图说物理学发展简史（浅谈物理学史上的三次大综合）

1 引言牛顿力学的建立标志着经典物理学的大厦初步落成，在社会生产力的不断发展和推动下，物理学不断地积累和综合，经历长达400多年的发展后，建立了包括理论力学、热力学与统计力学、电动力学、量子力学的四大力学体系，物理学的各个分支门类也得到了快速和长足的发展在物理学的三次大综合中, 建立的几大理论体系包容了相应历史时期内物理学的几乎所有的观察、实验事实和理论研究成果，这构成了整个物理学的理论基础，今天小编就来聊一聊关于图说物理学发展简史?接下来我们就一起去研究一下吧!

图说物理学发展简史

1 引言

牛顿力学的建立标志着经典物理学的大厦初步落成，在社会生产力的不断发展和推动下，物理学不断地积累和综合，经历长达400多年的发展后，建立了包括理论力学、热力学与统计力学、电动力学、量子力学的四大力学体系，物理学的各个分支门类也得到了快速和长足的发展。在物理学的三次大综合中, 建立的几大理论体系包容了相应历史时期内物理学的几乎所有的观察、实验事实和理论研究成果，这构成了整个物理学的理论基础。

2 物理学理论的第一次大综合——牛顿力学体系的初步建立

1687年牛顿集前人智慧领悟出了万有引力的真谛，把地面上的力学和天上的力学统一在一起，形成了以三大运动定律为基础的力学体系，这个时期天文学、数学和力学相互交织着快速发展。牛顿总结以往的力学研究成果发表了《自然哲学的数学原理》，这标志着经典力学体系的初步建立，在解决的天上的力与地上的力是否统一的过程中， 他发明的数学工具——微积分促进了数学的研究发展，构建了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律【1】。由牛顿运动定律为基础建立的微分方程，在给定了初始条件就可以通过数学运算准确求解出以后任一时刻物体运动状态，牛顿力学够准确的预测未来状态的现象在哲学思想上能够非常好的吻合人们意识中的确定性、普适性、可知性。牛顿力学把万有引力与牛顿运动三定律视为宇宙间一切物体运动所遵循的普遍规律，实现了物理学理论的第一次大综合。

3物理学理论的第二次大综合——能量守恒原理与麦克斯韦方程组

3.1热力学第一定律——能量守恒定律

19 世纪，焦耳通过实验研究计算出了热功的数值并公布了研究结果，能量守恒定律得以确立。热质说退出了历史舞台。对于热的本质也做了定性的解释: 热是微观运动和能量的一种表现形式，并且和能量的其他形式之间可以相互转化。能量守恒定律被誉为是科学的基石【1】，揭示了自然界各种运动的统一性，这实际指出了自然界不同状态、不同形式的能量相互转化或转移的关系，能量守恒定律构建了能量循环流动链，使人们充分认识到能量不能凭空产生和消失，只能从一种形式变化到另一种形式。打破了人们对永动机的臆想。它的发现在各个领域都有重大意义和应用，在生物学方面使得人们对大自然生态环境中的能量流动过程以及物种间的依存关系有了全新深刻的认识，能量守恒定律是对大自然生态环境进行保护和自我调节所要遵循的基本准则。能量守恒与转换定律的发现也为哲学上的运动不灭原理和自然界运动形式的统一性提供了可靠的科学证据。【5】

寻求真理的道路并不平坦，一大批著名科学家为能量守恒定律的发现付出了很多艰辛努力。1801年戴维发现了电流的化学效应、1802年发现了电流的磁效应、1821年塞贝克发现了温差电效应、1831年奥斯特发现了电磁感应等，这些实验现象都伴随着不同形式的能量的流动。德国医生迈尔首先考虑了人体内的能量守恒问题、英国科学家焦耳考虑了电与热的关系、亥姆霍兹通过生理学的研究也认识到了能量的守恒和转化的原理，早期的能量守恒原理得到的支持与理解很少，致使能量守恒的结论一开始不能被很好的接受，英国科学家焦耳最初受到了激烈的嘲讽和抨击。在科学的道路上，正是有了如此多的科学家秉承大义凛然、英勇无畏的精神，才使得科学不断地向前发展，并造福于我们人类社会。

3.2麦克斯韦电磁理论

麦克斯韦的电磁理论可与牛顿运动定律相媲美，它与经典物理学完全不同，与全新的现代物理学——相对论、量子力学相比，又具有古典意义和特殊的历史性意义。【3】麦克斯韦继承和发展了法拉第的思想及成果，依托实验定律及合理的假设，引入了位移电流等概念，经过严格的数学推导，总结出了经典电磁理论，揭示了电、磁、光的统一性，实现了物理学理论的第二次大综合。从麦克斯韦方程组的产生,形式,内容和它的历史过程中使得人们意识到一种新的具有认识意义的公理体系的建立才是科学理论进步的标志。只有依靠合适的表达方法才能认识到物理中隐藏的研究对象麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美，这种优美以现代数学形式得到充分的表达。

麦克斯韦在研究方法上富有新意，在科学探究的方法上给了我们丰富的教益和启迪。与数学演绎的方法不同，麦克斯韦方程是在电磁实验中发现并总结出来的，用一组公理关系的方程组来表达电磁场的本质。在形式上又是完全用数学语言来表达。麦克斯韦还用类比研究的方法，为法拉第电力线做了精确的数学描述。麦克斯韦的研究方法包含了类比、思想实验、演绎推理等对我们有很大的启示作用。

