物理學史

古代和中世紀

大約在公元前4000—前2000年間，在底格里斯河、幼發拉底河、尼羅河、印度河和黃河各流域，逐漸形成了古代文明的中心。公元前7世紀到前2世紀，古代科學在希臘和中國均獲得較大的進展。鑒於中國的歷史進程與歐洲有別，有關物理學在中國古代的情形見中國物理學史。

物理學來源於古希臘理性唯物思想。早期的哲學家提出了許多範圍廣泛的問題，諸如宇宙秩序的來源、世界多樣性和各類變種的起源、如何說明物質和形式、運動和變化之間的關係等。尤其是，以留基波、德謨克利特為代表，后又被伊壁鳩魯和盧克萊修發展的原子論，以及以愛利亞的芝諾為代表的斯多阿學派主張自然界連續性的觀點，對自然界的結構和運動、變化等作出各自的說明。原子論曾對從18世紀起的化學和物理學起著相當大的影響。

古希臘和古羅馬的物理學實際上最好的是靜力學，其真正代表人物是阿基米德。他建立了槓桿定律、浮體定律，發明了後來以他名字命名的螺旋抽水機。更重要的是，他將歐幾里得幾何學和邏輯推理用於解決物理問題，這為經典物理學的興起在方法上提供了一個榜樣。至於亞里士多德的物理學，實質上大部分是由錯誤判斷、邏輯集合而成的幾個概念。他將宇宙分成天上的和地上的兩種截然不同的領域，將運動分為“自然的”和“非自然的”兩類，“非自然運動”需要恆常的外因等。今天看來，奇怪的是，佔有整個中世紀的形而上學不是阿基米德的物理學，而是亞里士多德的物理學。這不僅與宗教的需要有關，大概亦與亞里士多德論證問題的巧妙方式有關。此外，泰利斯觀察到琥珀吸引現象；畢達哥拉斯可能知道某些音程的數字比例；歐幾里得探討了凹面鏡的反射現象；托勒玫發現光線入射角和折射角成比例，他構建的洋蔥式宇宙模式（托勒玫體系）對中世紀影響頗大。

隨著古希臘和古羅馬文明的衰落，中世紀時期，懾於社會壓力、政治迫害和早期教會神父的反理智偏見，剩下少數的科學家和哲學家流向東方。他們的大量科學經典傳進阿拉伯國家，被譯成阿拉伯文而被保存下來。但在物理學方面，唯有光學在阿拉伯得以發展。這個時期相當於中國的隋唐和宋初。阿爾·哈增發展了光反射和折射知識，對眼睛的構造作出了解剖研究，創立了至今仍被沿用的一些術語，如“角膜”、“玻璃液”等。12—13世紀，在歐洲建立了一些附屬教堂的學校，以1100年創建的巴黎大學為標誌，其後，博洛尼亞大學、牛津大學、劍橋大學相繼建立。一些學者開始對希臘文化重新發生興趣，亦開始從阿拉伯文翻譯原本是希臘的科學著作。這些學校雖講授阿拉伯文的亞里士多德著作，但亞里士多德討論問題的邏輯方式卻成為歐洲傳統，無形中一代代地培養了學生邏輯思維的習慣。13—14世紀期間，一些學者在評註亞里士多德運動觀中，提出並發展了“衝力說”。這些人雖然在希臘科學的總框架內工作，但中世紀後期的科學家在物理學一些問題上做得精細且有一定水平，並為16—17世紀的科學革命奠定了基礎。

16—17世紀，一場偉大的科學革命在歐洲興起。它是文藝復興的產物。大批阿拉伯文的古希臘和羅馬文獻的翻譯，激起了人文主義，激起新興市民去探討現實世界和自然界的熱情。此時，東西方都積累了大量的由工藝傳統而獲得的科學知識；加之，諸如紡織、鐘錶、眼鏡和玻璃等生產技術的進步，為科學研究提供了新的實驗手段。這場革命首先起於天文學，繼而是力學、光學。新科學觀取代了統治科學近2,000年之久的古希臘觀點，科學開始帶著功利目標，脫離哲學和工藝而獨立。定量的、機械的自然觀取代定性的有機論自然觀。依靠實驗方法，尋求對於特定問題的明確答案，並以符合特定理論框架的措辭，甚至以數學式定量地將答案表述出來。科學研究的目的也是在於了解自然事物之“如何”，而不是去討論它“為什麼”。

