物理学的发展

第四章 物理学的发展 第四章第四章 物理学的发展物理学的发展 物理学是研究物质基本结构和物质运动的最一般规律的科学 是其它科学和 技术的基础和发源地 一方面 它推动着人们的认识观念与思维方式的变革与发 展 另一方面 又通过技术转化为直接生产力 为社会和经济服务 同时 物理 学也是一门不断发展的科学 向着物质世界的深度和广度不断前进 原始的自然观和物理学的起源与发展在第二章中已经谈到一些 本章叙述的 主要是经典物理学至现代物理学的发展和相关内容 经典物理学是指 19 世纪末以 前的物理学部分 包括经典力学 热力学 统计物理学 经典电磁学等 现代物 理学是指 20 世纪初发展起来的物理学部分 包括量子力学 相对论 原子核物理 粒子物理学等内容 4 1 经典物理学的诞生与发展 从 16 世纪到 18 世纪 大约有 300 年的时间 是近代自然科学形成和发展时 期 这一时期 在资产阶级民主革命和资本主义生产发展的推动下 自然科学摆 脱了宗教神学的束缚和坚持对自然界进行精密的观察和实验的研究 以前所未有 的速度发展起来 第谷 开普勒 伽利略 笛卡尔 牛顿等科学家都为新时代科 学思想的建立作出了贡献 其中最杰出的成就是牛顿创立了经典力学体系 实现 了以力学为中心的科学知识的第一次大综合 4 1 1 经典力学体系的建立 丹麦天文学家第谷 布拉赫 T Brahe 1546 1601 年 以毕生精力进行观测 获得了大量数据资料 为开普勒 J Kepler 1571 1630 年 行星运动三定律的 108 第四章 物理学的发展 109 研究作了充分准备 与此同时 以伽利略 G Galileo 1564 1642 年 为代表的物 理学家对力学开展了广泛研究 得到了自由落体定律 伽利略的两部著作 关于 托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 和 关于力学和局部运动的两门新科学的 对话和数学证明 通常简称为 两门新科学 所谓两门新科学是指材料力学和 运动力学 为力学的发展奠定了思想基础 随后 牛顿 I Newton 1642 1727 年 在总结伽利略和开普勒等人研究成果的基础上 进行分析综合 建立了牛顿 力学三定律和万有引力定律 牛顿力学经过伯努利 D Bernoulli 1700 1782 年 拉格朗日 J L Lagrange 1736 1813 年 达朗贝尔 Jean le Rond d Alembert 1717 1783 年 等人的推广完善 形成了系统的理论 并发展出了流体力学 弹 性力学和分析力学等分支 到了 18 世纪 经典力学已经发展成为自然科学中的主 导和领先学科 一 伽利略对经典力学的贡献 意大利科学家伽利略 1564 年 2 月 15 日出生于意大利的比萨 1581 年进入比 萨大学学习医学 不久就对数学着迷 他执意不肯学医 未取得学位就于 1585 年离开了比萨大学 伽利略倾心研究欧几里得几何学和阿基米德的物理学 伽利略先后在比萨大 学 帕多瓦大学担任教授工作 1610 年回到了佛罗伦萨 继续从事他的物理学和 天文学的研究 因为赞同和传播哥白尼的日心说受到教会迫害 转而专心研究力 学 写出了 关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明 通常简称为 两门新科学 对惯性定理作出了更明确的说明 提出了自由落体定律 相对 性原理 加速度的概念和 运动量 的概念 动量概念的雏形 伽利略认为 匀 速运动是指运动质点在任何相等的时间间隔里经过的距离相等 匀加速运动是 指运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量 这是伽利略对亚里士多德 运动观念的重大改革 更重要的是 伽利略的这些成就不单是靠思辨和逻辑推理 得出的 而是以大量的 斜面实验 的结果为基础的 其中对自由落体和抛物线 运动规律的研究是他最富有创造性的成果 在 16 世纪以前 亚里士多德运动观一直占统治地位 亚里士多德认为 即物 体运动的有无和快慢与它是否受到力的作用和力作用的大小有关 体积相等的物 体下落的快慢与它们的重量成正比 即较重的下落快 较轻的下落慢 即物 体运动的有无和快慢与它是否受到力的作用和力作用的大小有关 体积相等的物 体下落的快慢与它们的重量成正比 即较重的下落快 较轻的下落慢 这种观点 是错误的 但它比较符合人们的常识 再加上被宗教利用 在当时被人们敬为圣 贤之言 不可触犯 对这一错误观点发起冲击的是伽利略 伽利略用逻辑推理的方法进行论证分析 发现了亚里士多德自由落体观点中 的逻辑矛盾 他设想把一个重物和一个轻物捆在一起下落 会发生什么情况 若 第四章 物理学的发展 110 按照亚里士多德的观点 一方面 它们的重量是两个物体重量之和 也就是说两 物体捆在一起应比重物单独下落的速度快 但另一方面 两个不同下落速度的物 体捆在一起 下落快的重物必然被下落慢的轻物拖住而减慢下落速度 同时 轻 的物体也会被快的重物所带动下落速度有所增加 这样 捆在一起的两个物体最 终以相同速度下落 这个速度比原来重物单独下落的速度慢 比轻物单独下落的 速度快 根据亚里士多德的观点推出两个不同的结论 伽利略对亚里士多德的观 点提出疑问 他认为解决这一逻辑矛盾的唯一途径是 下落速度与重量无关 伽 利略并未满足于逻辑推理 