物理学的成就，物理的分类

物理学的成就

1．物理的分类

通过观察和科学实验，人们首先将自然现象给予分类，大致有机械运动（力学）、热、电、磁、声、光和各种形式的引力等现象；就物理学的研究内容来看，则大致有运动学和动力学、热物理、电磁物理、原子物理、核物理、粒子物理、理论物理等。这样分类，一方面有助于认识客观物理世界，另一方面有利于发现某种现象的实验规律。在对不同现象的规律进行认真研究和总结之后，我们发现：一些不同现象可以结合起来，由一种共同的机理给予解释。

大家肯定都熟悉引力现象，牛顿（1642～1727）思考了这类现象背后的共同规律，提出了万有引力定律。万有引力定律的提出将“天上”物体的运动和地面上物体的运动综合到一起，它们服从同一运动规律。在人们还不知道海王星和冥王星存在之前，天文学家发现天王星的运行规律与当时的理论计算不一致，他们对天王星的运动轨迹进行仔细观测后，依据万有引力定律等物理学定律，在理论上计算出太阳系中有海王星，并根据理论预测发现了海王星。随后天文学家根据同样的理论和现象发现了冥王星。

温度最初仅是一个描述物体冷热程度的物理量，分子的运动碰撞是力学研究的现象。当我们知道物体由分子组成时，力学和热学就综合到一起了。原来，组成物体的分子运动（振动）越剧烈，物体在整体上的表现就是温度越高，也就是触摸物体时感觉较热，反之则感到凉或冷。

再一个典型例子是电、磁、光的综合。做变速运动的带电物体会产生电磁辐射，而光则是发光体中的电子急剧运动产生的电磁辐射，从而我们知道了电、磁、光之间的联系，知道它们是同一事物或同一物理现象表现出来的不同特征，这就是被我们称为电磁场（电磁变换）的物理现象。这种综合过程，在物理学发展中仍在不断地出现。随着时间的推移和研究的不断深入，总会有新的物理现象、新的物理规律被发现，而人们对科学的认识则不断地得到提高和更新。其结果是物理学内容更加丰富，对自然界的认识更加深刻，也就使我们知道了物质运动更深一层的基本形式。

2．牛顿与物理

图1－2　列子

应该看到，物理学的研究，即对自然现象的观测、思考和分析，自古至今人类从来就没有中断过。比如，在两千多年前的《列子·汤问》中（见图1－2），就记录了两个小孩讨论太阳是早晨离我们近些，还是中午离我们近一些的故事。但是，直到17世纪以前，物理学基本上处于一种朴素的观测研究状态，没有形成任何系统的理论。当然，这之中不乏一些在个别领域研究中所取得的伟大成果，如大家所熟悉的古希腊科学家阿基米德（约前287～前212）发现的浮力定律就是一例。1687年，英国物理学家牛顿发表了一部重要著作《自然哲学之数学原理》（见图1－3），物理学开始走上全新阶段。

这里我们先说说所谓数学上的公理化系统。大家在初中阶段都学过欧几里得几何学，在几何学中有定义有公理，公理是不加证明的，由它们可以证明一系列命题，得出一系列结论。牛顿在其著作中建立了物理学中力学理论的公理化系统，整个理论由几个基本实验定律（相当于数学上的公理）和定义的相关物理量出发，推导出一系列的定理和结论，而这些结论又都可以通过实验给予验证。牛顿之后的物理学研究和物理学理论创建，都沿用了这一思想。正是这一思想的建立，大大地促进了物理学的发展。就科学实验来看，古代科学家的实验活动是朴素的、直观的，往往带有盲目性；而今天的科学实验，则几乎全部是在理论指导下，有目标地进行。

图1－3　牛顿著作《自然哲学之数学原理》

自牛顿时代至今，物理学已成为一座内容丰富的知识宝库，甚至给人一种穷一生之努力也难窥全貌的感觉。如果将物理学知识粗略地进行概括性总纲分类，人们通常将其分为两大部分，一是经典物理部分，二是近代物理部分。经典物理部分包括两个方面，一是研究实物运动规律的经典力学，二是研究辐射的经典电磁场理论。经典力学亦称牛顿力学，在创立过程中除牛顿的伟大贡献之外，还有一位代表性人物，就是牛顿的前辈科学家伽利略（1564～1642）。伽利略的贡献在于，在物理学研究中系统地使用了实验手段（大家耳熟能详的比萨斜塔抛体实验就是伽利略的著名实验活动之一），从而确定了物理学是一门实验科学。经典电磁场理论的创立建立在众多物理学家前后承续的工作基础上，集大成者则是英国物理学家麦克斯韦（1831～1879）。

3．相对论力学与量子力学

19世纪末到20世纪初，在对一系列新的物理现象的研究中发现，当一个物体处于高能状态，即高速运动时，经典物理理论不适用了。对像电子一类的微观粒子，即在原子领域，经典物理理论对很多现象也无法解释。经过物理学家的艰苦探索，由爱因斯坦（1879～1955）创立了适用高速运动物体的相对论力学；在玻尔（1885～1962）、德布罗意（1892～1987）、薛定谔（1887～1961，见图1－4）、海森伯格（1907～1976）、狄拉克（1902～1984）等一大批物理学家的努力下，创立了适用于微观领域的量子力学理论。相对论力学和量子力学被合称为近代物理学。

图1－4　薛定锷的“猫”

此外我们要特别说明，物理学这一知识宝库内容十分丰富，而且还在不断发展，上面的介绍是不可能全面反映的。为便于大家阅读本书后面的内容，便于中学同学学习物理，有一个对物理学的整体轮廓，应该是有益的。作者编写这一篇目的正是为此。