什么和谁被称为经典的实验物理学

什么和谁被称为经典的实验物理学
什么和谁被称为经典的实验物理学

什么和谁被称为经典的实验物理学
物理学是研究自然界基本规律的科学.它的英文词physics来源于希腊文,原义是自然,而中文的含义是“物”（物质的结构、性质）和“理”（物质的运动、变化规律）.中文含义与现代观点颇为吻合.现代观点认为物理学主要研究：物质和运动,或物质世界及其各部分之间的相互作用,或物质的基本组成及它们的相互作用. 物质可以小至微观粒子——分子、原子以至“基本”粒子（elementaryparticles）.所谓基本粒子,顾名思义是物质的基本组成成分,本身没有结构.然而基本与否与人们的认识水平以及科学技术水平有关,因此对“基本”的理解有阶段性.有鉴于此,物理学家简单地称之为“粒子”.有时为了表达认识的层次,我们仍然可以说：“现阶段的基本粒子为……”.当前我们认为基本粒子有轻于（lepton）、夸克（quark）、光子（photon）和胶子（gluon）等等.科学家们正在努力寻找自由夸克.此外,分数电荷、磁单极也在寻找之列.我们周围的物体是物质的聚集状态.人们可以用自己的感官感知大多数聚集状态的物质,并称它们为宏观（macroscopic）物质以区别前面所说的微观（microscopic）粒子.居间的尺度是介观（mesoscopic）,而更大的尺度是宇观（cosmological）.场（field）传递相互作用,电磁场和引力场就是例子. 在物理学的范围内,物质的运动是指机械运动、热运动、微观粒子的运动、原子核和粒子间的反应等等.运动总是发生在一定的时间和空间.时间和空间首先是作为物质运动的舞台,但最后也成了物理学研究的对象. 现在知道物质之间的相互作用有四种,即万有引力、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用. 爱因斯坦（A.Einstein,1879—1955）生前曾致力于统一场论的工作,试图用统一的理论来描述各种相互作用.在60年代,走向统一有了突破性的进展.格拉肖（S.L.Glashow）、温伯格（S.Weinberg）和萨拉姆（A.Salam）等人发现弱相互作用和电磁相互作用可以统一,用弱电相互作用（electroweak）来描述.鲁比亚（1983[1],C.Rubbia）等提供了实验支持.大统一理论（Grand Unification Theory,GUT）试图将强相互作用也统一进去,而超对称理论更企图将引力也纳入其中.还有人在寻求其他的相互作用.对此,在Physics Teacher期刊上曾有一篇文章题为“存在第五种基本力吗?”专门讨论这一命题[6].在高级的理论中,相互作用只不过是交换物质,如电磁作用交换光子、强作用交换胶子. 物理学的一个永恒主题是寻找各种序（orders）、对称性（symmetry）和对称破缺（symmetry-breaking）[10]、守恒律（conservation laws）或不变性（invariance）.物质的有序状态比我们想象的要广泛得多.除了排列整齐的位置序以外,还可以有指向序.超导态也是一种有序状态.对称性通常指静止的空间几何对称,如太极图、八卦、晶体中的平移和旋转对称.实际上,对称性还可以是动态的,可以是时间反演对称、物质—反物质对称以及更为抽象的规范对称等等. 就物理学和其他科学的关系而言,我们可以说： ·物理学是最基本的科学. ·物理学是最古老、发展最快的科学. ·物理学提供最多、最基本的科学研究手段. 最基本的体现是在天文学、地学、化学、生命科学中都包含着物理过程或现象.在这些学科中用到不少物理学概念和术语是很自然的.最基本还意味着任何理论都不能和物理学的定律相抵触.例如,如果某种理论破坏能量守恒定律,那么这一理论就很成问题.当然,某些物理理论本身或一些阶段性的工作本身也是在不断地完善. 19世纪中叶之前,物理学曾是完完全全的实验科学.力学中的理论问题被认为是数学家的事.19世纪末,在当时处于世界物理学中心的德国的大学里,开始设置理论物理学教授的席位.此后,随着人类的认识能力逐步深入,逐步深入到不能靠直觉把握的微观、高速、宇观现象,20世纪初建立了狭义和广义相对论,以及量子力学这些深刻的物理理论.到了20世纪中叶,物理学已经成为实验和理论紧密结合的科学.20世纪后半叶由于电子计算机的发展,既改变了理论物理的工作方式,也扩大了实验的涵义.