大學物理（文科）

緒論

一、什么是物理學？

古希臘人把對自然現(xiàn)象的觀察和理解籠統(tǒng)地包含在一門學問中即自然哲學。牛頓關(guān)于物理學的名著稱為《自然哲學的數(shù)學原理》。自然科學分化為物理、化學、天文學、地理學、生物學、力學等（數(shù)學僅是一種工具）只是近三百年多年的事。什么是物理學？物理學就是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用的基本規(guī)律以及它們的各種實際應(yīng)用的學科。與其他學科相比，它更著重于對物質(zhì)世界最普遍最基本的規(guī)律的追求。物理學作為自然科學的基礎(chǔ)學科，歷來是人類物質(zhì)文明發(fā)展的動力。作為人類追求真理、探索未知世界奧妙的工具，物理學是一種哲學觀和方法論。1二、文科學生為什么要學物理？

人類社會的進步與物理學的發(fā)展是息息相關(guān)的，沒有物理學，就沒有科學和技術(shù)。毫無疑義，物理學在過去、現(xiàn)在和將來都是科學與技術(shù)發(fā)展的動力與源泉。

在當今科學技術(shù)高速發(fā)展的時代，物理學愈來愈成為包括人文科學在內(nèi)的各類人才所必需具備的基本知識。各種管理工作都與科學技術(shù)分不開，而科學技術(shù)更離不開物理學。因此，許多大學都在人文社科、經(jīng)濟管理等專業(yè)開設(shè)了物理學課程。2三、文科學生怎樣學物理？

第一、認真領(lǐng)會物理學知識體系。包括物理學發(fā)展的歷史、物理學對物質(zhì)世界及其運動的基本認識、物理學思想及其科學研究方法、正確的自然觀與宇宙觀、物理學基本原理、物理學在技術(shù)中的應(yīng)用。

第二、正確對待物理中的數(shù)學。物理學的基本概念和基本原理都是通過數(shù)學語言來表達的。沒有數(shù)學，物理便不成體系，物理問題就無法說清楚。要完全回避數(shù)學，是不現(xiàn)實的。本課程涉及到的是微積分初步知識和矢量的基本知識。為了照顧大家的數(shù)學基礎(chǔ)，教材作了一些簡化處理。學習時還可以參閱附錄。碰到數(shù)學不要有畏難情緒。只要你下決心去搞懂它，是不困難的。

第三、要學會自學。3四、文科物理講什么？

1.物理學的發(fā)展歷史。主要內(nèi)容：中國和西方古代物理學思想；科學革命與科學觀的形成；經(jīng)典物理學理論體系的建立以及近代物理學的發(fā)展；物理學對人類文明的貢獻。

2.物質(zhì)世界的基本運動形式及物理學的基本原理。物質(zhì)的運動形式包括機械運動、熱運動、電磁運動、宏觀高速運動、振動和波動、微觀粒子運動及其規(guī)律。

3.物理學對物質(zhì)世界的基本認識。內(nèi)容包括：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用；物理學與宇宙觀；物質(zhì)世界的對稱性和統(tǒng)一性；物理學認識的真理性。

4.物理學在技術(shù)科學的應(yīng)用。高新技術(shù)、環(huán)境科學、生命科學是21世紀極為重要的、也是人們最為關(guān)注的幾個技術(shù)科學領(lǐng)域。將討論物理學在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用。4

第一章從自然哲學到現(xiàn)代物理學

物理學的發(fā)展經(jīng)歷了古代物理學時期（16世紀以前）、經(jīng)典物理學時期（16世紀—19世紀）和近現(xiàn)代物理學時期（20世紀以來）。

1.1古代物理學思想

1.1.1中國古代物理學思想

1.關(guān)于物質(zhì)本原的認識

中國古代，關(guān)于對物質(zhì)本原的研究主要有“陰陽學說”、“五行思想”、“原子觀點”、“元氣說”諸理論。5

（1）陰陽學說

《易經(jīng)》的注解書《易傳》指出：“易有太極，是生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦”，“太極”指宇宙本原（物質(zhì)的原始態(tài)），“兩儀”就是陰陽，“四象”是春夏秋冬四時，“八卦”即天、地、山、澤、水、火、風、雷，把自然現(xiàn)象歸納成為八種基本現(xiàn)象。老子說：“萬物負陰而抱陽”。按陰陽學說，世間萬物的千變?nèi)f化、生生不息都歸結(jié)于陰陽之間的彼此消長、對立統(tǒng)一、相互作用和相互轉(zhuǎn)化。

（2）五行思想“五行”指“金木水火土”五種基本物質(zhì)或元素。認為世間萬物皆由這五種元素構(gòu)成。五種元素之間具有相生和相克的基本關(guān)系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。老子約公元前600—500年

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（3）原子觀點

《墨經(jīng)》記述，“端，體之無厚而最前者也”。解釋是，端的尺寸非常小（“無厚”），內(nèi)部無間隙，不能再分割，是構(gòu)成物質(zhì)的最小顆粒?！肚f子·天下》指出：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，認為物質(zhì)可無限分割。

（4）元氣理論“元氣說”可以概括為：天地是包含元氣的實體，萬物由物質(zhì)性的元氣構(gòu)成，是氣的不同凝聚狀態(tài)。萬物從混沌中產(chǎn)生和發(fā)展，是元氣運動所致。有形的物體不可滅，無形的元氣也不可滅，元氣的運動也不可滅。

2.關(guān)于時間、空間和運動的認識

魏國的尸佼給宇宙以定義：“上下四方曰宇，往古今來曰宙”，宇即空間，宙即時間?！肚f子》的定義：“有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽者，宙也?！币馑际?，宇是實在的且無所不在，宙有長短但無始終，說明了時空的無限屬性。

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關(guān)于運動與靜止，墨家定義：“動，域徙也”“止，以久也”，即運動意味物體空間位置（域）的改變（徙），靜止意味物體處于空間某位置有一段時間（久）。至于時空與運動的關(guān)系，墨家寫道：“宇域徙，說在長宇久”“宇徙而又處宇，宇南北，在旦又在暮”。即物體在空間移動，是空間隨著時間的由近及遠的變化，物體離開原空間而占據(jù)另一空間，好比物體從南到北，經(jīng)歷的時間從早到晚。這樣，時間與空間的聯(lián)系便統(tǒng)一于物體的運動中了。

《呂氏春秋》中描述的“刻舟求劍”的故事：一個人坐在行船上，手中劍掉到水中。他在船上掉劍位置刻上記號，以便撈劍。作者笑話掉劍人以行船為參照系去找劍是獨勞的。晉代束皙說：“乘船以涉水，水去船不徙矣”“仰游云以觀，日月常動而云不移”。是對運動相對性的描述.《春秋偉·考靈曜》記述：“地恒動不止，而人不知，比如人在大舟中，閉而坐，舟行而人不覺也”，是相對性原理的思想。

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墨經(jīng)：“力，刑之所以奮也”“重之謂下，舉重，奮也”?！靶獭奔础靶巍睘槲矬w，“奮”為“運動狀態(tài)的改變”，這與牛頓定律不謀而合。南宋吳曾在《能改齋漫錄》中記述一個故事：燕昭王養(yǎng)的一頭肥豬太大，最大的秤也不能稱出豬的重量，便命“水官”用船去稱重，才稱出豬的重量。墨家曾寫道：“沉形之衡也，則沉淺非形淺也，若易五之一”。意思是，浮體放入水中平衡時，浮體下沉一定深度，浮體的重量與水對物體下沉部分的浮力相等，好比五件物品與一件物品的等價交換?？梢姽湃藢Ω×σ延休^深刻的認識。至于彈力，我國古人早就有所認識并加以利用了，如弓箭、彈弓、管樂器中的簧片等，而且在許多書籍中也記載了外力與形變的正比關(guān)系。張衡的預(yù)報地震的地動儀，用到了慣性和杠桿原理等力學知識。張衡（78-139）9

4.關(guān)于光的認識

中國古代在光的直線傳播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像實驗有許多研究。我國春秋戰(zhàn)國時期，墨子及其弟子在《墨經(jīng)》中就已記載著光的直線傳播（影的形成和小孔成像等）和光在鏡面（凹面和凸面）上的反射現(xiàn)象，并提出了一系列經(jīng)驗規(guī)律，把物和像的位置及大小與所用鏡面的曲率相聯(lián)系?！赌?jīng)》記述的小孔成像實驗如圖1-1-1，物體通過小孔成的像是倒立的。光照在物體（人）上，從物體上發(fā)出的投射到屏上的一切。光線均相交于針孔處，物體下部發(fā)出的光線像箭一樣射到高處，上部發(fā)出的光線射到低處。圖1-1-1墨子（公元前479年～前381年）10

宋代的沈括在《夢溪筆談》中對凹面鏡和凸面鏡的成像規(guī)律、測定凹面鏡焦點的原理以及虹的成因等方面均有創(chuàng)造性的闡述。南宋末的趙友欽對小孔成像進行了全面而系統(tǒng)的實驗（改變光源、改變物距、改變像距、改變孔的形狀大?。?，得出了一些有意義的結(jié)論如大孔成像（明亮部分）和大孔形狀相同，小孔成像和光源形狀相同。

沈括說“虹乃雨中日影也，日照雨則有之”。朱熹認為虹是“日色散射雨氣”。中唐道士張果還用白石英制作了三棱鏡，記錄了世界上第一幅色散光譜圖并且畫出了光圖，也許注意到了光的折射現(xiàn)象。沈括（1031-1095）11

