物理学史

从远古到公元5世纪属古代史时期；5—13世纪为中世纪时期；14—16世纪为文艺复兴运动时期；16—17世纪为科学革命时期，以N.哥白尼、伽利略、牛顿为代表的近代科学在此时期产生，从此之后，科学随各个世纪的更替而发展。近半个世纪，人们按照物理学史特点，将其发展大致分期如下：①从远古到中世纪属古代时期。②从文艺复兴到19世纪，是经典物理学时期。牛顿力学在此时期发展到顶峰，其时空观、物质观和因果关系影响了光、声、热、电磁的各学科，甚而影响到物理学以外的自然科学和社会科学。③随着20世纪的到来，量子论和相对论相继出现；新的时空观、概率论和不确定度关系等在宇观和微观领域取代牛顿力学的相关概念，人们称此时期为近代物理学时期。

古代和中世纪

大约在公元前4000—前2000年间，在底格里斯河、幼发拉底河、尼罗河、印度河和黄河各流域，逐渐形成了古代文明的中心。公元前7世纪到前2世纪，古代科学在希腊和中国均获得较大的进展。鉴于中国的历史进程与欧洲有别，有关物理学在中国古代的情形见中国物理学史。 

物理学来源于古希腊理性唯物思想。早期的哲学家提出了许多范围广泛的问题，诸如宇宙秩序的来源、世界多样性和各类变种的起源、如何说明物质和形式、运动和变化之间的关系等。尤其是，以留基波、德谟克利特为代表，后又被伊壁鸠鲁和卢克莱修发展的原子论，以及以爱利亚的芝诺为代表的斯多阿学派主张自然界连续性的观点，对自然界的结构和运动、变化等作出各自的说明。原子论曾对从18世纪起的化学和物理学起着相当大的影响。 

古希腊和古罗马的物理学实际上最好的是静力学，其真正代表人物是阿基米德。他建立了杠杆定律、浮体定律，发明了后来以他名字命名的螺旋抽水机。更重要的是，他将欧几里得几何学和逻辑推理用于解决物理问题，这为经典物理学的兴起在方法上提供了一个榜样。至于亚里士多德的物理学，实质上大部分是由错误判断、逻辑集合而成的几个概念。他将宇宙分成天上的和地上的两种截然不同的领域，将运动分为“自然的”和“非自然的”两类，“非自然运动”需要恒常的外因等。今天看来，奇怪的是，占有整个中世纪的形而上学不是阿基米德的物理学，而是亚里士多德的物理学。这不仅与宗教的需要有关，大概亦与亚里士多德论证问题的巧妙方式有关。此外，泰利斯观察到琥珀吸引现象；毕达哥拉斯可能知道某些音程的数字比例；欧几里得探讨了凹面镜的反射现象；托勒玫发现光线入射角和折射角成比例，他构建的洋葱式宇宙模式（托勒玫体系）对中世纪影响颇大。 

随着古希腊和古罗马文明的衰落，中世纪时期，慑于社会压力、政治迫害和早期教会神父的反理智偏见，剩下少数的科学家和哲学家流向东方。他们的大量科学经典传进阿拉伯国家，被译成阿拉伯文而被保存下来。但在物理学方面，唯有光学在阿拉伯得以发展。这个时期相当于中国的隋唐和宋初。阿尔·哈增发展了光反射和折射知识，对眼睛的构造作出了解剖研究，创立了至今仍被沿用的一些术语，如“角膜”、“玻璃液”等。12—13世纪，在欧洲建立了一些附属教堂的学校，以1100年创建的巴黎大学为标志，其后，博洛尼亚大学、牛津大学、剑桥大学相继建立。一些学者开始对希腊文化重新发生兴趣，亦开始从阿拉伯文翻译原本是希腊的科学著作。这些学校虽讲授阿拉伯文的亚里士多德著作，但亚里士多德讨论问题的逻辑方式却成为欧洲传统，无形中一代代地培养了学生逻辑思维的习惯。13—14世纪期间，一些学者在评注亚里士多德运动观中，提出并发展了“冲力说”。这些人虽然在希腊科学的总框架内工作，但中世纪后期的科学家在物理学一些问题上做得精细且有一定水平，并为16—17世纪的科学革命奠定了基础。

