近代物理学的发展

物理学发展简史

摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。

关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展

0 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。

1 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。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。

中国物理学的发展现状

探讨中国物理学的现状，首先要知道世界物理学的现状，因为中国物理学一直落后于西方，它的现状和发展很基本上是由世界物理学现状及发展所决定的。国内将物理学列为一级学科，其下有理论物理，粒子物理及原子核物理，原子分子物理，凝聚态物理，光学，声学，等离子体物理，无线电物理八个二级学科。从研究目的和方法上可以把物理学分为理论物理，实验物理和应用物理三个领域。其中粒子物理和原子核物理以及原子分子物理两个二级学科主要属于实验物理方面，而后五个二级学科大多研究方向以应用为主，可划归到应用物理领域。

理论物理本身可分为基础理论研究和应用理论研究两大部分，公众往往把这个小小的基础理论研究部分误认为是物理学本身了，这是因为从古到今成就物理学界耳熟能详的大师级人物基本都来自这个领域。基础理论研究就是一步一步深入探索寻找自然界最深层次的统一规律，它是整个物理学最前沿的最神秘也是最挑战人类智力的部分，其成果也是物理学最核心最辉煌的，这些成果包括历史上的牛顿力学，麦克斯韦电磁理论，到二十世纪初的相对论和量子力学以及目前的量子场论和超弦，现在研究基础理论的学者们都是在做量子场论（既结合了相对论之后更深入的量子理论）及在场论基础上发展起来的超弦假说。

大三时教我热统的老师曾说搞基础理论研究一般只有两个结果：一是是零，即成为后人成功的铺路石而终生默默无闻；另一个是无穷大，既成为诸如爱因斯坦、狄拉克、费曼、温博格或威藤等等那样的大师级人物。而能成为后者的毕竟是少数幸运天才，因此不但研究理论物理的人是所有研究物理的人中很少的一部分（小于 5%，在中国应该更少），搞基础理论的人在研究理论物理的人中也只是少部分，剩下的一大半做的是应用理论研究，这其中包括凝聚态理论，量子光学，原子分子理论等等，它们大多采用现成的量子理论来解释各自领域的内在物理机制，与基础理论研究最大的区别是它们停留在原子（确切地说是核外电子）的层面上采用现有的量子理论解决问题，而对更深入的粒子本质不做探讨。由于应用理论研究很大程度上是对现有基础理论的复杂应用，于是它的研究方式不可避免地引入大量计算，甚至有人将计算物理看做物理学的又一分支。

经典物理学与现代物理学的发展简史

近代物理学的诞生始于17世纪后半期，伽利略、开普勒和牛顿做出了奠基性的贡献。

1666年，牛顿发现了微积分的基本概念，得到了后来以他名字命名的三的定律，可谓是近代物理学的发端。

18至19世纪是物理学蓬勃发展的时期。

焦耳、迈耶、开尔文和克劳修斯奠定了热力学的基础。

玻尔兹曼和吉布斯则开辟了统计物理学。

库仑、法拉第和麦克斯韦初步建立了电磁学。

以牛顿定律为基础的经典力学、热力学与统计物理学以及电磁学构成了“经典物理学”的大厦，似乎人类对自然的认识以及达到了完美的境地。

但在19世纪和20世纪之交，物理学界有三大发现：伦琴发现x射线、汤姆孙发现电子和贝克勒尔发现放射性。

物理学研究从宏观转向微观，经典物理学在新发现面前遇到困难，现代物理学开始发展。

1905年，德国的爱因斯坦提出狭义相对论。接着于1915年提出广义相对论。

普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡和狄拉克共同建立了量子力学。

狭义相对论、广义相对论和量子力学构造了20世纪现代物理学的基础。

在此基础上，粒子物理学、原子核物理学、原子与分子物理学、凝聚态物理、等离子体物理、天体物理以至于生物物理学皆得到了发展。

浅谈物理学的发展

没有其它一门学科，比物理更有趣，在必修一，我们跟随科学家们的脚步，认识到运动与力的关系；在必修二，我们认识到力与做功是密切相关的；在选修中，我们将接受更为抽象的——电学，之后还会有热学等等。3-1中说：“物理课程的学习与物理自身的发展具有惊人的一致性”。

在物理的重多分支中，力学是历史最悠久的，对人类影响最深远的一支。伽利略的时代，就有了对运动的描述，巧妙地设计了理想实验证实了运动不需要力来维持。可无奈当时没有力的概念，伽利略不能解释。直到牛顿，建立了系统的概念，牛顿三大定律成为科学史上的丰碑，从运动学到了动力学，力学得到进一步发展，牛顿还从太阳与行星间的引力大胆地提出了万有引力定律。遗憾的是，牛顿本人并未测出Ｇ值，一百年后，卡文迪许测出了现在的Ｇ值，开创了弱力时代。预言哈雷慧星，发现海王星，Ｇ值的确定，确立了万有引力定律的正确性，使其一直影响至今。

可是随着科技不断进步，测量更加精确，使经典力学有了一定的局限。比如经典力学不能很好地解释水星的公转轨道，在光速的讨论中发现，经典力学只适合于低速。微观世界中，经典力学完全不适用，随着量子力学的建立，微观粒子的运动也有规律可循。所以说，经典力学只是时代的产物，不同的时代，视野不同，科学成就也不同。

现代物理学在相对论和量子力学的带领下，又有了很高的成就，在解释经典力学不能解释的问题时十分顺利。但似乎没有一种理论是完美的，相对论和量子力学在解释黑洞时都遇到了困难。到底什么可以很好地解释呢？还需我们共同的努力。

诚然，力学是物理学的基础，是在物理学和其他学科中进行科学研究的典范。学习典范是为了追求超越和创新的理想，所以我们有了对电的认识。当奥斯特发现电流产生磁场的现象之后，法拉第想知道，相反的情况是否可能发生—磁能够产生电吗？在失败了多次之后，他取得了成功，揭示了自然界一个具有深远意义的奥秘——尽管表面现象不同，但是电和磁仅仅是同一基本现象的不同方面。这向人们暗示；宇宙中的事物具有某种基本的统一性。 虽然法拉第以其高超的实验技能皆见这种统一性，但他缺乏阐述这一辉煌成果所需的数学工具。麦克斯韦用数学语言成功地把法拉第的发现纳入了一个完美的框架，阐明了电与磁实质上的统一性。