5.關(guān)于電和磁的認識

“電”字最早見于西周的青銅器的銘文中（雷電現(xiàn)象的記錄）。東漢王充在《論衡》中記述：“頓牟綴芥，磁石引針……”（頓牟即琥珀），即摩擦過的琥珀可以吸引輕小物體如芥籽、磁鐵可以吸引鐵針。他還用“元氣”理論解釋靜電和靜磁現(xiàn)象，認為芥籽和琥珀、鐵針和磁石具有相同的“氣性”，因而互相感動而吸引（“氣有潛通”）。雷電是如何產(chǎn)生的？歷代學者用“元氣說”作了許多解釋。先秦的慎到提出：“陽與陰夾持，則磨軋有光而為電”（磨軋即摩擦）?！痘茨献印嬓斡枴分兄赋觯骸瓣庩栂啾槔祝P為電”，即陰陽二氣彼此撞擊產(chǎn)生雷，而相互滲透產(chǎn)生電。王充認為，雷電是因為陰陽二氣之爭、產(chǎn)生爆炸而形成的。明代劉伯溫概括了歷代學者的觀點：“雷者，天氣之郁而激發(fā)也，陰氣團于陽，必迫，迫極而迸，迸而聲為雷，光為電”。12

《呂氏春秋》記載：“慈石召鐵，或引之也”“石，鐵之母也。以有慈石，故能引其子”，明確地描述了磁石的吸鐵性如同慈母吸引著自己的孩子?！痘茨献印愤€記述了磁石吸引物質(zhì)只限于鐵，寫道：“若以慈石之能連鐵也，而求其引瓦，則難矣”“及其于銅則不通”。沈括對指南針形制的改進有重大貢獻。在研究磁針時，他還發(fā)現(xiàn)了地磁偏現(xiàn)象。

6.關(guān)于聲的認識

中國古人對聲學的研究有許多發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，尤其在樂律研究方面有許多重要成果。另外對聲音的產(chǎn)生與傳播、共振與共鳴等現(xiàn)象也做了許多理論和實驗研究。

北京天壇的回音壁和山西永濟的鶯鶯塔是聲學在建筑上應(yīng)用的杰作。131.1.2西方古代物理學思想

1.關(guān)于物質(zhì)本原

古希臘哲學家們對宇宙本原、萬物組成、大地構(gòu)造等問題，進行了許多思考和辯論，提出了各種觀點。其中主要有“元素論”和“原子論”等理論。

（1）元素論泰勒斯認為大地漂浮在水面上，萬物本原是水。阿那克西米尼認為大地像是“漂浮在空氣中的一片寬大的樹葉”，萬物本原應(yīng)是“氣”。赫拉克立特把物質(zhì)本原歸于“火”。恩培多克勒認為，萬物的本原應(yīng)由四種“元素”組成即“土、水、氣、火”，亞里士多德認為認為，冷、熱、濕和干是更基本的性質(zhì)，四元素是這四種性質(zhì)兩兩組合而成的物質(zhì)本原，濕與冷組合成水，濕與熱組合成氣，干與冷組合成土，干與熱組合成火。亞里士多德(Aristotel,約前384-前322)14（2）原子論德謨克利特建立了“原子論”觀點。原子論的大致要點是：

（1）宇宙萬物都由原子構(gòu)成，原子是不可分割、不可破滅的極小而結(jié)實的物質(zhì)單元；

（2）宇宙中除了原子和虛空，不存在其它任何東西；

（3）原子從恒古以來就存在，既不能創(chuàng)造，也不能消滅；

德謨克利特（Democritus,約前460-前361）（4）原子在數(shù)量上是無限的，在形式上是多樣的，它們在一個無限的虛空中永遠處于渦旋運動之中，因此形成各種復(fù)合物。由于組成物體的原子在數(shù)量、形狀、次序、位置不同，故物體彼此各異；（5）原子在虛空中只有通過直接接觸—壓迫、撞擊等，它們才能相互作用，超距作用不可能。15

2.關(guān)于運動和力

亞里士多德將物體的運動分為自然運動和強迫運動。自然運動指重物垂直下落和輕物體豎子直上升的運動。自然運動的物體要尋找其天然位置，例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，氣和水的輕重是相對的。因而，重物下墜，煙霧升空，石頭在水中下降，氣泡在水中上升。物體下落的快慢即速度與重量成正比。強迫運動指借助推力才能進行的運動。阿基米德（Archimedes,約前287-前212）不推，物體就處于靜止狀態(tài)。物體運動的速度與施加的外力成正比，與在介質(zhì)中受到的阻力成反比。阿基米德《論平面的平衡》和《論浮體》中論證了杠桿原理和浮力定律。他曾經(jīng)聲稱：“給我一個穩(wěn)定的支點，我就能把地球挪動”。16

阿拉伯學者阿勒-哈齊尼通過實驗測定了許多物質(zhì)如金、銀、銅、鐵、鉛、水銀、象牙、酒等比重。提出了一個重要的物理思想：物質(zhì)的量與它的重量并不是一回事。另外他還以路程與時間之比來表示速度。

3.關(guān)于光學

希臘數(shù)學家歐基里德首先將幾何知識引入光學研究并將光學看成幾何學的一個分支（現(xiàn)稱為幾何光學）。他研究了平面鏡和球面鏡成像問題，提出了反射角等于入射角的反射定律，還發(fā)現(xiàn)凹面鏡的聚焦作用并假定焦點在球心與球面之間。他肯定了光是直線傳播的，由此而研究投影現(xiàn)象，指出光源大小和物體大小不同，會產(chǎn)生不同的投影。

天文學家托勒密系統(tǒng)地研究了光的折射，最先測定了光通過兩種介質(zhì)界面時的入射角和折射角。17

天文學家阿里斯塔克最先利用當時的光學知識進行天文數(shù)據(jù)的測量。例如，他測得日地間距離為月地間距離的20倍（實際上為400倍）、月亮直徑約為地球直徑的1/2（實際為1/4）、太陽直徑約為地球直徑的10倍（實際為100倍）。

阿拉伯學者阿勒-哈增反對托勒密關(guān)于眼睛發(fā)出光線才能看到物體的學說，認為光線是太陽或發(fā)光體發(fā)出并照射到物體上，眼睛接收到這些光線才看到物體。他對反射定律作了進一步的研究，指出入射線、反射線、法線都在同一平面。

英國的羅杰．培根發(fā)明了暗室。他描述了光的反射定律和折射現(xiàn)象，研究了球面鏡的像差。用光的折射解釋了虹的成因，提出了用透鏡校正視力和用透鏡組構(gòu)成望遠鏡的可能性。18

4.關(guān)于其它物理學知識

盧克萊修用原子論對磁石吸鐵進行解釋，認為磁體發(fā)射出細微粒子流，撞擊、驅(qū)散磁石和鐵之間的空氣，形成了真空，鐵原子力求進入真空，因而表現(xiàn)出吸引。其它物體如金和木具有特殊結(jié)構(gòu)，故不能被吸引。皮埃爾．德．馬里古特認識到，磁針斷為兩截，每一截又變成磁針異性磁極相吸、同性磁極相斥；鐵與磁石摩擦可以磁化。

關(guān)于熱現(xiàn)象，亞里士多德把熱看成是物質(zhì)元素的基本性質(zhì)。原子論者認為熱是物質(zhì)流引起的，把火看作是由最輕、最滑、最活潑的粒子組成的。19

關(guān)于聲，亞里士多德把聲音看作一種運動，認為發(fā)聲的物體碰撞空氣使之在各方向發(fā)生拉伸和壓縮運動，從而發(fā)生傳播，當碰到障礙時就象小球被反射一樣產(chǎn)生回聲。

總而言之，從古代到15世紀，中國和西方關(guān)于對自然界物理現(xiàn)象的認識，既缺乏系統(tǒng)的科學實驗，也未形成完備的科學理論體系，基本上處于對自然的有限觀察和零星的記載階段。一些物理現(xiàn)象的理論解釋也受到局限，許多甚至是錯誤的，物理學在技術(shù)上的應(yīng)用水平也是很低的，物理學仍屬于哲學的范疇。盡管如此，古代物理學思想和一些思維方式對后來物理學新體系的建立和發(fā)展的影響仍然是非常重要的。20

1.2科學革命和科學觀的形成

1.2.1.歐洲文藝復(fù)興運動

文藝復(fù)興是14世紀中葉到17世紀初發(fā)生在歐洲的偉大的思想解放、藝術(shù)創(chuàng)造、科學發(fā)現(xiàn)運動?！拔乃噺?fù)興”一詞，意指古代燦爛的文化在經(jīng)歷長期的衰落和沉寂之后，現(xiàn)在又得到復(fù)興。文藝復(fù)興的指導思想是人文主義或人本主義，這是從神的世界回到人的世界的一種資產(chǎn)階級價值觀。英國哲學家富蘭西斯·培根提出了“知識就是力量”的口號，并且指出科學的目的就是要用新發(fā)明和新發(fā)現(xiàn)來改善人類的生活。恩格斯所說：“這是一次人類從來沒有經(jīng)歷過的最偉大、進步的變革，是一個需要巨人而且產(chǎn)生了巨人——在思維能力、熱情和性格方面，在多才多藝和學習博學方面的巨人的時代”。富蘭西斯·培根(FrancisBacon,1561-1626)21

