張漢壯

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

物理學(xué)史與物理學(xué)家

物理的邏輯與歷史

張漢壯

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

概述了物理學(xué)七大基本領(lǐng)域的知識(shí)體系邏輯和發(fā)展簡(jiǎn)史.通過(guò)本文介紹的物理學(xué)的邏輯與歷史，希望使初涉物理的讀者能夠開(kāi)闊視野，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的熱情，培養(yǎng)良好的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.

物理學(xué)；知識(shí)領(lǐng)域；邏輯性；歷史性

1 物理學(xué)的研究?jī)?nèi)容

物理學(xué)是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及相互作用規(guī)律的科學(xué).其研究?jī)?nèi)容可以從不同的角度來(lái)劃分.從含時(shí)空結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀角度，物理學(xué)可分為經(jīng)典物理學(xué)和近代物理學(xué).從物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式角度，物理學(xué)研究?jī)?nèi)容可以分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)、電磁和光運(yùn)動(dòng)、微觀粒子運(yùn)動(dòng)，并形成了與之對(duì)應(yīng)的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子理論等分支學(xué)科.各分支學(xué)科之間既相對(duì)獨(dú)立又互相滲透，形成了彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一的物理學(xué)整體.從研究對(duì)象的不同角度，物理學(xué)也劃分為天體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、原子分子物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)等.從物理學(xué)最基本知識(shí)領(lǐng)域角度，在教育部物理專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)所制定的物理規(guī)范中，將其概括成表1所示的六大知識(shí)領(lǐng)域，也是教育物理專(zhuān)業(yè)本科生所需掌握的基本知識(shí)內(nèi)容.而課程體系是完成這些知識(shí)領(lǐng)域規(guī)律總結(jié)的載體.

表1 物理學(xué)研究的基本知識(shí)領(lǐng)域

續(xù)表

2 物理學(xué)的研究方法

物理學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律的研究可以用不同的方法來(lái)進(jìn)行.一種是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)總結(jié)上升至理論，稱為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究方法.19世紀(jì)中葉以前的物理學(xué)研究大都屬于這類(lèi).另一種是從已知的原理出發(fā)，理論上預(yù)測(cè)規(guī)律，再被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，稱為理論物理學(xué)研究方法.20世紀(jì)以后，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)和理論物理學(xué)兩大分支并存，相輔相成地推動(dòng)著物理學(xué)的發(fā)展.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，將數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用到理論物理學(xué)的研究中，可以解決復(fù)雜體系的物理問(wèn)題，稱之為計(jì)算物理學(xué).因此，物理學(xué)的研究包含實(shí)驗(yàn)、理論與計(jì)算，所得結(jié)論的正確性必須由實(shí)驗(yàn)測(cè)量與觀察來(lái)驗(yàn)證.

3 物理學(xué)在自然科學(xué)中的地位

在科學(xué)長(zhǎng)期的發(fā)展中，物理學(xué)是自然科學(xué)中最成熟的基礎(chǔ)性學(xué)科.物理學(xué)在探索未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律中的每一次重大突破，都帶來(lái)了物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向的發(fā)展，并導(dǎo)致新的分支學(xué)科、交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科的產(chǎn)生.物理學(xué)又是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的源泉，極大地推動(dòng)著人類(lèi)文明的進(jìn)步.自17世紀(jì)經(jīng)典力學(xué)的體系建立以來(lái)，物理學(xué)的三次重大突破都導(dǎo)致了重大的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力的巨大飛躍.第一，在力學(xué)基礎(chǔ)上的熱學(xué)和熱力學(xué)的研究促進(jìn)了蒸汽機(jī)的發(fā)明和廣泛應(yīng)用，為工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸提供了動(dòng)力，形成了人類(lèi)歷史上的第一次工業(yè)革命；第二，電磁感應(yīng)的研究和電磁學(xué)理論的建立導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的發(fā)明和無(wú)線電通訊的發(fā)展，引發(fā)了第二次工業(yè)革命；第三，相對(duì)論、量子力學(xué)的建立為近代物理的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，使物理學(xué)進(jìn)入高速、微觀的領(lǐng)域，在原子能、電子計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)、航天技術(shù)、分子生物學(xué)和遺傳工程等領(lǐng)域取得了重大突破.

物理學(xué)不僅是一門(mén)基礎(chǔ)性的自然科學(xué)，也是現(xiàn)代技術(shù)的重要基礎(chǔ)，已成為人類(lèi)文明的重要組成部分.

4 物理學(xué)的邏輯與歷史

物理學(xué)是人類(lèi)歷史上最悠久的自然科學(xué).人類(lèi)對(duì)物理現(xiàn)象的最早觀察始于古巴比倫和古希臘.到公元15世紀(jì)末以前，物理學(xué)還只是分散和不成體系的研究.物理學(xué)真正成為科學(xué)始于16、17世紀(jì)，最先建立了牛頓力學(xué)，到19世紀(jì)末相繼建立了熱學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、光學(xué)以及電磁學(xué)等分支學(xué)科，建成了經(jīng)典物理學(xué)大廈.20世紀(jì)初，量子力學(xué)與相對(duì)論的建立使物理學(xué)發(fā)展為現(xiàn)代物理學(xué).表1中的各分支學(xué)科的大致發(fā)展歷程如表2所示.表2中的人物頭像縱坐標(biāo)位置代表著年代，橫坐標(biāo)位置代表著人物所做貢獻(xiàn)的所屬學(xué)科領(lǐng)域.

如果將表1所示的物理學(xué)基本知識(shí)領(lǐng)域比喻一座“山”的話，由表2可以看出，這座“山”是經(jīng)過(guò)近2000年來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家為之努力而不斷探索和堆積的結(jié)果.綜合表1和表2的信息，我們定性地、形象地將這座“物理山”構(gòu)畫(huà)成如圖1所示.

圖1所示的每個(gè)知識(shí)領(lǐng)域的面積大小，是根據(jù)右側(cè)所示的課程體系內(nèi)容（學(xué)時(shí)數(shù)）占整個(gè)7大知識(shí)領(lǐng)域內(nèi)容（總學(xué)時(shí)數(shù)）的比例繪制的.從下到上是按照年代順序安排的.“山”中間部分的兩個(gè)云朵標(biāo)記代表著十九世紀(jì)末物理學(xué)上空飄著的“兩朵烏云”，兩朵烏云的散去，標(biāo)志著近代物理學(xué)的基礎(chǔ)“狹義相對(duì)論”和“量子力學(xué)”的誕生.“山”頂部的山尖代表著物理學(xué)當(dāng)今的三大前沿領(lǐng)域方向.后面對(duì)圖1所示的“物理基本知識(shí)領(lǐng)域山”的發(fā)展歷程作進(jìn)一步的介紹.