而是通过实验寻求根据 他从单摆运动的研究中得到 启发 设计了著名的 斜面实验 一个小球沿斜面下滑 可以看成 冲淡重力 的条件下的落体实验 物体在垂直地自由下落时 由于地球引力较强 降落速度 很快 很难精确测定不同重量物体降落过程 但在斜面上 引起物体下落的只是 重力沿斜面的分力 而易于观测 伽利略反复进行实验 终于得到了自由落体是 匀加速运动 其下落的速度和时间同物体的轻重无关 自由落体是 匀加速运动 其下落的速度和时间同物体的轻重无关的结论 在此有必要说一点 伽利略并没有直接观察自由落体运动状况 因为自由落 体加速度太大 而当时的记时装置还未出现 时间无法测量 想一想 伽利略发 现摆的运动的等时性时 是用自己的脉搏记时 就可以明白当时科学仪器的缺乏 斜面可以使物体下落的加速度减小 因而可以对其进行观测 在此基础上 伽利 略最终用 理想实验 由斜面的情形推到了自由落体和水平运动的情形 传说伽 利略曾进行所谓的比斜塔自由落体实验是缺乏事实根据的 伽利略在发现自由落体定律的基础上 进一步进行分析和实验 又发现了 惯 性原理 即物体在没有外力作用的情况下 不仅有保持其静止状态不变的特 性 而且还有保持其匀速直线运动的特性 即物体在没有外力作用的情况下 不仅有保持其静止状态不变的特 性 而且还有保持其匀速直线运动的特性 尽管伽利略为经典力学体系的建立作出了贡献 但他为避免教会的进一步干 涉和迫害 当时只说这些力学原理适用于地上的物体 而不提它是否适用于行星 等天体的问题 除了力学上的贡献 伽利略还有许多发现和发明 例如 他发现了摆的等时 性原理 创制了天文望远镜 观察到许多重要天文现象 被称为 天空的哥伦布 根据物质热胀冷缩的道理 发明了一种湿度指示器 根据浮力原理 发明了一种 流体静力学天平 被称为 当代的阿基米德 他试图用实验方法测定光速 虽未 成功 但毕竟是科学史上测定光速的先驱者 在科学研究方法上 伽利略作为实验物理学的先驱 他把实验方法 分析方 法和数学方法综合地运用于力学研究 为近代自然科学开创了一个新时期 他把实验方法 分析方 法和数学方法综合地运用于力学研究 为近代自然科学开创了一个新时期 爱因 斯坦评论说 伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法 是人类思想史上最伟 第四章 物理学的发展 大的成就之一 标志着物理学的真正开端 二 开普勒对经典力学的贡献 德国天文学家开普勒 J Kepler 1571 1630 年 生于德国南部瓦尔城 开普 勒 5 岁时得过天花 致使手眼留下残疾 为了找到一份合适的工作 开普勒进入 杜宾根大学学习神学 求学期间 他显示了出众的数学才华 开普勒从他的老师 杜宾根大学的天文教授米切尔 麦斯特林 1550 1631 年 那里得知了哥白 尼的日心说 并成为哥白尼的拥护者 大学毕业后 开普勒到了奥地利 由麦斯 特林推荐到格拉茨大学当了一名天文学讲师 开普勒对数学的爱好 对自然界数 的和谐的神秘感受 始终支配着他对天空奥秘的探索活动 在奥地利期间 开普 勒致力于探测六大行星的轨道大小之间的数学关系 并于 1596 年发表 宇宙的奥 秘 一书 以 太阳磁力说 解释行星运动的原因 开普勒的才能受到第谷的赏识 1600 年 开普勒来到布拉格担任第谷的助手 继续他的天文学研究 在第谷的精确观测所获得资料的基础上 经过多年深入思 考和紧张艰苦的工作 他提出了行星运动的三条定律 第一定律 轨道定律轨道定律 行星沿椭圆轨道绕日运行 太阳位于椭圆的一个焦 点上 第二定律 等面积定律等面积定律 在相等时间间隔内 行星和太阳的连线 向径 所扫过椭圆的面积相等 即行星的运动不是匀速的 离太阳越近则速度越快 第三定律 周期定律周期定律 行星绕日公转周期的平方 与行星各自离太阳平均 距离的立方成正比 即 2 3 T R K K 为比例常数 开普勒的行星运动三定律抛弃了行星沿圆形轨道作匀速运动的传统观念 使 行星运动的不均匀性得到自然合理的说明 从而简化了哥白尼体系 使日心说真 正体现出宇宙结构的简单性和完美性 爱因斯坦曾说 开普勒的惊人成就 是证实下面这条真理的一个特别美妙的 例子 这条真理是 知识不能单从经验中得出 而只能从理智的发明同观察到的 事实两者的比较中得出 三定律描述了行星的运动过程 而未解释行星为什么这样运动 换句话说 开普勒只是解决了天体运动学方面的问题 没有解决天体动力学方面的问题 他 认为支配行星运动的这个统一的力量来自太阳 而他发现的这些运动定律 只是 更普遍的物质运动规律的结果 但是他未能解决这个问题 他认为引力与磁力相 类似 并且断言引力作用随着距离的增加而减少 这说明开普勒已经窥见到万有 引力了 他所发现的行星运动定律 已经在敲着万有引力定律的大门 为后人解 111 第四章 物理学的发展 112 决这个问题准备了前提条件 三 牛顿的综合与经典力学体系的建立 英国物理学家 数学家牛顿 I Newton 1642 1727 年 在物理学 数学 天文学 几何光学等方面都取得了卓越的成就 其中最重要的贡献是为力学建立 了一套基本的概念 提出了万有引力定律和力学运动三定律 从而使经典力学成 为一个完整的理论体系 牛顿出生在英国林肯郡伍尔索普的一个乡村 12 岁时被送进格兰瑟姆的文科 中学念书 1661 年 6 月 牛顿以减费生的身份进入剑桥大学三一学院深造 结识 了著名第一任卢卡斯教授数学家巴罗 