圖說物理學發展簡史?1 引言牛頓力學的建立标志着經典物理學的大廈初步落成，在社會生産力的不斷發展和推動下，物理學不斷地積累和綜合，經曆長達400多年的發展後，建立了包括理論力學、熱力學與統計力學、電動力學、量子力學的四大力學體系，物理學的各個分支門類也得到了快速和長足的發展在物理學的三次大綜合中, 建立的幾大理論體系包容了相應曆史時期内物理學的幾乎所有的觀察、實驗事實和理論研究成果，這構成了整個物理學的理論基礎，今天小編就來聊一聊關于圖說物理學發展簡史?接下來我們就一起去研究一下吧!

圖說物理學發展簡史

1 引言

牛頓力學的建立标志着經典物理學的大廈初步落成，在社會生産力的不斷發展和推動下，物理學不斷地積累和綜合，經曆長達400多年的發展後，建立了包括理論力學、熱力學與統計力學、電動力學、量子力學的四大力學體系，物理學的各個分支門類也得到了快速和長足的發展。在物理學的三次大綜合中, 建立的幾大理論體系包容了相應曆史時期内物理學的幾乎所有的觀察、實驗事實和理論研究成果，這構成了整個物理學的理論基礎。

2 物理學理論的第一次大綜合——牛頓力學體系的初步建立

1687年牛頓集前人智慧領悟出了萬有引力的真谛，把地面上的力學和天上的力學統一在一起，形成了以三大運動定律為基礎的力學體系，這個時期天文學、數學和力學相互交織着快速發展。牛頓總結以往的力學研究成果發表了《自然哲學的數學原理》，這标志着經典力學體系的初步建立，在解決的天上的力與地上的力是否統一的過程中， 他發明的數學工具——微積分促進了數學的研究發展，構建了兩個定律，一個是運動定律，一個是萬有引力定律【1】。由牛頓運動定律為基礎建立的微分方程，在給定了初始條件就可以通過數學運算準确求解出以後任一時刻物體運動狀态，牛頓力學夠準确的預測未來狀态的現象在哲學思想上能夠非常好的吻合人們意識中的确定性、普适性、可知性。牛頓力學把萬有引力與牛頓運動三定律視為宇宙間一切物體運動所遵循的普遍規律，實現了物理學理論的第一次大綜合。

3物理學理論的第二次大綜合——能量守恒原理與麥克斯韋方程組

3.1熱力學第一定律——能量守恒定律

19 世紀，焦耳通過實驗研究計算出了熱功的數值并公布了研究結果，能量守恒定律得以确立。熱質說退出了曆史舞台。對于熱的本質也做了定性的解釋: 熱是微觀運動和能量的一種表現形式，并且和能量的其他形式之間可以相互轉化。能量守恒定律被譽為是科學的基石【1】，揭示了自然界各種運動的統一性，這實際指出了自然界不同狀态、不同形式的能量相互轉化或轉移的關系，能量守恒定律構建了能量循環流動鍊，使人們充分認識到能量不能憑空産生和消失，隻能從一種形式變化到另一種形式。打破了人們對永動機的臆想。它的發現在各個領域都有重大意義和應用，在生物學方面使得人們對大自然生态環境中的能量流動過程以及物種間的依存關系有了全新深刻的認識，能量守恒定律是對大自然生态環境進行保護和自我調節所要遵循的基本準則。能量守恒與轉換定律的發現也為哲學上的運動不滅原理和自然界運動形式的統一性提供了可靠的科學證據。【5】

尋求真理的道路并不平坦，一大批著名科學家為能量守恒定律的發現付出了很多艱辛努力。1801年戴維發現了電流的化學效應、1802年發現了電流的磁效應、1821年塞貝克發現了溫差電效應、1831年奧斯特發現了電磁感應等，這些實驗現象都伴随着不同形式的能量的流動。德國醫生邁爾首先考慮了人體内的能量守恒問題、英國科學家焦耳考慮了電與熱的關系、亥姆霍茲通過生理學的研究也認識到了能量的守恒和轉化的原理，早期的能量守恒原理得到的支持與理解很少，緻使能量守恒的結論一開始不能被很好的接受，英國科學家焦耳最初受到了激烈的嘲諷和抨擊。在科學的道路上，正是有了如此多的科學家秉承大義凜然、英勇無畏的精神，才使得科學不斷地向前發展，并造福于我們人類社會。

