物理的邏輯與歷史

張漢壯

（吉林大學物理學院，吉林長春 130012）

物理學史與物理學家

物理的邏輯與歷史

張漢壯

（吉林大學物理學院，吉林長春 130012）

概述了物理學七大基本領(lǐng)域的知識體系邏輯和發(fā)展簡史.通過本文介紹的物理學的邏輯與歷史，希望使初涉物理的讀者能夠開闊視野，激發(fā)其學習物理的熱情，培養(yǎng)良好的分析問題和解決問題的能力.

物理學；知識領(lǐng)域；邏輯性；歷史性

1 物理學的研究內(nèi)容

物理學是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、基本運動規(guī)律以及相互作用規(guī)律的科學.其研究內(nèi)容可以從不同的角度來劃分.從含時空結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀角度，物理學可分為經(jīng)典物理學和近代物理學.從物質(zhì)的運動形式角度，物理學研究內(nèi)容可以分為機械運動、熱運動、電磁和光運動、微觀粒子運動，并形成了與之對應的力學、熱學、電磁學、光學、量子理論等分支學科.各分支學科之間既相對獨立又互相滲透，形成了彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一的物理學整體.從研究對象的不同角度，物理學也劃分為天體物理學、凝聚態(tài)物理學、原子分子物理學、核物理學和粒子物理學等.從物理學最基本知識領(lǐng)域角度，在教育部物理專業(yè)教學指導委員會所制定的物理規(guī)范中，將其概括成表1所示的六大知識領(lǐng)域，也是教育物理專業(yè)本科生所需掌握的基本知識內(nèi)容.而課程體系是完成這些知識領(lǐng)域規(guī)律總結(jié)的載體.

表1 物理學研究的基本知識領(lǐng)域

續(xù)表

2 物理學的研究方法

物理學現(xiàn)象與規(guī)律的研究可以用不同的方法來進行.一種是以實驗為基礎(chǔ)，通過觀測總結(jié)上升至理論，稱為實驗物理學研究方法.19世紀中葉以前的物理學研究大都屬于這類.另一種是從已知的原理出發(fā)，理論上預測規(guī)律，再被實驗所驗證，稱為理論物理學研究方法.20世紀以后，實驗物理學和理論物理學兩大分支并存，相輔相成地推動著物理學的發(fā)展.隨著計算機技術(shù)的進步和發(fā)展，將數(shù)學和計算機應用到理論物理學的研究中，可以解決復雜體系的物理問題，稱之為計算物理學.因此，物理學的研究包含實驗、理論與計算，所得結(jié)論的正確性必須由實驗測量與觀察來驗證.

3 物理學在自然科學中的地位

在科學長期的發(fā)展中，物理學是自然科學中最成熟的基礎(chǔ)性學科.物理學在探索未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動基本規(guī)律中的每一次重大突破，都帶來了物理學新領(lǐng)域、新方向的發(fā)展，并導致新的分支學科、交叉學科和新技術(shù)學科的產(chǎn)生.物理學又是科學技術(shù)進步的源泉，極大地推動著人類文明的進步.自17世紀經(jīng)典力學的體系建立以來，物理學的三次重大突破都導致了重大的技術(shù)進步和生產(chǎn)力的巨大飛躍.第一，在力學基礎(chǔ)上的熱學和熱力學的研究促進了蒸汽機的發(fā)明和廣泛應用，為工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸提供了動力，形成了人類歷史上的第一次工業(yè)革命；第二，電磁感應的研究和電磁學理論的建立導致了發(fā)電機、電動機的發(fā)明和無線電通訊的發(fā)展，引發(fā)了第二次工業(yè)革命；第三，相對論、量子力學的建立為近代物理的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，使物理學進入高速、微觀的領(lǐng)域，在原子能、電子計算機、微電子技術(shù)、航天技術(shù)、分子生物學和遺傳工程等領(lǐng)域取得了重大突破.

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

4 物理學的邏輯與歷史

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

如果將表1所示的物理學基本知識領(lǐng)域比喻一座“山”的話，由表2可以看出，這座“山”是經(jīng)過近2000年來，無數(shù)科學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)畫成如圖1所示.