经典物理学

16—17世纪，一场伟大的科学革命在欧洲兴起。它是文艺复兴的产物。大批阿拉伯文的古希腊和罗马文献的翻译，激起了人文主义，激起新兴市民去探讨现实世界和自然界的热情。此时，东西方都积累了大量的由工艺传统而获得的科学知识；加之，诸如纺织、钟表、眼镜和玻璃等生产技术的进步，为科学研究提供了新的实验手段。这场革命首先起于天文学，继而是力学、光学。新科学观取代了统治科学近2,000年之久的古希腊观点，科学开始带着功利目标，脱离哲学和工艺而独立。定量的、机械的自然观取代定性的有机论自然观。依靠实验方法，寻求对于特定问题的明确答案，并以符合特定理论框架的措辞，甚至以数学式定量地将答案表述出来。科学研究的目的也是在于了解自然事物之“如何”，而不是去讨论它“为什么”。 

1543年，波兰天文学家N.哥白尼发表《天体运行论》，提出日心地动说（地球沿圆轨道绕日运动），从而和经院哲学的教条即被神化了的托勒玫地心说发生冲突。继而，伽利略携望远镜观察天象，并进行一系列关于运动的实验。这不仅推翻了地心说和以亚里士多德为代表的经典哲学运动观，并以数学形式建立了诸如自由落体定律和惯性定律，创建加速度概念。其后，J.开普勒在哥白尼日心说基础上，运用B.第谷的观测资料，发现了行星运动三定律。加上C.惠更斯和稍早时候S.斯蒂文等人的努力，牛顿继而提出了三大运动定律和万有引力定律。1687年一版《自然哲学的数学原理》问世，在这一划时代科学巨著中，建立了以牛顿力学为代表的经典力学体系。它不仅解决了那个时代提出的力学和天文学的主要问题，而且将科学革命推向了高峰。牛顿力学体系将过去一向被认为毫不相干的地上的和天上的物体运动规律概括在一个严密的统一理论之中，这是人类认识自然的历史中第一次理论大综合。此后P.拉普拉斯把整个太阳系综合为一个动力稳定的牛顿引力体系，建立起天体力学；1846年通过牛顿理论预测并证实海王星的存在，这时以牛顿力学为核心的经典力学达到最为辉煌的时代。 

经典力学的另一个发展序列是由E.托里拆利、B.帕斯卡、冯·盖利克等人的工作组成的，并导致1662年R.玻意耳和E.马略特各自独立地建立了关于气压和体积关系的定律。 

从18世纪起，另有一批人从另一角度构筑经典力学，人们称它为分析力学或解析力学。丹尼尔第一·伯努利和L.欧拉研究了多质点体系、刚体和流体动力学。J.达朗贝尔提出了以他的名字命名的用于代替运动方程的原理（见达朗贝尔原理）。J.拉格朗日建立了对于复杂情况特别适用的微分方程（见拉格朗日方程）。稍后，A.科希在R.胡克的弹性定律基础上对弹性胁变与形变作出了普适的数学表述，总结了变形体力学的最终形式。最后，W.哈密顿发展了拉格朗日微分方程，提出了最小作用量原理。该原理后来还被用于一系列非力学过程中，并被认为是所有自然规律中最概括的一个。C.雅可比提出了用于多体系的哈密顿-雅可比方程。从此，从质点到连续体所有力学问题都已得到解决。理论上，经典力学达到了尽善尽美的地步。 

光学起源于古希腊，经过13世纪R.培根等人的工作，17世纪时W.斯涅耳和R.笛卡尔发展起几何光学，在实验基础上用数学方法推导出反射定律、折射定律和一些透镜的几何理论。1676年，O.罗麦通过观测木星卫星的蚀而测定了光在空间的传播速度。1729年，J.布拉得雷发现光行差，从而结束了光速是瞬时还是有限的争论。光行差的发现也为地动说提供了第一个确凿无疑的直接证据。1850年，J.傅科和A.斐索根据D.阿拉戈的建议，测得水中的光速小于空气中的光速，这才结束了长期以来争论不决的关于光密与光疏介质中哪个光速更大或折射率更大的问题。牛顿对光学的贡献：一是颜色理论，证明白光是色光的混合；一是发现薄膜干涉，并以定量方法研究干涉现象。为了避免色差，牛顿于1668年设计了反射望远镜。1753年，J.多朗德成功制造消色差折射望远镜，而F.格里马尔迪曾描述直杆和光栅的衍射现象。这样，干涉、衍射和偏振等现象的发现与光的本性问题的讨论相结合，光学便成为以后长期持有争论的学科。 