達·芬奇是這些巨人中的杰出代表。他是一個多才多藝的天才，《最后的晚餐》《蒙娜麗沙》等繪畫作品千古不朽。他不僅是畫家、雕刻家、音樂家，而且是哲學家、工程師、物理學家、數(shù)學家、生物學家。他在物理學上的成就：初步表述了慣性原理；研究過材料的強度；研究了拋體運動（彈道）、單擺運動，提出了運動合成概念；證明了杠桿原理；重新發(fā)現(xiàn)了阿基米德的液體壓力概念，提出了連通器原理，研究過液體的流動；認識到光有類似于水波和空氣中波的波動特點；通過繪畫，研究過光和影的規(guī)律、眼睛的構(gòu)造并說明了視網(wǎng)膜上像形成的原因。研究過水力、熱力動力機械并試圖從減少摩擦和部件磨損來提高機械效率；設(shè)計過永動機并得出永動機不可實現(xiàn)的結(jié)論達·芬奇（LeonardodaVinci,1452-1519）22

總之，文藝復(fù)興運動的意義在于，在政治、文化、科學等各個領(lǐng)域引起了前所未有的思想大解放，徹底動搖了封建制度和神權(quán)統(tǒng)治的根基，給世界留下了一大批文學、藝術(shù)、科學、政治理論成果與精神財富，為近代科學的興起和新科學觀的誕生奠定了基礎(chǔ)。

1.2.2科學革命

真正的科學革命是從波蘭天文學家哥白尼否定地心說、提出日心說開始突破的。中世紀的教會把上帝創(chuàng)造世界及與之適應(yīng)的地心說奉為不可違反的教條。

哥白尼（NikolausCopernicus,1473-1543）

哥白尼詳細分析了有關(guān)行星運動的大量資料，經(jīng)過許多年的觀測和計算，最終完成了科學巨著《天體運行論》，提出了以太陽為中心的宇宙結(jié)構(gòu)體系，推翻了主宰西方思想長達千余年的托勒密的地心說。23

布魯諾又揚棄了太陽是宇宙中心的觀點，認為宇宙是無限的，在太陽系外還有無數(shù)的世界。他的觀點更加有力地沖擊了關(guān)于宇宙有限、地球中心的宗教教義。

哥白尼的日心說假定行星都在軌道上做圓周運動。丹麥天文學家第谷經(jīng)過21年的艱苦觀測，記錄了行星位置，得到了詳細而精確的數(shù)據(jù)。當他用數(shù)據(jù)去擬合哥白尼學說時，發(fā)現(xiàn)日心說中的行星圓軌道模型只是粗略近似。第谷的學生、德國天文學家開普勒擺脫了“勻速圓周運動”觀念，經(jīng)歷了長達17年的研究，終于從第谷浩繁的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并歸納出行星運動三大定律：

圖1-2-1（1）行星做橢圓軌道運動，太陽位于橢圓的一個焦點上；（2）太陽到行星的矢徑在相同時間內(nèi)掃過相等的面積（如圖1-2-1）24

（3）行星繞太陽的運動周期的平方正比于它繞太陽的圓軌道的半長軸a的立方即T2/a3=常數(shù)。開普勒定律對后來牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)具有奠基性作用。

1632年，意大利科學家伽利略的巨著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》對哥白尼學說進行了理性論證。伽利略宣傳哥白尼學說、抨擊托勒密體系和經(jīng)院哲學，曾受到教會的迫害。后來伽利略又繼續(xù)力學的研究工作，秘密出版了《關(guān)于力學和局部運動兩門新學科的談話和數(shù)學證明》一書。伽利略為以后牛頓力學的建立鋪平了道路。

總之，科學革命的實質(zhì)是思想大革命?？茖W革命使科學從服從于經(jīng)院哲學和神學的束縛中解放了出來，也使自然科學從自然哲學中分化并走上獨立發(fā)展的道路進而逐漸形成系統(tǒng)的學科體系。從哥白尼的日心說開始到后來牛頓力學體系的建立標志著第一次科學革命的完成。

251.2.3科學觀的形成

科學觀涉及到人們對自然的看法、對科學本質(zhì)的理解以及科學研究的態(tài)度、思維和方法。

科學研究方法是科學觀的一個重要方面，它指導人們?nèi)绾握J識自然并掌握自然規(guī)律。弗蘭西斯·培根是最早倡導新科學方法的人之一。他認為，一切知識來源于感覺，科學在整理感性材料時，用的是觀察、實驗、歸納、分析、比較的理性方法，經(jīng)驗、實驗是真理的來源和檢驗標準，利用一定的儀器有程序地進行的實驗才是科學知識的源泉。笛卡兒也認為實驗可以提供“原始前提的必要素材”，還能檢驗結(jié)論的正確性。伽利略同樣強調(diào)，人們必須通過實驗去閱讀“自然之書”。當時的科學家不僅強調(diào)了經(jīng)驗、實驗在認識中的作用，而且還開始對實驗方法進行研究。系統(tǒng)的實驗研究方法是把對自然的研究變?yōu)檎嬲目茖W的重要標志。實際上，物理學在本質(zhì)上就是一門實驗學科。26

根據(jù)獲得的經(jīng)驗和實驗資料建立科學理論體系，還必須進行理論概括。培根提出了經(jīng)驗歸納法即從大量的個別經(jīng)驗事實中概括出一般原理的方法，還提出了正確歸納的步驟即列舉正面和反面事例、提出假說、通過實驗進行選擇修正、最后得出科學結(jié)論。培根對假說不夠重視，認為只要對資料進行系統(tǒng)整理，正確的假說就會自然顯現(xiàn)出來。實際上并非如此簡單，所以他的歸納法有明顯缺陷，但是其方法論思想具有深遠意義。

笛卡兒則不同，他更強調(diào)理論思維即理性，把理論思維作為知識的出發(fā)點。他認為一切科學都應(yīng)該按照數(shù)學形式建立起來，從明晰的原理出發(fā)并通過邏輯途徑和數(shù)學方法進行論證，就可以得出科學結(jié)論，而實驗只具有檢驗理論結(jié)果的作用。笛卡兒的唯理論方法也是有缺點的，它忽視了實驗和經(jīng)驗的作用，培根的經(jīng)驗歸納法不了解數(shù)學的作用，兩者的相互補充是近代科學新方法論的基礎(chǔ)。27

真正代表近代科學新方法論精神的是伽利略和牛頓。

實驗和數(shù)學演繹相結(jié)合的方法到了伽利略之后已經(jīng)成熟。伽利略開創(chuàng)的近代科學研究方法可概括為：對自然現(xiàn)象進行觀測，總結(jié)出規(guī)律；提出理論假設(shè)，解釋實驗現(xiàn)象；利用數(shù)學和邏輯得到推論；對推論進行客觀、可重復(fù)、精確定量的實驗檢驗；修改理論及假設(shè)；實驗檢驗理論及假設(shè)；……。這種嚴謹?shù)姆椒ㄋ贸龅慕Y(jié)論建立在強有力的實驗基礎(chǔ)之上，因而是可靠的。他所倡導的這種理論和實驗結(jié)合的科學研究方法至今仍是自然科學家所遵循的研究準則。28

1.3經(jīng)典物理學體系的建立

文藝復(fù)興運動和科學革命使人的思想得到了解放，資本主義的發(fā)展為科學研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在此歷史環(huán)境下，誕生了近代自然科學。牛頓力學的建立，完成了人類歷史上第文一次自然科學大統(tǒng)一，標志著經(jīng)典物理學理論體系正在形成。經(jīng)典物理學理論有三大支柱即牛頓的經(jīng)典力學、熱力學與統(tǒng)計物理和經(jīng)典電磁學理論（包括光學）。

1.3.1經(jīng)典力學體系牛頓（IsaacNewton,1642-1727）

1.伽利略—近代力學的奠基人

伽利略被科學界譽為近代力學的奠基人。伽利略的兩部著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關(guān)于力學和局部運動兩門新學科的談話和數(shù)學證明》（兩門新學科指材料力學和運動學），為力學的發(fā)展打下了思想基礎(chǔ)。

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在力學研究中，伽利略既涉及到靜力學

，也深入到運動學和動力學。他研究過物體的重心和平衡，研究過材料強度，利用浮力定律制作過靜力學天平，等等。然而更重要的是運動學和動力學的研究成就，他發(fā)現(xiàn)了擺的等時性，研究了自由落體運動和拋體運動規(guī)律，研究過物體的慣性，區(qū)分了速度和加速度概念。伽利略（GalileoGalilei,1564-1642）

關(guān)于物體的運動，亞里士多德曾把運動分為強迫運動和自然運動。伽利略認為不能把運動分為自然運動和強迫運動，應(yīng)當根據(jù)運動的基本特征即速度進行分類，由此提出了勻速運動和變速運動的分類方法。他首先定義了勻速運動是指任何相等的時間間隔內(nèi)通過相等的距離，進而給出了瞬時速度的概念即物體在給定時刻的速度30

伽利略從落體運動的研究出發(fā)來研究變速運動，并假定落體運動是勻加速運動。他對勻加速運動給出了這樣定義，若一物體從靜止出發(fā)，并且在相等的時間間隔內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱之為勻加速運動。

自由落體運動是否是勻加速運動？他認為要通過實驗來檢驗。他設(shè)計了著名的斜面實驗，因為斜面上的運動慢得多，便于測量。斜面實驗的結(jié)論可以推廣到豎直的自由落體運動（斜面坡度達到90度的極限情況）。由此得出，自由落體運動就是勻加速運動，從同一高度自由下落的物體，不論其重量如何，必然同時落地。他由斜面運動提出了加速度概念。傳說伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上做過實驗，證實了落體加速度與物體重量無關(guān)的結(jié)論。有人說，他用大小相同而重量不同的的鐵球和木球同時放下，觀眾看到兩球同時落地，但歷史考證對該傳說存疑。31