圖1

4.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)研究領(lǐng)域（16—19世紀(jì)初完成規(guī)律體系的建立）

機(jī)械運(yùn)動(dòng)是指小到顆粒、大到天體的宏觀物體的空間運(yùn)動(dòng).研究其運(yùn)動(dòng)規(guī)律所形成的學(xué)科為力學(xué).力學(xué)所形成的理論規(guī)律包括牛頓力學(xué)和分析力學(xué).牛頓力學(xué)是實(shí)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律.分析力學(xué)即可以由牛頓第二定律導(dǎo)出，也可以完全獨(dú)立于牛頓力學(xué)而從哈密頓變分原理獲得.分析力學(xué)的表述形式與物理圖像更為清晰的牛頓力學(xué)相比，顯得漸行漸遠(yuǎn)，越來(lái)越抽象化.但從哈密頓變分原理獲得分析力學(xué)的方法為拓展研究力學(xué)的普遍問(wèn)題提供了更為有效的新方法，更為重要的是，這種新方法為其他非力學(xué)體系問(wèn)題的研究提供了基礎(chǔ).因此，雖然牛頓動(dòng)力學(xué)和分析力學(xué)是等價(jià)的規(guī)律表述形式，但不能簡(jiǎn)單地將分析力學(xué)作為牛頓力學(xué)的拓展來(lái)理解.

表2 物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史一覽表

力學(xué)是在16至19世紀(jì)完成規(guī)律體系的建立.歷史上首先形成的是牛頓力學(xué)，其后分別是拉格朗日表述的分析力學(xué)和哈密頓表述的分析力學(xué).

4.1.1 天體觀測(cè)規(guī)律

從地球上觀測(cè)浩瀚的天空，人們感覺(jué)大部分星體都圍繞著地球在做圓周運(yùn)動(dòng).早在古希臘的亞里士多德就提出了宇宙結(jié)構(gòu)的地心說(shuō)理論.公元150年左右，希臘天文學(xué)家托勒密總結(jié)了古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（Hipparchus，又譯伊巴谷）等人的大量觀測(cè)與研究成果，寫(xiě)成以地心說(shuō)理論為主體的巨著《天文學(xué)大成》.該書(shū)成為古希臘天文學(xué)的百科全書(shū)，統(tǒng)治天文學(xué)長(zhǎng)達(dá)13個(gè)世紀(jì).在此期間，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，地心說(shuō)對(duì)有些現(xiàn)象不能給予很好的解釋?zhuān)纾鹦?、火星等的折返等現(xiàn)象.為了在地心說(shuō)基礎(chǔ)上解釋這些現(xiàn)象，人們就在星體的運(yùn)行軌道上再加上額外的本輪軌道，使得地心說(shuō)體系越來(lái)越復(fù)雜.

公元16世紀(jì)，波蘭天文學(xué)家哥白尼打算以托勒密的地心說(shuō)體系為基礎(chǔ)來(lái)修訂天文學(xué)，但發(fā)現(xiàn)托勒密體系太繁瑣，而且對(duì)很多自然現(xiàn)象不能給予很好的解釋.他搜尋并攻讀了大量古希臘哲學(xué)原著，分析其中關(guān)于地球運(yùn)動(dòng)的描寫(xiě)，結(jié)合自己的觀測(cè)和計(jì)算，提出設(shè)想：如果星體圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的話，即日心地動(dòng)說(shuō)，很多問(wèn)題的解釋就變得簡(jiǎn)單化了.依據(jù)這個(gè)想法，他于1514年完成了《天體運(yùn)行論》的撰寫(xiě)，于1543年臨終前公開(kāi)發(fā)表.哥白尼日心說(shuō)的提出，給當(dāng)時(shí)的社會(huì)帶來(lái)了恐慌，給科學(xué)界帶來(lái)了爭(zhēng)論.因?yàn)?，地心說(shuō)意味著地球是巍然不動(dòng)的，感覺(jué)人們生存的地球踏實(shí)可靠.而日心說(shuō)意味著地球是漂浮在宇宙中的，無(wú)法被人們理解和接受.尤其是日心說(shuō)受到了當(dāng)時(shí)掌管社會(huì)行政、文化大全的天主教會(huì)的反對(duì).宣揚(yáng)日心說(shuō)者會(huì)判以極刑.例如，意大利天文學(xué)家布魯諾就于1600年被燒死在羅馬的鮮花廣場(chǎng).

但是，任何的理由阻擋不了科學(xué)進(jìn)步和發(fā)展的腳步.德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒受到哥白尼日心說(shuō)的影響，并進(jìn)一步閱讀研究天文學(xué)著作.1600年，開(kāi)普勒受到布拉格天文臺(tái)的第谷的資助和邀請(qǐng)，成為第谷的助手.第谷一生積累了大量的天文觀測(cè)資料.1601年第谷逝世前把所有的資料贈(zèng)送給了開(kāi)普勒.開(kāi)普勒緊緊抓住行星軌道問(wèn)題，以火星為例分析第谷的資料.嘗試了19種可能的路徑，最后發(fā)現(xiàn)只有橢圓軌道才與觀測(cè)資料相符，開(kāi)普勒前后用了8年時(shí)間于1609年得到了開(kāi)普勒第一、第二定律，又用了9年時(shí)間于1618年得到了第三定律.開(kāi)普勒定律的建立，也打破了自古以來(lái)人們所信奉的星體做完美圓周軌道運(yùn)動(dòng)的信念.

開(kāi)普勒三定律的建立，漸漸增加了科學(xué)家們對(duì)日心說(shuō)的認(rèn)可.但一直沒(méi)有證據(jù)來(lái)證明日心說(shuō).真正的決定性證據(jù)來(lái)源于伽利略的望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè). 1609年伽利略聽(tīng)說(shuō)荷蘭有人制作并展出了能把遠(yuǎn)處景物放大約3倍的望遠(yuǎn)鏡，立即利用自己的光學(xué)知識(shí)制出了類(lèi)似的裝置.他在很短的時(shí)間內(nèi)不斷改進(jìn)技藝，最后將其提高33倍用來(lái)觀測(cè)天體，獲得很多人們前所未知的星體現(xiàn)象.1610年伽利略對(duì)金星進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)金星的位相現(xiàn)象，即有類(lèi)似月亮的盈虧現(xiàn)象.這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)日心說(shuō)理論的一個(gè)決定性證據(jù).因?yàn)榘凑盏匦恼f(shuō)理論，不會(huì)有金星的滿盈現(xiàn)象出現(xiàn)，而日心說(shuō)可以預(yù)言滿盈現(xiàn)象的出現(xiàn).