起初，牛顿、笛卡尔持射流说（微粒说），而胡克、惠更斯持波动说。两者各有千秋，但都需要借助力学模型来解释光的某些现象。从1800年起，由于T.杨的工作，波动说出现了辉煌时期。杨提出波长、频率的概念和干涉原理，并以此解释牛顿环，第一个近似地测定了光的波长，区分了相干光与不相干光的概念。接着L.马吕斯于1809年发现光的偏振，他认为这是对牛顿微粒说的证明。然而1811年，阿拉戈用晶体观察到被偏振的白光的色现象，D.布儒斯特于1815年实验证实，在反射光与折射光彼此垂直的情形下，反射光是完全偏振的。同年，对波动说做出全面推进的A.菲涅耳建立了带作图法的衍射理论，并与阿拉戈在1819年共同提出彼此垂直的偏振光不相干涉的证明，最终证实光的横向振动。从此，才建立了光的正确的波动学说。直到1888年，H.赫兹证实电磁波的存在并将光也统一其中，这又结束了光究竟在哪个方向振动的争论。后来，H.洛伦兹以反射理论，D.维纳以光的驻波实验各自独立地证明，电场强度的振动垂直于偏振面，而磁场强度的振动在偏振面上，从此光学成为电动力学的一部分。

在17—18世纪、各种温度计的制造和温标的选定过程中，有两个定理曾推动热力学的发展。一是前述玻意耳定律，一是1802年盖-吕萨克对理想气体膨胀的测定。后者指出，各种气体具有相同的热膨胀系数，即1/266.6。后来更精确的测定值为1/273。这是热力学的重要概念“绝对零度”的先导思想。 

起初，人们相信热是一种类似流体的物质。持此观念的苏格兰的J.布莱克是“潜热”概念的提出者，而且最早（1760）将热量与温度从概念上区分开。B.汤姆逊（伦福德伯爵）于1799年首先从钻炮眼的机械运动中发现热是一种运动。1842年J.迈尔，1843年J.焦耳，1847年冯·亥姆霍兹等，先后十余位科学家从蒸汽机的效率、机械、电、化学、人的新陈代谢等不同侧面独立作出研究，获得了热是一种能量、能量守恒以及各种形式的能量可相互转换的定律。特别是焦耳测定了热功当量，亥姆霍兹充分发展了能量守恒原理的普遍意义，而开尔文勋爵于1853年对能量守恒概念作出最后定义。约1860年能量守恒原理得到普遍承认。很快它就成为全部自然科学和技术科学的基石。它揭示了热、机械、电和化学等各种运动形式之间的统一性，从而实现了物理学的第二次理论大综合。 

能量守恒定律又称热力学第一定律。在S.卡诺对蒸汽机的热功转换进行研究的基础上，R.克劳修斯和开尔文分别在1850年和1851年建立了热力学第二定律。1865年，克劳修斯给第二定律引入熵的概念，用它表示一个物理系统的能量耗散程度或称之为无序程度（又称混乱程度）。熵的概念和第二定律的建立，立即在化学、天文学以及和一切与热现象有关的科学门类中起了不可轻视的作用。1906年，W.能斯特提出热力学第三定律。 