伽利略在他的著作中所形成的慣性思想，為后來牛頓定律的建立和慣性概念的引入開辟了道路。他曾設(shè)計了斜面對接的理想實驗（圖1-3-1）。小硬球從光滑斜面的某一高度下落到底部再沿對接的斜面上升將達到同意一水平高度。對接斜面越平緩，上升到原高度的時間越長。當對接斜面過渡到坡度為零的水平面時，伽利略得出結(jié)論說，小球?qū)⒁院愕亩ㄋ俣龋▌蛩伲┯肋h運動下去。這就是伽利略關(guān)于慣性的思想。笛卡兒則比較完整地表述了慣性原理。他指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持靜止或勻速運動狀態(tài)，慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動。笛卡兒的表述對對牛頓的綜合工作有深遠的影響。圖1-3-1

伽利略研究了拋體運動，把拋體運動看成是物體在水平方向的勻速運動和豎直方向的勻加速運動的合成，而且兩種運動互不影響，這是關(guān)于運動疊加或合成的原理。

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他用運動合成的觀點論述了運動的相對性：在一個封閉的做勻速運動的平穩(wěn)的船艙里，由于一切物體都參與了船的勻速運動，因此各物體的相對運動關(guān)系保持不變。從桅桿上掉下的物體仍然會落到桅桿腳下，不會因船的運動而落到桅桿后面，人跳向船尾不會比跳向船頭來得遠，人們感覺不到船在運動。這就是我們今日所稱的力學相對性原理或伽利略相對性原理。這個原理的發(fā)現(xiàn)是人類科學認識史上的一個重大飛躍。

2．碰撞的研究及“活力”

在力學體系形成過程中，碰撞是一個重要研究課題。最早建立碰撞理論的是笛卡兒，他在《哲學原理》一書中肯定了運動量就是物質(zhì)的量和速度的乘積，只是當時還沒有建立“質(zhì)量”的概念，也就無法寫出動量的表達式。他還總結(jié)了7條碰撞規(guī)律，但由于缺乏對動量矢量性的了解，7條規(guī)律只有兩條正確。這兩條規(guī)律描述了動量傳遞的思想。

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荷蘭物理學家惠更斯從1652年開始研究彈性物體的碰撞，發(fā)現(xiàn)了動量守恒和彈性碰撞機械能守恒的規(guī)律，并且明確地指出了動量的方向性。認為“在兩個物體的碰撞中，大的程度與速度的平方乘積的總和保持不變”，“大的程度”即后來質(zhì)量概念，這里第一次提到mv2這個量。碰撞的研究也為建立作用力和反作用力定律準備了一定的條件。

17-18世紀，“力”的概念還不完全清晰，人們從不同的意義上使用這個概念描述了力的各種效應(yīng)，從而引起了關(guān)于“運動量”或“力”的量度的一場爭論。笛卡兒學派主張以mv量度運動量或力。而德國數(shù)學家、物理學家萊布尼茲則引進“活力”的概念，主張用mv2（后來變成mv2/2即動能）對與運動量或力進行量度，認為宇宙中“活力守恒”，且發(fā)現(xiàn)力和路程的乘積（實際上是功）與活力成正比。“活力守恒”已非常接近機械能守恒原理。以后研究表明，動量和動能是從不同的角度衡量機械運動量的兩物理量。34

3.萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)是牛頓從運動現(xiàn)象研究自然力的一個輝煌的范例。牛頓根據(jù)向心力公式和開普勒定律得出行星受中心力吸引作用、該吸引力與半徑的平方成反比。還指出“這些指向物體的力應(yīng)與物體的性質(zhì)和量有關(guān)”，從而把質(zhì)量引進到萬有引力定律。

還有許多人為萬有定律作出過貢獻。笛卡兒認為宇宙空間充滿了“以太”，以太圍繞天體形成旋渦運動，帶動天體（如太陽）周圍的物體（如行星）轉(zhuǎn)動，旋渦壓力卷吸著周圍物體趨向中心物體表現(xiàn)出引力現(xiàn)象。1645年，法國布里阿德假設(shè)“從太陽發(fā)出的力和離太陽距離的平方成反比”。1666年，比薩大學玻列利提出，引力是距離的冪的函數(shù)。英國的胡克于1680年提出引力反比于距離的平方的猜測。哈雷和倫恩在1679年按圓形軌道和開普勒定律，導出了行星的引力與其到太陽的距離的平方成反比。

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牛頓在1684年《論運動》的演講：敘述了向心力定律，證明了橢圓軌道運動下的平方反比關(guān)系。不久又在另一篇文章中：定義了質(zhì)量的概念并探討了引力與質(zhì)量的關(guān)系，從而完善了萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。

蘋果已成了萬有引力的象征：有一次他獨自坐在花園里，忽然看到一個蘋果從樹上掉下來，他吃了一驚，便沉浸在對引力的思考中。他想這種力的作用范圍可能要比通常設(shè)想的大得多，比如說一直延伸到月亮，很可能這個力就是使月亮維持軌道運動的原因。這個故事說明牛頓已覺察到天體運動與地球上物體運動的統(tǒng)一性。

4.牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》—物理學史

上第一次大綜合

1687年牛頓出版了《自然哲學的數(shù)學原理》（簡稱《原理》）這部劃時代的科學巨著，從而奠定了他在世界科學史上的崇高地位。36

《原理》創(chuàng)造性地綜合了前人和他本人的成果，總結(jié)了動力學原理并宣布了萬有引力定律，締造了天地統(tǒng)一和以三大運動定律為基礎(chǔ)的力學體系。牛頓說過：“如果我看得更遠那是因為站在巨人的肩膀上?！边@里的巨人指伽利略、開普勒、哥白尼、胡克和笛卡兒等。

《原理》共分兩大部分。第一部分為導論，給出了質(zhì)量、運動量、力、慣性等定義，提出了絕對時間、絕對空間、絕對運動和絕對靜止的概念，寫出了著名的三個運動定律以及矢量的合成分解法則、運動疊加原理、動量守恒原理、伽利略相對性原理。第一定律即慣性定律，第二定律的形式是Δ（mv）=fΔt而不是現(xiàn)在的f=ma。第三定律是作用力和反作用力定律。第二部分的第一篇研究了萬有引力定律和有心力，給出了點狀物體和均勻球體的引力公式：f=Gm1m2/r2。第二篇指出了笛卡爾漩渦學說的錯誤。第三篇用萬有引力解釋了天體的運動，宣布了宇宙中任何物體之間普遍存在著萬有引力。37

牛頓還用一個理想實驗，直觀說明了軌道運動的力與重力是同一種力：在高山上水平射出一炮彈，速度不夠時，重力使炮彈落在地上。當速度足夠大時，炮彈就繞地球運動而不掉下來。

牛頓定律在原則上可以解決所有力學問題，對多質(zhì)點系統(tǒng)，直接應(yīng)用牛頓定律煩瑣，又逐漸發(fā)展起了動量、動量矩、機械能三個守恒定律。18世紀，力學家和數(shù)學家又致力于尋找一種比牛頓定律更廣泛、更簡便的普遍力學原理，形成了分析力學。牛頓力學與天文學結(jié)合又形成了天體力學。牛頓力學的另一發(fā)展方向是推廣到連續(xù)介質(zhì)形成了彈性力學、流體力學、材料力學、空氣動力學和變質(zhì)量體力學等，它們是解決許多工程問題的基礎(chǔ)。

牛頓首次大量地用數(shù)學方法系統(tǒng)地整理和闡述物理理論以及在觀察、實驗的基礎(chǔ)上歸納出自然規(guī)律的方法，為以后各種物理理論體系的建立樹立了典范。

381.3.2經(jīng)典光學理論體系

光學的發(fā)展可分為五個時期即萌芽時期（15世紀以前）、幾何光學（16-18世紀）、波動光學（19世紀）、量子光學（20世紀初）和現(xiàn)代光學（20世紀60年代起）。此處著重介紹經(jīng)典光學包括幾何光學和波動光學的發(fā)展。

1．幾何光學

從托勒密開始，經(jīng)歷了1500年終于得到了嚴格的折射定律。折射定律連同反射定律和光的直線傳播原理一起，構(gòu)成了幾何光學的理論基礎(chǔ)。

2．波動光學

1704年，牛頓提出了光的微粒學說：光是微粒流，從光源飛出，在真空和均勻媒質(zhì)中因慣性而勻速直線運動。用此觀點解釋了光的直線傳播、光的反射和光的折射。39

惠更斯、胡克和歐拉堅決主張光的波動說?；莞拐J為光是發(fā)光體中微小粒子的振動，是彌漫于宇宙空間的介質(zhì)“以太”中的波的傳播過程.他用子波和波陣面的概念引進了著名的惠更斯原理，解釋了反射和折射定律。但他沒有把波動過程的特性給予足夠的說明，沒有指出光波長，沒有認識到波的疊加性，沒能解釋光的干涉、衍射和偏振，而且以太這種物質(zhì)也值得懷疑。由于牛頓的權(quán)威，微粒說占統(tǒng)治地位達一個世紀之久。

19世紀初，托馬斯·楊和菲涅耳為光的波動理論奠定了堅實的基礎(chǔ)，人們開始普遍接受光的波動說。1801年，楊做了著名的雙縫干涉實驗。1815年，菲涅耳將干涉原理和惠更斯原理結(jié)合，形成了惠更斯-菲涅耳原理，解釋了光的衍射。1808年，馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振。楊用光的橫波假設(shè)說明了光的偏振現(xiàn)象。但人們把光仍然看成是“以太”中的機械彈性波。40

1865年，麥克斯韋提出了一套完整的電磁場方程并由此推出了電磁場傳播的波動方程，預(yù)示電磁場以橫波形式在空間傳播，求出了電磁波的速度為光速。1868年，麥克斯韋又發(fā)表了《關(guān)于光的電磁理論》論文，把光概括到了電磁理論中，將電、磁、光統(tǒng)一起來。1888年赫茲由實驗測定了電磁波的速度，正好等于光速。至此完全確立了光的電磁說。