至此，天體觀測(cè)規(guī)律得以形成.從公元150年左右的托勒密地心說(shuō)到1610年伽利略證明日心說(shuō)的觀測(cè)證據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1400余年.天體觀測(cè)規(guī)律給人們帶來(lái)的下一個(gè)問(wèn)題是，什么樣的力使星體做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)？亦即后人所稱的開(kāi)普勒問(wèn)題.直到1687年牛頓的萬(wàn)有引力定律公開(kāi)發(fā)表，這個(gè)問(wèn)題才得以圓滿解決.

4.1.2 地面實(shí)驗(yàn)規(guī)律

關(guān)于地面上物體運(yùn)動(dòng)的描述最早始于古希臘的亞里士多德.他的主要著作之一《物理學(xué)》被稱為古代世界學(xué)術(shù)的百科全書(shū)，對(duì)其后近千年的歷史都有很大的影響.“物體越重，下落越快”，以及“只有力才能使物體運(yùn)動(dòng)”是亞里士多德作中關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述.

意大利物理學(xué)家伽利略除了前述的利用自制的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的工作外，也在研究亞里士多德的理論.針對(duì)亞里士多德的“物體越重，下落越快”的規(guī)律，伽利略從邏輯推理角度提出，如果將一個(gè)重物和一個(gè)輕物綁在一起，下落的時(shí)間會(huì)如何？從物體重量的角度，按照亞里士多德的理論，下落的時(shí)間應(yīng)該更快.但從時(shí)間的角度，應(yīng)該是重物和輕物各自下落時(shí)間的平均值.二者是矛盾的.因此，伽利略認(rèn)為亞里士多德的理論是存在問(wèn)題的.從實(shí)驗(yàn)的角度，1586年，比利時(shí)天文學(xué)家斯蒂文在他所出版的《靜力學(xué)原理》一書(shū)描述，“將兩個(gè)輕重相差10倍的鉛球從30英尺的高度同時(shí)釋放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛球落地發(fā)出的聲音像一個(gè)聲音一樣，說(shuō)明兩球同時(shí)落地的”，說(shuō)明亞里士多德理論存在著問(wèn)題.而廣為流傳的伽利略在意大利比薩塔上做落體實(shí)驗(yàn)只是一種傳說(shuō)而已.他是通過(guò)人工設(shè)計(jì)的斜面物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，推知獲得的自由落體定律和慣性定律.伽利略是首個(gè)通過(guò)人工設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)尋求物理規(guī)律之人，也是首個(gè)利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法探求物理規(guī)律之人.愛(ài)因斯坦對(duì)其的評(píng)價(jià)是：伽利略是現(xiàn)代物理學(xué)之父.

在伽利略和牛頓年代期間，還有比利時(shí)的斯蒂文、法國(guó)的笛卡兒、荷蘭的惠更斯、英國(guó)的胡克等物理學(xué)家，以及德國(guó)的萊布尼茲等數(shù)學(xué)家，他們?cè)谔煳膶W(xué)、物理學(xué)等方面進(jìn)行了重要的研究工作，為牛頓的集大成工作奠定了基礎(chǔ).

4.1.3 天地合一的理論規(guī)律

前述為天體和地面的觀測(cè)規(guī)律總結(jié).我們重新回到天體觀測(cè)規(guī)律留給人們的“什么樣的力使星體做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)？”的問(wèn)題上來(lái).

開(kāi)普勒本人曾試圖引入太陽(yáng)磁力來(lái)探求星體運(yùn)行規(guī)律的原因，但沒(méi)有成功.1673年惠更斯、胡克、哈雷、雷恩等人結(jié)合各自的研究工作，認(rèn)定星體所受太陽(yáng)的向心力與其距離成反比.但是他們無(wú)法說(shuō)明引力的本質(zhì)，也不能證明在平方反比引力作用下的行星軌道是橢圓或更廣泛的圓錐曲線.而真正圓滿解決這一問(wèn)題的是英國(guó)物理學(xué)家牛頓.

1661年，牛頓進(jìn)入英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，后來(lái)從事物理學(xué)研究.1665—1666年期間，因?yàn)榱餍形烈?，劍橋大學(xué)被迫關(guān)門(mén)，牛頓回到了家鄉(xiāng)，在那里他完成了微積分、光的色散性質(zhì)、引力定律等科學(xué)成果的積累.其中的微積分是他在研究物體運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)所創(chuàng)立的，后人將牛頓和德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲并列為微積分的創(chuàng)始人.光的色散性質(zhì)是牛頓通過(guò)自然光照射三棱鏡后發(fā)生的折射現(xiàn)象而總結(jié)的.引力定律真正回答了什么樣的力使星體做橢圓軌道運(yùn)動(dòng)問(wèn)題.

“蘋(píng)果落地”故事廣為流傳，這是牛頓思考引力過(guò)程的一個(gè)傳說(shuō)故事.蘋(píng)果落地引發(fā)牛頓的一個(gè)問(wèn)題的思考是，蘋(píng)果落地和月球圍繞地球運(yùn)動(dòng)是否是具有相同性質(zhì)的力引起的？在此之前，伽利略已經(jīng)發(fā)現(xiàn)拋射體的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一個(gè)勻速的水平運(yùn)動(dòng)和一個(gè)落體的加速運(yùn)動(dòng)的疊加.牛頓進(jìn)一步設(shè)想，從高山上水平拋出一個(gè)物體，當(dāng)拋出的水平速度不斷增大時(shí)，拋射體會(huì)越射越遠(yuǎn)，若速度達(dá)到一定程度，該拋射體就永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)地面.若不考慮大氣的阻力，它就應(yīng)該一直繞地球運(yùn)動(dòng).牛頓進(jìn)一步設(shè)想，既然拋射體可以作這樣的運(yùn)動(dòng)，為什么不能把月球也當(dāng)作這樣一個(gè)拋射體來(lái)考慮呢？由此牛頓猜想蘋(píng)果與地球之間、月球和地球之間的力是同一性質(zhì)的力.他把月球的軌道運(yùn)動(dòng)分解為兩種簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)：一是由于慣性引起的、沿月球軌道切線方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)；另一種是把月球拉向地球的落體運(yùn)動(dòng)，是由地球的引力引起的.以此思想為基礎(chǔ)，牛頓基于慣性定律和第二定律，利用幾何的方法獲得了圓周運(yùn)動(dòng)與受力成平方反比的關(guān)系.