随着热力学的建立和发展，分子运动论和热现象的统计方法也建立起来。起初，D.伯努利曾提出气体运动论，但已被人忘却。化学家创立了现代原子、分子概念，J.道尔顿定义原子量，A.阿伏伽德罗提出了后来以他的名字命名的常数。1858年克劳修斯提出了平均自由程概念，证明气体分子碰撞过程的特点。1860年，J.麦克斯韦测得平均自由程长度值，并建立了速度分布定律。J.洛喜密脱以数学计算获得了气体分子的半径和1克分子的分子数的准确数量级，后者被称之为洛喜密脱数。尤其是，麦克斯韦、L.玻耳兹曼和J.吉布斯的工作，发展了分子运动论并奠定了统计物理学的基础。在这一分支学科中，出现了一个新的区别于牛顿以来的物理观念：统计物理不是研究单个质点或单体的运动状态，而是研究一大群分子的运动状态，“几率”（概率）的概念被引进物理学之中。统计力学可以处理分子运动论的所有问题，而且更容易导出能量均分定理和克原子比热。1887年，玻耳兹曼在熵和概率之间架起数学桥梁：熵和状态概率的对数成正比，其比例因子就是玻耳兹曼普适常数。同时，发现了分子运动的微小涨落现象。这个重要事实，即涨落说，为1827年植物学家R.布朗发现悬浮粒子的运动（又称布朗运动）是纯粹热现象作出了最好的说明。1905年爱因斯坦对此涨落现象进行了研究，并被佩兰的实验所证实，从而为原子概念的最终确立作出了贡献。这门学科的发展到此并未结束，直到20世纪40年代一直不断有新发现。 

电和磁是一门古老而又晚起的学科。古代中国人对此作出一定的贡献。从1600年W.吉伯发现地球是个大磁体，以及他的《论磁》问世，到18世纪初，研究者面临摩擦电、电火花的形成和大气潮湿的影响等一些错综复杂现象，电和磁的研究进展极为迟缓。其中，较为重要的事件有：荷兰莱顿的冯·穆欣布鲁克于1745年发明莱顿瓶，美国B.富兰克林于1752年以风筝实验证明天空闪电与人工摩擦电的一致性，A.伏打在1775年描述起电盘，后来发展为感应起电机。直到1785年，C.库仑发明扭秤，才使他自己和H.卡文迪什各自独立地发现了两电荷之间的作用力定律，今称库仑定律。此后，又引出了一系列进展。 

电磁发展史上的一个重大转折是由L.伽伐尼和伏打作出的。伽伐尼于1792年报告了关于蛙腿痉挛的实验，伏打立即将此观察变成一个物理发现，于1800年制成电堆。电堆所提供的持续电流为电磁学发展开辟了一个崭新领域。它的最初影响是关于电解和各种离子迁移的一系列研究。1820年，H.奥斯特发现电流的磁效应。鉴于它的技术应用前景，一大批、特别是法国的物理学家立即涌入这一新领域，在两年时间内就奠定了电动力学的基础。其中，A.安培发现同方向电流彼此吸引，反方向电流彼此排斥，并提出电使磁偏转的方向法则，特别是创立了二电流元之间相互作用的安培定律；J.毕奥和F.萨伐尔同时表述了单一电流线元的磁作用定律。稍晚几年，即1826年，G.欧姆建立了电阻定律，清楚区分电动势、电势梯度、电流强度的概念，并为导电率概念打下基础。在电流的磁效应发现的激励之下，M.法拉第通过一系列实验，终于发现磁感生电流的效应，并于1831年建立法拉第电磁感应定律。这定律是发电机的理论基础。法拉第的实验为人类开辟了一种新能源，打开了电力时代的大门。为解释他的实验，法拉第提出了“力线”概念。1855—1864年，麦克斯韦在这概念基础上又引进了“位移电流”概念，从数学上建立了意义深远的电磁理论，即迄今闻名的一组矢量微分方程，从该方程中导出电磁波的存在及其以光速传播的结论（见麦克斯韦方程组）。法拉第、麦克斯韦等人的工作导致物理学史上第三次理论大综合，揭示了光、电、磁三种现象的本质统一性。1888年，赫兹以实验证实电磁波的存在，并证明它具有光的一切特性。电磁波的发现，预示了无线电通信和稍后兴起的电视技术的到来，为现代人类的物质文明奠定了强有力的基础。至此，电磁学的理论基础大致上全部完成。

近代物理学

一般认为，1895年X射线的发现是20世纪近代物理学开始的标志。近代物理学的两大基石即相对论和量子论彻底地改变了物理学的理论基础，其中包括有关空间、时间、质量、能量、原子、光、连续性、决定论和因果关系等在经典物理学中已牢固确立的概念，在20世纪30年代之前掀起一场新的科学理论革命。 