3.2麥克斯韋電磁理論

麥克斯韋的電磁理論可與牛頓運動定律相媲美，它與經典物理學完全不同，與全新的現代物理學——相對論、量子力學相比，又具有古典意義和特殊的曆史性意義。【3】麥克斯韋繼承和發展了法拉第的思想及成果，依托實驗定律及合理的假設，引入了位移電流等概念，經過嚴格的數學推導，總結出了經典電磁理論，揭示了電、磁、光的統一性，實現了物理學理論的第二次大綜合。從麥克斯韋方程組的産生,形式,内容和它的曆史過程中使得人們意識到一種新的具有認識意義的公理體系的建立才是科學理論進步的标志。隻有依靠合适的表達方法才能認識到物理中隐藏的研究對象麥克斯韋方程組揭示了電場與磁場相互轉化中産生的對稱性優美，這種優美以現代數學形式得到充分的表達。

麥克斯韋在研究方法上富有新意，在科學探究的方法上給了我們豐富的教益和啟迪。與數學演繹的方法不同，麥克斯韋方程是在電磁實驗中發現并總結出來的，用一組公理關系的方程組來表達電磁場的本質。在形式上又是完全用數學語言來表達。麥克斯韋還用類比研究的方法，為法拉第電力線做了精确的數學描述。麥克斯韋的研究方法包含了類比、思想實驗、演繹推理等對我們有很大的啟示作用。

4物理學史上的第三次大綜合——相對論與量子力學的建立

愛因斯坦創立的相對論，否定牛頓的絕對時空觀，揭示了空間、時間、物質、運動之間在本質上的統一性，把牛頓的力學理論作為一種特殊情況概括在内；麥克斯韋方程組揭示了電磁場完美的對稱性啟發了愛因斯坦創建狹義相對論。狹義相對論包括兩條基本原理:狹義相對性原理和光速不變原理。狹義相對性原理是伽利略力學相對性原理的推廣, 認為不僅力學定律, 所有物理學定律在一切慣性系中是相同的,不存在一個特殊參照系。愛因斯坦依據一些經驗事實提出了光速不變原理, 認為在所有慣性系内, 光在真空中的速率都是相同的。由狹義相對論得出:“同時”性概念、時間間隔、空間間隔都具有相對性, 都與運動速率有關的結論;物質的質量也與運動速率有關, 不再是一個不變量的結論, 它否定了空間、時間與物質運動無關的絕對時空觀。狹義相對論還得出極為重要的質能關系式, 表明物質與運動不可分割。質能關系式為人工方法大量釋放原子核能提供了理論依據。愛因斯坦在建立了狹義相對論後, 認為相對性原理應是普遍存在的, 不僅對于慣性系,而且對于非慣性系也應當适用。于是他把相對性原理從勻速運動推廣到加速運動, 提出了在任何參考系中物理學規律的數學形式相同的廣義協變性原理。其間他又根據引力質量與慣性質量相等的事實, 銳敏地認識到慣性質量與引力質量相等是解決引力問題的關鍵。以兩種質量相等為基礎, 愛因斯坦提出了加速參考系與存在引力場的慣性參考系等效的“等效原理” 。廣義協變原理與等效原理構成了廣義相對論的基礎。在此基礎上愛因斯坦建立起了廣義相對論的引力場方程。牛頓理論是狹義相對論低速下的極限情形。而狹義相對論又是弱引力場或者說加速度很小時的極限情形。狹義相對論與廣義相對論統稱相對論。相對論創造性地完善了電磁場經典物理理論, 同時也創立了時空、物質、運動和引力的新理論, 深刻揭示了力學運動和電磁運動在運動學上的統一性, 揭示了作為物質存在形式的時間和空間在本質上的統一性,揭示了物質與運動的統一性, 發展了物質與運動不可分割的原理, 揭示了四維時空與物質統一關系, 指出時間、空間不可能離開物質而存在, 四維時空的結構與性質取決于物質的分布、不是平坦的歐氏空間而是彎曲的黎曼空間, 也揭示了時空、物質、運動與引力之間的統一性。相對論既是微觀物理學的基礎, 也是天體物理學與宇宙學的基礎【5】。