圖1所示的每個知識領(lǐng)域的面積大小，是根據(jù)右側(cè)所示的課程體系內(nèi)容（學時數(shù)）占整個7大知識領(lǐng)域內(nèi)容（總學時數(shù)）的比例繪制的.從下到上是按照年代順序安排的.“山”中間部分的兩個云朵標記代表著十九世紀末物理學上空飄著的“兩朵烏云”，兩朵烏云的散去，標志著近代物理學的基礎(chǔ)“狹義相對論”和“量子力學”的誕生.“山”頂部的山尖代表著物理學當今的三大前沿領(lǐng)域方向.后面對圖1所示的“物理基本知識領(lǐng)域山”的發(fā)展歷程作進一步的介紹.

圖1

4.1 機械運動研究領(lǐng)域（16—19世紀初完成規(guī)律體系的建立）

機械運動是指小到顆粒、大到天體的宏觀物體的空間運動.研究其運動規(guī)律所形成的學科為力學.力學所形成的理論規(guī)律包括牛頓力學和分析力學.牛頓力學是實驗總結(jié)的規(guī)律.分析力學即可以由牛頓第二定律導出，也可以完全獨立于牛頓力學而從哈密頓變分原理獲得.分析力學的表述形式與物理圖像更為清晰的牛頓力學相比，顯得漸行漸遠，越來越抽象化.但從哈密頓變分原理獲得分析力學的方法為拓展研究力學的普遍問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體系問題的研究提供了基礎(chǔ).因此，雖然牛頓動力學和分析力學是等價的規(guī)律表述形式，但不能簡單地將分析力學作為牛頓力學的拓展來理解.

表2 物理學發(fā)展簡史一覽表

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

4.1.1 天體觀測規(guī)律

從地球上觀測浩瀚的天空，人們感覺大部分星體都圍繞著地球在做圓周運動.早在古希臘的亞里士多德就提出了宇宙結(jié)構(gòu)的地心說理論.公元150年左右，希臘天文學家托勒密總結(jié)了古希臘天文學家喜帕恰斯（Hipparchus，又譯伊巴谷）等人的大量觀測與研究成果，寫成以地心說理論為主體的巨著《天文學大成》.該書成為古希臘天文學的百科全書，統(tǒng)治天文學長達13個世紀.在此期間，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，地心說對有些現(xiàn)象不能給予很好的解釋，例如，金星、火星等的折返等現(xiàn)象.為了在地心說基礎(chǔ)上解釋這些現(xiàn)象，人們就在星體的運行軌道上再加上額外的本輪軌道，使得地心說體系越來越復雜.

公元16世紀，波蘭天文學家哥白尼打算以托勒密的地心說體系為基礎(chǔ)來修訂天文學，但發(fā)現(xiàn)托勒密體系太繁瑣，而且對很多自然現(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原著，分析其中關(guān)于地球運動的描寫，結(jié)合自己的觀測和計算，提出設(shè)想：如果星體圍繞太陽運動的話，即日心地動說，很多問題的解釋就變得簡單化了.依據(jù)這個想法，他于1514年完成了《天體運行論》的撰寫，于1543年臨終前公開發(fā)表.哥白尼日心說的提出，給當時的社會帶來了恐慌，給科學界帶來了爭論.因為，地心說意味著地球是巍然不動的，感覺人們生存的地球踏實可靠.而日心說意味著地球是漂浮在宇宙中的，無法被人們理解和接受.尤其是日心說受到了當時掌管社會行政、文化大全的天主教會的反對.宣揚日心說者會判以極刑.例如，意大利天文學家布魯諾就于1600年被燒死在羅馬的鮮花廣場.

但是，任何的理由阻擋不了科學進步和發(fā)展的腳步.德國天文學家開普勒受到哥白尼日心說的影響，并進一步閱讀研究天文學著作.1600年，開普勒受到布拉格天文臺的第谷的資助和邀請，成為第谷的助手.第谷一生積累了大量的天文觀測資料.1601年第谷逝世前把所有的資料贈送給了開普勒.開普勒緊緊抓住行星軌道問題，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資料相符，開普勒前后用了8年時間于1609年得到了開普勒第一、第二定律，又用了9年時間于1618年得到了第三定律.開普勒定律的建立，也打破了自古以來人們所信奉的星體做完美圓周軌道運動的信念.

