相机；电磁场,发明了指南针；红外线运用于医学,透视,ct；根据重力的作用探矿；核裂变发电、制造原子弹.核聚变制造氢弹：磁悬浮列车的超导技术；光盘和光碟的激光技术；电视和移动通讯的电磁波发射和接收技术（还有信号处理等）；B超的超声技术；透视的X射线技术……这里每一样都是物理学的发展创造的新兴产物，物理学创造了我们现在的生活。在这样繁华的现代，