1543年，波蘭天文學家N.哥白尼發表《天體運行論》，提出日心地動說（地球沿圓軌道繞日運動），從而和經院哲學的教條即被神化了的托勒玫地心說發生衝突。繼而，伽利略攜望遠鏡觀察天象，並進行一系列關於運動的實驗。這不僅推翻了地心說和以亞里士多德為代表的經典哲學運動觀，並以數學形式建立了諸如自由落體定律和慣性定律，創建加速度概念。其後，J.開普勒在哥白尼日心說基礎上，運用B.第谷的觀測資料，發現了行星運動三定律。加上C.惠更斯和稍早時候S.斯蒂文等人的努力，牛頓繼而提出了三大運動定律和萬有引力定律。1687年一版《自然哲學的數學原理》問世，在這一劃時代科學巨著中，建立了以牛頓力學為代表的經典力學體系。它不僅解決了那個時代提出的力學和天文學的主要問題，而且將科學革命推向了高峰。牛頓力學體系將過去一向被認為毫不相干的地上的和天上的物體運動規律概括在一個嚴密的統一理論之中，這是人類認識自然的歷史中第一次理論大綜合。此後P.拉普拉斯把整個太陽系綜合為一個動力穩定的牛頓引力體系，建立起天體力學；1846年通過牛頓理論預測並證實海王星的存在，這時以牛頓力學為核心的經典力學達到最為輝煌的時代。

經典力學的另一個發展序列是由E.托里拆利、B.帕斯卡、馮·蓋利克等人的工作組成的，並導致1662年R.玻意耳和E.馬略特各自獨立地建立了關於氣壓和體積關係的定律。

從18世紀起，另有一批人從另一角度構築經典力學，人們稱它為分析力學或解析力學。丹尼爾第一·伯努利和L.歐拉研究了多質點體系、剛體和流體動力學。J.達朗貝爾提出了以他的名字命名的用於代替運動方程的原理（見達朗貝爾原理）。J.拉格朗日建立了對於複雜情況特別適用的微分方程（見拉格朗日方程）。稍後，A.科希在R.胡克的彈性定律基礎上對彈性脅變與形變作出了普適的數學表述，總結了變形體力學的最終形式。最後，W.哈密頓發展了拉格朗日微分方程，提出了最小作用量原理。該原理後來還被用於一系列非力學過程中，並被認為是所有自然規律中最概括的一個。C.雅可比提出了用於多體系的哈密頓-雅可比方程。從此，從質點到連續體所有力學問題都已得到解決。理論上，經典力學達到了盡善盡美的地步。

光學起源於古希臘，經過13世紀R.培根等人的工作，17世紀時W.斯涅耳和R.笛卡爾發展起幾何光學，在實驗基礎上用數學方法推導出反射定律、折射定律和一些透鏡的幾何理論。1676年，O.羅麥通過觀測木星衛星的蝕而測定了光在空間的傳播速度。1729年，J.布拉得雷發現光行差，從而結束了光速是瞬時還是有限的爭論。光行差的發現也為地動說提供了第一個確鑿無疑的直接證據。1850年，J.傅科和A.斐索根據D.阿拉戈的建議，測得水中的光速小於空氣中的光速，這才結束了長期以來爭論不決的關於光密與光疏介質中哪個光速更大或折射率更大的問題。牛頓對光學的貢獻：一是顏色理論，證明白光是色光的混合；一是發現薄膜干涉，並以定量方法研究干涉現象。為了避免色差，牛頓於1668年設計了反射望遠鏡。1753年，J.多朗德成功製造消色差折射望遠鏡，而F.格里馬爾迪曾描述直桿和光柵的衍射現象。這樣，干涉、衍射和偏振等現象的發現與光的本性問題的討論相結合，光學便成為以後長期持有爭論的學科。