開普勒三定律的建立，漸漸增加了科學家們對日心說的認可.但一直沒有證據(jù)來證明日心說.真正的決定性證據(jù)來源于伽利略的望遠鏡天文觀測. 1609年伽利略聽說荷蘭有人制作并展出了能把遠處景物放大約3倍的望遠鏡，立即利用自己的光學知識制出了類似的裝置.他在很短的時間內(nèi)不斷改進技藝，最后將其提高33倍用來觀測天體，獲得很多人們前所未知的星體現(xiàn)象.1610年伽利略對金星進行了長達3個月的觀測，發(fā)現(xiàn)金星的位相現(xiàn)象，即有類似月亮的盈虧現(xiàn)象.這一發(fā)現(xiàn)是對日心說理論的一個決定性證據(jù).因為按照地心說理論，不會有金星的滿盈現(xiàn)象出現(xiàn)，而日心說可以預言滿盈現(xiàn)象的出現(xiàn).

至此，天體觀測規(guī)律得以形成.從公元150年左右的托勒密地心說到1610年伽利略證明日心說的觀測證據(jù)，時間長達1400余年.天體觀測規(guī)律給人們帶來的下一個問題是，什么樣的力使星體做橢圓軌道運動？亦即后人所稱的開普勒問題.直到1687年牛頓的萬有引力定律公開發(fā)表，這個問題才得以圓滿解決.

4.1.2 地面實驗規(guī)律

關(guān)于地面上物體運動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》被稱為古代世界學術(shù)的百科全書，對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動”是亞里士多德作中關(guān)于物體運動規(guī)律的描述.

意大利物理學家伽利略除了前述的利用自制的望遠鏡觀測天體的工作外，也在研究亞里士多德的理論.針對亞里士多德的“物體越重，下落越快”的規(guī)律，伽利略從邏輯推理角度提出，如果將一個重物和一個輕物綁在一起，下落的時間會如何？從物體重量的角度，按照亞里士多德的理論，下落的時間應該更快.但從時間的角度，應該是重物和輕物各自下落時間的平均值.二者是矛盾的.因此，伽利略認為亞里士多德的理論是存在問題的.從實驗的角度，1586年，比利時天文學家斯蒂文在他所出版的《靜力學原理》一書描述，“將兩個輕重相差10倍的鉛球從30英尺的高度同時釋放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉛球落地發(fā)出的聲音像一個聲音一樣，說明兩球同時落地的”，說明亞里士多德理論存在著問題.而廣為流傳的伽利略在意大利比薩塔上做落體實驗只是一種傳說而已.他是通過人工設(shè)計的斜面物體運動實驗，推知獲得的自由落體定律和慣性定律.伽利略是首個通過人工設(shè)計實驗尋求物理規(guī)律之人，也是首個利用實驗和數(shù)學相結(jié)合的方法探求物理規(guī)律之人.愛因斯坦對其的評價是：伽利略是現(xiàn)代物理學之父.

在伽利略和牛頓年代期間，還有比利時的斯蒂文、法國的笛卡兒、荷蘭的惠更斯、英國的胡克等物理學家，以及德國的萊布尼茲等數(shù)學家，他們在天文學、物理學等方面進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規(guī)律總結(jié).我們重新回到天體觀測規(guī)律留給人們的“什么樣的力使星體做橢圓軌道運動？”的問題上來.

開普勒本人曾試圖引入太陽磁力來探求星體運行規(guī)律的原因，但沒有成功.1673年惠更斯、胡克、哈雷、雷恩等人結(jié)合各自的研究工作，認定星體所受太陽的向心力與其距離成反比.但是他們無法說明引力的本質(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題的是英國物理學家牛頓.

1661年，牛頓進入英國劍橋大學學習數(shù)學，后來從事物理學研究.1665—1666年期間，因為流行瘟疫，劍橋大學被迫關(guān)門，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)、引力定律等科學成果的積累.其中的微積分是他在研究物體運動學時所創(chuàng)立的，后人將牛頓和德國數(shù)學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動問題.

