——读《19世纪物理学概念的发展》一书有感

将19世纪称之为物理学的世纪，应该说是一点也不为过的。物理学发展到19世纪末期，可以说是达到了相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够作出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！

在19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W．汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。尽管他在展望20世纪物理学前景时，若有所思地提到了物理学美丽晴朗的天空中存在的两朵乌云，不过他一定不会想到爱因斯坦、玻尔、霍金等人会给20世纪的物理学描绘出如此浓妆重彩的画卷来。

《19世纪物理学概念的发展》一书通过对19世纪物理学家所面临的概念问题的集中讨论，阐明了场论、以太、热力学在这百年里的地位，着重讲述物理学家在机械论基础上千方百计地建立他们的理论的过程，简洁地说明了19世纪物理学的理论框架。

人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。光从太阳传播到地球、电荷的作用从一个物体传递到另一个物体，靠的是什么？物理学家给它们找了个传播介质——“以太”。

最早提出“以太”说的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界由火、水、土、气四元素组成，上界加上第五元素“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力靠什么介质传播呢？为了解决这个问题，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家认为“以太”也是光波的传播介质。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒 30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，这“以太风”也必须对光的传播产生影响。为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊～莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。迈克耳逊～莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。这个问题直到20世纪初爱因斯坦提出相对论，完全抛弃了“以太”的存在，才得到彻底的解决。是19世纪物理学家们的共同努力，为爱因斯坦奠定了创新的基础。

物理“场”的概念，大约于1850年在英国的物理学中首先建立了起来。场的概念以及研究进展是伴随着“以太”的研究同步进行的，当时物理学家有两种观点，一种以德国物理学家为代表，认为电磁力是一种“超距”作用，另一种以英国物理学家为代表，认为电磁力是通过电磁体周围空间的场来传递的。麦克斯韦建立起来的电磁场理论，论证了电磁波在“以太”中的传播速度与光速完全相同，这一假设被赫兹通过实验得到了验证，这些工作为“场论”的建立，奠定了扎实的基础。当然，物理学家们实际做的事情，比这要复杂的多。在这些基础上，物理学家们逐渐形成了完全不同与经典力学的电磁场理论。

关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。19世纪的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现。19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。

在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。

深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。

由于人们对16和17世纪力学和天文学所取得的胜利的推崇，使得人们对“科学革命”产生了深刻的认识，也使得人们对牛顿的经典理论留下了坚如磐石的印象，认为所有的物理现象，只要利用牛顿的静电力学理论，都可以解释的通，力学在整个物理学中占据了一个非常特殊的地位。这是一个非常错误的印象，19世纪的物理学家们所做的一些重要的工作，就是在理论探索和实验研究的基础上，逐渐抛弃牛顿经典力学在物理学中的独霸地位，逐渐形成新的概念和理论，使得物理学形成了静电力学、电磁学、热力学与统计物理学三大理论并驾齐驱的新境况。

物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然在19世纪逐步有所进展，但直到今天离实现这一目标还很遥远。人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。

《19世纪物理学概念的发展（能量、力和物质）》 彼德·迈克尔·哈曼/著  龚少明/译  复旦大学出版社  2000.2

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