起初，牛頓、笛卡爾持射流說（微粒說），而胡克、惠更斯持波動說。兩者各有千秋，但都需要藉助力學模型來解釋光的某些現象。從1800年起，由於T.楊的工作，波動說出現了輝煌時期。楊提出波長、頻率的概念和干涉原理，並以此解釋牛頓環，第一個近似地測定了光的波長，區分了相干光與不相干光的概念。接著L.馬呂斯於1809年發現光的偏振，他認為這是對牛頓微粒說的證明。然而1811年，阿拉戈用晶體觀察到被偏振的白光的色現象，D.布儒斯特於1815年實驗證實，在反射光與折射光彼此垂直的情形下，反射光是完全偏振的。同年，對波動說做出全面推進的A.菲涅耳建立了帶作圖法的衍射理論，並與阿拉戈在1819年共同提出彼此垂直的偏振光不相干涉的證明，最終證實光的橫向振動。從此，才建立了光的正確的波動學說。直到1888年，H.赫茲證實電磁波的存在並將光也統一其中，這又結束了光究竟在哪個方向振動的爭論。後來，H.洛倫茲以反射理論，D.維納以光的駐波實驗各自獨立地證明，電場強度的振動垂直於偏振面，而磁場強度的振動在偏振面上，從此光學成為電動力學的一部分。

在17—18世紀、各種溫度計的製造和溫標的選定過程中，有兩個定理曾推動熱力學的發展。一是前述玻意耳定律，一是1802年蓋-呂薩克對理想氣體膨脹的測定。後者指出，各種氣體具有相同的熱膨脹係數，即1/266.6。後來更精確的測定值為1/273。這是熱力學的重要概念“絕對零度”的先導思想。

起初，人們相信熱是一種類似流體的物質。持此觀念的蘇格蘭的J.布萊克是“潛熱”概念的提出者，而且最早（1760）將熱量與溫度從概念上區分開。B.湯姆遜（倫福德伯爵）於1799年首先從鑽炮眼的機械運動中發現熱是一種運動。1842年J.邁爾，1843年J.焦耳，1847年馮·亥姆霍茲等，先後十餘位科學家從蒸汽機的效率、機械、電、化學、人的新陳代謝等不同側面獨立作出研究，獲得了熱是一種能量、能量守恆以及各種形式的能量可相互轉換的定律。特別是焦耳測定了熱功當量，亥姆霍茲充分發展了能量守恆原理的普遍意義，而開爾文勛爵於1853年對能量守恆概念作出最後定義。約1860年能量守恆原理得到普遍承認。很快它就成為全部自然科學和技術科學的基石。它揭示了熱、機械、電和化學等各種運動形式之間的統一性，從而實現了物理學的第二次理論大綜合。

能量守恆定律又稱熱力學第一定律。在S.卡諾對蒸汽機的熱功轉換進行研究的基礎上，R.克勞修斯和開爾文分別在1850年和1851年建立了熱力學第二定律。1865年，克勞修斯給第二定律引入熵的概念，用它表示一個物理系統的能量耗散程度或稱之為無序程度（又稱混亂程度）。熵的概念和第二定律的建立，立即在化學、天文學以及和一切與熱現象有關的科學門類中起了不可輕視的作用。1906年，W.能斯特提出熱力學第三定律。

隨著熱力學的建立和發展，分子運動論和熱現象的統計方法也建立起來。起初，D.伯努利曾提出氣體運動論，但已被人忘卻。化學家創立了現代原子、分子概念，J.道爾頓定義原子量，A.阿伏伽德羅提出了後來以他的名字命名的常數。1858年克勞修斯提出了平均自由程概念，證明氣體分子碰撞過程的特點。1860年，J.麥克斯韋測得平均自由程長度值，並建立了速度分佈定律。J.洛喜密脫以數學計算獲得了氣體分子的半徑和1克分子的分子數的準確數量級，後者被稱之為洛喜密脫數。尤其是，麥克斯韋、L.玻耳茲曼和J.吉布斯的工作，發展了分子運動論並奠定了統計物理學的基礎。在這一分支學科中，出現了一個新的區別於牛頓以來的物理觀念：統計物理不是研究單個質點或單體的運動狀態，而是研究一大群分子的運動狀態，“幾率”（概率）的概念被引進物理學之中。統計力學可以處理分子運動論的所有問題，而且更容易導出能量均分定理和克原子比熱。1887年，玻耳茲曼在熵和概率之間架起數學橋樑：熵和狀態概率的對數成正比，其比例因子就是玻耳茲曼普適常數。同時，發現了分子運動的微小漲落現象。這個重要事實，即漲落說，為1827年植物學家R.布朗發現懸浮粒子的運動（又稱布朗運動）是純粹熱現象作出了最好的說明。1905年愛因斯坦對此漲落現象進行了研究，並被佩蘭的實驗所證實，從而為原子概念的最終確立作出了貢獻。這門學科的發展到此並未結束，直到20世紀40年代一直不斷有新發現。