“蘋果落地”故事廣為流傳，這是牛頓思考引力過程的一個傳說故事.蘋果落地引發(fā)牛頓的一個問題的思考是，蘋果落地和月球圍繞地球運動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)拋射體的運動相當于一個勻速的水平運動和一個落體的加速運動的疊加.牛頓進一步設(shè)想，從高山上水平拋出一個物體，當拋出的水平速度不斷增大時，拋射體會越射越遠，若速度達到一定程度，該拋射體就永遠不會到達地面.若不考慮大氣的阻力，它就應該一直繞地球運動.牛頓進一步設(shè)想，既然拋射體可以作這樣的運動，為什么不能把月球也當作這樣一個拋射體來考慮呢？由此牛頓猜想蘋果與地球之間、月球和地球之間的力是同一性質(zhì)的力.他把月球的軌道運動分解為兩種簡單的直線運動：一是由于慣性引起的、沿月球軌道切線方向的勻速直線運動；另一種是把月球拉向地球的落體運動，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動與受力成平方反比的關(guān)系.

反過來，利用月球和地球、蘋果和地球都具有相同的平方反比的受力關(guān)系來計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行周期，結(jié)果相當完善.證明了牛頓的猜想，即，蘋果落地和月球圍繞地球運動是具有相同性質(zhì)的力引起的.其軌道的差別僅在于初始條件不同而已.

牛頓進一步設(shè)想，既然月球繞地球公轉(zhuǎn)可以這樣來解釋，那么地球和其他行星繞太陽的公轉(zhuǎn)為什么不能類似地來說明呢？所以牛頓又把思路推廣到行星繞日的運動上.利用平方反比的受力關(guān)系圓滿地解釋了行星軌道問題.

牛頓進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，建立了萬有引力定律.牛頓直到約20年后才在他出版的《自然哲學的數(shù)學原理》中公開發(fā)布這一研究成果.其原因是他無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)學上證明了球體對外部物體的作用恰如球體的質(zhì)量全部集中在球心點一樣，即現(xiàn)代的“質(zhì)點”概念.只有在此基礎(chǔ)上，牛頓才能夠得出萬有引力定律的數(shù)學驗證.

牛頓三定律、萬有引力定律等牛頓在力學領(lǐng)域的重要研究成果集中體現(xiàn)在1687年出版的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中.在該書中，牛頓三定律只是用了幾頁篇幅的語言描述，而大部分內(nèi)容是關(guān)于引力與軌道關(guān)系的幾何推導過程和應用的描述.

牛頓萬有引力定律和牛頓三定律的建立，使天上、地面物體的運動規(guī)律有了統(tǒng)一的描述，奠定了物理學的力學基礎(chǔ)，使力學有了精練完美的表達，成為系統(tǒng)完整的科學.正如恩格斯所說，“牛頓完成了人類科學史上的第一次總結(jié)”.

從1610年伽利略證明日心說的觀測證據(jù)到1687年牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》問世，歷時近80年.

4.1.4 理論規(guī)律的能動作用

牛頓第二定律和萬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轉(zhuǎn)，她可以使人們追蹤過去，預測未來，充分體現(xiàn)了科學的能動作用.

由牛頓第二定律和萬有引力定律不但可以推導出開普勒三定律，圓滿地解決星體的運動軌道問題，而且還可以進一步探討更為廣泛的軌道問題.星體不僅具有類似圍繞太陽運動的一般橢圓軌道，還可以有長橢圓、雙曲線、拋物線等各種軌道（由星體形成過程中的初始能量所決定）.如此的預測結(jié)果被哈雷彗星的發(fā)現(xiàn)所證實.人們在1531年、1607年和1682年分別觀測到過3顆未知的星體.英國天文學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年為一個周期，并預言此星體將于1758年再現(xiàn).臨近1758年，人們紛紛打賭預言是否靈驗，成為世界性趣聞.1758年該星沒來，而是于1759年3月12日意外地出現(xiàn)了.后來人們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)偏差的原因是沒有考慮木星和土星對其吸引，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（其遠日點已超過海王星軌道）.以此類推，哈雷彗星再次光臨地球的時間是1986年、2061年等等. 1986年的哈雷彗星也已被觀測到.

