物理学的发展，物理学改变人的世界观

物理学的发展

在人类存在和进化的几百万年的历史长河中，占去绝大多数时间的进化只具有生物学意义，那最后的数千年的文明社会，人类社会的文明进程也略显缓慢。只是到了最后几个世纪特别是最近百年，人类社会才在文明程度和科学技术水平上发生了翻天覆地的变化。回顾从哥白尼宇宙观提出以来，特别是近300年从牛顿力学到现代物理学的发展，再对照联合国大会关于国际物理年的决议，即可很清楚地认识到：物理学作出了重要的贡献，物理学的发展使人类认识了自然界，是物理学为技术的发展提供了理论基础和思想源泉，是物理学发展了现代人类文明。如果做一个简要的回顾，那就是物理学推动了人类历史上两次工业革命。

1．物理学改变人的世界观

物质来自于何处，生命起源于何时？这是自有人类意识以来一直在追问的问题，也是所有的学说或宏观观念都要考虑并给出解释的问题。在人类发展的历史上，在近代科学特别是物理科学给出较为客观和较为满意的解释之前，这类经常让人困惑的问题始终没有令人信服的结论。

从近代物理学的观点来看，宇宙和生命问题同样是要面对的永恒的问题。宇宙的存在和演化体现着宏观世界的规则，而生命的存在和演化则需要深入到微观世界来探索。但是，共同的基本问题是宏观世界和微观世界中物质和物质运动的问题，这正是物理学要回答的问题。所以说“物理学是认识自然界的基础”。

16世纪中期，哥白尼和他的学说的继承者布鲁诺（1548～1600，见图20－1）等人用生命书写了震撼心灵的篇章。1543年，哥白尼在《天体运行论》中提出“太阳中心说”。哥白尼通过观测，发现地球与我们最近的、相邻的星球的相对运动规律是以太阳为中心的运动，并且得到了数值计算的验证。这个结论使我们向自然科学的真理前进了一大步。在一千多年的宗教统治历史上，神学是占统治地位的，上帝主宰处于世界的中心，“皇权”和“神权”的结合，构成农奴制和封建统治制的基石。

最初从根基上动摇这个基石的，是以物理学为代表的科学。物理学不仅是一门以实验为基础的先进科学，也是先进的科学思想产生的源头基础。面对监禁甚至牺牲生命，面对宗教神权的残酷镇压，在新兴的物理学观点被疯狂抵制的情况下，一代代物理学家依然能坚持科学真理。这种科学精神，实际上也是物理学能够冲破阻力不断前进的原动力。

作为物理学家的代表，伟大的伽利略（见图20－1）以其勤奋、执著和智慧，开创了科学实验的物理学研究之路，他进行的力学和光学实验，开启了物理学的科学研究和成功之门。受荷兰工匠把玩的“魔镜”（可以将远处物体拉到近处观察的望远镜）的启发，1609年，伽利略研究了合成镜片的光学性质，改进了望远镜并立即将其指向星空进行天文观测。他借此而发现月球上的环形山、木星的四颗卫星、太阳黑子等，并通过太阳黑子的运动推断出太阳在自转，从月球上环形山投出的影子长度测算出环形山的高度，发现银河是由许许多多的恒星形成的。

图20－1　布鲁诺（左）与伽利略（右）

尽管伽利略的观测事实解释和支持了哥白尼学说，握有绝对权力的教会还是顽固地延续教会干预科学的丑行，伽利略晚年甚至失去了人的尊严。但是，科学真理毕竟不容诋毁和扭曲，岁月流逝300多年，到1979年11月10日，新的罗马教皇保罗二世终于向全世界正式承认：对伽利略的审判不公正，地球的确在围绕太阳转动。自然科学尊崇“实验是检验科学真理的标准”，与在社会科学领域奉行的“实践是检验真理的标准”一脉相承。但是，人们从科学发展的历史上也能看到，让人类社会普遍认识客观世界的最基本的原理，其实是一件很不容易的事情。

17世纪，牛顿继伽利略之后，集前人之大成——站在巨人肩膀上——在1687年建立了牛顿运动定律。继而，他又借助于自己创建的微积分和力学原理进行周密推算，发现了万有引力定律，从而奠定了经典物理的第一块基石——经典力学。

