經(jīng)典物理學(xué)

17世紀(jì)至19世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)有過三次體系上的創(chuàng)新（綜合或統(tǒng)一），這三次創(chuàng)新創(chuàng)建了三個(gè)世紀(jì)的物理學(xué)盛世。

1．第一次創(chuàng)新

第一次創(chuàng)新是l7世紀(jì)牛頓力學(xué)構(gòu)成物體運(yùn)動(dòng)的理論體系?？梢哉f，這是物理學(xué)第一次偉大的創(chuàng)新。牛頓力學(xué)實(shí)際上是將天上的行星運(yùn)動(dòng)與地上的蘋果下墜概括到一個(gè)規(guī)律里面，從而建立了經(jīng)典力學(xué)。雖然蘋果下墜啟發(fā)了牛頓的故事并沒有歷史根據(jù)，但它說明了人們對(duì)于形象思維的偏愛。牛頓實(shí)際上建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律，一個(gè)是萬有引力定律。運(yùn)動(dòng)定律就是在力作用下物體怎樣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；萬有引力是一種物體之間存在的特定的相互作用。牛頓將兩個(gè)定律結(jié)合起來運(yùn)用，因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動(dòng)或者地球上的拋物體運(yùn)動(dòng)都離不開萬有引力的影響。從物理上把這兩個(gè)重要的力學(xué)規(guī)律總結(jié)出來的同時(shí)，牛頓也發(fā)展了數(shù)學(xué)。

牛頓是微積分的創(chuàng)立者之一，他用微積分理論來解決力學(xué)問題，由運(yùn)動(dòng)定律得出來的運(yùn)動(dòng)方程，可以用數(shù)學(xué)方法把它具體解出來。這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的威力和實(shí)用價(jià)值——具有解決具體問題的能力。例如，要計(jì)算行星運(yùn)動(dòng)的軌道，基本上按照牛頓所給出的物理規(guī)律建立運(yùn)動(dòng)方程，再用數(shù)學(xué)方法解運(yùn)動(dòng)方程就行了。從理論上講，根據(jù)某時(shí)刻行星的軌道位置，推算以前或預(yù)測以后的位置都能行得通，從而開拓了天體力學(xué)學(xué)科，并奠定了拉普拉斯“宇宙決定論”的基礎(chǔ)。直到20世紀(jì)后期，非線性混沌和分形理論出現(xiàn)，才有科學(xué)家認(rèn)識(shí)到這種“決定論”的理論缺陷。

海王星的發(fā)現(xiàn)過程充分顯示了這一點(diǎn)。在天王星發(fā)現(xiàn)后的很長時(shí)間內(nèi)，人們發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)軌跡偏離了按牛頓定律計(jì)算所得的理論軌道。問題出在哪里呢？經(jīng)仔細(xì)檢驗(yàn)，牛頓定律并無錯(cuò)誤，而應(yīng)該是在天王星軌道外面還有一顆星對(duì)它造成了影響，根據(jù)天王星的實(shí)際運(yùn)行軌跡推算出這個(gè)星球的位置，很快就在預(yù)計(jì)位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆星——海王星。這表示牛頓定律是很成功的：根據(jù)牛頓定律寫出運(yùn)動(dòng)方程，按已知質(zhì)點(diǎn)位置和速度等初始條件，原則上就可以求出以后任何時(shí)刻的質(zhì)點(diǎn)位置。

到19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家對(duì)牛頓定律的重新表述，這其中有拉格朗日方程組、哈密頓方程組。這些重新表述的形式不一，實(shí)質(zhì)相同，只是采用了新的、更簡潔的形式而已。表述方法的進(jìn)步不只是認(rèn)識(shí)的深化，也帶來理解上的方便，牛頓當(dāng)年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中的表述就非常難懂。

另一個(gè)方面，將牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題中，就出現(xiàn)了彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。這些源自于牛頓力學(xué)的新學(xué)科在20世紀(jì)有了更大的發(fā)展，特別是流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)與航空技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)?？諝鈩?dòng)力學(xué)的發(fā)展又與噴氣技術(shù)密切相關(guān)，進(jìn)而牛頓力學(xué)還構(gòu)成了航天技術(shù)的理論基礎(chǔ)。牛頓定律到現(xiàn)在為止還是非常重要的科學(xué)知識(shí)，在中學(xué)和大學(xué)物理課程中也是不可缺少的重要內(nèi)容。

