淺談經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展

趙婷婷

（渤海大學(xué)數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州121000）

人們最早對(duì)物理學(xué)說(shuō)做出細(xì)致的分析和科學(xué)的解釋是根據(jù)物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)物或其他物體的機(jī)體運(yùn)動(dòng)獲得了較為全面的認(rèn)識(shí)，從17世紀(jì)到19世紀(jì)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)成為一套完備的理論，并成為物理學(xué)研究的主體，然而隨著人們視野的開闊并為了不斷滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代化社會(huì)，人們?cè)跈C(jī)械運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上又相繼了解了熱運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)、電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)以及萬(wàn)有引力帶動(dòng)的相關(guān)宇宙內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)等?？v觀經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三次有代表性的運(yùn)動(dòng)，可以說(shuō)每一次運(yùn)動(dòng)都是人們對(duì)未知世界追求的一種表達(dá)，并帶動(dòng)了文明的發(fā)展和物質(zhì)水平的提升。

1 從日心說(shuō)到萬(wàn)有引力定律

1543年，歐洲物理學(xué)家哥白尼發(fā)表《天體運(yùn)行論》，提出了日心說(shuō)，標(biāo)志著歐洲物理學(xué)說(shuō)自然觀的范圍性擴(kuò)展，在宗教勢(shì)力的籠罩下突破了神學(xué)的束縛，并在封建教會(huì)內(nèi)部形成了“上帝創(chuàng)造了宇宙內(nèi)萬(wàn)物的中心，那就是太陽(yáng)”這一理論，并很好地為宗教進(jìn)行服務(wù)。哥白尼日心說(shuō)提出的真正意義就在于它是對(duì)封建落后的神學(xué)說(shuō)的一次抨擊，推翻了傳統(tǒng)意義上的“地球是萬(wàn)物之本，是世界的中心”這一地球中心學(xué)說(shuō)，為人類精神文明的傳播與進(jìn)步做出了突出貢獻(xiàn)。

隨著哥白尼“日心說(shuō)”的提出，很多學(xué)者對(duì)物理學(xué)進(jìn)行了更深層次的研究，對(duì)新的宇宙觀的建立提出了更多的觀點(diǎn)，如意大利哲學(xué)家布魯諾，他提出，“日心說(shuō)”這一太陽(yáng)核心觀并不能成立，宇宙內(nèi)并不是所有星體都圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，其實(shí)每個(gè)恒星都是中心，只不過(guò)離地球距離的遠(yuǎn)近不同而已。這一觀點(diǎn)的提出引發(fā)熱議，人們開始對(duì)“日心說(shuō)”提出質(zhì)疑，而布魯諾更是為宣揚(yáng)自己的主張到處發(fā)表演講，在教會(huì)內(nèi)形成一股反封建勢(shì)力，教會(huì)因此感受到了壓迫，為穩(wěn)定權(quán)利和地位，將布魯諾捕獲并囚禁7年，在獄中，布魯諾不服管制，最終被判處火刑。

布魯諾這一事件對(duì)后來(lái)著名物理學(xué)家開普勒的天文觀測(cè)產(chǎn)生了重要影響，他通過(guò)他的老師弟谷以及自身的不斷實(shí)際觀測(cè)總結(jié)出了開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律，并對(duì)后世的物理學(xué)以及航空領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。首先，開普勒第一定律確立了太陽(yáng)在宇宙中的中心地位，這也是對(duì)“日心說(shuō)”通過(guò)科學(xué)理論進(jìn)行的解釋，所有的行星都是通過(guò)一個(gè)特定的軌道圍繞太陽(yáng)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)；開普勒第二定律進(jìn)一步論述了行星的運(yùn)動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)并不是完全的圓周運(yùn)動(dòng)，即它們的運(yùn)行軌道并非圓形，而是以一個(gè)特定周期進(jìn)行等面積運(yùn)動(dòng)；第三定律用公式用數(shù)據(jù)解釋了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。開普勒三定律的提出引起了眾多科學(xué)家的探討，盡管這一定律明確了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但是卻無(wú)法解釋為何會(huì)發(fā)生這些運(yùn)動(dòng)，比如為什么地球會(huì)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而不是繞月球進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。1687年，英國(guó)物理學(xué)家牛頓根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了力學(xué)的運(yùn)行規(guī)律，形成了一套新的力學(xué)體系，并提出了運(yùn)動(dòng)三定律和萬(wàn)有引力定律，其中運(yùn)動(dòng)三定律是對(duì)力學(xué)的科學(xué)解釋，總體來(lái)說(shuō)就是物體在受力以及受哪種力的情況下會(huì)做出怎樣的運(yùn)動(dòng)，且這種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在外力的作用下會(huì)做出怎樣的改變。萬(wàn)有引力定律通過(guò)重力的引用，不僅解釋了星體的運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行原理，還揭示了自然界的一種基本規(guī)律——物體之間的相互作用，大到宇宙中的天體，小到塵埃甚至是看不到的微觀粒子，它們之間都存在相互作用力，這是物質(zhì)之間發(fā)生關(guān)系的基本原理。

從日心說(shuō)的提出到牛頓的萬(wàn)有引力定律，經(jīng)典物理學(xué)完成了人類物理學(xué)史上的第一次科學(xué)與價(jià)值的較量，也暗示著物理學(xué)革命的積極作用，從牛頓的萬(wàn)有引力定律萌生出的啟蒙運(yùn)動(dòng)以及西方先進(jìn)的思想文化，無(wú)論是對(duì)物理學(xué)還是自然界整體，無(wú)疑都產(chǎn)生了不可替代的重要影響。