19世紀末到20世紀初，人們對光學的研究已經(jīng)深入到光的發(fā)射、光與物質(zhì)的相互作用的微觀機制中，光的電磁理論在解釋光和物質(zhì)相互作用的某些現(xiàn)象時遇到了困難，例如黑體熱輻射實驗、光電效應(yīng)實驗等。1900年普朗克提出了能量子概念成功地解釋了黑體輻射。1905年，愛因斯坦提出了光子假說，圓滿地解釋了光電效應(yīng)。光子理論為后來許多實驗如康普頓效應(yīng)所證實，從而形成了量子光學。20世紀60年代激光問世以來，形成了現(xiàn)代光學

411.3.3經(jīng)典熱力學與統(tǒng)計物理學體系

1．早期的熱學研究

古代對熱的不同看法只停留在思辯和猜測的水平上，沒有科學的證明。17世紀以后，熱的本質(zhì)問題又引起了人們的興趣。存在著兩種觀點：一種是從物質(zhì)內(nèi)部的運動解釋熱現(xiàn)象，另一種是用意想的特殊物質(zhì)即熱質(zhì)來解釋熱現(xiàn)象，熱質(zhì)說一度占了上風。不少人根據(jù)摩檫生熱，認為熱是物質(zhì)內(nèi)部分子運動的表現(xiàn)，但尚缺乏足夠的實驗依據(jù)，因此人們未普遍接受。

18世紀中葉以后，多數(shù)物理學家用熱質(zhì)來解釋自然界的冷熱變化.熱質(zhì)說者稱熱由無重量的某種特殊物質(zhì)組成。在熱質(zhì)說指引下,熱學也有一定進展.波爾哈夫在做混合物的實驗時斷言“熱不能創(chuàng)造也不能消滅”，提出了混合時熱量守恒的思想。英國化學家布萊克是熱質(zhì)說的主要倡導者。42

他在研究熱傳導時，提出了比熱、熱容量概念，得出了量熱學基本公式Q=cmΔt，而且區(qū)分了溫度和熱量的概念即溫度是“熱的強度”、熱量是“熱的數(shù)量”，還發(fā)現(xiàn)了潛熱。當時熱質(zhì)說之所以能占上風，是因為熱質(zhì)說能很好地解釋一些熱現(xiàn)象如溫度的變化是吸收和放出熱質(zhì)引起、熱傳導是熱質(zhì)的流動、摩檫或碰撞生熱是熱質(zhì)被逼出來的緣故。

18世紀末，熱質(zhì)說受到了嚴重的挑戰(zhàn)。倫福德于1797年向皇家學會提交了《論摩檫激起的熱源》的報告，敘述了他的機械功生熱的發(fā)現(xiàn)，他觀察到大炮鏜孔時劇烈發(fā)熱，浸在水中的炮筒使水溫快速上升。他認為熱是物質(zhì)運動的一種形式。1799年，英國化學家戴維利用鐘表機件使放在真空容器里的兩塊冰摩檫融化成水，他斷言，熱質(zhì)是不存在的，熱質(zhì)守恒不成立，熱是物體微粒的運動或振動。倫福德和戴維的正確觀點為熱質(zhì)說的最終破滅提供了令人信服的論據(jù).43

但熱質(zhì)說在當時并未因此而推翻。這個問題直到19世紀熱力學第一定律建立后，才得到真正解決。

2．能量守恒定律與熱力學理論的建立

能量守恒原理的建立是生產(chǎn)技術(shù)、哲學和自然科學長期發(fā)展的結(jié)果。在中國古代和古希臘，就已經(jīng)提出運動不滅又不可創(chuàng)造的思想。在近代科學產(chǎn)生以來，對能量守恒原理的認識是從力學的研究開始的。到19世紀20年代，人們已弄清了功和機械能變化的量度關(guān)系。機械能守恒實際上是能量守恒在機械運動中的特殊情況。永動機不可能實現(xiàn)的歷史教訓，從反面提供了能量守恒原理的例證。很早以來，一些發(fā)明者企圖創(chuàng)造一種理想機械，這種機械（第一類永動機）在不消耗任何燃料和動力的情況下不斷地進行有效的工作。但各種設(shè)計巧妙的永動機最后都以失敗告終。44

17世紀末期，法國人巴本發(fā)明了第一臺活塞式蒸汽機，爾后還出現(xiàn)了各種其他蒸汽機。瓦特最有名，他設(shè)計的蒸汽機效率最高。蒸汽機的發(fā)明和利用為能量守恒與轉(zhuǎn)化定律（熱力學第一定律）的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。而提高熱機效率的研究則導致了熱力學第二定律的建立。

瓦特（JamesWatt,1736-1819）

蒸汽機的動力應(yīng)用促使人們?nèi)ド钊胩接憴C械運動和熱運動之間的相互轉(zhuǎn)化，而在其他領(lǐng)域，各種運動形式之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，也相繼被發(fā)現(xiàn)。如動物電、溫差電及其逆效應(yīng)、電流的熱效應(yīng)、電流產(chǎn)生機械運動、電流的磁效應(yīng)、電磁感應(yīng)、電解、化學反應(yīng)熱、伏特化學電池、紫外線的化學作用等等，還有古人已發(fā)現(xiàn)的摩檫生電、摩檫生熱。人們逐漸形成了能量概念并認識到各種運動形式是能量的不同表現(xiàn)形式。

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能量守恒定律就是在對力、熱、光、電、化學等各種運動形式相互聯(lián)系的基礎(chǔ)上建立起來的。到19世紀40年代，能量守恒定律已經(jīng)完全確立。公認對能量守恒定律（熱力學第一定律）的建立貢獻最大的是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。邁爾提出了焦耳（JanesPrescottJoule,1818-1889）力（即能量）的不滅性和可轉(zhuǎn)化原理，并初步計算了熱功當量。焦耳從1837年起到1878年花了40年的時間，先后用不同的方法進行了400多次關(guān)于熱功當量的實驗，以精確的數(shù)據(jù)為能量守恒定律提供了無可置疑的實驗事。1847年，亥姆霍茲在《論力的守恒》中寫道：“自然界作為整體來說，它蘊藏著一定數(shù)量的能量，既不會減少，也不會增加。因此，自然界中的能量是永恒的和不變的，就象物質(zhì)的數(shù)量守恒一樣。我把這種形式定義的普遍規(guī)律稱為能量守恒定律”。46

熱力學第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在涉及熱現(xiàn)象過程中的具體體現(xiàn)。德國克勞修斯于1850年給出了熱力學第一定律的數(shù)學表達式。熱力學第二定律（能量耗散定律）是關(guān)于熱能與機械能（或其他形式能量）轉(zhuǎn)化的一種特殊規(guī)律，基本內(nèi)容是：涉及到熱的過程是不可逆的，在實用上是尋求熱機效率的最大可能性。克勞修斯和英國開爾文分別給出了關(guān)于熱力學第二定律的說法。熱力學第二定律的發(fā)現(xiàn)與熱機效率的研究分不開?？ㄖZ于1824年提出了在熱機理論中有重要地位的卡諾定理，該定理成了熱力學第二定律的先導?？藙谛匏挂隽诵碌奈锢砀拍睢?，得出了熱力學第二定律的數(shù)學式，用熵的概念表述了熱力學第二定律即自然界一切自發(fā)過程總是沿著熵不減少的方向進行的。熱力學第一、第二定律構(gòu)成了熱力學的理論基礎(chǔ)，熱力學是物理學的重要組成部分。1912年，德國的能斯脫建立了熱力學第三定律（絕對零度不可能達到）。47

3．分子運動論及統(tǒng)計物理學

19世紀中葉，物理學界普遍認識到熱和分子運動的聯(lián)系?？藙谛匏?、麥克斯韋、玻耳茲曼是分子運動論的主要奠基者，他們對分子動理論進行了系統(tǒng)研究，運用概率統(tǒng)計方法,由系統(tǒng)的微觀運動狀態(tài)預(yù)言系統(tǒng)熱運動的宏觀性質(zhì)。克勞修斯在1857年第一次引進了統(tǒng)計思想，提出了理想氣體分子模型，得到了氣體壓強和分子平均平動能成正比、分子的平動能又與絕對溫度成正比的認識。麥克斯韋得出了氣體分子在碰撞后沿各個方向運動的概率相等的結(jié)論。他還指出，氣體分子速度大小范圍可以從0到無窮大.用概率方法得到了平衡態(tài)下氣體分子速度和速率分布定律。玻耳茲曼又把麥克斯韋速度分布律推廣到有外力場作用的情況，得出了粒子按能量大小分布的規(guī)律即玻耳茲曼定律。他把熵和熱力學狀態(tài)的幾率W聯(lián)系起來，得出了物理學中最重要的公式之一S=klnW（墓碑），明確地說明了熵的統(tǒng)計意義，揭示熱力學第二定律的實質(zhì)。他指出，不可逆性由概率引起，一個孤立系統(tǒng)總是向概率最大的宏觀態(tài)演化。48

