简述物理学的发展历史

物理学是研究宇宙中物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而了解这些结构的组成成分及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。

物理学的分支是根据物质存在和运动的不同形式划分的。人们对自然的认识来源于实践，随着实践的拓展和深入，物理学的内容也在拓展和深化。

随着物理学各个分支的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在联系，于是物理学各个分支开始相互渗透。物理学已经逐渐发展成为一个统一的整体，其中所有的科学分支都彼此密切相关。

物理学家试图找到所有物理现象的基本规律，从而统一理解所有物理现象。虽然这种努力逐渐取得了进展，但还远远没有达到这个目标。看来人们对客观世界的探索和研究是永无止境的。

经典力学

经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间的变化称为机械运动。人们在日常生活和学习中首先直接接触到的是宏观的低速机械运动。

自古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观测。16世纪后期，人们对行星围绕太阳的运动进行了细致而精确的观察。17世纪，开普勒从这些观测中总结出行星绕太阳运动的三个经验定律。几乎与此同时，伽利略对落体和抛体进行了实验研究，从而提出了关于机械运动现象的初步理论。

牛顿深入研究了这些经验定律和初步的现象理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观测和牛顿的理论预言了海王星的存在，并在天文观测中发现了海王星。所以牛顿的力学和引力定律被普遍接受。

经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量:一个力学系统在某一时刻的状态，用它的一个质点在这一时刻的空间坐标和动量来表示。对于一个不受外界影响，不影响外界，不包括其他运动形式(如热运动、电磁运动)的力学系统，其总机械能是每个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。

在经典力学中，力学系统的总能量和总动量具有重要意义。物理学的发展表明，任何孤立的物理系统，无论如何变化，总能量和总动量都是不变的。这些守恒性质的应用范围已经远远超出了经典力学的范畴，至今还没有发现它们的局限性。

早在19世纪，经典力学已经成为物理学中一个非常成熟的分支，包含着丰富的内容。比如:质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等等。经典力学的应用范围涉及能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设和安全防护。当然，工程技术问题往往是综合性问题，需要多学科的综合研究才能彻底解决。

振动和波动是机械运动的常见形式。声学是研究这种运动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。人们通过声波传递信息，很多物体不容易被光波和电磁波穿透，但声波可以穿透；频率极低的声波可以传播到大气和海洋中很远的地方，因此可以迅速传递地球上任何地方的地震、火山爆发或核爆炸的信息；高频声波和表面声波已用于固体研究、微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等等。

热学、热力学和经典统计力学

热学是研究热的产生和传导以及物质在热状态下的性质和变化的学科。人们早就有了冷热的概念。热现象的研究逐渐澄清了一些关于热的模糊概念(比如区分温度和热量)，并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。对热现象一般规律的研究叫做热力学。到了19世纪，热力学已经成熟。

物体有内部运动，所以有内能。19世纪的系统实验研究证明，热是物体内部无序运动的表现，叫做内能，以前叫做热能。19世纪中期，焦耳等人通过实验确定了热和功的定量关系，从而确立了热力学第一定律:宏观机械运动的能量和内能可以相互转化。就一个孤立的物理系统而言，无论能量形式如何相互转化，总能量值都是不变的，所以热力学第一定律是能量守恒和转化定律的一种体现。

在卡诺研究成果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。举个例子，如果一个孤立物体的温度因地而异，热量就会从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度相同，也就是热平衡的状态。相反的过程是不可能的，即这个孤立的物体，内部各处温度相同，不可能自动回到各处温度不同的状态。应用熵的概念，我们还可以把热力学第二定律表述为:一个孤立的物理系统的熵不会随着时间的推移而减少，只会增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统处于热平衡状态。

对热现象本质的深入研究导致了统计力学。统计力学应用数学中的统计分析方法来研究大量粒子的平均行为。统计力学是理论物理的一个重要分支，它根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律。

非平衡统计力学所研究的问题是复杂的，直到20世纪中叶才取得很大进展。对于一个包含大量粒子的宏观物理系统，系统处于无序状态的概率超过处于有序状态的概率。孤立的物理系统总是倾向于从更有序的状态到更无序的状态。在热力学中，这对应于熵的增加。

非平衡系统在平衡态附近的主要趋势是向平衡态过渡。平衡态附近主要的非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论也逐渐发展成熟。近20 ~ 30年来，人们对远离平衡态的物理系统如耗散结构进行了广泛的研究，取得了很大的进展，但仍有许多问题有待解决。