I Barrow 1630 1677 年 巴罗是一位知 识渊博 品德高尚的学者 正是在他指导下牛顿踏进了科学的大门 期间牛顿阅 读了开普勒的 光学 笛卡尔的 几何学 和 哲学原理 伽利略的 关于两 大世界体系的对话 以及胡克的 显微图 等书籍 基本上掌握了当时的全部数 学和光学知识 1665 年初 牛顿大学毕业获得文学学士学位 1665 到 1666 年的两年中 是牛顿创造发明的最为旺盛时期 在数学上他发 明了级数近似法和微积分 他提出了颜色理论 从开普勒的第三定律推出行星维 持轨道运行所需要的力与它们旋转中心的距离成平方反比的关系 1667 年 牛顿 回到剑桥 当选为剑桥大学三一学院的研究员 1669 年 在巴罗的举荐下 27 岁的牛顿当上了剑桥大学的卢卡斯数学教授 当时 自行星运动的正圆轨道学说被打破以后 不少天文学家开始探讨行星 为什么总是绕太阳作封闭曲线运动 而不是作直线运动远离太阳 伽利略认识到 力只是改变运动的原因而不是保持运动的原因 但他只把这一点限制在地面 对 天体运动他还是相信沿圆周作匀速运动的 圆惯性 观念 1684 年 1 月 英国物 理学家胡克 R Hooke 1635 1703 年 声称自己发现了天体与距离平方反比的 力作用下的轨道运行规律 但他不能给出明确的数学证明 皇家学会决定悬赏征 解 1684 年 11 月 牛顿写出了 论运动 手稿 就行星运动轨道与距离平方反 比的作用力之间的关系作了透彻的数学证明 事实上 从开普勒第三定律和向心 力公式 很容易得到这一结论 此后 牛顿开始全身心投入动力学的研究之中 花了不到 18 个月的时间 于 1686 年写成了他的力学巨著 自然哲学的数学原理 由于当时皇家学会资金不 足 不能资助出版该书 英国天文学家 牛顿的好朋友哈雷便决定自己出资出版 这部著作 在出版过程中 胡克声称自己是平方反比定律的第一位发现者 而且 牛顿的一系列研究工作都是由他发起的 于是 牛顿在书中插入了一个声明 说 胡克也是平方反比定律的独立发现者 这样 原理 一书于 1687 年 7 月以拉丁 第四章 物理学的发展 文出版问世 原理 共分三篇 之前是导论部分 包括 物质的量 运动的量 固 有的力 外加的力 以及 向心力 和绝对时间 绝对空间 绝对运动和绝对 静止的的概念 提出了著名的运动三定律 以及力的合成和分解法则 运动迭加 性原理 动量守恒原理 伽利略相对性原理等 第一篇运用前面确立的基本定律 研究引力问题 第二篇讨论物体在介质中的运动 第三篇论宇宙体系 是牛顿在 天文学中的具体应用 其中贯穿全书 最核心的内容是力学三定律和万有引力定 律 1 万有引力定律 1 万有引力定律 如果说开普勒为发现万有引力定律提供了运动学的前提条件 那么伽利略就 为发现万有引力定律提供了动力学的前提条件 将这两位巨人比较一下 那是很 有意思的 开普勒在天体运动学方面否定了亚里士多德 托勒密 甚至哥白尼的 圆形轨道的见解 但在力学方面却仍然沿袭亚里士多德的观点 认为物体运动需 要不断施加推动力才能保持 伽利略用实验和数学相结合的科学方法 研究了地 球上物体运动的规律 推翻了亚里士多德的旧力学见解 发现了自由落体定律 惯性原理和抛射体运动的理论 奠定了动力学的基础 但在天体运动学方面却仍 然坚持天体必然沿圆周作匀速运动的 圆惯性 观念 开普勒和伽利略是互相通 讯的朋友 他们共同捍卫并发展了哥白尼学说 但是他们互不理会对方的科学成 就 没有把这两方面的突破结合起来进行综合分析研究 因而未能导致更大的突 破 为万有引力定律的诞生作出基础性工作的另一位科学巨人是荷兰著名的物理 学家惠更斯 C Huygens 1629 1695 年 他在摆钟研究中发现了物体作圆周运动 时的向心加速度公式 R V a 2 和离心力公式 F 2 T R 这是发现万有引力定 律的又一个前提条件 只要把这两个公式同开普勒第三定律联系起来 进行简单 的代数推导 便能得到引力的平方反比定律 掌握打开万有引力定律大门的钥匙 可是惠更斯没有这样做 关于引力问题 当时许多科学家都在研究 象英国的科学家胡克 哈雷 E Halley 1656 1742 年 和雷恩 C Wren 1632 1723 年 等都为此作出了 贡献 到 1679 年 他们都得出了引力的平方反比定律 但他们都没能证明其逆命 题 在平方反比于距离的力的作用下 行星必然做椭圆运动 只有牛顿给出了这 一数学证明 从胡克和牛顿来往的信件中 可以看出是胡克向牛顿介绍了一种分 析曲线轨道运动的新方法 即惯性分量和向心分量互相匹配 用向心力概念取代 113 第四章 物理学的发展 旧的离心概念 胡克还向牛顿提出 行星的运动是由一个依切线的直线运动与一 个向着中心物体的吸引运动所合成 而把这个行星吸向太阳的向心力与二者间距 离的平方成反比 到了这一步胡克不能再往前进行了 原因是缺乏数学功底 牛 顿深谙数学语言 具有非常深厚的数学功力 这正是哈雷 惠更斯 胡克等人所 缺少的 有的科学史家认为 在数学才能方面 胡克不如牛顿 但是在基本物理 观念方面 胡克应该享有在引力平方反比定律和万有引力定律上首创的荣誉 由此可见 万有引力定律的发现 是有其深厚的历史基础的 不过 那些成 果大多是孤立的 分散的 而且在逻辑上也各自独立 是牛顿将前人和同代人的 成果加以创造性的综合和发展 建立起经典力学的辉煌大厦 1666 年牛顿将惠更斯向心加速度公式用于开普勒第三定律 推导出了引力与 