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.法國的烈維耶根據(jù)軌道偏差利用牛頓力學進行了計算，預測天王星外應該有另外一顆星體. 1846年9月，他寫信給柏林天文臺的伽烈，告之預測星體的位置，伽烈果然在預測的偏差52分處發(fā)現(xiàn)了該星體，并命名為海王星.后來用同樣的辦法，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16、17世紀世界科學大飛躍，物理學家開始用伽利略、牛頓的成果和科學方法，用力學的觀點去認識熱、電、光，相關(guān)的科學實驗開始興起.如，美國科學家富蘭克林對于電的實驗研究；英國的物理學家卡文迪許，在萬有引力定律建立的111年后，設(shè)計扭秤實驗，測量了引力常量“G”.利用所測得的G可以計算地球的重量，所以卡文迪許被稱為是第一個稱量地球重量的人；法國物理學家傅科設(shè)計著名的“傅科擺”，首次驗證了地球的自轉(zhuǎn).此外，出現(xiàn)了剛體力學、流體力學、天體力學、聲學等衍生學科.

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

從1687年牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》問世到1834年哈密頓的《動力學的一種普遍方法》的論文發(fā)表，歷時近150年.

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

4.2 熱運動研究領(lǐng)域（19世紀至20世紀初完成規(guī)律體系的建立）

熱學研究的是大量微觀粒子的宏觀運動規(guī)律，形成了宏觀理論和微觀理論.宏觀理論是基于實驗總結(jié)而成的，包括熱力學第零、第一、二、三定律等宏觀熱力學規(guī)律.而微觀理論則是由經(jīng)典或量子力學的原理和基本假設(shè)而形成的，包括統(tǒng)計物理學、分子動理學及其他非平衡態(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)成了熱學完備的理論體系.

18至20世紀初，熱學完成了規(guī)律體系的建立.從歷史發(fā)展的角度，熱學理論形成的先后順序是先有宏觀熱力學規(guī)律，后有微觀理論.宏觀熱力學規(guī)律形成的先后順序是熱力學第二定律、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理學、統(tǒng)計物理學（玻爾茲曼經(jīng)典統(tǒng)計、吉布斯系綜統(tǒng)計、玻色、費米量子統(tǒng)計）、其他非平衡態(tài)理論.

4.2.1 宏觀熱力學

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

對于“熱”的本質(zhì)的理解，人們經(jīng)歷了從早期錯誤的“熱質(zhì)說”（熱是一種物質(zhì)）到熱是一種運動形式的過程.在此期間，18世紀蒸汽機的進一步發(fā)展，迫切需要研究熱和功的關(guān)系，以提高熱機效率，適應生產(chǎn)力發(fā)展的需要.19世紀40年代，英國物理學家焦耳等人在對熱與功轉(zhuǎn)化等實驗研究中，建立了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，即熱力學第一定律.熱力學第二定律的雛形——卡諾定理，是早在熱力學第一定律建立之前，即1824年，由法國物理學家卡諾提出的.之后由德國物理學家克勞修斯等人在熱力學第一定律基礎(chǔ)上進行完善，分別于1850年和1851年提出了克勞修斯和開爾文表述形式的熱力學第二定律.低溫物理學和化學平衡常數(shù)的確定為熱力學第三定律的建立提供了基礎(chǔ)，德國科學家能斯特在1906年和1912年分別給出了熱力學第三定律的兩種不同表述.熱力學第零定律是由英國物理學家福勒于1939年正式提出，比熱力學第一、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.

成熟的熱學微觀理論的研究經(jīng)歷了分子動理學和統(tǒng)計物理兩個發(fā)展階段.

4.2.2 分子動理學

克勞修斯在研究熱力學第二定律的同時，也從微觀上對分子運動論理論進行了探討.1857年他以分子對器壁的碰撞說明了氣體壓強的形成，推導出氣體壓強公式，并由此提出了理想氣體分子運動模型.1859年，英國物理學家麥克斯韋基于分子碰撞的能量和動量守恒原理及速率統(tǒng)計假設(shè)，推導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).玻爾茲曼認為麥克斯韋速率分布律的獲得沒有足夠的理論保證.為此，玻爾茲曼基于牛頓力學原理和一些碰撞假設(shè)，進一步研究系統(tǒng)狀態(tài)隨時間演化的一般規(guī)律，于1872年導出了包含時間的分布函數(shù)隨時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動論角度建立了分子動理學的主要內(nèi)容.分子動理學理論不但可以處理近獨粒子體系的穩(wěn)態(tài)問題，還可以處理該系統(tǒng)近平衡態(tài)的輸運問題.