以上工作為統(tǒng)計力學奠定了基礎(chǔ)。吉布斯大大改進和發(fā)展了麥克斯韋、玻耳茲曼的統(tǒng)計方法，于1902年出版了《統(tǒng)計力學基本原理》一書，這標志著平衡態(tài)經(jīng)典統(tǒng)計力學的建立。統(tǒng)計物理學使人們對物質(zhì)的認識從宏觀領(lǐng)域進入到了微觀領(lǐng)域。20世紀，量子力學建立后，經(jīng)典統(tǒng)計物理學經(jīng)過改造又建立了量子統(tǒng)計物理學。量子統(tǒng)計物理學強有力地推動了對固體、液體和等離子體中各種物理性質(zhì)的研究。20世紀50年代以后，非平衡態(tài)熱力學和統(tǒng)計物理學得到了迅速發(fā)展。20世紀60年代以來，以比利時物理學家普利高津為代表所創(chuàng)造的關(guān)于非平衡系統(tǒng)自組織現(xiàn)象的理論，在物理學、化學、生物學、醫(yī)學、生態(tài)演化、天體演化等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用取得了重大進展。但非平衡態(tài)理論還很不完善，有待于繼續(xù)研究和發(fā)展。491.3.4經(jīng)典電磁學理論體系

從文藝復(fù)興時期開始，電學和磁學進入了系統(tǒng)的實驗研究，但兩者是獨立發(fā)展的。自奧斯特發(fā)現(xiàn)電流具有磁效應(yīng)以后，電和磁便形成了一個統(tǒng)一的整體。

1.電學和磁學的早期研究

古代中國和古希臘，就有了摩檫起電、磁石吸鐵、司南等歷史記載。但對電、磁現(xiàn)象進行比較系統(tǒng)的研究，是從16世紀以后才開始的。1600年，英國科學家吉爾伯特用天然磁石制成一個大石球，把小磁針放在磁石上面，發(fā)現(xiàn)小磁針與指南針在地球上的行為一樣。由此設(shè)想地球是一個巨大的磁石。他制作了第一個驗電器以檢驗物體是否帶電。還發(fā)現(xiàn)了多種物質(zhì)（除琥珀外，還有金剛石、藍寶石、硫磺、樹脂等）具有摩檫起電性質(zhì)。1660年，德國的格里凱發(fā)明了用硫磺球產(chǎn)生大量電荷的摩檫起電機，1705年豪客斯比用玻璃球代替硫磺球做成摩檫起電機。

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1720年，格雷研究了電的傳導現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了導體和絕緣體的區(qū)別，又發(fā)現(xiàn)了靜電感應(yīng)現(xiàn)象。1733年，杜菲通過實驗區(qū)分出兩種電荷，并總結(jié)出同性相斥異性相吸的靜電基本特性?？巳R斯特于1745年發(fā)明的萊頓瓶提供了一種儲存電的方法。美國偉大的科學家、政治家和美國獨立之父富蘭克林在電學中作了許多重要工作，大大豐富了人類對電的認識。他發(fā)現(xiàn)了尖端放電，發(fā)明了避雷針。他利用風箏從雷云中收集的電荷給萊頓瓶充電而得到電火花，從而證明閃電是一種電現(xiàn)象，統(tǒng)一了天電和地電。他認為摩檫起電是電從一個物體向另一物體轉(zhuǎn)移引起的，從而發(fā)現(xiàn)了電荷守恒原理。他第一個用數(shù)學上的正負表示兩種電荷，還首創(chuàng)了導體、充電、放電等一直沿用至今的術(shù)語。至此，已經(jīng)建立了靜電力基本特性、電荷守恒和靜電感應(yīng)原理等電的初步認識，但還沒有建立關(guān)于電的定量規(guī)律，電的知識還不能成為一門嚴密的科學。51

2.庫侖定律的建立

庫侖定律是電磁學基本定律之一，它的發(fā)現(xiàn)使電磁學進入了定量的研究，是電磁學真正成為一門學科的開始。

18世紀中葉，人們對電力和磁力的認識作出了類似于萬有引力的各種猜測。牛頓曾經(jīng)證明過，如果萬有引力服從平方反比定律，則均勻球殼內(nèi)的物體應(yīng)無作用。富蘭克林在1755年做了一個對電力的規(guī)律有重要啟示的銀罐實驗，他將空銀灌帶電，用細線吊一個小軟木球放到灌里，發(fā)現(xiàn)木球并未受到電的作用，而且當木球接觸到灌內(nèi)壁后再取出來也不帶電。英國電學家普列斯特利從富蘭克林的實驗結(jié)果中隨即意識到“電的吸引遵從與萬有引力相同的定律即按距離的平方的反比而變化”。在此之前，德國的埃皮努斯和瑞士的D·伯努利也有過電力平方反比關(guān)系的猜測。上述關(guān)于電力規(guī)律的研究僅停留在猜測階段。52庫侖(C.A.Coulomb,1736-1806)

決定性的研究工作是由法國科學家?guī)靵鐾瓿刹⒐T于世的（1785年）。庫侖設(shè)計了精密的扭秤實驗，精確測得同類電荷斥力的平方反比關(guān)系。他又把異類電荷引力與單擺受地球引力作用類比，設(shè)計了電擺實驗，進而得出電荷引力的平方反比關(guān)系。他還用上述方法測過磁力，也得出了磁力同距離的平方反比關(guān)系。他用金屬球互相接觸的方法，獲得了各種大小的電荷，最終得出了完整形式的庫侖定律即f=kq1q2/r2。這個定律與牛頓萬有引力定律驚人地相似。實際上蘇格蘭的羅比森和卡文迪什在庫侖之前十多年就已經(jīng)作過電力定量的實驗研究，確定了電力平方反比定律，可惜沒有及時發(fā)表而未對科學的發(fā)展起到應(yīng)有的推動作用。53

3.電流的發(fā)現(xiàn)與研究

18世紀末，電學的研究從靜電領(lǐng)域發(fā)展到動電領(lǐng)域。1791年，意大利解剖學教授伽伐尼發(fā)現(xiàn)，當兩種連接起來的金屬導體的兩端分別與肌肉和神經(jīng)接觸時，會引起青蛙四肢的抽搐。他設(shè)想這是由神經(jīng)傳到肌肉的一種特殊電流引起的，金屬起著傳導作用，于是把這種電流稱為“動物電”。而伏打則認為青蛙抽搐是外部電作用的結(jié)果。伏打發(fā)現(xiàn)，將相連接的兩種金屬浸在液體或潮濕的物質(zhì)中會出現(xiàn)電效應(yīng)。1800年，伏打把鋅片和銅片夾在鹽水浸濕的紙片中，重復(fù)地疊成一堆，形成了很強的電源這就是著名的伏打電堆。把鋅片和銅片插入鹽水或稀酸中也可做成電源。這種電源可以提供持續(xù)的電流，從而將電學的研究引入到了動電的途徑。1826年，歐姆建立了電路定律即歐姆定律。54

4.電磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)

在1820年之前，電和磁是獨立研究的。丹麥物理學家奧斯特信奉康德的哲學，認為自然界各種基本力是可以相互轉(zhuǎn)化的，深信電和磁有某種聯(lián)系。1820年，他做起了這類實驗，探索到電流的磁效應(yīng)。奧斯特的發(fā)現(xiàn)，為物理學新的大綜合開辟了道路，正如法拉第所說：“猛然打開了科學中黑暗領(lǐng)域的大門”。奧斯特的發(fā)現(xiàn)使物理學界大為震動，許多人迅速投入了相關(guān)研究。畢奧和薩伐爾確定了載流直導線對磁針的作用力。拉普拉斯提出了電流元概念，從數(shù)學上推出畢奧—薩伐爾定律。安培提出了確定磁針偏轉(zhuǎn)的右手定則，提出了地球磁性由繞地球從西向東的圓電流引起的設(shè)想，提出了磁鐵的磁性來源于“分子電流”假說并把一切磁現(xiàn)象歸結(jié)于電流間的相互作用,推出了電流元之間的相互作用力公式（在形式上與萬有引力定律相似）.安培定律的建立奠定了電磁理論的基礎(chǔ)。55

電流的磁效應(yīng)又引起了逆向思考：磁是否可以生電？許多物理學家圍繞該課題做了大量的實驗。十年后，英國的法拉第和美國的亨利才發(fā)現(xiàn)磁生電現(xiàn)象即電磁感應(yīng)。亨利早一年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，但未發(fā)表。法拉第不但獨立地發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)，而且工作的深度和廣度遠遠超過亨利。因此，人們把電磁感應(yīng)發(fā)現(xiàn)的功勞歸于法拉第。1821年，他進行了一系列磁生電的實驗研究。他開始以為穩(wěn)恒磁場也可以產(chǎn)生穩(wěn)恒電流，以致于年復(fù)一年的實驗均告失敗。但他堅信電與磁是相互聯(lián)系的、磁一定可以生電。直到1831年8月29日終于發(fā)現(xiàn)，繞在一個鐵環(huán)上的兩個互相絕緣的線圈，穩(wěn)定電流不能在另一線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，僅當電流改變時才能感生另一電流。接著，他又做了其它實驗并進行了總結(jié)。11月24日，法拉第向皇家學會報告了他的發(fā)現(xiàn)：變化的電流、變化的磁場、運動的穩(wěn)恒電流、運動的磁鐵、磁極附近運動的導線都可以感生出電流。56法拉第(M.Faraday,1791-1867)

關(guān)于感應(yīng)電流的方向，法拉第敘述得不太明確。1833年，俄國的楞次在考察電磁感應(yīng)現(xiàn)象的全過程后，提出了確定感應(yīng)電流方向的楞次定律。1833年由紐曼以定律的形式給出了電磁感應(yīng)的定量規(guī)律。1847年，亥姆霍茲揭示出楞次定律是能量守恒定律在電磁現(xiàn)象中的具體反映。法拉第的貢獻不僅是發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，他還是電化學的奠基人，也發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)和物質(zhì)的抗磁性。他創(chuàng)建的力線思想和場的概念為電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)定律是發(fā)電機的理論基礎(chǔ)，其確立開創(chuàng)了人類利用電能的新時代.

