物理世界（三十）

刘文旺

经典力学回顾（上）

一、辉煌的19世纪

自然科学是从哲学中分化出来的，物理学也不例外。从纯思辨的哲学到定量的物理科学的转化，主要是在19世纪完成的。

我国是文明古国，很早就有关于自然知识的记载。公元前700—400年的《考工记》、公元前468—382年的《墨经》就有大量的科技知识的记载。战国时代的尸佼（公元前390—330年的）的《尸子》中就记载：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”，就记载了时间与空间的概念。在《考工记·轮人》中记载：马没有力气拉车了，车仍能向前运动一段距离。与亚里士多德的力是维持物体运动的原因的观点同出一辙。这也体现了惯性思想的存在。

《墨经》内有一句话说得更好：“力，刑之所以奋也”，充分说明了力与加速的关系。只是我们中国人没有把这里的数量关系用数学公式表示出来，不然就不叫牛顿定律了，牛顿可能也就没有那么伟大了。

大约在中国汉代成书的《尚书纬》中的《考灵曜》描述了“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣。地恒动而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也”。比伽利略在1632年所著的《关于托勒密与哥白尼两种世界体系的对话》，中借用匀速运动的船中，人们无法知道船是否在运动，来阐述相对性原理早了1500多年。

但是，后来我们对科学的进步、探究出现了停顿。相反，西方国家经过文艺复兴却逐渐赶上并超越了我们。产生了分门别类的各个学科。我们分析如下。

伽利略是经典力学的奠基人。从16世纪末到17世纪初，他最先把实验观察实验引入了物理学，并把数学方法应用于对物体运动的定量描述上。伽利略的逻辑推理清晰而富有哲理。他用极其巧妙的方法，否定了亚里士多德的“重物体比轻物体下落得快”的观点。伽利略的运动理论主要是运动的描述和分类、自由落体定律、惯性原理、加速度的概念的提出，抛体运动轨迹和相对性原理等。

基于此，伽利略被尊称为物理学之父。

了不得呀！

牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中，严格定义了质量、密度、动量、惯性、向心力。总结了其发现的机械运动三定律（牛一、牛二、牛三定律）。阐述了力的合成分解、运动叠加原理、动量守恒定律、相对性原理等。他发现了万有引力定律。在牛顿之后，物理学逐渐确立了三大守恒原理：质心运动守恒原理、动量矩守恒原理和活力（动能）守恒原理。同时，从虚功原理、最小作用原理出发，逐渐诞生了变分方法，并确定了分析力学的理论体系。此外他在光学也有重要的发现，著名的光粒子说就是他提出来的，并著书《光学》。

至此，一个完整的力学体系得以建立完成。牛顿也被世人尊重，成为一代宗师。

                                                      开尔文

热学方面，1842年迈尔首先提出能量守恒学说。迈尔认为热是一种能量，可以与机械能相互转化。并被焦耳的热功当量实验所证实。这样就建立起了表明能量转化和守恒的热力学第一定律、克劳修斯）和开尔文各自独立地发现了热力学第二定律，指出了热力学过程的不可逆性。1906年，物理学家能斯脱根据低温下化学反应的许多实验事实，总结出热力学第三定律，明确指出绝对零度是不能达到的。

在19世纪后半期，人们开始用统计方法研究由大量分子组成的热力学系统，推导出理想气体的压强公式、气态方程——克拉伯龙方程：pV=nRT等，得出气体分子速率分布律——麦克斯韦速率分布，从微观角度解释热力学第二定律，建立非理想气体的状态方程。气体分子运动论使用的几率统计法，为统计力学奠定了基石。1902年吉布斯提出了系综理论，建立起经典统计力学的理论体系。这些仍是现代高等物理教材中热力学的主要组成部分。

电磁学方面，1785年，库仑用扭秤实验发现电荷之间相互作用所遵从的定律——库仑定律。欧姆在1826年用实验得到了电流定律——欧姆定律。奥斯特在给学生上课时偶然发现了电流的磁效应，揭开了电现象和磁现象的内在联系、安培得出电流元之间相互作用的规律、1831年，法拉第发现了电磁感应现象，把电现象和磁现象进一步统一起来。