電和磁是一門古老而又晚起的學科。古代中國人對此作出一定的貢獻。從1600年W.吉伯發現地球是個大磁體，以及他的《論磁》問世，到18世紀初，研究者面臨摩擦電、電火花的形成和大氣潮濕的影響等一些錯綜複雜現象，電和磁的研究進展極為遲緩。其中，較為重要的事件有：荷蘭萊頓的馮·穆欣布魯克於1745年發明萊頓瓶，美國B.富蘭克林於1752年以風箏實驗證明天空閃電與人工摩擦電的一致性，A.伏打在1775年描述起電盤，後來發展為感應起電機。直到1785年，C.庫侖發明扭秤，才使他自己和H.卡文迪什各自獨立地發現了兩電荷之間的作用力定律，今稱庫侖定律。此後，又引出了一系列進展。

電磁發展史上的一個重大轉折是由L.伽伐尼和伏打作出的。伽伐尼於1792年報告了關於蛙腿痙攣的實驗，伏打立即將此觀察變成一個物理髮現，於1800年製成電堆。電堆所提供的持續電流為電磁學發展開闢了一個嶄新領域。它的最初影響是關於電解和各種離子遷移的一系列研究。1820年，H.奧斯特發現電流的磁效應。鑒於它的技術應用前景，一大批、特別是法國的物理學家立即湧入這一新領域，在兩年時間內就奠定了電動力學的基礎。其中，A.安培發現同方向電流彼此吸引，反方向電流彼此排斥，並提出電使磁偏轉的方向法則，特別是創立了二電流元之間相互作用的安培定律；J.畢奧和F.薩伐爾同時表述了單一電流線元的磁作用定律。稍晚幾年，即1826年，G.歐姆建立了電阻定律，清楚區分電動勢、電勢梯度、電流強度的概念，並為導電率概念打下基礎。在電流的磁效應發現的激勵之下，M.法拉第通過一系列實驗，終於發現磁感生電流的效應，並於1831年建立法拉第電磁感應定律。這定律是發電機的理論基礎。法拉第的實驗為人類開闢了一種新能源，打開了電力時代的大門。為解釋他的實驗，法拉第提出了“力線”概念。1855—1864年，麥克斯韋在這概念基礎上又引進了“位移電流”概念，從數學上建立了意義深遠的電磁理論，即迄今聞名的一組矢量微分方程，從該方程中導出電磁波的存在及其以光速傳播的結論（見麥克斯韋方程組）。法拉第、麥克斯韋等人的工作導致物理學史上第三次理論大綜合，揭示了光、電、磁三種現象的本質統一性。1888年，赫茲以實驗證實電磁波的存在，並證明它具有光的一切特性。電磁波的發現，預示了無線電通信和稍後興起的電視技術的到來，為現代人類的物質文明奠定了強有力的基礎。至此，電磁學的理論基礎大致上全部完成。

一般認為，1895年X射線的發現是20世紀近代物理學開始的標誌。近代物理學的兩大基石即相對論和量子論徹底地改變了物理學的理論基礎，其中包括有關空間、時間、質量、能量、原子、光、連續性、決定論和因果關係等在經典物理學中已牢固確立的概念，在20世紀30年代之前掀起一場新的科學理論革命。

19世紀末20世紀初，經典物理學在新的實驗事實面前遇到了困難，原來與實驗吻合的理論受到挑戰。牛頓力學對於解釋水星近日點的進動無能為力；隨著確定光的波動說而帶來的以太模型，人們已習慣並長期相信它作為絕對靜止的慣性坐標系的存在，但在A.邁克耳孫主持的多次反覆的實驗中均得到否定的結果；再如，在固體比熱、黑體輻射、X射線、放射性、電子和鐳的發現等新的實驗事實中，經典物理學不僅對此困惑不解，而且似有大廈將傾之危。