距离平方成反比的引力定律的公式 即 2 r mM GF 其中 m 和 M 分别是两物体的质量 r 是两物体质心的距离 G 为引力常数 后来牛顿又以引力定律为基础 从数学上反推出开普勒第三定律 给它增加 了修正项 使其更加精确 并从物理学上正确回答了行星沿椭圆轨道运动的动力 学原因 此外 他还从中解释了岁差现象 潮汐现象等 2 物体运动三定律 2 物体运动三定律 牛顿根据前人的研究成果和自己的实验 系统总结了三条基本的运动定律 第一运动定律 惯性定律惯性定律 每一个物体都始终维持在静止或匀速直线运动 的状态 只有受了外加的力 才被迫改变其状态 第二运动定律 加速度定律加速度定律 运动的改变和所加的力成正比 并且发生在 所加的力的直线方向 也就是说 在质量一定时 外加力与加速度成正比 即 如果外力一定 物体质量又与运动状态改变的程度即加速度成反比 maF a F m 质量是物质惯性的量度 第三运动定律 作用力和反作用力定律作用力和反作用力定律 每一个作用总是有一个相等的反 作用和它相对抗 或者说 两物体彼此之间的相互作用永远相等 并且各自指向 对方 牛顿第一运动定律是继承和发展了伽利略 笛卡尔的工作 伽利略根据斜面 实验发现了水平方向惯性运动 但是他对惯性概念的理解还存在着问题 笛卡尔 纠正了伽利略的 圆惯性 概念 最后由牛顿使之完善 成为动力学的基石之一 牛顿第二运动定律也是继承和发展了伽利略的工作 伽利略发现了加速度概 114 第四章 物理学的发展 念 并把它同作用力联系起来 但是未能进一步弄清楚力和加速度的关系 牛顿 在研究万有引力定律的过程中 解决了这个问题 引进了质量的概念 作用力和反作用力定律是由英国瓦里斯 J Wallis 1616 1703 年 雷恩 惠更斯等人发现的 并在皇家学会用实验分别做过证明 牛顿的贡献是作了进一 步的概括 并把上述三条运动基本定律联结为一个整体 作为动力学的基石 建 立了经典力学的理论体系 4 1 2 热力学与统计物理学的诞生 19 世纪 物理学取得了全面发展 最具突破性的成就是热力学与统计物理 学的诞生和经典电磁学的创立 它揭示了物理世界各种运动形式的内在联系和 统一性 物理学的这些成就使人们认识到科学在社会生活中的重要价值 也把 人们对自然界的认识水平提高到一个新的高度 为 19 世纪末 20 世纪初的物理 学革命做了准备 热力学与统计物理学的任务是研究热运动的规律及热运动对物质宏观性 质的影响 热力学是研究热运动的宏观理论 通过对热现象的观测 实验和分 析 人们总结出热现象的基本规律 即热力学第一定律 第二定律和第三定律 统计物理学是热运动的微观理论 认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的 集体表现 宏观物理量是微观量统计平均值 统计物理学也有其局限性 由于 统计物理学对物质的微观结构所作的往往只是简化的模型假设 所得的理论结 果也往往是近似的 随着物质结构认识的深入和理论方法的发展 统计物理学 的理论结果也将更加接近于实际 一 能量守恒与转化定律的前期探索 1644 年 法国哲学家和数学家笛卡尔 R Descartes 1596 1650 年 在出版 的 哲学原理 一书中提出了运动不灭的思想 指出宇宙中的运动量的总和是守 恒的 并主张物体的质量 速度 即 m 应当作为运动的量度 笛卡尔在这 里将力与动量的概念混淆了 牛顿支持笛卡尔的观点 并在 自然哲学的数学原 理 一书中完善了动量的概念 给出明确的定义 1669 年 荷兰物理学家惠更斯大大推进了笛卡尔的观点 他在 论碰撞作用 下的物体的运动 一文中 证明了完全弹性碰撞中的动量守恒 到了 17 世纪 70 年代 德国数学家和哲学家莱布尼茨对笛卡尔学派的观点提 出了批评 提出宇宙间的 活力 即动能的两倍 的总和是守恒的 运动的量度应表示为 莱布尼茨的观点受到瑞士科学家约翰 伯努利 2 m 2 m 115 第四章 物理学的发展 116 J Bernoulli 1667 1748 年 和丹尼尔 伯努利 D Bernoulli 1700 1782 年 等人的支持 笛卡尔的 动量 学派和莱布尼茨的 活力 学派的争论持续了半 个多世纪 随着电磁学的基本规律的发现 人们开始注意认识电与磁 电与热 电与化 学等方面的关系 1774 年 法国化学家拉瓦锡 A L Lavoisier 1743 1794 年 通过煅烧金属 的实验 确认煅烧前后金属及容器的总重量不变 用实验证明了质量守恒定律 19 世纪初 蒸汽机尽管已获得广泛应用 但当时蒸汽机的效率却很低 不足 5 进一步提高蒸汽机的效率是社会生产的迫切需要 许多科学家和工程师对此 进行了广泛的研究 丹麦工程师和物理学家柯尔丁 L Colding 1815 1888 年 通过摩擦生热 实验 对热 功之间的关系作过研究 于 1843 年向哥本哈根科学院提交了关于 热功当量的实验报告 俄国的赫斯 G H Hess 1802 1850 年 从化学的研究得到 了能量转化与守恒的思想 1840 年 赫斯在一次科学院演讲中指出 当组成任 何一种化学化合物时 往往会同时放出热量 这热量不取决于化合是直接进香还 是经过几道反应间接进行 赫斯的这一发现第一次反映了热力学第一定律的基 本原理 英国律师格罗夫 W R Grove 1811 1896 年 他在 1842 年的一篇著名 的讲演 