反過(guò)來(lái)，利用月球和地球、蘋(píng)果和地球都具有相同的平方反比的受力關(guān)系來(lái)計(jì)算地球重力加速度與月球重力加速度的關(guān)系，以及月球圍繞地球的運(yùn)行周期，結(jié)果相當(dāng)完善.證明了牛頓的猜想，即，蘋(píng)果落地和月球圍繞地球運(yùn)動(dòng)是具有相同性質(zhì)的力引起的.其軌道的差別僅在于初始條件不同而已.

牛頓進(jìn)一步設(shè)想，既然月球繞地球公轉(zhuǎn)可以這樣來(lái)解釋?zhuān)敲吹厍蚝推渌行抢@太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)為什么不能類(lèi)似地來(lái)說(shuō)明呢？所以牛頓又把思路推廣到行星繞日的運(yùn)動(dòng)上.利用平方反比的受力關(guān)系圓滿地解釋了行星軌道問(wèn)題.

牛頓進(jìn)一步將平方反比的受力關(guān)系推廣至任何星體，以及任何物體之間，建立了萬(wàn)有引力定律.牛頓直到約20年后才在他出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中公開(kāi)發(fā)布這一研究成果.其原因是他無(wú)法精確地確定巨大星體之間的距離.這期間他發(fā)明了“流數(shù)術(shù)”，即現(xiàn)代的微積分方法，并且從數(shù)學(xué)上證明了球體對(duì)外部物體的作用恰如球體的質(zhì)量全部集中在球心點(diǎn)一樣，即現(xiàn)代的“質(zhì)點(diǎn)”概念.只有在此基礎(chǔ)上，牛頓才能夠得出萬(wàn)有引力定律的數(shù)學(xué)驗(yàn)證.

牛頓三定律、萬(wàn)有引力定律等牛頓在力學(xué)領(lǐng)域的重要研究成果集中體現(xiàn)在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中.在該書(shū)中，牛頓三定律只是用了幾頁(yè)篇幅的語(yǔ)言描述，而大部分內(nèi)容是關(guān)于引力與軌道關(guān)系的幾何推導(dǎo)過(guò)程和應(yīng)用的描述.

牛頓萬(wàn)有引力定律和牛頓三定律的建立，使天上、地面物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了統(tǒng)一的描述，奠定了物理學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)，使力學(xué)有了精練完美的表達(dá)，成為系統(tǒng)完整的科學(xué).正如恩格斯所說(shuō)，“牛頓完成了人類(lèi)科學(xué)史上的第一次總結(jié)”.

從1610年伽利略證明日心說(shuō)的觀測(cè)證據(jù)到1687年牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》問(wèn)世，歷時(shí)近80年.

4.1.4 理論規(guī)律的能動(dòng)作用

牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律使人們理解了自然界為什么如此井然有序地運(yùn)轉(zhuǎn)，她可以使人們追蹤過(guò)去，預(yù)測(cè)未來(lái)，充分體現(xiàn)了科學(xué)的能動(dòng)作用.

由牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律不但可以推導(dǎo)出開(kāi)普勒三定律，圓滿地解決星體的運(yùn)動(dòng)軌道問(wèn)題，而且還可以進(jìn)一步探討更為廣泛的軌道問(wèn)題.星體不僅具有類(lèi)似圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的一般橢圓軌道，還可以有長(zhǎng)橢圓、雙曲線、拋物線等各種軌道（由星體形成過(guò)程中的初始能量所決定）.如此的預(yù)測(cè)結(jié)果被哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)所證實(shí).人們?cè)?531年、1607年和1682年分別觀測(cè)到過(guò)3顆未知的星體.英國(guó)天文學(xué)家哈雷用牛頓定律論證，這3顆星體屬同一顆星體，以約75.5年為一個(gè)周期，并預(yù)言此星體將于1758年再現(xiàn).臨近1758年，人們紛紛打賭預(yù)言是否靈驗(yàn)，成為世界性趣聞.1758年該星沒(méi)來(lái)，而是于1759年3月12日意外地出現(xiàn)了.后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)偏差的原因是沒(méi)有考慮木星和土星對(duì)其吸引，從而造成了218天的遲到誤差.此后，這顆星體就被命名為哈雷彗星（其遠(yuǎn)日點(diǎn)已超過(guò)海王星軌道）.以此類(lèi)推，哈雷彗星再次光臨地球的時(shí)間是1986年、2061年等等. 1986年的哈雷彗星也已被觀測(cè)到.

1781年，人們發(fā)現(xiàn)了天王星.不久發(fā)現(xiàn)他的軌道有偏差.法國(guó)的烈維耶根據(jù)軌道偏差利用牛頓力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算，預(yù)測(cè)天王星外應(yīng)該有另外一顆星體. 1846年9月，他寫(xiě)信給柏林天文臺(tái)的伽烈，告之預(yù)測(cè)星體的位置，伽烈果然在預(yù)測(cè)的偏差52分處發(fā)現(xiàn)了該星體，并命名為海王星.后來(lái)用同樣的辦法，人們發(fā)現(xiàn)了冥王星.

4.1.5 理論規(guī)律的完善與發(fā)展

經(jīng)過(guò)16、17世紀(jì)世界科學(xué)大飛躍，物理學(xué)家開(kāi)始用伽利略、牛頓的成果和科學(xué)方法，用力學(xué)的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)熱、電、光，相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始興起.如，美國(guó)科學(xué)家富蘭克林對(duì)于電的實(shí)驗(yàn)研究；英國(guó)的物理學(xué)家卡文迪許，在萬(wàn)有引力定律建立的111年后，設(shè)計(jì)扭秤實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了引力常量“G”.利用所測(cè)得的G可以計(jì)算地球的重量，所以卡文迪許被稱為是第一個(gè)稱量地球重量的人；法國(guó)物理學(xué)家傅科設(shè)計(jì)著名的“傅科擺”，首次驗(yàn)證了地球的自轉(zhuǎn).此外，出現(xiàn)了剛體力學(xué)、流體力學(xué)、天體力學(xué)、聲學(xué)等衍生學(xué)科.