愛因斯坦看出，修補經典理論不可能完備，他默默地從事對物理理論基礎的根本性改革，於1905和1915年先後創立狹義相對論和廣義相對論。相對論否定了牛頓以來絕對時間和絕對空間概念，建立了新的時空觀，並將牛頓力學作為一種特例概括其中。相對論既是天體物理和宇宙學的理論基礎，也是亞原子世界微觀物理學的理論基礎。

M.普朗克為解釋黑體輻射問題，於1900年提出能量子假設，引入了著名的普朗克常數。愛因斯坦在1905年提出光量子論，既解釋了光電效應等經典物理所不能解釋的一些問題，又證實並發展了普朗克的思想。光量子論認為，光既有連續的波動性質，又有不連續的粒子性質。1913年，N.玻爾依據量子論提出一種原子模型，成功地解釋了只含一個電子的原子的光譜和其他性能。1923年，L.德布羅意提出物質波概念，波粒二象性作為微觀世界的基本特性之一為人們普遍接受。經過近20年的醞釀與準備，當時一批年輕的物理學家，如W.海森伯、P.狄拉克以及M.玻恩、E.薛定諤等終於在1925—1927年間建立了量子力學。它不僅解決了19世紀末提出的諸多物理問題，並此後被廣泛用於原子、分子和金屬性能的研究，加速了原子和分子物理學的發展，並且成為物理學通向化學和生物學的橋樑。

19世紀末20世紀初，人們作出了關於X射線、放射性、鐳等一系列驚人發現。1905年愛因斯坦提出著名的質能關係式（E=mc），量子論由初期解決輻射問題而進入到物質本體之中，從而打破了原子不可分的古老觀念，人們對物質的認識從宏觀深入到原子內的微觀世界中。1932年，J.查德威克發現中子，C.安德森發現正電子，J.考克饒夫和E.瓦爾頓用加速器實現人工核蛻變。1938年，O.哈恩和F.斯特拉斯曼發現鈾分裂即重原子核裂變現象。1942年，實現原子核鏈式反應。在E.費米領導下，建成第一座原子反應堆。1945年，製成第一顆原子彈。從此揭開了原子能時代的序幕。

從1932年發現中子、正電子開始，粒子物理學成為20世紀中期以後的熱門課題。新粒子的性質、結構、相互作用和轉化成為該學科主要研究內容。存在於自然界中的四種相互作用力（引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力）的統一問題，已經取得了相當的進展。但距真正的統一尚待時日。物理學在傳統意義下分化出高能物理學、原子核物理學、等離子體物理學、凝聚態物理學、複雜系統的統計物理、宇宙學和各種交叉學科。即使傳統物理學科，如光學、聲學，亦在其基礎理論上，就其教學方法、實驗裝置、解決問題的複雜性以及可能的技術應用等方面都有極大的演變與發展。物理學家不斷發現新現象、新方法，實驗設備和裝置不斷增大和更新，如強子對撞機、直線對撞機、相對論重離子對撞機、同步輻射光源、激光核聚變及其點火裝置，甚至由眾多國家聯合參與建設和研究的國際熱核實驗堆等。在人類認識自然界的歷史長河中，當前最感興趣的兩個領域是宇宙的形成和粒子的分化與組合。其中，暗物質、暗能量的研究，物理學與生命科學的交叉領域都將成為21世紀的物理熱點。迄今，物理學已幫助人的“眼力”擴大到10厘米的宇宙，深到10厘米的粒子內部。

經典物理學形成之初，磨鏡與制鏡工藝對物理學與天文學都有過幫助和促進。早先發明的眼鏡以及在1600年左右突然問世的望遠鏡、顯微鏡，為伽利略等物理學家觀測天體帶來方便，也促使菲涅耳、笛卡爾、牛頓等一大批光學家作出幾何光學的研究。後者的成就又促成反射望遠鏡、折射望遠鏡和消色差折射望遠鏡在17—18世紀紛紛問世。各種望遠鏡的進步又推動物理學的發展，如用它觀察木衛蝕、發現光行差等。當牛頓建立起經典力學大廈時，現代一切機械、土木建築、交通運輸、航空航天等工程技術的理論基礎也得到初步確立。