19世纪末20世纪初，经典物理学在新的实验事实面前遇到了困难，原来与实验吻合的理论受到挑战。牛顿力学对于解释水星近日点的进动无能为力；随着确定光的波动说而带来的以太模型，人们已习惯并长期相信它作为绝对静止的惯性坐标系的存在，但在A.迈克耳孙主持的多次反复的实验中均得到否定的结果；再如，在固体比热、黑体辐射、X射线、放射性、电子和镭的发现等新的实验事实中，经典物理学不仅对此困惑不解，而且似有大厦将倾之危。 

爱因斯坦看出，修补经典理论不可能完备，他默默地从事对物理理论基础的根本性改革，于1905和1915年先后创立狭义相对论和广义相对论。相对论否定了牛顿以来绝对时间和绝对空间概念，建立了新的时空观，并将牛顿力学作为一种特例概括其中。相对论既是天体物理和宇宙学的理论基础，也是亚原子世界微观物理学的理论基础。 

M.普朗克为解释黑体辐射问题，于1900年提出能量子假设，引入了著名的普朗克常数。爱因斯坦在1905年提出光量子论，既解释了光电效应等经典物理所不能解释的一些问题，又证实并发展了普朗克的思想。光量子论认为，光既有连续的波动性质，又有不连续的粒子性质。1913年，N.玻尔依据量子论提出一种原子模型，成功地解释了只含一个电子的原子的光谱和其他性能。1923年，L.德布罗意提出物质波概念，波粒二象性作为微观世界的基本特性之一为人们普遍接受。经过近20年的酝酿与准备，当时一批年轻的物理学家，如W.海森伯、P.狄拉克以及M.玻恩、E.薛定谔等终于在1925—1927年间建立了量子力学。它不仅解决了19世纪末提出的诸多物理问题，并此后被广泛用于原子、分子和金属性能的研究，加速了原子和分子物理学的发展，并且成为物理学通向化学和生物学的桥梁。 

19世纪末20世纪初，人们作出了关于X射线、放射性、镭等一系列惊人发现。1905年爱因斯坦提出著名的质能关系式（E=mc2），量子论由初期解决辐射问题而进入到物质本体之中，从而打破了原子不可分的古老观念，人们对物质的认识从宏观深入到原子内的微观世界中。1932年，J.查德威克发现中子，C.安德森发现正电子，J.考克饶夫和E.瓦尔顿用加速器实现人工核蜕变。1938年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼发现铀分裂即重原子核裂变现象。1942年，实现原子核链式反应。在E.费米领导下，建成第一座原子反应堆。1945年，制成第一颗原子弹。从此揭开了原子能时代的序幕。 

从1932年发现中子、正电子开始，粒子物理学成为20世纪中期以后的热门课题。新粒子的性质、结构、相互作用和转化成为该学科主要研究内容。存在于自然界中的四种相互作用力（引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力）的统一问题，已经取得了相当的进展。但距真正的统一尚待时日。物理学在传统意义下分化出高能物理学、原子核物理学、等离子体物理学、凝聚态物理学、复杂系统的统计物理、宇宙学和各种交叉学科。即使传统物理学科，如光学、声学，亦在其基础理论上，就其教学方法、实验装置、解决问题的复杂性以及可能的技术应用等方面都有极大的演变与发展。物理学家不断发现新现象、新方法，实验设备和装置不断增大和更新，如强子对撞机、直线对撞机、相对论重离子对撞机、同步辐射光源、激光核聚变及其点火装置，甚至由众多国家联合参与建设和研究的国际热核实验堆等。在人类认识自然界的历史长河中，当前最感兴趣的两个领域是宇宙的形成和粒子的分化与组合。其中，暗物质、暗能量的研究，物理学与生命科学的交叉领域都将成为21世纪的物理热点。迄今，物理学已帮助人的“眼力”扩大到1033厘米的宇宙，深到10－17厘米的粒子内部。