4.2.3 統(tǒng)計物理學

針對分子動理學的研究成果，1874年和1876年，英國開爾文和奧地利洛施密特先后分別提出了“可逆性佯謬”問題，即，經(jīng)典力學方程和分子間碰撞過程是可逆的，而大量分子所組成系統(tǒng)的宏觀過程規(guī)律是不可逆的，玻爾茲曼所基于的經(jīng)典力學原理，針對大量微觀粒子組成體系的研究結(jié)果是否正確？玻爾茲曼就此進一步研究統(tǒng)計問題.他基于經(jīng)典力學原理，加上統(tǒng)計概率原理假設(shè)，于1877年發(fā)表了用以處理近獨粒子經(jīng)典體系平衡態(tài)問題的統(tǒng)計研究成果，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”問題，即，分子動理學理論雖然引進了統(tǒng)計方法，但未將統(tǒng)計觀點作為理解熱力學現(xiàn)象的新的基礎(chǔ)，從而造成統(tǒng)計隨機性與經(jīng)典力學決定性之間的矛盾.進一步講，宏觀系統(tǒng)的不可逆性不是由于運動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，宏觀自發(fā)過程的可逆過程并不是沒有，而是由概率原理導致的這種可逆過程發(fā)生的概率非常小，以至于實際中觀察不到.至1900年，普朗克明確寫出玻爾茲曼的熵與微觀狀態(tài)數(shù)的關(guān)系式，標志著玻爾茲曼統(tǒng)計力學理論的形成.

美國物理化學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，發(fā)展了熱力學系統(tǒng)的圖示法.在熱力學系統(tǒng)中考慮了化學、引力、應力、表面張力、電磁等因素，擴展了熱力學的范圍.1902年發(fā)表《統(tǒng)計力學的基本原理》巨作，創(chuàng)立了統(tǒng)計系綜方法，建立了平衡態(tài)的經(jīng)典統(tǒng)計力學方法.吉布斯的系綜統(tǒng)計方法，不但可以處理前述的玻爾茲曼統(tǒng)計理論，以及后來發(fā)展的玻色、費米的量子統(tǒng)計理論所能解決近獨粒子體系的穩(wěn)態(tài)問題，而且還可以處理非獨粒子體系的經(jīng)典和量子統(tǒng)計問題.因此，吉布斯的系綜理論是更具普遍化的統(tǒng)計理論.

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

4.2.4 其他非平衡態(tài)理論

漲落的準熱力學理論是由波蘭物理學家斯莫陸綽斯基提出，后經(jīng)愛因斯坦補充完善形成的一種處理近平衡態(tài)漲落的方法.1827年，英國植物學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規(guī)則運動，稱為布朗運動.進過70余年的努力，形成了郎之萬方程和愛因斯坦-斯莫陸綽斯基理論等漲落理論，使布朗運動現(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學者的長期批評.所以，玻爾茲曼生前的研究工作沒有得到認可和支持.直至他去世兩年之后的1908年，法國物理學家佩蘭通過布朗運動的實驗結(jié)果證實了原子的存在，原子論得到普遍承認后，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，以紀念玻爾茲曼在統(tǒng)計物理學所做出的杰出貢獻.

熱力學與統(tǒng)計物理學作為物理學的一個重要分支，被廣泛應用在物理、生物、化學甚至社會學等各領(lǐng)域.

4.3 電磁學（19世紀完成規(guī)律體系的建立）

電磁學研究的是電磁場的產(chǎn)生及其傳播規(guī)律.從電磁場產(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.

