对物理学历史的透视.doc

发信人: lightsun (永恒的追求), 信区: science
标题: 对物理学历史的透视
发信站: 一塌糊涂 BBS (Sun Feb 16 16:05:59 2003), 本站()
冯端

对学科的发展进行历史透视有助于了解其现状,展望其未来。物理学的历史很长,不能样样都讲到,仅从牛顿开始,牛顿以前的很多先驱性的工作只好从略了。
20世纪前物理学的三大综合
17世纪至19世纪,物理学经历了三次大的综合。牛顿力学体系的建立标志着物理学的首次综合,第二次综合是麦克斯韦的电磁理论的建立,第三次则是以热力学两大定律确立并发展出相应的统计理论为标志。
第一次综合——牛顿力学
17世纪,牛顿力学构成了完整的体系。可以说,这是物理学第一次伟大的综合。牛顿将天上行星的运动与地球上苹果下坠等现象概括到一个规律里面去了,建立了所谓的经典力学。至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据,那是另一回事,但它说明了人们对于形象思维的偏爱。
牛顿力学的建立
牛顿实际上建立了两个定律,一个是运动定律,一个是万有引力定律。运动定律描述在力作用下物体是怎么运动的;万有引力定理则描述物体之间的基本相互作用力。牛顿将两个定律结合起来运用,因为行星的运动或者地球上的抛物体运动都受到万有引力的影响。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时,也发展了数学,成为微积分的发明人。他用微积分、微分方程来解决力学问题。
由运动定律建立的运动方程,可以用数学方法把它具体解出来,这体现了牛顿力学的威力——能够解决实际问题。比如,如果要计算行星运行的轨道,可以按照牛顿所给出的物理思想和数学方法,求解运动方程就行了。
根据现在轨道上行星的位置,可以倒推千百年前或预计千百年后它们的位置。海王星的发现就充分体现了这一点。当时,人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的预期,问题出在哪里呢?后来发现,在天王星轨道外面还有一颗行星,它对天王星产生影响,导致天王星的轨道偏离了预期的轨道。进而人们用牛顿力学估计出这个行星的位置,并在预计的位置附近发现了这颗行星——海王星。这表明,牛顿定律是很成功的。
按照牛顿定律写出运动方程,若已知初始条件——物体的位置和速度,就可以求出以后任何时刻物体的位置和速度。这一想法经拉普拉斯推广,表述为一种普适的确定论:既然组成世界的全部粒子在某一瞬间各自具有特定的位置与速度,而且都遵从确定的定律,因而随后世界上任何情
况都将毫无例外地完全确定。这就是拉普拉斯确定论。它和宿命论的思想不谋而合,但与我们日常生活的感受不同(日常生活中经常碰到不确定、不可预知的情况)。这个内涵丰富的问题到20世纪才解决。
牛顿力学的新表述
19世纪,经典力学的发展表现为科学家用新的、更简洁的形式重新表述牛顿定律,如拉格朗日方程组、哈密顿方程组等。这些表述形式不一,实质并没有改变。这是19世纪牛顿力学发展的一个方面。另一方面,就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中去,出现了弹性力学、流体力学等。在这一方面,20世纪有更大的发展,特别是流体力学,最终导致航空甚至航天的出现。因此,牛顿定律到现在还是非常重要的,牛顿定律还是大学课程中不可缺少的一个组成部分。当然,其表达方法应随时代发展而有所不同。
牛顿关于力学研究的成果,写在一本叫《自然哲学的数