物理发展简史

物理发展简史
物理学是研究物质及其行为和运动的科学，它是形成时间最早的自然科学之一。

物理学最初的发展源自人们对大自然的好奇与探索：世界为什么会是这个样子，这一切为什么会发生？针对这一个又一个的疑问，人们提出了种种猜想，并不断的以实践去检验，修改它们，这正促使了物理的发展。

物理学最初并没有直接的定义，构成它的元素主要来自于对天文学，力学和光学的研究。

最早的物理学著作是古希腊科学家亚里士多德的《物理学》，将各种研究通过几何学的方法统一起来形成了物理学。

这些最开始发展于古巴比伦和古希腊时期，当时的代表人物如天文学家托勒密，数学家阿基米德。

他们并不是真正意义上的物理学家，但正是他们的工作奠定了物理学的基础。

他们的学说随后传入阿拉伯世界，并被发展更有物理性和试验性的传统学说。

最终这些学说传入欧洲，形成文艺复兴以前中世纪欧洲的主要理论。

托勒密的地心说
伽利略.伽利雷
与此同时的中国也已经对物理学有相当的认识，战国时代的邹衍创立了五行学说，他把水、火、木、金、土称为五行，认为这是万事万物的根本。

（古希腊时期，赫拉克利特提出：火、水、土、气是自然界的四种独立元素。

）但与古希腊不同，中国没有建立一个阿基米德那样的理论系统。

在整个中世纪的欧洲，宗教束缚了科学。

以亚里士多德为首的古希腊学说占据着正统地位，尽管它无法解释生活中的许多现象，甚至有的地方自相矛盾，但仍被当时统治欧洲的教会所推崇。

有异议的人会被当成异端而处死。

正是处在这种高压之下，几百年来物理学几乎没有发展。

这种情形直到文艺复兴时期才开始好转。

1514年，哥白尼经过长年的观察和计算终于完成了他的伟大著作《天体运行论》。

1533年在罗马的演讲初步阐明了他日心说的要点。

1543年《天体运行论》正式出版。

标志着现代科学的起点。

哥白尼的一系列工作为后来伽利略的成功奠定了基础，并迈出了科学脱离封建教会统治的第一步。

1590年，伽利略在意大利的比萨做了著名的“两个球同时落地”的实验，推翻了亚里士多德“越重的物体下落得越快”这一持续了1900年之久的错误观点。

他还运用“思维实验”的方法非正式的提出了牛顿第一定律，提出了许多譬如加速度，重心等极其重要的物理概念。

伽利略告诉我们，运用表面的观察和直觉常常是不可靠的，
它们往往会导致错误的结论，同时他让我们见识到了思维实验的力量。

这些发现和推理方法是人类历史上最伟大的成就之一。

伽利略支持哥白尼的理论，写了许多有关哥白尼理论的文章。

但他引起了天主教会的注意，1616年，教会宣布哥白尼主义是“虚伪并且错误的”命令伽利略不准再“保卫或坚持”这一学说，伽利略勉强接受了。

但他并没有放弃，在1623年伽利略和教会达成协议，在不违反教会规定的情况下可以写一本同时讨论亚里士多德派和哥白尼派理论的书。

1632年，这本名为《关于两个主要世界体系对话》的书正式出版。

这本书的影响之大远超出教会的预料，并且立刻被全欧洲欢呼为文学和哲学的杰作。

伽利略也因此被终身软禁。

在1642年他逝世的前4年，他的第二本主要著作《两种新科学》被私下由一个荷兰出版商出版，这本书甚至比支持哥白尼更进一步，成为现代物理学的真正开端。

就在伽利略去世一年后的1643年，艾萨克.牛顿出生于英格兰林肯郡乡下的一个小村落。

1665年22岁的牛顿提出广义二项式定理并开始发展微积分。

两年后，在他在家乡躲避瘟疫的日子里研究了光学和万有引力定律。

从1670年到1672年，牛顿负责讲授光学。

在此期间，他研究了光的折射，表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。

牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，光的微粒说可以很容易的解释光的直线传播，反射和折射现象。