目前物理学已经成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学.实验提供的条件比自然界出现的更富变化和更灵活可控,而物理理论则给出了对自然界的数学描述.计算物理学是重要的新分支,有自己独特的研究方法.计算机实验可以提供比通常的实验更为变化丰富和灵活控制的条件.不过通常需要用到超级计算机. 物理学中最重大的基本理论有下面5个： ·牛顿力学或经典力学（Mechanics）研究物体的机械运动； ·热力学（Thermodynamics）研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等； ·电磁学（Electromagnetism）研究电、磁以及电磁辐射等等； ·相对论（Relativity）研究高速运动、引力、时间和空间等等； ·量子力学（Quantum mechanics）研究微观世界. 后两个理论主要是在20世纪发展起来的,通常认为是现代物理学的核心.以上理论中没有一个被完全推翻过,也没有一个是永远正确的.例如,牛顿力学在高速情形下,应该用狭义相对论来代替；而对于强引力,它又偏离于广义相对论,但在它的适用范围内仍然是精确的.科学的理论总是要发展的,需要根据新发现的事实进行修正.在教科书中只介绍一种版本的做法很可能导致“理论是唯一的”这样的观念.事实上,理论决不是唯一的.科学理论往往在美学上令人赏心悦目,在数学上优雅而普适,但是仅仅有这些是决不可能流传下来的.理论和思想必须经受实验的检验和验证.物理学中的理论和实验在相互促进和丰富中得到发展. 一个没有思想的实验工作者可以发现无穷无尽的事实,不过毫无用处.理论家如果不受实验检验这一约束也可能产生出极其丰富的思想,不过与大自然毫无关系而已. 通常的科学研究方法是： ·通过观测、实验、计算机模拟得到事实和数据； ·用已知的可用的原理分析这些事实和数据； ·形成假说和理论以解释事实； ·预言新的事实和结果； ·用新的事例修改和更新理论. 上述的后3步都是关于理论的.以上所说的科学研究的步骤是常规的.有时候,有的人可能并不遵循这样的过程.常常直觉（intuition）或者预感（premonition）会起相当的作用.有时候,机遇（运气或偶然）对于成功也会起作用,使你获得一则重要的信息或发现一个特别简单的解.要学会在恰当的时机提出恰当的问题,并找到问题的答案.有时还必须忽略一些“事实”,原因是这些并不是真正的事实或者它们无关紧要、自相矛盾；或者是由于它们掩盖了更重要的事实或考虑它们使问题过于复杂化.据说,有一次有人问爱因斯坦：如果迈克耳孙-莫雷（Michelson-Morley）实验并不导致光速不变你怎么办?他说：他将忽略那些实验结果,他已经得到了结论,光速必须被认为是不变的.关于爱因斯坦1905年提出狭义相对论时是否知道迈克耳孙-莫雷实验,曾发生过长时间的争论.有人认为爱因斯坦在他的著作中没有留下他知道迈克耳孙-莫雷实验的丝毫痕迹,他可能纯粹通过理论推理和他们（迈克耳孙与莫雷）得出了相同的结论.爱因斯坦的首席传记作家培斯（Abraham Pais）筛选了许多历史记载,得出结论说,爱因斯坦确实知道这一实验.新近有一篇爱因斯坦在1922年的演说的英文翻译稿刊登在Physics Today上[8].此文是根据原来的德语演讲的日文记录整理、翻译的[见第九章参考文献（13）].译者让爱因斯坦“本人”表示,他知道这一实验. 在大学物理的学习中,除了学习事实、定律、方程和解题技巧外,还必须努力从整体上掌握物理学.要了解各分支间的相互联系.现代观点认为,应该从整体上逻辑地、协调地来把握物理学.学习中,对于基本物理定律的优美、简洁、和谐以及辉煌应该有所体会,要学会鉴赏其普适程度,了解其适用范围.还要学会区别理论和应用,物理思想和数学工具,一般规律和特殊事实,主要和次要效应,传统的和现代的推理方式等等

把物理学的发展分为若干时期，在每一时期中找出一些具有表征性的特点。这主要是根据物理学发展的内在逻辑分期的，采用这一分期原则既可兼顾到社会生产和社会经济形态的影响，又能揭示出贯穿于物理学发展过程中的内在规律性。 本讲义按照物理学本身发展的规律，结合社会经济各时期的特点，并考虑到不同时期有不同的研究方法，把物理学发展的历史大体分为三个时期。 第一、经验物理的萌芽时期(17世纪以前) 这一时期内我...