2 從蒸汽機(jī)到能量的轉(zhuǎn)換與守恒定律

1765年，瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改良實(shí)現(xiàn)了蒸汽技術(shù)的生產(chǎn)生活化運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了歷史性的突破，他將蒸汽機(jī)的冷凝過(guò)程安排到設(shè)備外端，實(shí)現(xiàn)了蒸汽機(jī)的恒溫轉(zhuǎn)化，大大增強(qiáng)了蒸汽機(jī)的使用效率，降低了運(yùn)作成本，為工業(yè)和農(nóng)業(yè)以及機(jī)械化生產(chǎn)產(chǎn)生了重要影響。1807年，以蒸汽機(jī)作為動(dòng)力的美國(guó)“克萊蒙特號(hào)”誕生，在航海領(lǐng)域取得了重大突破。1814年，史蒂芬孫制造出世界上第一臺(tái)實(shí)用性蒸汽機(jī)，成為資產(chǎn)階級(jí)生產(chǎn)領(lǐng)域的核心動(dòng)力資源。

通過(guò)蒸汽機(jī)原理，很多科學(xué)家開始研發(fā)高效率的熱機(jī)，希望通過(guò)效率的提升降低運(yùn)行成本，并廣泛推廣到各種動(dòng)力設(shè)備中，1842年邁爾醫(yī)生首次提出了能量守恒定律，認(rèn)為在一定條件下熱能能夠與機(jī)械能實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，作為一種形式發(fā)揮熱的能量作用。1847年，德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲系統(tǒng)地解釋了能量守恒定律，揭示了人類社會(huì)中潛在的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律，任何物理行為都可以用能量的觀點(diǎn)來(lái)解釋，無(wú)論是微觀粒子還是宏觀物質(zhì)，能量守恒定律可以涵蓋所有的熱能、機(jī)械能、光能、電能、磁能以及諸多的物理化學(xué)反應(yīng)，在多種能量共存的多合場(chǎng)中也成立，且能量只會(huì)通過(guò)不同形式而轉(zhuǎn)化，它既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)無(wú)故消失。能量守恒定律的提出，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)研究的空前發(fā)展，將物理學(xué)賦予能量的觀點(diǎn)，推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的提升，更多的機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生，也在一定程度上豐富了人們的文化生活。

3 從指南針到統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論

指南針是我國(guó)四大發(fā)明之一，也是我國(guó)物理學(xué)史中的一次重大轉(zhuǎn)折，宋代的《萍州可談》中就提到了廣州的研究者用指南針進(jìn)行航海并順利返航，指南針通過(guò)電磁場(chǎng)作用共同推動(dòng)，在諸多領(lǐng)域廣泛使用并用于方向?qū)Ш健Ｔ谖锢韺W(xué)史中，第一次對(duì)電磁場(chǎng)理論進(jìn)行系統(tǒng)研究的是吉爾伯特發(fā)表的《論磁》，他不僅發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)的一般規(guī)律，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)摩擦起電的現(xiàn)象。

1785年庫(kù)侖借助扭秤實(shí)驗(yàn)總結(jié)了靜電力和磁極之間的作用機(jī)理，1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，將磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象相結(jié)合進(jìn)行研究，總結(jié)得出任何有電流的導(dǎo)線都可以在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，被稱為電流的磁效應(yīng)，可以通過(guò)右手定則來(lái)判斷磁場(chǎng)力的方向，并結(jié)合公式進(jìn)行計(jì)算。

1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并制造出了第一臺(tái)手搖發(fā)電機(jī)，為新能源的開發(fā)和使用打開了科學(xué)的大門，此后，電磁感應(yīng)原理被廣泛運(yùn)用到人們的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域中，這也是物理學(xué)史上實(shí)現(xiàn)的第二次重大突破。

為了更好地解釋電磁場(chǎng)現(xiàn)象，麥克斯韋提出了“位移電流”和“漩渦磁場(chǎng)”，并預(yù)言了電磁波的存在，為后來(lái)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)奠定了重要基礎(chǔ)，如現(xiàn)在的人造衛(wèi)星、智能手機(jī)、電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等通訊工具和信息傳輸工具都是通過(guò)電磁波進(jìn)行連接和定位，都離不開電磁波的熱傳導(dǎo)，通過(guò)電磁場(chǎng)理論的建立，人們的視野迅速擴(kuò)大，世界形成了一個(gè)整體，全球化經(jīng)濟(jì)進(jìn)程加快，人類實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識(shí)自然和改變自然的又一次大跨越，在這一基礎(chǔ)上，汽車、火車、輪船的產(chǎn)生以及信息化產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了大發(fā)展，不僅加強(qiáng)了人們對(duì)未知世界的認(rèn)識(shí)，也推動(dòng)了人類文明發(fā)展的不斷進(jìn)步。

［1］馬克思恩格斯全集(第一卷)[M].北京：人民出版社,1956：256.

［2］張慶勝,李會(huì)聯(lián).物理與文明[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2007.

［3］鄒海林,徐建培.科學(xué)技術(shù)史概論[M].北京：科學(xué)出版社,2004.