经典物理学形成之初，磨镜与制镜工艺对物理学与天文学都有过帮助和促进。早先发明的眼镜以及在1600年左右突然问世的望远镜、显微镜，为伽利略等物理学家观测天体带来方便，也促使菲涅耳、笛卡尔、牛顿等一大批光学家作出几何光学的研究。后者的成就又促成反射望远镜、折射望远镜和消色差折射望远镜在17—18世纪纷纷问世。各种望远镜的进步又推动物理学的发展，如用它观察木卫蚀、发现光行差等。当牛顿建立起经典力学大厦时，现代一切机械、土木建筑、交通运输、航空航天等工程技术的理论基础也得到初步确立。 

18世纪60年代开始的工业革命，以蒸汽机的广泛使用为标志。起初，蒸汽机的热机效率仅为5%左右，为提高蒸汽机的效率，一大批物理学家进行热力学研究。J.瓦特曾根据J.布莱克的“潜热”理论在技术因素上（加入冷凝器）改进蒸汽机。但是，当时尚未有人认识到汽缸的热仅仅部分地转化为机械功。此后，卡诺建立了热功转换的循环原理，从理论上为热机效率的提高指明了方向，也因此在19世纪下半叶出现了N.奥托和R.狄塞尔的内燃机。在热力学第一、第二定律确立不久，英国土木工程师W.兰金于1859年就将它们编入《蒸汽机手册》之中。到20世纪初，蒸汽机热效率达到15%—20%左右。这充分说明技术与物理之间的互动关系。 

电磁学所有重大成就纯粹是在物理实验室诞生的。伏打电池成功地获得了持续电流，开辟了利用电力的新时期。奥斯特发明的电流磁效应和法拉第建立的电磁感应定律，为电气时代的到来打下了理论基础。特别是在实验室里用以演示感生电流的法拉第转子，原本近乎一种玩具，但它却是后来所有发电机和电动机的始祖。19世纪上半叶创建的一系列电磁学定律，促成了19世纪80年代钢铁、电力、化学、内燃机为主流的技术大飞跃，实验室的成果孕育了工业技术领域的大批巨头和巨豪的诞生，如电机工业的冯·西门子、钢铁工业的H.贝塞麦和马尔丁兄弟等。反之，在钢铁、冶金、电机方面的技术发展难题，尤其是燃料、能源的合理利用与成本问题又促进了19世纪最后20—30年间热辐射研究的迅猛发展。类似地，麦克斯韦的理论预言和赫兹电磁波实验，导致G.马可尼于1895年发明无线电，从而开创了无线电通信技术的新时代，大大改变了人类的生活和文明进程。这又是物理与技术之间的互动事例。 

20世纪期间，最新物理学成果给予技术、社会的影响是最惊人的科学事件。爱因斯坦的质能关系导致原子弹制造和核能的利用，1916年爱因斯坦的受激发射理论又引出1960年激光器的诞生。在现代强大技术装备中，引人注目的有：1932年发明的粒子加速器，1934年制成电子显微镜，1936年发明射电望远镜，1952年氢弹试验成功，1957年人造地球卫星上天及其后发展的宇宙飞船技术、遥感技术，20世纪60年代建造的用作强中子源的实验性反应堆和电子同步加速器等，它们无一不是物理学的成果。除了原子能工业（始于1942年）、空间技术（始于1957年）与物理学直接相关外，当今电子计算机和信息革命是最为令人激动的技术革命。但它的硬件无一不与物理学成果相关，甚至就是物理学的实验结晶。从1947年贝尔实验室发明晶体管，1962年发明集成电路，到70年代后期出现大规模、高密度集成电路，其间有许多物理学家在固体、晶体、半导体等物理学领域奉献自己的一切才智。可以说，大至国防技术的导弹、核潜艇、宇宙飞船，小至每个家庭、每个人身边的各种电器、电子仪器以及为了健康而进入医院时所见到的放射性治疗、超声波扫描、核磁共振扫描等，没有一件是与物理学毫不相干的发明物。物理学已经渗透到人类活动和文明生活的方方面面。在国际经济竞赛、市场竞赛与知识经济活跃的今日，许多人惊讶，上百条的物理定律已经变为成千上万吨的黄金。 

除了物理学与技术之关系外，在科学发展史上，物理学与邻近的天文学、化学和矿物学是密切相关的，而物理学与数学的联系更为密切。物理学的概念、理论和方法，也帮助其他学科的建立与发展，如气象学、地球科学、生物学等。物理学与哲学的关系也十分特别。