牛頓運(yùn)用自己的理論作出的重要貢獻(xiàn)，是從萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)定律把行星運(yùn)動(dòng)的軌道推算出來?，F(xiàn)在學(xué)理論力學(xué)，行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道問題是不太難的，解微分方程就可以求出來。牛頓當(dāng)時(shí)沒有用微積分，也沒有用微分方程理論，他純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來的。今天的科學(xué)家就不一定能看懂他這一套東西。例如，理論物理學(xué)家費(fèi)曼就說他自己對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)的掌握比牛頓強(qiáng)得多，但對(duì)17世紀(jì)牛頓當(dāng)時(shí)熟悉的幾何學(xué)他就不一定能全部掌握。費(fèi)曼花費(fèi)好些時(shí)間試圖用牛頓的思路推求橢圓軌道，但感到中間環(huán)節(jié)難以處理。雖然最后基本上用幾何方法完成了證明，還是不得不調(diào)整證明方法，并沒有完全依照牛頓的證法?？茖W(xué)理論的表達(dá)是隨時(shí)代變化的，牛頓運(yùn)動(dòng)定律的關(guān)鍵問題如行星運(yùn)動(dòng)是橢圓軌道，現(xiàn)在借助簡單的微分方程已經(jīng)可以用計(jì)算機(jī)求解。在今天的普通物理中講授牛頓定律，就很容易把行星運(yùn)動(dòng)橢圓軌道的基本概念說清楚。

2．第二次創(chuàng)新

第二次創(chuàng)新從熱力學(xué)開始，涉及宏觀與微觀兩個(gè)層次。

根據(jù)熱力學(xué)研究成果總結(jié)出熱力學(xué)的兩大基本規(guī)律：第一定律即能量守恒定律，第二定律即熵恒增定律（當(dāng)然還有熱力學(xué)第三定律）。這是宏觀上的描述?？茖W(xué)家不滿足于單純?cè)诤暧^層次上來描述，試圖從分子和原子的微觀層次上闡明其物理規(guī)律，氣體分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。氣體分子動(dòng)力學(xué)是用以闡述氣體物態(tài)方程、氣體導(dǎo)熱性與黏滯性等物性參量的微觀基礎(chǔ)，再進(jìn)一步就是波爾茲曼（1844～1906）與吉布斯（1839～1903）所發(fā)展的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理的發(fā)展，促使物理學(xué)家接觸到具體的物性問題，加強(qiáng)了物理學(xué)與化學(xué)的聯(lián)系，建立了物理化學(xué)這一門交叉學(xué)科。

3．第三次創(chuàng)新

第三次創(chuàng)新是麥克斯韋（1831～1879，見圖19－3）創(chuàng)立的電磁變換理論。最初表達(dá)電荷與電荷間的相互作用力時(shí)要用庫侖定律，庫侖定律也可以表達(dá)磁極與磁極之間的相互作用力。后來發(fā)現(xiàn)電與磁的相互轉(zhuǎn)換的一系列現(xiàn)象：奧斯特（1777～1851，見圖19－3）發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)，安培（1775～1836）發(fā)現(xiàn)的電流之間相互作用規(guī)律，然后是法拉第（1791～1867，見圖19－4）發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律。最后，19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場理論。

圖19－3　哈密頓（左）、麥克斯韋（中）與奧斯特（右）

圖19－4　法拉第（左）及其實(shí)驗(yàn)裝置原理（右）

電磁定律與力學(xué)規(guī)律有一個(gè)很大的不同。力學(xué)考慮的相互作用，特別是萬有引力相互作用，根據(jù)牛頓的設(shè)想，是超距的相互作用，沒有力的傳遞問題（現(xiàn)代觀點(diǎn)認(rèn)為引力有傳遞問題）?，F(xiàn)在從粒子的超距作用改成電磁場的相互作用，這在觀點(diǎn)上有很大變化，研究重點(diǎn)從粒子轉(zhuǎn)移到場。麥克斯韋考慮電磁場的相互作用，電場與磁場不斷相互作用造成電磁波的傳播，后來赫茲在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)電磁波的發(fā)射。另外，電磁波不但包括無線電波，實(shí)際上包括很寬的頻譜，很重要的一部分就是光波。光學(xué)在過去是與電磁學(xué)完全分開發(fā)展的，有了麥克斯韋電磁理論，光學(xué)變成電磁學(xué)的一個(gè)分支，電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)得以統(tǒng)一。這在技術(shù)上有重要意義，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)幾乎都是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上的，電磁波的傳播導(dǎo)致現(xiàn)代的無線電技術(shù)。電磁學(xué)直到現(xiàn)在還在技術(shù)上起主導(dǎo)作用，在基礎(chǔ)物理學(xué)中始終保持著重要地位。