法拉第首先提出了场的概念，他坚信，电和磁的相互作用是电场和磁场起到了这种媒介作用，法拉第数学不太好，因此，用力线的概念，描述电磁场的相互作用。麦克斯韦在此基础上，指出变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场，他还引入位移电流的概念，认为位移电流与电流一样在周围空间激发涡旋磁场。与法拉第相反，麦克斯韦的数学很好，于1865年推算出了电磁场的普遍规律——麦克斯韦方程组。总结、建立了完整的、统一的电磁场理论。麦克斯韦预言的电磁波也于1888年被赫兹通过实验所证实，这也是电磁波频率的单位是赫兹——Hz的原因。

麦克斯韦方程组

关于光的本性，自古就有两种不同的认识。牛顿认为光是一种粒子，这样可以很好地描述光的直线传播、光的反射等现象；胡克、惠更斯等认为光是一种波，这可以很好地解释光的干涉、衍射现象等。后来托马斯·杨通过光的干涉实验，证明了光的波动性。

这一时期完成了光的反射定律、折射定律。具有讽刺意味的是，泊松反对光的波动性。他认为，若光是一种波动，则在一个不透光的屏的后面，应该留下衍射光的光斑。结果实验证明了这一点，并把这一光斑命名为泊松亮斑。历史跟泊松开了个玩笑。

但是，问题并没有因此结束。在光电效应、量子力学中光子的吸收与释放的过程中、正、逆康普顿效应等现象中，光又明显地体现出粒子性，现在一般认为光具有波粒二象性。并且关于光的本性还在探讨之中。

泊松亮斑

     至此，经典物理学的力、热、光、电等基本知识已经建立完善。一方面，不断被大量的实验事实所证明；另一方面，也被广泛地应用于人们的生产生活中。这时的物理学界充满了祥和的气氛。

  早在1900年4月27日，在英国的伦敦市，阿尔伯马尔街，欧洲著名科学家在此汇聚一堂，举行世纪之交的物理学家聚餐会。在雷动的掌声中，已是76岁高龄的开尔文勋爵走上了讲台，发表了开幕词----《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他说，物理学的大厦已经基本落成，所剩的只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时讲到，动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性，却被两朵乌云遮蔽而显得黯然失色。第一朵乌云出现在黑体辐射实验和理论的不一致——紫外灾难现象；第二朵乌云出现在迈克尔逊-莫雷实验发现的，关于光速的不变性上……

人们往往认为，正是19世纪初的这两朵小小的乌云，酿成了一场大风暴：

第一朵乌云导致哥本哈根学派创建了量子力学；第二朵乌云导致爱因斯坦创建了相对论。从而奠定了近代物理的两大支柱。

力学是最原始的科学之一，它的发展过程是人类对于机械运动的认识过程。

有文字加载的是，约在公元前三四百年古希腊的欧多克斯提出了地心说，他用27个球层来解释天体的运动。后来亚里士多德对这个理论作了改进，到公元2世纪，托勒玫把这种学说发展到了登峰造极的地步。

亚里士多德（公元前384～前322年）是古希腊最伟大的科学家之一。他17岁时就跟大哲学家柏拉图学习。亚里士多德爱独立思考。因此，他有许多观点跟他的老师截然相反。亚里士多德当过教师，对植物、动物、天文、气候、数学和物理等方面都进行过研究，著书1000多种，可以说他是古希腊各种知识集大成者。他的这些著作被当作古代世界的百科全书。达尔文曾这样评价亚里士多德："我尊敬林奈和屈费尔好像两位神一样。但是，他们比起亚里士多德来，却不过是小学生。"

一般认为，由于历史的局限性在他的著作中，有一些内容是错误的。例如，亚里士多德认为重的物体比轻的物体下落得快；认为运动物体只有在一个持续不停的力的作用下；才能保持；如果运动物体不再受到力的作用，它就会停止下来；认为抽水机抽水的道理是"自然害怕真空"；认为天上和地球上的运动是截然不同的，不能把地球上的科学概念推广到天体等等。由于人们对权威的盲目崇拜，又看不清自然现象的本质，使这些错误观点流行达二千年之久，在一定程度上阻碍了自然科学的发展。

亚里士多德

我认为这是不公平的。亚里士多德从来没有说过在真空中，重的物体比轻的物体下落得快。人家指的就是在空气中时，重的物体比轻的物体下落得快。我们在夸赞伽利略的同时，不应该诽谤亚里士多德的功绩。

我们看问题不能脱离具体的社会环境而站在自己的角度去分析，物理学不同于小说，它是一门自然科学。因此，研究物理学历史也要有科学的态度。

（未完待续）