这时当时的波动说无法媲美的。

但这却无法很好的解决光的干涉与衍射现象
光的干涉
光的衍射
1679年，牛顿重新回到力学的研究中。

他将自己的成果归结在《物体在轨道中之运动》（1684年）一书中，该书中包含有初步的、后来在《原理》中形成的运动定律。

《自然哲学的数学原理》出版于1687年7月5日。

该书中牛顿阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律。

牛顿使用拉丁单词“gravitas”（沉重）来为现今的引力（gravity）命名，并定义了万有引力定律。

在这本书中，他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法。

牛顿把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学理论体系。

正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律，实现了自然科学的第一次大统一。

这是人类对自然界认识的一次飞跃。

牛顿为人们筑起了经典力学的大厦，使人们相信这就是宇宙的秘密。

但这仍不完善，因为还有其它的更为神秘的现象——电，热和光。

很久以来，电和磁被认为是独立无关的。

但它们也在不断为人们所认识。

人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。

在1747年，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。

18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。

但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。

而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。

1831年，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。

这就是电磁感应现象。

这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。

麦克斯韦集成并发展了法拉第关于电磁相互作用的思想，并于1864年发表了著名的《电磁场动力学理论》的论文，将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组，预言了电磁波的存在，并确认光也是一种电磁波，从而创立了经典电动力学。

1887年，德国物理学家赫兹以实验验证了电磁波的存在。

正式为经典电动力学的大厦封了顶。

同时，光是一种电磁波这一说法也得到了验证，并击败了牛顿奠定的光的微粒说成为主导。

但为了圆满解释光的波动说而引入了“以太”这个概念。

热学也是一门历史悠久的学问，热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。

人们很早就有冷热的概念。

对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念(例如区分了温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。

关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。

到19世纪，热力学已趋于成熟。

19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。

19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律，体现了能量的守恒与转换.。

在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。

而通过对熵的理解不断地深入以及汤姆逊新绝对零度下限的提出，热力学第三定律也有了雏形。

深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。

统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。

经典力学，经典电动力学，经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱，这一切都彼此相符而且相互包容，形成了一个经典物理的大同盟。

他们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。

经典物理的黄金时代来临了。

但是，在经典物理还没有来得及多多体味一下自己的盛世前，一连串意想不到的事情在19世纪的最后几年连续发生了。

1895年，伦琴发现了X射线。

1896年，贝科勒尔发现了铀元素的放射现象。

1897年，汤姆逊发现电子。

这些新发现令人眼花缭乱，同时也带来了经典物理上空的阴霾。

1900年，普朗克为了解决黑体辐射问题提出了“量子”这一概念。

推翻了长期以来人们的“能量是连续的”这一观点。

1905年爱因斯坦发展普朗克的能量子假设，提出了光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应，并为后来的许多试验例如康普敦效应所证实。

为了解决以太所带来的困难，他提出了被称为“狭义相对论”的理论，引导人们通过抛弃绝对时间的观念来去掉了“以太”这个概念。

但经典力学中的引力理论与之却是不协调的，因此在1915年，他终于提出了今天被我们成为广义相对论的引力理论来协调狭义相对论。

牛顿使人们抛弃了绝对空间，现在爱因斯坦又抛弃了绝对时间，这是人类时空观上一次质的飞跃。

爱因斯坦对光电效应的解释确立了光的波粒二象性，此时的经典物理在微观条件下已完全不适用。

直到1925年，海森堡创立矩阵力学，量子力学被建立。

量子论揭示了微观下粒子的运动规律。

与解释宏观天体运动的相对论一起为经典物理做了很好的补充，但它们彼此并不能包容。

现在，寻找一个能包含所有理论的终极理论成为了物理学的新目标。

探究性学习
制作人：余晗，陈涛，肖胤声，黄河。