1788年意大利科學(xué)家拉格朗日發(fā)表著作《分析力學(xué)》，建立了拉格朗日表述的分析力學(xué).1827年，英國(guó)科學(xué)家哈密頓提出哈密頓函數(shù)，1834年發(fā)表了《動(dòng)力學(xué)的一種普遍方法》的論文，成為建立哈密頓函數(shù)表述分析力學(xué)的里程碑.

從1687年牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》問(wèn)世到1834年哈密頓的《動(dòng)力學(xué)的一種普遍方法》的論文發(fā)表，歷時(shí)近150年.

力學(xué)雖然是一門(mén)古老的學(xué)科，但他依然不斷地在發(fā)展.力學(xué)與后來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的分析力學(xué)、彈性介質(zhì)力學(xué)、非線性混沌等學(xué)科在當(dāng)今的精密儀器、工程設(shè)計(jì)，航空與航天等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用.

4.2 熱運(yùn)動(dòng)研究領(lǐng)域（19世紀(jì)至20世紀(jì)初完成規(guī)律體系的建立）

熱學(xué)研究的是大量微觀粒子的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，形成了宏觀理論和微觀理論.宏觀理論是基于實(shí)驗(yàn)總結(jié)而成的，包括熱力學(xué)第零、第一、二、三定律等宏觀熱力學(xué)規(guī)律.而微觀理論則是由經(jīng)典或量子力學(xué)的原理和基本假設(shè)而形成的，包括統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、分子動(dòng)理學(xué)及其他非平衡態(tài)理論等.宏觀理論和微觀理論的橋梁是系統(tǒng)的熱力學(xué)函數(shù)，二者殊途同歸.所以，宏觀理論和微觀理論構(gòu)成了熱學(xué)完備的理論體系.

18至20世紀(jì)初，熱學(xué)完成了規(guī)律體系的建立.從歷史發(fā)展的角度，熱學(xué)理論形成的先后順序是先有宏觀熱力學(xué)規(guī)律，后有微觀理論.宏觀熱力學(xué)規(guī)律形成的先后順序是熱力學(xué)第二定律、第一定律、第三定律、第零定律.微觀理論形成的先后順序是分子動(dòng)理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)（玻爾茲曼經(jīng)典統(tǒng)計(jì)、吉布斯系綜統(tǒng)計(jì)、玻色、費(fèi)米量子統(tǒng)計(jì)）、其他非平衡態(tài)理論.

4.2.1 宏觀熱力學(xué)

熱學(xué)規(guī)律的探索首先是從宏觀現(xiàn)象的研究開(kāi)始的.1662年，英國(guó)化學(xué)家玻意耳首先發(fā)現(xiàn)了等溫氣體的壓強(qiáng)體積反比定律.由于沒(méi)有建立一個(gè)合適的溫標(biāo)，直至100多年后才由兩個(gè)法國(guó)人發(fā)現(xiàn)另外兩個(gè)氣體狀態(tài)定律，即，1787年法國(guó)查理發(fā)現(xiàn)的等容氣體壓強(qiáng)與溫度正比定律，1802年蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)的等壓氣體體積與溫度正比定律.

對(duì)于“熱”的本質(zhì)的理解，人們經(jīng)歷了從早期錯(cuò)誤的“熱質(zhì)說(shuō)”（熱是一種物質(zhì)）到熱是一種運(yùn)動(dòng)形式的過(guò)程.在此期間，18世紀(jì)蒸汽機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，以提高熱機(jī)效率，適應(yīng)生產(chǎn)力發(fā)展的需要.19世紀(jì)40年代，英國(guó)物理學(xué)家焦耳等人在對(duì)熱與功轉(zhuǎn)化等實(shí)驗(yàn)研究中，建立了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，即熱力學(xué)第一定律.熱力學(xué)第二定律的雛形——卡諾定理，是早在熱力學(xué)第一定律建立之前，即1824年，由法國(guó)物理學(xué)家卡諾提出的.之后由德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯等人在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，分別于1850年和1851年提出了克勞修斯和開(kāi)爾文表述形式的熱力學(xué)第二定律.低溫物理學(xué)和化學(xué)平衡常數(shù)的確定為熱力學(xué)第三定律的建立提供了基礎(chǔ)，德國(guó)科學(xué)家能斯特在1906年和1912年分別給出了熱力學(xué)第三定律的兩種不同表述.熱力學(xué)第零定律是由英國(guó)物理學(xué)家福勒于1939年正式提出，比熱力學(xué)第一、第二定律晚了近百年，但較其他定律更為基本，因此被命名為第零定律.

成熟的熱學(xué)微觀理論的研究經(jīng)歷了分子動(dòng)理學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理兩個(gè)發(fā)展階段.

4.2.2 分子動(dòng)理學(xué)

克勞修斯在研究熱力學(xué)第二定律的同時(shí)，也從微觀上對(duì)分子運(yùn)動(dòng)論理論進(jìn)行了探討.1857年他以分子對(duì)器壁的碰撞說(shuō)明了氣體壓強(qiáng)的形成，推導(dǎo)出氣體壓強(qiáng)公式，并由此提出了理想氣體分子運(yùn)動(dòng)模型.1859年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋基于分子碰撞的能量和動(dòng)量守恒原理及速率統(tǒng)計(jì)假設(shè)，推導(dǎo)出了自由空間的平衡態(tài)氣體分子速率分布規(guī)律，即，麥克斯韋速率分布律.1868年，奧地利物理學(xué)家玻爾茲曼將麥克斯韋速率分布推廣至受保守力作用的系統(tǒng)平衡態(tài)中，得出保守力場(chǎng)下分子的速率分布，即玻爾茲曼分布律，并給出了能量均分定理，揭示了溫度概念的微觀本質(zhì).玻爾茲曼認(rèn)為麥克斯韋速率分布律的獲得沒(méi)有足夠的理論保證.為此，玻爾茲曼基于牛頓力學(xué)原理和一些碰撞假設(shè)，進(jìn)一步研究系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間演化的一般規(guī)律，于1872年導(dǎo)出了包含時(shí)間的分布函數(shù)隨時(shí)間演化所遵循的方程，即玻爾茲曼積分微分方程.玻爾茲曼由此發(fā)現(xiàn)，麥克斯韋分布律所描述的平衡態(tài)是一種最可幾、最穩(wěn)定的狀態(tài).對(duì)于非平衡狀態(tài)，玻爾茲曼提出了著名的H定理，與克勞修斯的熵增加原理是一致的，給宏觀熱力學(xué)第二定律以微觀解釋.至此，由克勞修斯、麥克斯韋和玻爾茲曼從分子運(yùn)動(dòng)論角度建立了分子動(dòng)理學(xué)的主要內(nèi)容.分子動(dòng)理學(xué)理論不但可以處理近獨(dú)粒子體系的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，還可以處理該系統(tǒng)近平衡態(tài)的輸運(yùn)問(wèn)題.