在一定时期内，人们对客观世界的认识总是有限的，认识到的只是相对真理，经典力学和建立在经典力学基础上的经典统计力学也是如此。当经典力学应用于原子、分子和宏观物体的微观结构时，其局限性就显露出来，从而发展了量子力学。相应的，经典统计力学也在量子力学的基础上发展成了量子统计力学。

经典电磁学和经典电动力学

经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。人们长期接触电和磁的现象，知道磁棒有北极和南极。18世纪，发现电荷有两种:正电荷和负电荷。电荷和磁极互相排斥，异性相吸。力的方向在电荷或磁极的连线上，力的大小与它们之间距离的平方成反比。在这两点上类似于重力。18年底发现电荷可以流动，这就是电流。但是电和磁之间的联系一直没有被发现。

在19世纪早期，奥斯特发现电流可以偏转一个小磁针。然后安培发现力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直方向都是互相垂直的。不久之后，法拉第发现，当磁棒插入线圈时，线圈中会产生电流。这些实验表明电和磁之间有密切的关系。

电和磁之间的联系被发现后，人们意识到电磁力的本质在某些方面与引力相似，但在另一些方面则不同。为此法拉第引入了电力线的概念，认为电流在导线周围产生磁力线，电荷在各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

现在人们认识到电磁场是物质的一种特殊形式。电荷在其周围产生一个电场，这个电场带着力作用于其他电荷。磁铁和电流在其周围产生一个磁场，这个磁场作用于其他磁铁和内部有电流的物体。电磁场也有能量和动量，是传递电磁力的介质，电磁力渗透整个空间。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，引入了位移电流的概念。这个概念的核心思想是:改变电场可以产生磁场；改变磁场也能产生电场。在此基础上，他提出了一组表达电磁现象基本规律的偏微分方程。这组方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一点后来被赫兹的实验所证实。于是人们意识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是电磁波。

因为电磁场可以带力作用于带电粒子，所以一个运动的带电粒子同时受到电场和磁场的作用力。洛伦兹把电磁场对运动电荷的作用力归结为一个公式，人们称之为洛伦兹力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛仑兹力构成了经典电动力学的基础。

其实发电机无非是利用电动力学的定律将机械能转化为电磁能；电机无非是利用电动力学的定律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电和电灯都是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展有着重要的推动作用，从而对社会产生了普遍而重要的影响。

光学和电磁波

光学研究光的性质及其与物质的各种相互作用。光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是早在认识到光是电磁波之前，人们就对光进行了研究。

17世纪，关于光的本质提出了两种假说:一种假说认为光是由许多粒子组成的；另一种假设认为光是一种波。19世纪，光和波的独特干涉现象被实验确定，后来的实验证明光是电磁波。20世纪初，人们发现光具有粒子的性质。人们深入微观世界后，才意识到光具有波粒二象性。

光可以被物质发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的尺寸远大于光波的波长时，光可视为沿直线的光；但当研究深入到现象的细节，其空间范围几乎与光波波长相同时，就必须考虑光的波动。在研究光与微观粒子的相互作用时，还要考虑光的粒子性。

光学方法是研究天体、微生物、分子和原子结构的一种非常有效的方法。利用光的干涉效应，可以进行非常精确的测量。物质发出的光携带着物质内部结构的重要信息，比如原子发出的光谱就与原子结构密切相关。

近年来，受激辐射机制产生的激光可以达到很高的功率，光束的张角很小，其电场强度甚至可以超过原子。激光的使用开辟了非线性光学等重要研究方向，激光在工业技术和医学上有许多重要应用。

目前人工方法产生的电磁波波长已经达到长几公里，短不到百分之一厘米，覆盖近20个数量级。电磁波因其速度快、频带宽而成为传递信息的强有力工具。

在经典电磁学的建立和发展过程中，形成了电磁场的概念。在随后的物理学发展中，场成为了一个非常基本和普遍的概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范畴，成为物质的一种基本的、普遍的存在形式。

狭义相对论和相对论力学

在经典力学取得巨大成功之后，人们习惯于把一切现象都归结于机械运动。电磁场概念提出后，人们假设有一种叫做“以太”的介质，它渗透整个宇宙和所有物体，绝对不动，没有质量，对物体的运动不产生任何阻力，不受引力的影响。Tai可以看作是绝对静止的参照系，所以相对于以太匀速运动的参照系都是惯性参照系。