自然界的各种力之间的相互关系 中 提到一切物理力以及化学力在一 定条件下将相互转化 到 19 世纪 30 年代 人们已经揭示了机械 热 电 磁 光 化学等各种运 动形式之间的相互联系和相互转化的奥秘 为能量转化与守恒定律的发现奠定了 基础 对热力学的建立作出突出贡献的是法国年轻的工程师卡诺 N L S Carnot 1796 1832 年 卡诺自幼对数学 物理学等方面的知识感兴趣 1812 年 卡诺 以允许入学的最小年龄考入巴黎法国当时最著名的高等工科学校 多科综艺 学院 毕业后进入工兵学校学习军事工程 1820 年 开始专心于科学研究 在 1830 年提出了功热相当的思想 并指出 热不是别的什么东西 而是动力 或 者可以说 它是改变了形式的运动 在自然界中存在的动力 在量上是不变的 准确地说 它既不会创生也不会消灭 实际上它只改变了它的形式 由于卡诺 过早地去世 卡诺的手稿直到 1878 年才公开发表 卡诺提出的 卡诺定理 成 为热力学第一定律 第二定律的基础 二 能量守恒与转化定律发现 能量守恒与转化定律的发现是牛顿建立力学体系以来物理学取得的最大成 第四章 物理学的发展 117 就 它是在 19 世纪 30 40 年代间 在五个国家 由六 七种不同职业的十几位 科学家 分别从不同的侧面各自独立地提出的 其中德国的迈尔 J R Mayer 1814 1878 年 和亥姆霍茨 H Helmholtz 1821 1894 年 英国的焦耳 J P joule 1818 1889 年 是作出主要贡献的三位科学家 迈尔虽然是一名医生 但对物理学很感兴趣 善于对各种物理现象进行探讨 1839 年 迈尔作为东印度轮船公司的随船医生 乘船到荷兰去印尼的爪哇岛 在 船上发现船员的静脉血比在欧洲时红 他把这归因于人体在热带维持体温所需要 的新陈代谢的速率比欧洲低 在动脉血中所消耗的氧也就较少 由此他进一步认 识到 体力和体热都必定来源于食物中所含的化学能 如果动物体内的能的输入 同支出是平衡的 那么 所有这些形式的能在量上就必定守恒 1842 年迈尔将自 己的发现写成论文 论无机界的力 以比较抽象的推理方法提出了能量守 恒与转化原理 迈尔首次提出了热功当量的概念 并根据定压比例和定容比热的 差值从理论上推算出热功当量为 367kg m kcal 由于缺乏充足的实验依据 迈尔 的论文发表后 未能引起重视 为此 迈尔又接连写了几篇文章 继续阐述他的 能量守恒与转化原理 在 1845 年出版的著作 与新陈代谢联系着的有机运动 将转化与守恒关系从机械能 热能推广到电磁能 化学能和生物能 并提出了 能 量无中不能生有 有不能变无 的观点 可是在后来的 20 多年中 他的思想依 然得不到人们的理解 再加上其他方面的打击 于 1849 年跳楼自杀未遂 饱受 尽病痛的折磨 迈尔是公认的最早发现普遍的能量转化与守恒定律的人 1871 年 迈尔被英国皇家学会授予科普利奖 与迈尔几乎同时提出能量守恒与转化原理的还有英国科学家焦耳 焦耳生于 英国曼彻斯特市近郊 幼年时因身体不好 一心在家里念书 父亲支持他搞科学 研究 在家里为他搞了一个实验室 因而焦耳从小就对实验着迷 16 岁到著名化 学家道尔顿 J Dalton 1766 1844 年 那里学习 使焦尔对科学发生了浓厚兴趣 这段经历对焦尔后来的科学生涯起了关键作用 1840 年 焦耳通过大量的实验 测量电流流过电阻线所放出的热量 得到了 焦耳定律 导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比 与电流强度的平 方成正比 导体在单位时间内放出的热量与电路的电阻成正比 与电流强度的平 方成正比 焦耳给出了电能向热能转化的定量关系 为发现能量守恒与转化定律 打下了基础 后来 焦耳通过电与热 电与机械运动 热与机械运动的转化的实验 得到 比较准确的热功当量 在 1843 年首次发表了他的实验结果 以后 30 多年他一直 从事此项测定 先后做实验四百余次 采用原理不同的各种实验方法 不仅确定 了电和热转化的焦耳 楞次定律 而且给出了比较精确的热功当量值 使能量 第四章 物理学的发展 转化与守恒定律确立在牢固的实验基础之上 当时 焦耳的工作并没有引起应有 的注意 皇家学会拒绝发表他早期的两篇论文 他的关于热功当量测定的论文只 得在一家报纸上发表 1847 年 在英国科学促进会年会上 焦耳希望报告他做的 热功当量实验 会议主席只允许他作简单的口头描述 听众中有一位青年人对报 告进行了高度评价 并以他雄辩的口才引起了与会者对焦耳报告的注意和兴趣 这位青年人就是 23 岁的开尔文 L kelvin 原名威廉 汤姆逊 W L Thomson 1824 1907 年 后来成为英国著名的物理学家 大约到了 1850 年 以焦耳实验为基础的能量守恒和转化原理逐渐得到公众 的认同 其内容是 自然界一切物质都具有能量 能量有各种不同的形式 可以 从一种形式转换为另一种形式 从一个物体传递给另一个物体 在转换过程中 各种形式的能量的总和不变 自然界一切物质都具有能量 能量有各种不同的形式 可以 从一种形式转换为另一种形式 从一个物体传递给另一个物体 在转换过程中 各种形式的能量的总和不变 这条定律生动地证明了自然界物质运动变化发展的 客观性 守恒性 多样性和统一性 在能量守恒和转化定律的发展过程中 特别是在争取得到公众的认同方面 