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把物理学的发展分为若干时期，在每一时期中找出一些具有表征性的特点。这主要是根据物理学发展的内在逻辑分期的，采用这一分期原则既可兼顾到社会生产和社会经济形态的影响，又能揭示出贯穿于物理学发展过程中的内在规律性。 本讲义按照物理学本身发展的规律，结合社会经济各时期的特点，并考虑到不同时期有不同的研究方法，把物理学发展的历史大体分为三个时期。 第一、经验物理的萌芽时期(17世纪以前) 这一时期内我国和古希腊形成两个东西交相辉映的文化中心。经验科学已从生产劳动中逐渐分化出来，这时的主要方法是直觉观察与哲学的猜测性思辨。与生产活动及人们自身直接感觉有关的天文、力、热、声、光(几何光学)等知识首先得到较多发展。除希腊的静力学外，中国在以上几方面在当时都处于领先地位。 第二、经典物理学的建立和发展时期(17世纪初—19世纪末) 这时资本主义生产促进了技术与科学的发展，形成了比较完整的经典物理学体系。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进物理学中，导致了17世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。经过18世纪的准备，物理学在19世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末以经典力学、热力学和统计物理学、经典电磁场理论为支柱，使经典物理学的发展达到了它的顶峰。 在爱因斯坦的相对论提出后，经典物理的绝对时间和绝对空间被彻底打破，经典宏观物理就进入了宇宙空间阶段。 后来随着量子力学的深入，发现在微观上相对论与量子力学不统一，并有在奇点处失效的缺憾，所以相对论也被列入经典物理学。 经典物理学大师----牛顿 人们普遍认为，牛顿是大科学家，是近代科学的象征。他生前就成为科学界的主宰，几乎被当作偶像崇拜。他作为英国皇家学会连任24年的终身会长，法国科学院至尊的外国院士，还兼任英国造币局局长和国会议员，并前所未有地被封为贵族，获得爵士称号。他死后作为自然科学家又第一个获得国葬，长眠于威斯敏特教堂，还是历代帝王和第一流名人的墓地。 牛顿身后的声望有增无减。他不仅以不朽的著作《自然哲学的数学原理》、《光学》等流传于世，而且由于后继大师们的发展，他的思想观念长期统率着科学战线上的士卒。他在物理、数学研究上的主要成果，至今仍是各国大中学生必修的功课。 不是天生的神童 少年时代的牛顿不像高斯、维纳那样，从小就显露出引人注目的科学天才；也不像莫扎特那样表现了令人惊叹的艺术禀赋。他跟普通人一样，轻松愉快地度过了中学时代。如果说牛顿和别的孩子有什么不同的话，那就是他的动手能力相当强。他每做一件东西，总是一声不吭地埋头苦干。如果做得不合适就拆了重做，绝不马虎。他做过会活动的水车；做过能测出准确时间的水钟；还做过一种水车风车联动装置，使风车可以在无风时借助水力驱动。 1658年9月3日，一场罕见的暴风雨侵袭英格兰。狂风怒吼，牛顿家的房子直晃悠，就像要倒了似的。牛顿为大自然的威力迷住了，不禁想测验飓风的力量。他冒着狂风暴雨来到后院，一会儿逆风跑，一会儿顺风跳。为了接受更多的风力，他索性敞开斗篷向上跳跃，认准起落点，仔细量距离，看狂风把他吹出多远。 1661年，18岁的牛顿从中学毕业后考上了剑桥大学。这是英国最古老的大学之一，是全国青年学生向往的最高学府。