同時普朗克量子論的提出和薛定谔、海森伯、狄拉克等人量子力學的建立，論證了連續性與間斷性的統一，成功地揭示了微觀物理世界的基本規律。 量子力學在低速、微觀的現象範圍内具有普遍适用的意義。量子力學在現代科學技術中的表面物理、半導體物理、凝聚态物理、粒子物理、低溫超導物理、量子化學以及分子生物學等學科的發展中，都有重要的理論意義。量子力學的産生和發展标志着人類認識自然實現了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。 量子力學是在舊量子論的基礎上發展起來的。舊量子論包括普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。關于量子力學的解釋涉及許多哲學問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學意義上的因果律說，量子力學的運動方程也是因果律方程，當體系的某一時刻的狀态被知道時，可以根據運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀态。但量子力學的預言和經典物理學運動方程(質點運動方程和波動方程)的預言在性質上是不同的。在經典物理學理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀态，它隻有一種變化，并按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀态的力學量可以作出确定的預言。但在量子力學中，體系的狀态有兩種變化，一種是體系的狀态按運動方程演進，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀态的不可逆變化。因此，量子力學對決定狀态的物理量不能給出确定的預言，隻能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經典物理學因果律在微觀領域失效了。據此，一些物理學家和哲學家斷言量子力學擯棄因果性，而另一些物理學家和哲學家則認為量子力學因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學用量子态的概念表征微觀體系狀态，深化了人們對物理實在的理解。微觀體系的性質總是在它們與其他體系，特别是觀察儀器的相互作用中表現出來。人們對觀察結果用經典物理學語言描述時，發現微觀體系在不同的條件下，或主要表現為波動圖象，或主要表現為粒子行為。而量子态的概念所表達的，則是微觀體系與儀器相互作用而産生的表現為波或粒子的可能性。量子力學表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子态。真實狀态分解為隐态和顯态，這是由于測量所造成的，且隻有顯态才符合經典物理學實在的含義。

以相對論與量子論為兩大支柱的現代物理學，從物理實驗的個别特殊現象之中找到了本質的聯系，在一些本質問題上有了一定的深刻領會, 科學研究的領域不斷地分枝細化并且相互促進、相互影響、廣泛滲透、高度綜合。整個自然科學伴随着相互滲透、高度綜合的趨勢，對現代物理學的研究方法也産生了影響，大型、精密儀器的得到創制、分析技術和計算機技術得到發展和應用，使物理實驗在精密、快速和自動化方面都達到新水平；物理理論朝着公理化、數學化的方向不斷前進，物理研究越來越遠離人們的感性經驗，創造性思維在創建新理論中變得更加突出；如科學想象、理想實驗、大膽猜測，以及類比、直覺和靈感等非邏輯性方法得到廣泛應用。

5結論和啟示

牛頓力學體系的建立改變了以往依靠直觀觀察、思辨猜測、邏輯推理等這些簡單的、直覺的、籠統的研究方法，使得由以往的自然觀察轉向了儀器觀察，強調了實驗的目的性，強調了科學觀察要與數學推導相結合，推理演繹要與分析歸納相結合。這些研究方法的革新也使得定量研究上也取得了很大的進步，促進了經驗材料和理論框架的建立，将物理學帶入了一個蓬勃發展的曆史時期。

麥克斯韋，焦耳和邁爾等一大批卓越的科學家通過對錯綜複雜的自然現象進行歸納簡化，建立理想化的物理模型，經過實驗測量和嚴格數學推導總結出了能量守恒定律和麥克斯韋電磁理論，使得物理理論的公理化、數學化特征日益突出，經典物理學成為數學物理學。以相對論與量子論為兩大支柱的現代物理學已涉及到物質世界很深、很廣的領域,科學的研究對象的尺度範圍跨越了微觀到宇觀的整個區間，人們的思維方式也産生很大變化，從絕對走向相對;從精确走向模糊;從确定走向不确定。這揭示了自然界辯證發展在宏觀大範圍的層次上更為詳盡的圖景。從科學家們的研究中我們吸取科學思想、科學方法的營養，對提高我們大學生提出問題、分析問題和解決問題的能力都有很大的裨益。

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