2．物理学推动了动力革命

18世纪，随着工业革命在英国掀起，对动力需求的矛盾日益突出。物理学家纷纷投入到热物理领域，不仅为蒸汽机、内燃机的发明和完善提供了理论指导，而且促成了人类历史上划时代的第一次工业革命，开辟了物理学研究的新领域。由波尔兹曼、卡诺（1796～1832，见图20－2）等创立的热力学与统计物理理论，奠定了经典物理的第二块基石。

图20－2　波尔兹曼（左）与卡诺（右）

19世纪，法拉第电磁感应定律的发现和麦克斯韦统一电磁场理论的建立，使人类对物质世界的认识从实物扩展到场、电磁波，从而为经典物理学铺下了第三块基石，并为电力技术、电子技术的创新提供了广阔平台，引发了以电气化、自动化为主要内容的第二次工业革命，使人类进入了现代文明社会。

1687年，牛顿奠定了经典力学的基础；1764年，英国工匠哈格里沃斯夫妇发明自动纺织机（见图20－3）；1765～1785年，瓦特改进、发明并完善具有冷凝器的两冲程新型蒸汽机；1804年，蒸汽火车出现在欧洲大陆，以动力革命为推动的工业革命始形成规模化生产，铁路的发展形成了更大的市场。没有经典力学和热力学的发展，就不会有一代一代热机的改进和发展，不能创造出汽车、火车、飞机，不能出现火箭和人造卫星以实现飞离地球、奔向太空探索的梦想。

图20－3　珍妮纺织机

对电磁现象的定量研究始于1785年库仑定律的发表，1813年得到电通量的高斯定理和静电势的泊松方程。1820年，奥斯特（1777～1851）发现了电流的磁效应，是电磁学研究的重要里程碑。同年，安培（1775～1836）、毕奥（1774～1862）和萨伐尔（1791～1841）建立了电流元之间、电流对磁极作用力的定律。安培提出研究电的理论应称为“电动力学”，并于1827年写出《电动力学理论》一书。1846年，韦伯（1804～1891）提出“电动力学数学理论”，被称为“韦伯电动力学”。

1831年，法拉第发表电磁感应定律，提出电场、磁场概念，1851年发表《论磁力线》，是近距作用、场概念的提出者。至此，从理论上总结电磁场普遍规律的条件已经具备。1855年，麦克斯韦开始钻研法拉第的三卷论文集《电学实验研究》，主攻场的概念，引入新矢量函数描述电磁场，1861年提出“涡旋电场”假设和“位移电流”假说，1865年发表《电磁场的动力学理论》，总结出麦克斯韦方程组，预言电磁波的存在，提出了光的电磁理论。

1875年，洛伦兹（1853～1928）利用电磁场在介质界面的边值关系导出了反射、折射定律和菲涅耳公式，1878年提出解释光色散的电子论。1885年，亥维赛（1850～1925）首次把麦克斯韦方程组整理成今天的样子。1888年，赫兹（1857～1894）发现了电磁波，作为一个“判决性”实验，麦克斯韦电磁理论被广泛接受。到1900年左右，物理学的三个分支，即电学、磁学、光学，被合并为一个统一的理论，称为麦克斯韦电磁理论。基于该理论，汤姆孙（1856～1940）首次提出电磁波沿金属圆管内壁传播的可能性。1897年，瑞利（1842～919）奠定了矩形和圆形波导的理论基础。

1896年，洛伦兹用其电子论成功解释了塞曼效应，洛伦兹和塞曼（1865～1943）荣获1902年诺贝尔物理学奖。1897年，汤姆孙发现了电子，获得了1906年诺贝尔物理学奖。1898年，勒纳德（1862～1947）导出了运动电荷的推迟势，得到了加速运动电荷会产生辐射的结论，荣获了1905年诺贝尔物理学奖。总之，麦克斯韦电磁理论为研究各种宏观电磁问题和电磁工业应用奠定了统一而全面的基础。

电磁感应定律等一系列电和磁方面的定律，形成并推动了第二次工业革命。第二次产业革命本质上就是电力技术革命，是用大规模电气化生产替代以蒸汽机和内燃机为动力的规模工业化生产。今天回顾这段科学历史的沿革，可以清楚地看到：没有电磁感应理论，就没有电力技术。