5.力線和場的初步思想

法拉第關(guān)于力線和場的思想對電磁學乃至整個物理學的發(fā)展都有重要影響。他不同意電磁力是超距作用的觀點，首先提出了場的思想。

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他認為，帶電體或磁體（電流）在其周圍空間會產(chǎn)生一種媒質(zhì)或“緊張”狀態(tài)，叫做“場”，電磁作用是依靠場來傳遞的。為了直觀地描述場的形式，他又引入“力線”的概念。例如用鐵屑可以顯示出磁力線排成的圖形。他認為，電力和磁力不是通過虛空的超距作用、而是通過電力線和磁力線傳遞的；電力線或磁力線由帶電體或磁極發(fā)出，彌漫于空間，作用于其中的每一個電磁物體；力線的傳播速度是有限的。法拉第用力線的概念表述了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：電磁感應(yīng)是由于導線切割磁力線而引起的，感生電流的大小與切割的磁力線的數(shù)目成正比。幾十年后，開爾文評價說：“在法拉第的許多貢獻中，最偉大的一個就是力線的概念了，借助它可以把電場和磁場的許多性質(zhì)簡明而富有啟發(fā)性地表示出來”。58麥克斯韋(JamesClerkMaxwell,1831-1879

電磁學豐碩的實驗研究成果以及法拉第的力線和場的概念為麥克斯韋建立統(tǒng)一的電磁場理論準備了條件。

麥克斯韋經(jīng)過近十余年的努力，分三步建立起電磁理論。1856年，用精確的數(shù)學形式表述法拉第的力線概念。1862年，引入了“位移電流”假設(shè)（變化的電場引起介質(zhì)電位移的變化）并認為位移電流與傳導電流一樣在空間激發(fā)磁場，保證了理論的對稱性即變化的電場產(chǎn)生渦旋磁場、變化的磁場產(chǎn)生渦旋電場（感生電場）.

1865年，確立了電磁場的概念，通過數(shù)學方法總結(jié)了電磁場基本方程組,推出了電磁場所遵循的波動方程，預(yù)言了電磁波的存在,計算出電磁波的傳播速度為光速，進而確立了光的電磁理論。1873年出版了《電磁理論》這部經(jīng)典名著。59

德國物理學家赫茲在1887—1888年期間用實驗證實了麥克斯韋預(yù)言的電磁波的存在，并且測出了電磁波的波長，根據(jù)波長和電磁振蕩頻率計算出電磁波速度是光速。赫茲還用實驗證實了電磁波能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和駐波。經(jīng)過赫茲等人的修改，麥克斯韋方程由原來的八個方程變成了具有完美對稱性的四個方程而確定下來。麥克斯韋曾提出過“電磁以太說”，1900年前，電磁以太被逐漸看作是宇宙中的基本實體。麥克斯韋的電磁理論實現(xiàn)了電磁光的統(tǒng)一，這是自牛頓實現(xiàn)天上和地上的運動的統(tǒng)一后的又一次大統(tǒng)一。他的理論成果也是現(xiàn)代無線電電子工業(yè)的理論基礎(chǔ)。

1.420世紀物理學的發(fā)展60

19世紀末，物理學包括力學、熱學、電磁學和光學都已形成了完整的理論體系。不少人認為，物理學大廈已經(jīng)落成，物理學上基本的、原則的問題已經(jīng)解決，偉大的發(fā)現(xiàn)不會再有。然而，在這一段時間卻陸續(xù)出現(xiàn)了許多無法用經(jīng)典理論解釋的實驗事實，從而引發(fā)了物理學史上一場暴風驟雨式的革命.1.4.1現(xiàn)代物理學革命的開端

開爾文在1900年為展望20世紀物理學而發(fā)表的講演中說：“在已經(jīng)基本建成的科學大廈中，后輩物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了?！薄暗谖锢韺W晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云”。正是這兩朵小小的烏云（指當時無法解釋的熱輻射實驗和邁克爾孫-莫雷實驗），掀起了物理學革命的高潮。而三個重大發(fā)現(xiàn)（x射線、放射性、電子的發(fā)現(xiàn)），揭開了近代物理的序幕。61

1.世紀之交的三大發(fā)現(xiàn)

電子、x射線和放射性三大發(fā)現(xiàn)都來源于對陰極射線的研究。

(1)電子的發(fā)現(xiàn)陰極射線是低壓氣體放電過程出現(xiàn)的一種奇特現(xiàn)象。從陰極發(fā)出的射線稱之為陰極射線。對陰極射線的本性作出正確解釋的是英國劍橋大學教授J·J·湯姆遜。他從1890年起，通過實驗證明了陰極射線是帶負電的粒子流，荷質(zhì)比是氫離子的2000倍左右，為所有物質(zhì)共有，應(yīng)是比原子更小的粒子。原子不可再分的傳統(tǒng)觀念將被打破。湯姆遜采用“電子”來稱呼這種粒子。且測量證明電子電量約與氫離子電量相同，從而說明電子的質(zhì)量約為氫原子的1/2000。雖然普遍認為是湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，更準確地說是湯姆遜發(fā)現(xiàn)了自由電子。而預(yù)言和發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部的束縛電子的是洛倫茲和他的學生塞曼。62

（2）x射線的發(fā)現(xiàn)

x射線是德國的倫琴發(fā)現(xiàn)的。1895年11月8日傍晚，倫琴在實驗室做陰極射線管氣體放電實驗。他在暗室中做實驗，把放電管用黑紙包起來以免受可見光的影響。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，在放電時，離放電管一段距離的一個涂有亞鉑氰化鋇的熒光屏發(fā)出閃光。他確信不可能是陰極射線引起的，因為陰極射線穿透能力弱，不可能穿過放電管的玻璃外殼。他意識到已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的射線。由于不了解它的性質(zhì)，故取名為x射線。又經(jīng)過一個多月反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，這種射線人眼看不見，具有很強的穿透性，能穿透許多普通光線不能穿透的材料，直線傳播而不被磁場偏轉(zhuǎn)，可使熒光物質(zhì)發(fā)光、使照片底片感光，能顯示人手骨骼等。1896年1月，他把《論一種新射線》的報告并附上手掌的x射線照片公之于眾。這一發(fā)現(xiàn)在全世界引起了轟動。1912年，德國的勞厄通過晶體的x射線衍射實驗，證實x射線是波長很短的電磁波。英國的莫塞萊于1913年證實x射線是原子內(nèi)層電子躍遷所發(fā)出的輻射。63

（3）放射性的發(fā)現(xiàn)放射性是在對x射線的研究中發(fā)現(xiàn)的。1896年，貝克勒爾對哪些熒光或磷光物質(zhì)能產(chǎn)生x射線進行了研究，結(jié)果他所試驗的物質(zhì)并不發(fā)出x射線。2月下旬，他改用能發(fā)磷光的鈾鹽做實驗，發(fā)現(xiàn)鈾鹽能自發(fā)地發(fā)射出可穿透黑紙的射線，這種射線還能使照相底片感光、使氣體電離、象x射線一樣穿透幾乎一切物質(zhì)，但同x射線和熒光完全無關(guān)。人們稱這種射線為“貝克勒爾射線”。“放射性”是后來居里夫人取的名字。居里夫婦又把貝克勒爾的工作推向深入。他們不局限于鈾鹽，決定對各種元素進行普查。1898年4月發(fā)現(xiàn)了釷有放射性，7月發(fā)現(xiàn)了放射性是鈾的幾百倍的釙，9月發(fā)現(xiàn)了放射性是鈾的百萬倍的鐳。釙和鐳的發(fā)現(xiàn)大大促進了人們對放射性的研究。64

盧瑟福等人又發(fā)現(xiàn)天然放射性是由幾種不同的射線組成的，其中有兩種帶電的射線（一種帶正電，一種帶負電，分別命名為α射線和β射線，后證實為氦核流和電子流）。法國的維拉德又發(fā)現(xiàn)鐳還有不帶電的第三種射線，被叫做γ射線。盧瑟福等經(jīng)過研究認為，放射性過程伴隨著元素的蛻變。元素不變的觀念受到了沖擊。

總之，電子的發(fā)現(xiàn)證實原子是有結(jié)構(gòu)的，x射線是電子內(nèi)層軌道躍遷產(chǎn)生的，也與原子結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，它們的發(fā)現(xiàn)是原子物理的開端。放射性射線是原子核內(nèi)發(fā)出的，它的發(fā)現(xiàn)打開了核物理的大門。居里夫人（MariaSklodowskaCurie,1867-1934）65

2．兩朵令人不安的“烏云”

開爾文的“兩朵烏云”就是關(guān)于以太漂移速度測定“零結(jié)果”解釋的困難和關(guān)于能量均分定理對熱輻射和固體比熱解釋的困難。

以太學說的困惑

19世紀，光的波動理論復(fù)興，麥克斯韋設(shè)想用以太的力學運動來解釋電磁現(xiàn)象。此后，以太的存在在物理學界獲得了廣泛的承認。人們認為：以太是傳播光和電磁波的媒質(zhì)，是充滿全部空間、絕對靜止、極其稀薄的剛性物質(zhì)；以太是一種特殊的慣性參照系，光在以太中沿各個方向的傳播速度都為c（真空中的光速）；對其他相對于以太運動的參照系，光和電磁波的傳播速度不是c。這樣，以太參照系便成了“絕對空間”，利用在靜止以太中以恒定速度傳播的光信號，又可以確定出宇宙空間一切地點都同步的“絕對時間”。于是，以太就成了牛頓絕對時空觀的物質(zhì)化身。