德国物理学家亥姆霍茨作出了重要贡献 亥姆霍茨早年在数学上有过良好的训 练 又非常熟悉力学 读过牛顿 达朗贝尔 拉格朗日等人的著作 是康德哲学 的拥护者 1847 年 26 岁的亥姆霍茨在柏林物理学会议上 发表了自己的论文 论力的守恒 他根据机械能守恒定律 系统严密论证了宇宙总能量守恒 的原理 他从ghv2 推导出 2 2 1 mvmgh 并建议用 2 2 1 mv作为运动的量度 亥姆霍茨的这篇报告并没有得到会议的认可 认为是胡思乱想 无奈之下 亥姆 霍茨自费出版了小册子 亥姆霍茨在他的这篇论文中 具体阐述了热 功 化学能 电磁能 光能 机械能之间的相互转化与守恒规律 并建立了能量守恒原理的数学公式 即热力 学第一定律 热力学第一定律是普遍的能量守恒与转化定律的特殊形式 是在只 涉及热现象的比较狭窄的意义上对这一定律的表述 他的这本书是论述能量守恒 原理的最早也是最好的著作之一 1853 年 英国物理学家开尔文把能量守恒的思想表述为 当一个系统的工作 物质从某一给定的状态A无论以何种方式过渡到另一给定状态B时 该系统对外作 功与传递热量的总和是守恒的 这一总和就用该系统的内能变化来衡量 用公式 表示为 UB UA W Q 态函数U称作内能 W为外界对系统所作的功 Q为热量 关于能量守恒原理的发现 也发生了优先权之争 事实上 从论文发表的时 间上讲 迈尔占先 从提供确凿的实验证据上讲 焦耳占先 从全面而精确地阐 述这一原理上讲 亥姆霍茨占先 能量守恒和转化定律的确立 不仅是物理学中 118 第四章 物理学的发展 119 的重大事件 而且也是整个科学史上的重大事件 它给哲学上运动不灭原理和自 然界运动形式的统一性提供了可靠的科学证据 三 热力学第二定律的发现 热力学第二定律的发现与提高热机效率的研究有着密切关系 卡诺很早就洞察到蒸汽动力在促进法国工业化和经济发展方面所具有的巨大 潜力 认为以普遍的理论形式揭示出消耗热产生运动的原因 寻找出热机不完善 的原因 提高热机效率是一项迫切任务 卡诺为此作出了不懈努力 当时 对热 的本性的认识存在捉两种不同的观点 热质说和热的运动说 热质说认为热是一 种物质 今天科学发展已经证明这种观点是错误的 而热的运动说还没有被人们 普遍接受 卡诺在这一时期信奉热质说的观点 他在 1824 年发表 关于火的动力及产生这种动力机器的研究 的著作中 总 结了他对热机的早期研究成果 出色地运用了理想模型的方法 分析了蒸汽机热 效应和机械效率之间的关系 得出了一个基本结论 热机必须工作于至少两个热 源之间 热机的效率仅仅取决于两个热源的温度差 而与采用什么工作物质无关 但是卡诺对热机工作过程的认识是错误的 他认为热机是通过把热量从高温热源 传到低温热源而作功的 热量本身并没有消耗 工作物质从高温热源吸取的热量 与在低温热源放出的热量是相等的 认为热机是通过把热量从高温热源 传到低温热源而作功的 热量本身并没有消耗 工作物质从高温热源吸取的热量 与在低温热源放出的热量是相等的 卡诺没有认识没有认识到工作物质在循环过程中是把 从高温热源所吸取的热量的一部分转化为机械功 卡诺因此构造了一个简单了理想热机 它只有一个高温热源和一个低温热源 这个热机必须是由两个等温过程 当工作物质与两个热源接触时 和两个绝热过 程 当工作物质与两个热源脱离时 所组成的一个循环 即 卡诺热机 卡诺 认为 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切理想的卡诺 热机 不论工作物质如何 它们的效率都相等 这就是卡诺第一定理的确切表述 卡诺证明 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热 机 其效率都不会大于理想卡诺热机的效率 这就是卡诺第二定理 卡诺的工作 在实践上为提高热机效率指明了方向 在理论上 卡诺已经接近热力学第一定律 和第二定律发现的大门口 但他未能取得理论上的突破 错过了真理发现的机遇 卡诺的热机理论在法国科学界长时间没有得到认可 因而也没能应用于蒸汽 机的改进实验 这对法国的科学发展和工业进步是非常遗憾的 究其原因 这与 法国当时的政局动荡 科学体制存在弊端 再加上卡诺政治上受到父亲问题的牵 连 英年早世有很大关系 到了 19 世纪 50 年代 卡诺的热机理论渐被科学界承认 有两位物理学家从 能量转换的观点分析了卡诺发现的意义 以不同的表述形式总结出热力学第二定 第四章 物理学的发展 律 1850 年 德国物理学家克劳修斯 R J E Clausius 1822 1888 年 对卡诺的理 想热机理论进行了新的修正和发展 提出了著名的克劳修斯等式 即热机从高温 热源吸取的热量与该热源温度之比 等于向低温热源所放热量与该热源温度之 比 并指出热不可能独自地 不付任何代价地 没有补偿地 从冷物体传向较热 的物体 在一个孤立的系统内热总是从高温物体传到低温物体中去 而不是相反 1851 年 英国物理学家开尔文发表了 论热的动力理论 一文 指出不可能从单 一热源吸取热量 使之完全变为有用功而不产生其他影响 他们二人的表述虽然 不同 但却包含着一个共同的真理 即热机在工作过程中不可能把从高温热源吸 收的热量全部转化为有用功 它总要把一部分热量传给低温热源 这就是理想热 机的效率不可能达到百分之百的原因 1865 年 克劳修斯发现一个系统所含能量与其绝对温度之比在系统孤立 不 与外界发生能量交换 