经典物理学，物理学的三次创新

经典物理学

17世纪至19世纪，经典物理学有过三次体系上的创新（综合或统一），这三次创新创建了三个世纪的物理学盛世。

1．第一次创新

第一次创新是l7世纪牛顿力学构成物体运动的理论体系。可以说，这是物理学第一次伟大的创新。牛顿力学实际上是将天上的行星运动与地上的苹果下坠概括到一个规律里面，从而建立了经典力学。虽然苹果下坠启发了牛顿的故事并没有历史根据，但它说明了人们对于形象思维的偏爱。牛顿实际上建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律。运动定律就是在力作用下物体怎样运动的规律；万有引力是一种物体之间存在的特定的相互作用。牛顿将两个定律结合起来运用，因为行星的运动或者地球上的抛物体运动都离不开万有引力的影响。从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时，牛顿也发展了数学。

牛顿是微积分的创立者之一，他用微积分理论来解决力学问题，由运动定律得出来的运动方程，可以用数学方法把它具体解出来。这体现了牛顿力学的威力和实用价值——具有解决具体问题的能力。例如，要计算行星运动的轨道，基本上按照牛顿所给出的物理规律建立运动方程，再用数学方法解运动方程就行了。从理论上讲，根据某时刻行星的轨道位置，推算以前或预测以后的位置都能行得通，从而开拓了天体力学学科，并奠定了拉普拉斯“宇宙决定论”的基础。直到20世纪后期，非线性混沌和分形理论出现，才有科学家认识到这种“决定论”的理论缺陷。

海王星的发现过程充分显示了这一点。在天王星发现后的很长时间内，人们发现其运动轨迹偏离了按牛顿定律计算所得的理论轨道。问题出在哪里呢？经仔细检验，牛顿定律并无错误，而应该是在天王星轨道外面还有一颗星对它造成了影响，根据天王星的实际运行轨迹推算出这个星球的位置，很快就在预计位置附近发现了这颗星——海王星。这表示牛顿定律是很成功的：根据牛顿定律写出运动方程，按已知质点位置和速度等初始条件，原则上就可以求出以后任何时刻的质点位置。

到19世纪，经典力学的发展表现为科学家对牛顿定律的重新表述，这其中有拉格朗日方程组、哈密顿方程组。这些重新表述的形式不一，实质相同，只是采用了新的、更简洁的形式而已。表述方法的进步不只是认识的深化，也带来理解上的方便，牛顿当年在《自然哲学的数学原理》中的表述就非常难懂。

另一个方面，将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中，就出现了弹性力学、流体力学等。这些源自于牛顿力学的新学科在20世纪有了更大的发展，特别是流体力学、空气动力学与航空技术的发展密切相关。空气动力学的发展又与喷气技术密切相关，进而牛顿力学还构成了航天技术的理论基础。牛顿定律到现在为止还是非常重要的科学知识，在中学和大学物理课程中也是不可缺少的重要内容。

牛顿运用自己的理论作出的重要贡献，是从万有引力定律和运动定律把行星运动的轨道推算出来。现在学理论力学，行星运动的椭圆轨道问题是不太难的，解微分方程就可以求出来。牛顿当时没有用微积分，也没有用微分方程理论，他纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的。今天的科学家就不一定能看懂他这一套东西。例如，理论物理学家费曼就说他自己对现代数学的掌握比牛顿强得多，但对17世纪牛顿当时熟悉的几何学他就不一定能全部掌握。费曼花费好些时间试图用牛顿的思路推求椭圆轨道，但感到中间环节难以处理。虽然最后基本上用几何方法完成了证明，还是不得不调整证明方法，并没有完全依照牛顿的证法。科学理论的表达是随时代变化的，牛顿运动定律的关键问题如行星运动是椭圆轨道，现在借助简单的微分方程已经可以用计算机求解。在今天的普通物理中讲授牛顿定律，就很容易把行星运动椭圆轨道的基本概念说清楚。

2．第二次创新

第二次创新从热力学开始，涉及宏观与微观两个层次。

根据热力学研究成果总结出热力学的两大基本规律：第一定律即能量守恒定律，第二定律即熵恒增定律（当然还有热力学第三定律）。这是宏观上的描述。科学家不满足于单纯在宏观层次上来描述，试图从分子和原子的微观层次上阐明其物理规律，气体分子动力学应运而生。气体分子动力学是用以阐述气体物态方程、气体导热性与黏滞性等物性参量的微观基础，再进一步就是波尔兹曼（1844～1906）与吉布斯（1839～1903）所发展的经典统计力学。热力学与统计物理的发展，促使物理学家接触到具体的物性问题，加强了物理学与化学的联系，建立了物理化学这一门交叉学科。

3．第三次创新

第三次创新是麦克斯韦（1831～1879，见图19－3）创立的电磁变换理论。最初表达电荷与电荷间的相互作用力时要用库仑定律，库仑定律也可以表达磁极与磁极之间的相互作用力。后来发现电与磁的相互转换的一系列现象：奥斯特（1777～1851，见图19－3）发现的电流磁效应，安培（1775～1836）发现的电流之间相互作用规律，然后是法拉第（1791～1867，见图19－4）发现的电磁感应定律。最后，19世纪中叶，麦克斯韦提出了统一的电磁场理论。

图19－3　哈密顿（左）、麦克斯韦（中）与奥斯特（右）

图19－4　法拉第（左）及其实验装置原理（右）

电磁定律与力学规律有一个很大的不同。力学考虑的相互作用，特别是万有引力相互作用，根据牛顿的设想，是超距的相互作用，没有力的传递问题（现代观点认为引力有传递问题）。现在从粒子的超距作用改成电磁场的相互作用，这在观点上有很大变化，研究重点从粒子转移到场。麦克斯韦考虑电磁场的相互作用，电场与磁场不断相互作用造成电磁波的传播，后来赫兹在实验室中证实电磁波的发射。另外，电磁波不但包括无线电波，实际上包括很宽的频谱，很重要的一部分就是光波。光学在过去是与电磁学完全分开发展的，有了麦克斯韦电磁理论，光学变成电磁学的一个分支，电学、磁学、光学得以统一。这在技术上有重要意义，发电机、电动机几乎都是建立在电磁感应的基础上的，电磁波的传播导致现代的无线电技术。电磁学直到现在还在技术上起主导作用，在基础物理学中始终保持着重要地位。