66

人們一直試圖用實驗證實以太的存在。既然以太靜止，則從相對于以太運動的物體上來看，好象以太在漂移。地球在轉(zhuǎn)動，從地面上看，與地球運動相反方向有“以太風”。只要測定出以太相對于地面的漂移速度，就能證實以太的存在。到1879年，雖然有許多學者以不同的方法進行過多次有關(guān)以太測量的實驗，但都未能測出以太漂移速度。邁克爾遜是當時精密光學測量方面的著名專家，以他名字命名的干涉儀，其靈敏度達10-8。他于1881年第一次在德國進行以太漂移的測量，后來又與化學家莫雷合作改進實驗精度，于1887年在美國進行測量，但得到的都是以太漂移速度為零的結(jié)果。這就是說，沒有什么以太風，不同的方向光速相同。洛倫茲為了解釋邁克爾遜-莫雷實驗，競提出了十一個假設(shè)但都不能自圓其說。這意味著尋找特殊參照系的企圖失敗，經(jīng)典物理賴以建立的牛頓的絕對時空觀遇到嚴重困難。因此，開爾文把以太漂移的“零結(jié)果”看作是一朵“烏云”。67

能量均分定理的困難能量均分定理是統(tǒng)計物理的一個重要定理。由這一定理可以推出固體比熱為恒量，常溫下與實驗偏離不大，但在低溫下理論與實驗出現(xiàn)了明顯的矛盾。把能量均分定理用于熱輻射實驗規(guī)律的解釋同樣存在問題。熱輻射實驗兩個定律：黑體輻射總能量與絕對溫度的四次方成正比(w=σT4)

，稱為斯忒潘-玻爾茲曼定律。熱輻射能量強度最大所對應(yīng)的波長與溫度成反比(λmT=b)，稱為維恩位移定律。1896年，維恩從熱力學理論出發(fā)建立了輻射能量密度的分布公式—維恩公式，但只在短波長、溫度低時才與實驗符合。英國的瑞利根據(jù)經(jīng)典能量均分定理和電磁理論導出了一個輻射能量密度的分布公式—瑞利-金斯公式（金斯于1905年糾正了一個因子）。該公式在長波范圍與實驗符合很好，但在波長很短（紫外端）時，輻射能量密度卻出現(xiàn)無窮大（發(fā)散）。這個結(jié)果后來被稱為“紫外災(zāi)難”。這就是開爾文所說的第二朵“烏云”。68

3．現(xiàn)代物理學革命的開端

開爾文希望他所提出的兩朵烏云在經(jīng)典物理學的框架內(nèi)很快消散。它們不但沒有消散，而且演變成了一場暴風雨。正是在這兩朵烏云里，孕育了兩個偉大的革命性的理論—相對論和量子論。實際上，電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可分的傳統(tǒng)觀念，開辟了原子物理學新領(lǐng)域；放射性的發(fā)現(xiàn)為原子核物理作好了必要的準備；以太漂移測定的失敗為狹義相對論的創(chuàng)立提供了重要依據(jù)；經(jīng)典理論對熱輻射解釋所暴露出來的問題是量子理論建立的前奏。在世紀之交的年代，物理學正在向微觀、高速領(lǐng)域進發(fā)。1.4.2愛因斯坦相對論的建立

1.狹義相對論的誕生69

狹義相對論是關(guān)于時間、空間和物質(zhì)運動的理論。它是20世紀以來物理學發(fā)展最偉大的成就之一。它和量子力學構(gòu)成了現(xiàn)代物理學及高技術(shù)發(fā)展的基石。狹義相對論的建立，對人類時空觀、物質(zhì)觀、運動觀、宇宙觀都有重大影響。

在狹義相對論建立之前，洛倫茲和龐加萊做了先行性工作，提出了兩個慣性系之間的坐標和時間的變換關(guān)系式即著名的洛倫茲變換。洛倫茲還導出了質(zhì)量與速度關(guān)系以及光速是物體在以太中運動速度的極限。龐加萊表述了相對性原理和光速不變原理，已類似于愛因斯坦狹義相對論的基本原理，但在實質(zhì)有明顯差別。龐加萊承認以太的存在，認為只有在靜止的以太中光速才嚴格為c。他們已經(jīng)走到了狹義相對論的邊緣，只因未能跳出絕對時空觀的框架，而無緣創(chuàng)立狹義相對論。只有愛因斯坦能打破傳統(tǒng)觀念的束縛，憑著自己的獨立思考，創(chuàng)立了嶄新的革命性的物理學理論—相對論。

70愛因斯坦（AlbertEinstein,1879-1955）

愛因斯坦，一位舉世聞名的科學家。1905年，26歲的愛因斯坦發(fā)表了涉及三個領(lǐng)域（光量子概念、布朗運動理論、狹義相對論）的四篇重要論文，每一篇論文都足以使他在物理學史上占據(jù)不朽的地位。1916年發(fā)表廣義相對論。同年還發(fā)表了論文《關(guān)于輻射的量子理論》，提出了自發(fā)輻射和受激輻射以及躍遷幾率的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1917年他以廣義相對論為基礎(chǔ)，開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學。1921年，因光量子理論獲諾貝爾獎。1924年，建立了玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。1933年10月定居美國。1950年發(fā)表了新的統(tǒng)一場論論文。1955年4月逝世。愛因斯坦一生的貢獻不僅是相對論，在其他理論物理學領(lǐng)域（包括量子論、統(tǒng)計理論、激光理論和凝聚態(tài)物理）也有非常重要的地位，以他的成就至少有5次獲得諾貝爾獎的資格。71

少年時代的愛因斯坦就萌發(fā)了相對論思想。他在16歲時就想到了一個追光的理想實驗：“如果我以光速追隨光線運動，我應(yīng)該看到這樣一條光線，就好象一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁場?？墒?，無論是經(jīng)驗還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情。從這樣一個觀察者的觀點來判斷，一切都應(yīng)當象一個相對于地球是靜止的觀察者所看到的那樣按照同樣的規(guī)律進行。因為，第一個觀察者怎么會知道他是處在均勻的快速運動狀態(tài)中了？”充分顯示了他高超的才智和敏銳的洞察力。以后10年，他閱讀了洛倫茲的著作，取得了觀念上突破。奧地利馬赫關(guān)于牛頓絕對時空觀的批判，也對愛因斯坦的思想產(chǎn)生了深刻的影響。愛因斯坦后來談到邁克爾遜實驗零結(jié)果對他的影響時說過：“如果承認邁克爾遜的零結(jié)果是事實，那么地球相對于以太運動的想法就是錯誤的，這是引導我走向相對論的最早想法”。72

愛因斯坦終于在1905年6月創(chuàng)立了驚世駭俗的狹義相對論。這一年，愛因斯坦發(fā)表了《論動體的電動力學》這一歷史性文獻，完整地闡述了狹義相對論，揭示了空間、時間的聯(lián)系，從而引起了物理學的革命。他果斷地把“相對性原理”（物理規(guī)律對所有慣性系都一樣）和“光速不變原理”（在任何慣性系中，光在真空中速度相同）兩條似乎矛盾的設(shè)想作為狹義相對論的基本出發(fā)點。在他的理論里，以太的概念是多余的，不需要特設(shè)絕對靜止的參照系。愛因斯坦以兩個公設(shè)導出時空變換關(guān)系，進而又推導出運動物體“長度縮短”、運動的“時鐘變慢”、“同時的相對性”及新的速度變換法則等。由此形成了一套全新的時空觀，而且包容了經(jīng)典時空觀。同年9月，愛因斯坦又發(fā)表了另一篇關(guān)于相對論的論文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》，提出了著名的質(zhì)能關(guān)系E=mc2，在理論上為原子能時代開辟了道路。73

2．廣義相對論的創(chuàng)立

愛因斯把相對性原理推廣到非慣性系，從慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等出發(fā)，建立了“等效原理”（引力場和加速度等效）。他設(shè)想，在自由下落的飛船內(nèi)，宇航員無法通過任何力學實驗來確定飛船的加速度。這表明，不僅勻速直線運動有相對性，而且加速運動也有相對性。這一廣義的運動相對性不僅適用于力學現(xiàn)象，也適用于其他物理現(xiàn)象，由此確定了“廣義的相對性原理”（物理定律對無論以何種方式運動的參照系都成立）

1915年，愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對論，揭示了空間、時間、物質(zhì)、運動的統(tǒng)一性以及幾何學和物理學的統(tǒng)一性，解釋了引力的本質(zhì)，為現(xiàn)代天體物理和宇宙學打下了重要的基礎(chǔ)。廣義相對論告訴我們，在引力物體的近旁，空間和時間要被扭曲，行星的軌道運動并不是由于什么力的作用，而是由于時空扭曲引起的?；菊擖c是：引力來源于彎曲。74

愛因斯坦提出了三項關(guān)于廣義相對論理論的實驗檢驗：水星近日點的進動、光線在引力場中彎曲、光譜線的引力紅移。這已是確證了的事實。60年代以來，關(guān)于類星體、脈沖星、3k宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)給廣義相對論提供了有力的支持。迄今為止，廣義相對論的應(yīng)用主要是在宇觀領(lǐng)域。1.4.3量子力學體系的形成

量子力學是研究微觀世界的基本理論，與研究高速運動的相對論一道成為了現(xiàn)代物理學的兩大理論支柱。量子力學的建立使人們的對物質(zhì)世界的認識實現(xiàn)了從宏觀到微觀領(lǐng)域的重大飛躍。

1.早期的量子論

早期的量子論有三個主要標志即普朗克能量子假說、愛因斯坦光量子假說和玻爾的氫原子理論。75普朗克（MaxK.E.L.Planck,1858-1947）

（1）普朗克能量子假說

由于經(jīng)典物理所導出的公式不能很好地解釋熱