时总是会增大 在理想状态下它将保持不变 克劳修斯称 之为 熵 即 S Q T 由于热量总是从高温物体传向低温物体 因此 一个相对 独立的系统总是要沿着熵增大的方向运动 熵的概念说明了热力学过程的不可逆 性 这样 克劳修斯就将热力学的两个定律表述如下 第一定律 宇宙的总能量 是守恒不变的 第二定律 宇宙的熵趋向一个最大值 热力学第二定律的发现直接导致了 宇宙热寂说 克劳修斯把无限的宇宙当 作一个有限的孤立系统 认为 宇宙越是接近于其熵为一最大值的极限状态 它 继续发生变化的可能性就越小 当它最后完全达到这个状态时 也就不会再出现 进一步的变化了 宇宙就将永远处于一种惰性的死寂状态 显然 宇宙热寂说 认为一切运动形式都将转化成热 而热却不再转化成其他运动形式的观点是违背 能量转化定律的 科学发展已证明宇宙演变的过程不遵守热力学定律 热力学第二定律的发现说明 科学上的某些突破或新的理论的建立也会从发 现和纠正某些旧理论的错误中获得 正确看待和分析科学家在科学研究过程中出 现的错误和失误 寻找产生错误和失误的根源 本身就是一个科学探索和科学发 现的过程 四 分子运动论与统计物理学的创立 在 17 世纪 就已经产生了分子运动论的基本概念 能够解释一些热学现象 在 18 世纪和 19 世纪初 由于热质说的兴盛 分子运动论受到压抑而发展十分缓 慢 19 世纪中叶 热力学基本定律的建立则说明了热运动的一般规律 但热运动 的本质是什么 它的内部机制是什么 并没有深入具体地回答 许多科学家通过 对气体分子运动的研究对热现象进行了微观解释 使人们认识到 在由大量粒子 120 第四章 物理学的发展 121 所组成的系统中 仅仅用每个粒子的机械运动的规律来描绘整个系统的状态是不 够的 由大量粒子所组成的系统还有其在整体上出现新的统计规律性 分子运动 论的研究开创了统计物理学这个新的分支学科 所谓统计物理学就是运用数学中的统计和概率的方法 运用力学的定律研究 大量数目的微粒的运动 并得出其统计规律的一门科学 19 世纪中叶以后 英国 的麦克斯韦 J C Maxwell 1831 1879 年 奥地利的玻尔兹曼 L E Boltzmann 1844 1906 年 以及英国的吉布斯 J W Gibbs 1839 1903 年 等人将数学中 的统计和概率方法引入分子物理学 得到了分子运动的速度分布 能量分布等一 系列规律 并创立一系列方法理论 1826 年 英国植物学家布朗 R Brown 1773 1858 年 就发现了分子运动现 象 他用显微镜观察到水中悬浮的藤黄 一种植物 花粉粒子不停地作无规则的运 动 即布朗运动 开始他认为这是花粉粒子有生命活动能力所引起的 后来才认 识到无机性微粒在液体或气体中都有布朗运动产生 而这种运动是由液体或气体 分子的不平衡撞击所引起的 布朗运动显示了物质分子处于永恒的热运动之中 1857 年 克劳修斯首先对热力学定律做了动力学的解释 他认为 气体由大 量的运动着的分子所组成 气体分子是弹性质点 气体分子在运动时互相碰撞 在碰撞时沿各个方向运动的机会和分子数相等 分子运动的速度随气体温度的增 加而增大 气体的热能就是气体分子运动的动能 克劳修斯从这些观点出发 用 气体的分子数 分子质量和分子速度导出了气体压力 并进一步对波义耳定律 查理定律作出了微观解释 但克劳修斯在提出分子速率的无规分布的概念时 没 有考虑分子速率的分布 是按平均速率计算的 所以计算的结果并不完全正确 为此作出贡献的是英国物理学家麦克斯韦 奥地利物理学家玻尔兹曼 著名物理学家 英国的麦克斯韦用概率统计的方法研究了分子运动论 在 1859 年发现了气体处于热平衡时其分子的数目按速度大小分布的定律 麦克斯韦 定律表明 气体在宏观上达到平衡状态时 虽然大量的个别分子的速度一般来说 都不相同 并由于相互碰撞而不断发生变化 但平均来说 在某一速度范围内的 分子数在总分子数中所占的百分比总是一定的 这个比值只与气体的种类和温度 有关 1868 年 奥地利物理学家玻尔兹曼推广了麦克斯韦的速度分布律 提出了平 衡态气体分子的能量均分定律 并且从分子运动论的观点对熵作出了统计几率解 释 波尔兹曼认为 由于分子的热运动 物质系统的分子要从 有规则 或者叫 有序 趋向混乱 或叫 无序 在物质系统处于热不平衡状态时 系统结构 的内部差异较大 组织程度较高 具有向确定方向转变的可能或能力 因而这种 第四章 物理学的发展 系统是 规则 的 处于热平衡状态的物质系统 其内部差异小 没有什么确定 的结构或确定的变化方向 它是 无规则的 波尔兹曼证明 规则 状态的几 率 可能性的量度 较小 无规则状态 的几率较大 或者说熵的减小也就是无规 则性 混乱度的减小 或者说组织程度和有序程度增大 的几率小 熵的增大几率 大 这样 就使熵的概念同无规则性 混乱度 无序的加大联系起来 而它的反 面 用现代术语说叫 负熵 则是表示规则性 组织程度 有序性的提高 麦克斯韦 玻尔兹曼等人的统计思想 在美国耶鲁大学数学物理教授吉布斯 的工作中得到进一步发展 吉布斯在研究热力学第二定律时 萌发了用力学定律 和统计方法来阐述热力学的思想 他仔细阅读和研究了麦克斯韦 玻尔兹曼等人 关于统计方法的论著 经过多年的反复思考和推敲 终于在 1901 年写成了统计力 学的经典著作 统计力学基本原理 一书 提出和发展了统计平均 统计涨 落和统计相似三种方法 