4.2.3 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)

針對(duì)分子動(dòng)理學(xué)的研究成果，1874年和1876年，英國(guó)開(kāi)爾文和奧地利洛施密特先后分別提出了“可逆性佯謬”問(wèn)題，即，經(jīng)典力學(xué)方程和分子間碰撞過(guò)程是可逆的，而大量分子所組成系統(tǒng)的宏觀過(guò)程規(guī)律是不可逆的，玻爾茲曼所基于的經(jīng)典力學(xué)原理，針對(duì)大量微觀粒子組成體系的研究結(jié)果是否正確？玻爾茲曼就此進(jìn)一步研究統(tǒng)計(jì)問(wèn)題.他基于經(jīng)典力學(xué)原理，加上統(tǒng)計(jì)概率原理假設(shè)，于1877年發(fā)表了用以處理近獨(dú)粒子經(jīng)典體系平衡態(tài)問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)研究成果，并提出了熵與概率的關(guān)系.玻爾茲曼也就此回答了“可逆性佯謬”問(wèn)題，即，分子動(dòng)理學(xué)理論雖然引進(jìn)了統(tǒng)計(jì)方法，但未將統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)作為理解熱力學(xué)現(xiàn)象的新的基礎(chǔ)，從而造成統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性與經(jīng)典力學(xué)決定性之間的矛盾.進(jìn)一步講，宏觀系統(tǒng)的不可逆性不是由于運(yùn)動(dòng)方程和分子間的相互作用力形式而引起的，而是由于宏觀系統(tǒng)的概率性而引起的.或者說(shuō)，宏觀自發(fā)過(guò)程的可逆過(guò)程并不是沒(méi)有，而是由概率原理導(dǎo)致的這種可逆過(guò)程發(fā)生的概率非常小，以至于實(shí)際中觀察不到.至1900年，普朗克明確寫(xiě)出玻爾茲曼的熵與微觀狀態(tài)數(shù)的關(guān)系式，標(biāo)志著玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論的形成.

美國(guó)物理化學(xué)家吉布斯在麥克斯韋、玻爾茲曼等人工作基礎(chǔ)之上，使用溫度、內(nèi)能、熵等狀態(tài)函數(shù)為坐標(biāo)，發(fā)展了熱力學(xué)系統(tǒng)的圖示法.在熱力學(xué)系統(tǒng)中考慮了化學(xué)、引力、應(yīng)力、表面張力、電磁等因素，擴(kuò)展了熱力學(xué)的范圍.1902年發(fā)表《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》巨作，創(chuàng)立了統(tǒng)計(jì)系綜方法，建立了平衡態(tài)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法.吉布斯的系綜統(tǒng)計(jì)方法，不但可以處理前述的玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)理論，以及后來(lái)發(fā)展的玻色、費(fèi)米的量子統(tǒng)計(jì)理論所能解決近獨(dú)粒子體系的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，而且還可以處理非獨(dú)粒子體系的經(jīng)典和量子統(tǒng)計(jì)問(wèn)題.因此，吉布斯的系綜理論是更具普遍化的統(tǒng)計(jì)理論.

在玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)、吉布斯統(tǒng)計(jì)系綜理論基礎(chǔ)之上，玻色、愛(ài)因斯坦、費(fèi)米等人基于微觀粒子的全同粒子假設(shè)，逐步建立了玻色、費(fèi)米等量子統(tǒng)計(jì)物理理論，用以處理近獨(dú)粒子量子體系的平衡態(tài)問(wèn)題.至此，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)理論得以建立.

4.2.4 其他非平衡態(tài)理論

漲落的準(zhǔn)熱力學(xué)理論是由波蘭物理學(xué)家斯莫陸綽斯基提出，后經(jīng)愛(ài)因斯坦補(bǔ)充完善形成的一種處理近平衡態(tài)漲落的方法.1827年，英國(guó)植物學(xué)家布朗在顯微鏡下觀察到懸浮在液體中花粉在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，稱為布朗運(yùn)動(dòng).進(jìn)過(guò)70余年的努力，形成了郎之萬(wàn)方程和愛(ài)因斯坦-斯莫陸綽斯基理論等漲落理論，使布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象得以解釋.目前，包括耗散結(jié)構(gòu)理論在內(nèi)的等處理遠(yuǎn)離平衡的其他微觀理論仍在不斷地完善和發(fā)展中.

玻爾茲曼是原子論的堅(jiān)決支持者，他的研究結(jié)果受到以馬赫、奧斯特瓦爾德為代表持唯能論觀點(diǎn)學(xué)者的長(zhǎng)期批評(píng).所以，玻爾茲曼生前的研究工作沒(méi)有得到認(rèn)可和支持.直至他去世兩年之后的1908年，法國(guó)物理學(xué)家佩蘭通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了原子的存在，原子論得到普遍承認(rèn)后，人們才逐漸接受了玻爾茲曼的研究成果.后人在玻爾茲曼的墓碑上刻上了熵與微觀狀態(tài)數(shù)的關(guān)系式，以紀(jì)念玻爾茲曼在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)所做出的杰出貢獻(xiàn).

熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，被廣泛應(yīng)用在物理、生物、化學(xué)甚至社會(huì)學(xué)等各領(lǐng)域.

4.3 電磁學(xué)（19世紀(jì)完成規(guī)律體系的建立）

電磁學(xué)研究的是電磁場(chǎng)的產(chǎn)生及其傳播規(guī)律.從電磁場(chǎng)產(chǎn)生及在空間傳播的角度，所形成的根本規(guī)律是麥克斯韋方程組.從有限電路應(yīng)用角度，其基本規(guī)律是歐姆定律和基爾霍夫第一、第二定律.

電磁學(xué)是19世紀(jì)完成規(guī)律體系的建立.從歷史的發(fā)展角度，電磁學(xué)理論形成的先后順序是庫(kù)倫定律、畢奧-薩伐爾定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、麥克斯韋方程組.電路規(guī)律形成的先后順序是歐姆定律、基爾霍夫定律.