尽管牛顿在中学里是个优等生，可是剑桥大学集中了各地的尖子学生，他的学习成绩赶不上别人，特别是数学的差距更大。牛顿并不气馁，就像他少年时代喜欢思考问题一样，踏踏实实地学习，直到透彻地理解为止。他在大学的头两年里，除了学习算术、代数、三角以外，还认真学习了欧几里得《几何原本》，弥补了过去的不足。他又钻研笛卡儿的《几何学》，熟练地掌握了坐标法。这些数学知识，为牛顿后来的科学研究打下了坚实的基础。 科学史上的奇迹 1665年，牛顿22岁，他从剑桥大学毕业了。在两年的乡居期间，发明了微积分，发现了白光的组成，并且开始研究引力问题。 1666年1月，有一天牛顿请母亲和弟妹到自己房间里来。房间里黑洞洞的，只从窗子的一个小孔中透过一线阳光，在墙上照出一个白色的光点。牛顿让他们注意看墙上的光点。他手里拿着自制的三棱镜，放在光线入口处，使光折射到对面墙上，光点附近突然映出一条瑰丽的彩带。这条彩带同雨后晴空中出现的彩虹一样，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色组成。牛顿和自己的亲人共同观赏了人工复现的自然景象。后来，牛顿又用第二个三棱镜把七种单色光合成白光。他用白光分解实验宣告了光谱学的诞生。 牛顿在探索光色之谜的同时，还在探索引力之谜。 1666年秋天的一个下午，牛顿长时间埋头工作以后有些疲倦，就到后院去散步。他信步走到苹果树下，坐在长凳上观赏田野秋色。他不由得又想起了引力之谜，思维翻腾起来。 突然，一个苹果从树上掉了下来。熟了的苹果为什么会向下掉？地球在吸引它？对，是地球的吸引！苹果熟了向下掉，扔到空中的石头也要向下掉，都是因为地球在吸引它们。地面上的东西都要受到地球的吸引。月亮所以会绕着地球转，也是因为地球在吸引着它。想着想着，牛顿的眼里闪出奇异的光芒，他长时期来想了又想的问题，终于找到了解决的线索。 24的牛顿发现了天地万物间都存在着引力，这种引力同距离的平方成反比，即所谓引力的平方反比定律。十多年以后，牛顿出色地证明了这个定律是完全正确的。 构成了宏伟壮丽的力学大厦 1684年1月，在伦敦皇家学会的一个房间里，哈雷、胡克和瑞恩在讨论有关作用于太阳和行星之间的引力问题。这三个科学家虽然都认识到了引力同距离的平方成反比，但是由于他们数学分析能力不足，无法证明这点。他们反复研究了几个月，始终琢磨不透。 哈雷想到了以刻苦钻研著称的牛顿。1684年8月，哈雷从伦敦来到剑桥大学向牛顿请教。当时，牛顿已经完成从开普勒定律到万有引力的论证。 哈雷深刻认识到牛顿这份计算的重要性，恳请牛顿发表他的著作。牛顿被说服了，开始动手写作划时代的巨著《自然哲学的数学原理》。这部巨著从内容、结构到数学方法的选用方面都遇到极大的困难。 牛顿以他非同寻常的才智，牺牲休息时间，放弃娱乐活动，夜以继日、如痴如狂地进行写作，终于大功告成。1686年4月完成第一编，第二、三编直到第二年春天才脱稿。全书于1687年仲夏出版，受到学术界的赞颂，很快销售一空。 牛顿在《原理》这部巨著里，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把力学确立为完整、严密、系统的学科。他在概括和总结前人研究成果的基础上，通过自己的观察和实验，提出了“运动三定律”。这三条定律和万有引力定律共同构成了宏伟壮丽的力学大厦的主要支柱。这座力学大厦是近代天文学和力学发展的基地，是机械、建筑等工程技术发展的基地，也是机械唯物论统治自然科学领域的基地。

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