完成了热力学与分子运动论两个方面的理论综合 4 1 3 光学的发展 光学的起源可以追溯到二 三千年前 反射定律和折射定律的建立标志着光 学开始成为一门科学 一 光学的早期发展 早在古希腊时期 天文学家托勒密就曾做过光的折射实验 在近代 第一 个对光学现象进行系统考察的是开普勒 他首先提出了光度学定理 他指出从 点光源发出的光 其强度随着被照明物体与光源距离的平方成反比而减少 对 光的折射现象 开普勒认为 当光从光疏介质进入光密介质时 其折射方向总 是靠近法线 反过来就远离法线而靠近介质表面 开普勒对透镜的折射进行了 定量分析 并据此设计了望远镜 17 18 世纪光学取得了一系列发展 荷兰数学家斯涅尔 W Snell 1591 1626 年 通过实验于 1621 年发现了光的折射定律 1637 年 笛卡尔在 折射 光学 中用几何学推导出了这条定律 发现了折射与光速的关系 1661 年 法 国数学折射定律的确立极大推动了光学的发展 1655 年 意大利科学家格里马蒂 F M Ggrimaldl 1618 1663 年 发现了 光的绕射现象 即衍射现象 和薄膜干涉现象 胡克对薄膜干涉作了进一步解 释 从 1665 年开始 牛顿通过分解日光的实验提出了光和色的新理论 他认 为白光是由连续变化的若干单色光组成的 每种光都有不同的折射能力 透明 物质都是以相同的方式折射光线的 因而色像差不能避免 据此设计了反射望 122 第四章 物理学的发展 123 远镜 其实 他的这一假设并不正确 用不同种类的玻璃制成的复合透镜是可 以消除色像差的 在同一时期 牛顿还发现了后来被人们称之为 牛顿环 的 现象 二 光的波动说与微粒说的争论 随着光学上的发现 人们对光的本性和规律性提出了各自的看法 归纳起 来大致有两种学说 一是以惠更斯为代表的波动说 一是以牛顿为代表的微粒 说 波动说波动说的观点是由意大利的格里马蒂 F Grimaldi 1618 1663 首先提出 来的 通过反复的实验发现光并不严格走直线 他提出了光是一种能够作波浪 状运动的精细流体 1665 年 英国物理学家胡克 R Hooke 1635 1703 年 在 显微术 一 书中 提出光是一种快速的小振幅的振动 并根据云母片的薄膜干涉现象作出 判断 认为光是类似水波的某种快速脉冲 1678 年 荷兰物理学家惠更斯对光的波动说理论进行了精密的数学论证 进一步发展了胡克的思想 提出光是发光体中微小粒子的振动在弥漫于宇宙空 间的以太物质中的传播过程 1690 年惠更斯出版了 光论 一书 进一步阐述 自己的这一学说 微粒说微粒说的思想来自古希腊的原子论者和毕达哥拉斯学派 笛卡尔认为光是 从发光物体产生的一种压力 通过空中的物质 以太 传播到被照射的物体上 牛顿则倾向于笛卡尔的观点 认为光是微粒流 是从光源向各个方向发射出来 的小物体 这些运动着的微粒在周围的以太介质中激起一种振动 笛卡尔和牛 顿仍没有对光的本性作出肯定的解释 光的微粒说和波动说各自以自己的方式说明了光的一些性质 但是对双折 射现象这两种学说在当时都不能给予圆满的解释 两种学说各持己见争论了一 百多年 后来 随着牛顿名气的增大 微粒说占了上风 三 光的波动学说的复兴 19 世纪上半叶物理学领域中另一引人瞩目的事件是光的波动说取代微粒说 而占据主导地位 英国医生和物理学家托马斯 扬 T Young 1773 1829 年 和 法国工程师菲涅尔 A J Fresnel 1788 1827 年 是推动光的波动说复兴的代表 性人物 托马斯 扬原是一名医生 早年在德国哥廷根大学从事生理光学的研究 托 马斯 扬继承了惠更斯的波动说 认为把光视为波动比看作微粒更为合理 他假 想如果光是一种波动 那么平行光束经过一定距离的双孔后 就会产生光束的互 第四章 物理学的发展 124 相干涉现象 波峰遇波峰而加强 波峰遇波谷而抵消 就会在屏幕上显出明暗相 间的图象 1801 年 他通过实验证明了这一假设 这种图象只是波动的特征图象 用微粒说是无法解释的 他又根据法国马吕斯 E L Malus 1775 1812 年 偏 振光的发现 在 1817 年提出光是横波的新见解 惠更斯的波动说认为光波与声 波同为纵波 他虽然得到实验的有利支持 但作为波动说 却必须假定一种弥 漫一切空间的传播介质 光以太的存在 光以太既要有弹性 又对光不产生任 何阻力 以便使光能以极大速度传播 这种属性的物质是难以想象的 所以不少 人有怀疑 再加上与牛顿力学的成功伴随在一起的 微粒 观念 还在统治着人 们的思想 所以托马斯 扬的工作未能及时得到科学界的认可 法国工程师菲涅尔从 1815 年开始对光的衍射现象进行研究 他独立地得到 了干涉和衍射方面的规律 建立了比较完善的理论 他向法国科学院寄去了自己 的一篇关于光的衍射的论文 论文从托马斯 扬的光横向振动假说出发 证明偏 振和所有已知的光学现象都可以根据横波得到说明 由于数学处理上的缺陷 菲 涅尔的工作遭到不少人的怀疑和反对 之后 菲涅尔作出了更加艰苦的努力 运 用数学工具进行了精密的计算 终于使更多的人转向相信光的波动说 菲涅尔开 创了光学研究的新阶段 成为物理光学的开拓者 对波动学战胜微粒说具有决定意义的工作 是来自后来对光速作出的精确测 定 并由此安排的两种学说的判决性实验 1849 年法国菲索 A H L Fizau 1819 1896 年 用高速齿轮的精密装置测定光速 在空气中 为 315000