電磁學是19世紀完成規(guī)律體系的建立.從歷史的發(fā)展角度，電磁學理論形成的先后順序是庫倫定律、畢奧-薩伐爾定律、安培定律、法拉第電磁感應定律、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

人類有關(guān)電磁現(xiàn)象的觀測可追溯到公元前585年.希臘哲學家泰勒斯記載了用木塊摩擦過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，人們對電磁現(xiàn)象陸續(xù)進行觀測和總結(jié).1600年英國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年英國的格雷發(fā)現(xiàn)感應起電方法、1745年荷蘭的穆欣布羅克發(fā)明萊頓瓶、1747年美國富蘭克林研究雷電現(xiàn)象并統(tǒng)一天地電、1766年英國普里斯特利提出電吸引力與距離成反比的設(shè)想、1769年蘇格蘭羅比生進行第一次電力測量、1773英國卡文迪許實驗驗證普利斯特利預言等眾多科學家等對電磁現(xiàn)象進行了觀測和實驗研究.

在1820年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應實驗之前，靜電和靜磁的研究是彼此獨立發(fā)展的，認為物質(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，磁荷產(chǎn)生磁場（磁荷觀點）.1785年，法國物理學家?guī)靵鐾ㄟ^實驗總結(jié)出了兩個靜止點電荷之間的相互作用力規(guī)律，即庫侖定律.按照磁荷觀點，庫侖定律同樣適合兩個靜止點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實驗之后，磁荷觀點被放棄，由法國物理學家安培提出的磁效應的分子環(huán)流假說所取代.

4.3.2 運動的電荷產(chǎn)生的穩(wěn)恒磁場

1800年意大利物理學家伏打發(fā)明了伏打電堆，使獲得持續(xù)、相對穩(wěn)定的電流成為可能.1820年7月，丹麥物理學家奧斯特通過實驗發(fā)現(xiàn)電流（運動的電荷）可以對磁鐵施加作用力，即電流的磁效應.奧斯特的實驗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.這一實驗發(fā)現(xiàn)從根本上改變了此前人們認為電和磁是彼此無關(guān)的認識.

電流的磁效應導致靜磁學的兩個問題，一個是磁場的起源問題，即電流產(chǎn)生的磁場規(guī)律，二是磁場的性質(zhì)問題，即磁場對電流的作用力規(guī)律.通過法國的安培、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問題.

1820年10月，法國的畢奧和薩伐爾公布了載流長直導線對磁針的作用力實驗，給出了載流長直導線產(chǎn)生的磁場與電流強度和距離的關(guān)系，經(jīng)過法國數(shù)學家拉普拉斯從數(shù)學上證明，最終給出了電流產(chǎn)生磁場規(guī)律的表達式，即，畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律.教材和文獻中經(jīng)常稱為畢奧-薩伐爾定律.

1820年12月，法國物理學家安培基于4個巧妙的實驗和作用力方向假設(shè)公布了他的研究成果，給出了兩個電流元之間的相互作用公式，即安培定律，或安培力公式.1892年荷蘭物理學家洛倫茲所總結(jié)的洛倫茲公式是單個運動電荷在磁場中受力公式的普遍表達式.結(jié)合畢奧-薩伐爾的電流產(chǎn)生磁場規(guī)律和安培定律，二者聯(lián)合起來，就給出了電流產(chǎn)生的磁場、以及其他電流在磁場中的受力規(guī)律，從而圓滿地解決了磁場的起源和磁場的性質(zhì)兩個問題.安培還提出任何磁場都是由分子環(huán)流所產(chǎn)生的微觀機制，即磁效應的分子環(huán)流假說，取代了以往的磁荷觀點.

4.3.3 變化的磁場產(chǎn)生的電場

既然電能夠產(chǎn)生磁，反過來磁是否也能產(chǎn)生電？英國物理學家法拉第通過圓環(huán)實驗，于1831年第一次觀察到由變化的電流所產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象，給出了法拉第電磁感應定律，并提出了力線，即場的概念.1834年俄國物理學家楞次給出了判斷感應電流方向的另外一種簡潔的方法，即楞次定律.

4.3.4 電磁理論大統(tǒng)一

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

德國物理學家歐姆受傅里葉熱傳導理論研究結(jié)果的啟發(fā)進行電路規(guī)律的研究.在1827年發(fā)表的《電路的數(shù)學研究》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，德國物理學家基爾霍夫提出了用于分析和計算較為復雜電路的基礎(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（18至20世紀初完成規(guī)律體系的建立）

光學是研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的科學.所形成的基本理論包括幾何光學、波動光學（物理光學），以及進一步發(fā)展的量子光學、激光物理、非線性光學、信息光學等等.