4.3.1 靜電與靜磁

人類(lèi)有關(guān)電磁現(xiàn)象的觀測(cè)可追溯到公元前585年.希臘哲學(xué)家泰勒斯記載了用木塊摩擦過(guò)的琥珀能夠吸引碎草等輕小物體，以及天然礦石吸引磁鐵現(xiàn)象.在此后的2000多年中，人們對(duì)電磁現(xiàn)象陸續(xù)進(jìn)行觀測(cè)和總結(jié).1600年英國(guó)伊麗莎白女王的御醫(yī)吉爾伯特系統(tǒng)總結(jié)磁現(xiàn)象、1729年英國(guó)的格雷發(fā)現(xiàn)感應(yīng)起電方法、1745年荷蘭的穆欣布羅克發(fā)明萊頓瓶、1747年美國(guó)富蘭克林研究雷電現(xiàn)象并統(tǒng)一天地電、1766年英國(guó)普里斯特利提出電吸引力與距離成反比的設(shè)想、1769年蘇格蘭羅比生進(jìn)行第一次電力測(cè)量、1773英國(guó)卡文迪許實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證普利斯特利預(yù)言等眾多科學(xué)家等對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)行了觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究.

在1820年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)之前，靜電和靜磁的研究是彼此獨(dú)立發(fā)展的，認(rèn)為物質(zhì)的磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象原理是相同的，即電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，磁荷產(chǎn)生磁場(chǎng)（磁荷觀點(diǎn)）.1785年，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鐾ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力規(guī)律，即庫(kù)侖定律.按照磁荷觀點(diǎn)，庫(kù)侖定律同樣適合兩個(gè)靜止點(diǎn)磁荷間的相互作用力的規(guī)律.但是，在奧斯特的電流磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)之后，磁荷觀點(diǎn)被放棄，由法國(guó)物理學(xué)家安培提出的磁效應(yīng)的分子環(huán)流假說(shuō)所取代.

4.3.2 運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場(chǎng)

1800年意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明了伏打電堆，使獲得持續(xù)、相對(duì)穩(wěn)定的電流成為可能.1820年7月，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流（運(yùn)動(dòng)的電荷）可以對(duì)磁鐵施加作用力，即電流的磁效應(yīng).奧斯特的實(shí)驗(yàn)工作首次揭示了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，即，電可以產(chǎn)生磁.這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)從根本上改變了此前人們認(rèn)為電和磁是彼此無(wú)關(guān)的認(rèn)識(shí).

電流的磁效應(yīng)導(dǎo)致靜磁學(xué)的兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是磁場(chǎng)的起源問(wèn)題，即電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)規(guī)律，二是磁場(chǎng)的性質(zhì)問(wèn)題，即磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力規(guī)律.通過(guò)法國(guó)的安培、畢奧、薩伐爾、拉普拉斯等人的共同努力圓滿地解決了這兩個(gè)問(wèn)題.

1820年10月，法國(guó)的畢奧和薩伐爾公布了載流長(zhǎng)直導(dǎo)線對(duì)磁針的作用力實(shí)驗(yàn)，給出了載流長(zhǎng)直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流強(qiáng)度和距離的關(guān)系，經(jīng)過(guò)法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯從數(shù)學(xué)上證明，最終給出了電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律的表達(dá)式，即，畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律.教材和文獻(xiàn)中經(jīng)常稱為畢奧-薩伐爾定律.

1820年12月，法國(guó)物理學(xué)家安培基于4個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)和作用力方向假設(shè)公布了他的研究成果，給出了兩個(gè)電流元之間的相互作用公式，即安培定律，或安培力公式.1892年荷蘭物理學(xué)家洛倫茲所總結(jié)的洛倫茲公式是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力公式的普遍表達(dá)式.結(jié)合畢奧-薩伐爾的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)規(guī)律和安培定律，二者聯(lián)合起來(lái)，就給出了電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)、以及其他電流在磁場(chǎng)中的受力規(guī)律，從而圓滿地解決了磁場(chǎng)的起源和磁場(chǎng)的性質(zhì)兩個(gè)問(wèn)題.安培還提出任何磁場(chǎng)都是由分子環(huán)流所產(chǎn)生的微觀機(jī)制，即磁效應(yīng)的分子環(huán)流假說(shuō)，取代了以往的磁荷觀點(diǎn).

4.3.3 變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)

既然電能夠產(chǎn)生磁，反過(guò)來(lái)磁是否也能產(chǎn)生電？英國(guó)物理學(xué)家法拉第通過(guò)圓環(huán)實(shí)驗(yàn)，于1831年第一次觀察到由變化的電流所產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，給出了法拉第電磁感應(yīng)定律，并提出了力線，即場(chǎng)的概念.1834年俄國(guó)物理學(xué)家楞次給出了判斷感應(yīng)電流方向的另外一種簡(jiǎn)潔的方法，即楞次定律.

4.3.4 電磁理論大統(tǒng)一

英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋對(duì)已有的電磁現(xiàn)象與規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并提出了“位移電流”和“渦旋電場(chǎng)”的假設(shè).在此基礎(chǔ)上，1865年麥克斯韋用數(shù)學(xué)公式將電磁規(guī)律表示出來(lái)，建立了麥克斯韋方程組，完成了電磁學(xué)的統(tǒng)一理論.引入的“位移電流”和“渦旋電場(chǎng)”也從理論上預(yù)言了電磁波的存在，并于1888年被德國(guó)赫茲實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，麥克斯韋完成了人類(lèi)科學(xué)史上的第二次總結(jié).

德國(guó)物理學(xué)家歐姆受傅里葉熱傳導(dǎo)理論研究結(jié)果的啟發(fā)進(jìn)行電路規(guī)律的研究.在1827年發(fā)表的《電路的數(shù)學(xué)研究》中給出了電流、電壓和電阻三者之間的關(guān)系，即歐姆定律.這是電路的最基本規(guī)律. 1845年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫提出了用于分析和計(jì)算較為復(fù)雜電路的基礎(chǔ)規(guī)律，即基爾霍夫電路定律，包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律.

4.4 光學(xué)（18至20世紀(jì)初完成規(guī)律體系的建立）

光學(xué)是研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的科學(xué).所形成的基本理論包括幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)（物理光學(xué)），以及進(jìn)一步發(fā)展的量子光學(xué)、激光物理、非線性光學(xué)、信息光學(xué)等等.

光學(xué)是18至20世紀(jì)初完成規(guī)律體系的建立的.從歷史的發(fā)展角度，光學(xué)理論形成的先后順序是幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)等近代光學(xué).