18世紀60年代開始的工業革命，以蒸汽機的廣泛使用為標誌。起初，蒸汽機的熱機效率僅為5%左右，為提高蒸汽機的效率，一大批物理學家進行熱力學研究。J.瓦特曾根據J.布萊克的“潛熱”理論在技術因素上（加入冷凝器）改進蒸汽機。但是，當時尚未有人認識到汽缸的熱僅僅部分地轉化為機械功。此後，卡諾建立了熱功轉換的循環原理，從理論上為熱機效率的提高指明了方向，也因此在19世紀下半葉出現了N.奧托和R.狄塞爾的內燃機。在熱力學第一、第二定律確立不久，英國土木工程師W.蘭金於1859年就將它們編入《蒸汽機手冊》之中。到20世紀初，蒸汽機熱效率達到15%—20%左右。這充分說明技術與物理之間的互動關係。

電磁學所有重大成就純粹是在物理實驗室誕生的。伏打電池成功地獲得了持續電流，開闢了利用電力的新時期。奧斯特發明的電流磁效應和法拉第建立的電磁感應定律，為電氣時代的到來打下了理論基礎。特別是在實驗室里用以演示感生電流的法拉第轉子，原本近乎一種玩具，但它卻是後來所有發電機和電動機的始祖。19世紀上半葉創建的一系列電磁學定律，促成了19世紀80年代鋼鐵、電力、化學、內燃機為主流的技術大飛躍，實驗室的成果孕育了工業技術領域的大批巨頭和巨豪的誕生，如電機工業的馮·西門子、鋼鐵工業的H.貝塞麥和馬爾丁兄弟等。反之，在鋼鐵、冶金、電機方面的技術發展難題，尤其是燃料、能源的合理利用與成本問題又促進了19世紀最後20—30年間熱輻射研究的迅猛發展。類似地，麥克斯韋的理論預言和赫茲電磁波實驗，導致G.馬可尼於1895年發明無線電，從而開創了無線電通信技術的新時代，大大改變了人類的生活和文明進程。這又是物理與技術之間的互動事例。

20世紀期間，最新物理學成果給予技術、社會的影響是最驚人的科學事件。愛因斯坦的質能關係導致原子彈製造和核能的利用，1916年愛因斯坦的受激發射理論又引出1960年激光器的誕生。在現代強大技術裝備中，引人注目的有：1932年發明的粒子加速器，1934年製成電子顯微鏡，1936年發明射電望遠鏡，1952年氫彈試驗成功，1957年人造地球衛星上天及其後發展的宇宙飛船技術、遙感技術，20世紀60年代建造的用作強中子源的實驗性反應堆和電子同步加速器等，它們無一不是物理學的成果。除了原子能工業（始於1942年）、空間技術（始於1957年）與物理學直接相關外，當今電子計算機和信息革命是最為令人激動的技術革命。但它的硬體無一不與物理學成果相關，甚至就是物理學的實驗結晶。從1947年貝爾實驗室發明晶體管，1962年發明集成電路，到70年代後期出現大規模、高密度集成電路，其間有許多物理學家在固體、晶體、半導體等物理學領域奉獻自己的一切才智。可以說，大至國防技術的導彈、核潛艇、宇宙飛船，小至每個家庭、每個人身邊的各種電器、電子儀器以及為了健康而進入醫院時所見到的放射性治療、超聲波掃描、核磁共振掃描等，沒有一件是與物理學毫不相干的發明物。物理學已經滲透到人類活動和文明生活的方方面面。在國際經濟競賽、市場競賽與知識經濟活躍的今日，許多人驚訝，上百條的物理定律已經變為成千上萬噸的黃金。

除了物理學與技術之關係外，在科學發展史上，物理學與鄰近的天文學、化學和礦物學是密切相關的，而物理學與數學的聯繫更為密切。物理學的概念、理論和方法，也幫助其他學科的建立與發展，如氣象學、地球科學、生物學等。物理學與哲學的關係也十分特別。