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

4.4.1 幾何光學

幾何光學的早期研究可以追溯到古代.我國戰(zhàn)國時期墨翟及弟子所著《墨經(jīng)》有對光的直線傳播、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.光學的系統(tǒng)研究始于17世紀.1611年，德國物理學家開普勒發(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，法國物理學家費馬提出了最小時間原理，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)的幾何光學的基本知識體系建立完成.與此同時，英國物理學家牛頓對光的反射、折射、繞射和色散現(xiàn)象也進行了系統(tǒng)研究.

4.4.2 波動光學

光的本質(zhì)問題一直是物理學界長久以來探討的問題.17世紀，出現(xiàn)了很多顯示光的波動特性的報告.例如，1665年意大利物理學家格里馬第提出的光的衍射現(xiàn)象，1667年英國物理學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)”實驗等等.以牛頓為代表的科學家認為光是一種粒子，即光的微粒說.光的微粒說可以在一定程度上解釋幾何光學現(xiàn)象，但卻無法解釋光的衍射、干涉和雙折射等現(xiàn)象.英國物理學家胡克、荷蘭物理學家惠更斯是主張光的波動說的代表.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說原理的不完善，以及牛頓在17世紀的巨大影響，使得在18世紀末之前，光的微粒說占據(jù)主導地位.1801年英國物理學家托馬斯·楊成功地實現(xiàn)了光的雙縫干涉實驗，在實驗上驗證了光的波動說.1816年，法國物理學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，建立了波動光學的理論基礎(chǔ).至此，光的波動說逐漸被人們認可，并占據(jù)了主導地位.

4.4.3 量子光學

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，使人們對光的本質(zhì)的認識又向前邁出了一大步.19世紀末至20世紀初，光學的研究深入到光與物質(zhì)相互作用的微觀機制中.光的電磁學波動理論在解釋光和物質(zhì)相互作用時的某些現(xiàn)象時遇到困難.例如，黑體輻射中的能量按照波長的分布問題，1887年德國物理學家赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應問題.為此，人們重新研究光的屬性.1900年，德國物理學家普朗克提出輻射的能量量子化假說.這一假說圓滿地解決了自1859年以來人們一直探討的黑體輻射問題.1905年，德國愛因斯坦依據(jù)能量量子化假說，提出光能量的量子化假說，即光量子，簡稱光子.光量子假說成功地解釋了1888年的光電效應問題，并被1923年的康普頓效應以及后來的其他實驗所驗證.

隨著20世紀中葉量子力學的發(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，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.視不同的條件，采取相應的半經(jīng)典量子光學或全量化光學理論處理光與物質(zhì)相互作用問題.隨著人們對物質(zhì)材料認識的加深，進一形成了激光物理、非線性光學、信息光學等等.

4.4.4 光的波粒二象性

至此，人們一方面通過干涉、衍射和偏振等光學現(xiàn)象證實了光的波動性；另一方面通過黑體輻射、光電效應和康普頓效應等又證實了光的粒子性.但此時的粒子性較早期幾何光學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，同時粒子的能量還是量子化的.為了將光的波動性和粒子性的兩個完全不同的概念聯(lián)系起來，1924年法國物理學家德布羅意提出物質(zhì)波假說，即每一物質(zhì)的粒子都和一定的波相聯(lián)系.1926年德國猶太裔物理學家玻恩賦予物質(zhì)波的概率解釋，從而建立了物質(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驗證實了德布羅意物質(zhì)波的假說.

（未完待續(xù)）

O4-09

A

1000-0712（2016）05-0027-10

2015-12-05；

2016-02-15

國家自然科學基金（11474131），光子晶體調(diào)控有機共軛低聚物光致發(fā)光和能量轉(zhuǎn)移的機理研究項目資助

張漢壯（1962—），男，吉林長春市人，吉林大學物理學院教授、博士生導師，吉林大學特聘教授，吉林省高級專家.多年從事物理專業(yè)本科生的力學基礎(chǔ)主干課、研究生的光子晶體的主講等教學工作，以及材料超快動力學過程的科研工作.