4.4.1 幾何光學(xué)

幾何光學(xué)的早期研究可以追溯到古代.我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期墨翟及弟子所著《墨經(jīng)》有對(duì)光的直線傳播、反射等的描述記載.在此后的兩千多年的歲月中，人們不斷觀察和總結(jié)光現(xiàn)象與規(guī)律.光學(xué)的系統(tǒng)研究始于17世紀(jì).1611年，德國(guó)物理學(xué)家開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)了全反射現(xiàn)象.1621年，1630年分別由荷蘭物理學(xué)家斯涅爾和法笛卡爾將折射現(xiàn)象的觀察結(jié)果總結(jié)為折射定律.1657年，法國(guó)物理學(xué)家費(fèi)馬提出了最小時(shí)間原理，并以此從理論上證明了反射定律和折射定律.1676年丹麥天文學(xué)家羅默根據(jù)木星衛(wèi)蝕的推遲得到光速有限的結(jié)論.至此，以光的粒子性為基礎(chǔ)的幾何光學(xué)的基本知識(shí)體系建立完成.與此同時(shí)，英國(guó)物理學(xué)家牛頓對(duì)光的反射、折射、繞射和色散現(xiàn)象也進(jìn)行了系統(tǒng)研究.

4.4.2 波動(dòng)光學(xué)

光的本質(zhì)問(wèn)題一直是物理學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)探討的問(wèn)題.17世紀(jì)，出現(xiàn)了很多顯示光的波動(dòng)特性的報(bào)告.例如，1665年意大利物理學(xué)家格里馬第提出的光的衍射現(xiàn)象，1667年英國(guó)物理學(xué)家胡克研究的薄膜干涉彩色現(xiàn)象，1669年丹麥的巴塞林納斯發(fā)現(xiàn)光通過(guò)冰洲石的雙折射現(xiàn)象，牛頓本人也做了著名的“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)等等.以牛頓為代表的科學(xué)家認(rèn)為光是一種粒子，即光的微粒說(shuō).光的微粒說(shuō)可以在一定程度上解釋幾何光學(xué)現(xiàn)象，但卻無(wú)法解釋光的衍射、干涉和雙折射等現(xiàn)象.英國(guó)物理學(xué)家胡克、荷蘭物理學(xué)家惠更斯是主張光的波動(dòng)說(shuō)的代表.1687年惠更斯提出了子波原理，即惠更斯原理.利用惠更斯原理不但可以解釋此前幾何光學(xué)所能解釋的現(xiàn)象，還可以解釋光的衍射現(xiàn)象.但由于惠更斯的波動(dòng)說(shuō)原理的不完善，以及牛頓在17世紀(jì)的巨大影響，使得在18世紀(jì)末之前，光的微粒說(shuō)占據(jù)主導(dǎo)地位.1801年英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊成功地實(shí)現(xiàn)了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了光的波動(dòng)說(shuō).1816年，法國(guó)物理學(xué)家菲涅爾在惠更斯的子波思想基礎(chǔ)上，提出了惠更斯-菲涅爾原理，成功解釋了衍射現(xiàn)象，建立了波動(dòng)光學(xué)的理論基礎(chǔ).至此，光的波動(dòng)說(shuō)逐漸被人們認(rèn)可，并占據(jù)了主導(dǎo)地位.

4.4.3 量子光學(xué)

1865年，麥克斯韋方程組的建立又將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)，使人們對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)又向前邁出了一大步.19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光與物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中.光的電磁學(xué)波動(dòng)理論在解釋光和物質(zhì)相互作用時(shí)的某些現(xiàn)象時(shí)遇到困難.例如，黑體輻射中的能量按照波長(zhǎng)的分布問(wèn)題，1887年德國(guó)物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)問(wèn)題.為此，人們重新研究光的屬性.1900年，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出輻射的能量量子化假說(shuō).這一假說(shuō)圓滿地解決了自1859年以來(lái)人們一直探討的黑體輻射問(wèn)題.1905年，德國(guó)愛(ài)因斯坦依據(jù)能量量子化假說(shuō)，提出光能量的量子化假說(shuō)，即光量子，簡(jiǎn)稱光子.光量子假說(shuō)成功地解釋了1888年的光電效應(yīng)問(wèn)題，并被1923年的康普頓效應(yīng)以及后來(lái)的其他實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證.

隨著20世紀(jì)中葉量子力學(xué)的發(fā)展和完善，將物質(zhì)量子化，光作為經(jīng)典電磁波，所形成的理論為半經(jīng)典量子光學(xué)，將物質(zhì)和光均做量子化處理，所形成的理論為全量化光學(xué).視不同的條件，采取相應(yīng)的半經(jīng)典量子光學(xué)或全量化光學(xué)理論處理光與物質(zhì)相互作用問(wèn)題.隨著人們對(duì)物質(zhì)材料認(rèn)識(shí)的加深，進(jìn)一形成了激光物理、非線性光學(xué)、信息光學(xué)等等.

4.4.4 光的波粒二象性

至此，人們一方面通過(guò)干涉、衍射和偏振等光學(xué)現(xiàn)象證實(shí)了光的波動(dòng)性；另一方面通過(guò)黑體輻射、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)等又證實(shí)了光的粒子性.但此時(shí)的粒子性較早期幾何光學(xué)的粒子性的概念是有所區(qū)別的，即光不但可以看成是粒子的傳播，同時(shí)粒子的能量還是量子化的.為了將光的波動(dòng)性和粒子性的兩個(gè)完全不同的概念聯(lián)系起來(lái)，1924年法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出物質(zhì)波假說(shuō)，即每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相聯(lián)系.1926年德國(guó)猶太裔物理學(xué)家玻恩賦予物質(zhì)波的概率解釋?zhuān)瑥亩⒘宋镔|(zhì)波粒二象性的物理圖像.1927年的戴維孫和革末的電子束衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意物質(zhì)波的假說(shuō).

（未完待續(xù)）

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1000-0712（2016）05-0027-10

2015-12-05；

2016-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（11474131），光子晶體調(diào)控有機(jī)共軛低聚物光致發(fā)光和能量轉(zhuǎn)移的機(jī)理研究項(xiàng)目資助

張漢壯（1962—），男，吉林長(zhǎng)春市人，吉林大學(xué)物理學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，吉林大學(xué)特聘教授，吉林省高級(jí)專(zhuān)家.多年從事物理專(zhuān)業(yè)本科生的力學(xué)基礎(chǔ)主干課、研究生的光子晶體的主講等教學(xué)工作，以及材料超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的科研工作.