4物理学史上的第三次大综合——相对论与量子力学的建立

爱因斯坦创立的相对论，否定牛顿的绝对时空观，揭示了空间、时间、物质、运动之间在本质上的统一性，把牛顿的力学理论作为一种特殊情况概括在内；麦克斯韦方程组揭示了电磁场完美的对称性启发了爱因斯坦创建狭义相对论。狭义相对论包括两条基本原理:狭义相对性原理和光速不变原理。狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理的推广, 认为不仅力学定律, 所有物理学定律在一切惯性系中是相同的,不存在一个特殊参照系。爱因斯坦依据一些经验事实提出了光速不变原理, 认为在所有惯性系内, 光在真空中的速率都是相同的。由狭义相对论得出:“同时”性概念、时间间隔、空间间隔都具有相对性, 都与运动速率有关的结论;物质的质量也与运动速率有关, 不再是一个不变量的结论, 它否定了空间、时间与物质运动无关的绝对时空观。狭义相对论还得出极为重要的质能关系式, 表明物质与运动不可分割。质能关系式为人工方法大量释放原子核能提供了理论依据。爱因斯坦在建立了狭义相对论后, 认为相对性原理应是普遍存在的, 不仅对于惯性系,而且对于非惯性系也应当适用。于是他把相对性原理从匀速运动推广到加速运动, 提出了在任何参考系中物理学规律的数学形式相同的广义协变性原理。其间他又根据引力质量与惯性质量相等的事实, 锐敏地认识到惯性质量与引力质量相等是解决引力问题的关键。以两种质量相等为基础, 爱因斯坦提出了加速参考系与存在引力场的惯性参考系等效的“等效原理” 。广义协变原理与等效原理构成了广义相对论的基础。在此基础上爱因斯坦建立起了广义相对论的引力场方程。牛顿理论是狭义相对论低速下的极限情形。而狭义相对论又是弱引力场或者说加速度很小时的极限情形。狭义相对论与广义相对论统称相对论。相对论创造性地完善了电磁场经典物理理论, 同时也创立了时空、物质、运动和引力的新理论, 深刻揭示了力学运动和电磁运动在运动学上的统一性, 揭示了作为物质存在形式的时间和空间在本质上的统一性,揭示了物质与运动的统一性, 发展了物质与运动不可分割的原理, 揭示了四维时空与物质统一关系, 指出时间、空间不可能离开物质而存在, 四维时空的结构与性质取决于物质的分布、不是平坦的欧氏空间而是弯曲的黎曼空间, 也揭示了时空、物质、运动与引力之间的统一性。相对论既是微观物理学的基础, 也是天体物理学与宇宙学的基础【5】。

同时普朗克量子论的提出和薛定谔、海森伯、狄拉克等人量子力学的建立，论证了连续性与间断性的统一，成功地揭示了微观物理世界的基本规律。 量子力学在低速、微观的现象范围内具有普遍适用的意义。量子力学在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义。量子力学的产生和发展标志着人类认识自然实现了从宏观世界向微观世界的重大飞跃。 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说，量子力学的运动方程也是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时，可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的。在经典物理学理论中，对一个体系的测量不会改变它的状态，它只有一种变化，并按运动方程演进。因此，运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言。但在量子力学中，体系的状态有两种变化，一种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆的变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化。因此，量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。据此，一些物理学家和哲学家断言量子力学摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性——几率因果性。量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。人们对观察结果用经典物理学语言描述时，发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图象，或主要表现为粒子行为。而量子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，这是由于测量所造成的，且只有显态才符合经典物理学实在的含义。

以相对论与量子论为两大支柱的现代物理学，从物理实验的个别特殊现象之中找到了本质的联系，在一些本质问题上有了一定的深刻领会, 科学研究的领域不断地分枝细化并且相互促进、相互影响、广泛渗透、高度综合。整个自然科学伴随着相互渗透、高度综合的趋势，对现代物理学的研究方法也产生了影响，大型、精密仪器的得到创制、分析技术和计算机技术得到发展和应用，使物理实验在精密、快速和自动化方面都达到新水平；物理理论朝着公理化、数学化的方向不断前进，物理研究越来越远离人们的感性经验，创造性思维在创建新理论中变得更加突出；如科学想象、理想实验、大胆猜测，以及类比、直觉和灵感等非逻辑性方法得到广泛应用。

5结论和启示

牛顿力学体系的建立改变了以往依靠直观观察、思辨猜测、逻辑推理等这些简单的、直觉的、笼统的研究方法，使得由以往的自然观察转向了仪器观察，强调了实验的目的性，强调了科学观察要与数学推导相结合，推理演绎要与分析归纳相结合。这些研究方法的革新也使得定量研究上也取得了很大的进步，促进了经验材料和理论框架的建立，将物理学带入了一个蓬勃发展的历史时期。

麦克斯韦，焦耳和迈尔等一大批卓越的科学家通过对错综复杂的自然现象进行归纳简化，建立理想化的物理模型，经过实验测量和严格数学推导总结出了能量守恒定律和麦克斯韦电磁理论，使得物理理论的公理化、数学化特征日益突出，经典物理学成为数学物理学。以相对论与量子论为两大支柱的现代物理学已涉及到物质世界很深、很广的领域,科学的研究对象的尺度范围跨越了微观到宇观的整个区间，人们的思维方式也产生很大变化，从绝对走向相对;从精确走向模糊;从确定走向不确定。这揭示了自然界辩证发展在宏观大范围的层次上更为详尽的图景。从科学家们的研究中我们吸取科学思想、科学方法的营养，对提高我们大学生提出问题、分析问题和解决问题的能力都有很大的裨益。