20世纪理论物理学发展的主旋律_杨振宁

我们知道交响乐有所谓的主旋律，整个交响乐就是经过几个不同而又相关的主旋律纠缠和发展出来的。我们以这个眼光来分析20世纪物理学的发展，就会发现也有三个主要的旋律，那就是量子化、对称、相位因子。

我们如果回顾20世纪人类的历史，就会发现其中有着惊人的进步。20世纪人类发现了一种新能源，比“火能”还要强很多倍的核能，这是人类历史上一个非常重大的事清；20世纪人类还学会了控制电子的行动，从而制造出了半导体，由半导体而发明出了计算机，大大提升了人类的生产力。这些技术的影响，我们今天已经看到了；而对这个世纪以至下一个世纪的影响，我们今天是没有办法估计的。

人类在20世纪还发现了研究极小结构的方法。从20世纪初就发现了X光衍射，这一发现，大大地增加了人类研究极小结构的能力，从而发现了第一个生命遗传的基因物质——

—DNA的双螺旋结构而双螺旋结构引导出来了今天的分子生物学和生物工程技术。这项发展，对于21世纪乃至将来人类的影响，也是今天没有办法估计的。

在20世纪，人类还第一次摆脱了地球的引力，登上了月球……

这些发展，还有许许多多别的进步，都标志着20世纪是人类有史以来发展最快的一个世纪。

这些进展之所以能够在20世纪发生，是因为物理学于20世纪在基本的结构和更深的层面上都有了新的跨越，人类对于时间、空间、运动、能量以及力量的观念有了革命睦的变化。我上面讲的那些与我们的生活有着密切关系的巨大进展，正是基于人类对这五项基本的认识的革命性变化。

物理学的主旋律之一：量子化

20世纪物理学发展这个“交响乐”的三个主旋律是：量子化、对称、相位因子。其中第一个主旋律就是量子化。

把量子化引入物理学，是1900年普朗克的一篇文章。在1900年以前，物理学上测量出来的东西、讨论的数目都是连续的，1尺长、2尺长或者1.5尺长，是一个连续的变数。可是到了19世纪末20世纪初，普朗克大胆地提出了一种全新的量子观点，这个观点影响了整个20世纪物理学的发展，以及所有用到物理学的发展而引导出来的实际的结果。

不过普朗克并没有完全了解到量子化观点的意义。过了5年以后，一个年轻的物理学家爱因斯坦把普朗克的见解向前推进了一步。爱因斯坦提出了光子的概念，说光的传播不是一个连续的过程，在那以前大家都认为光是一个连续的波，而爱因斯坦则认为光是由一个一个的光子传播过来的。这又是一个革命性的见解，但在当时没有完全地被大家了解。

又过了8年，玻尔写了一篇文章，把普朗克的观念引申到了原子的结构上。这篇文章的关键性意义在于它使人们对周期表的结构跟简单的原子结构有了一个初步的认识，并在这个认识里面放进了量子的因素。

可以说，这三篇文章是人类关于量子化最早的文章这些文章发表以后，有过很多讨论。1913~1925年，是物理学史上一个非常动荡的时代，因为他们三位提出来的见解中，有许多很复杂的以前不被人们所了解的观念，经他们一说，人们就有了一种恍然大悟的感觉；可是从另一面看，又有许许多多新的现象是他们的见解所不能够解释的，甚至可以反证他们的想法是错误的。

20世纪理论物理学发展的主旋律

□杨振宁

由于这一切是从光的领域发端，从爱因斯坦到玻尔，研究的主体方向都是光子学，而那个时期德国的光子学做得最好，因此这方面的文章多半发表在德国。在这十几年里面，产生了很多很多新的正确的见解，也产生了很多很多新的然而是错误的见解。

这一段历史很不容易写。很多年以后（1953年），奥本海默描述了那十几年。他说那是一个在实验里耐心工作的时代，有许多关键性的实验和大胆的见解，有许多错误的尝试和不成熟的假设；那是一个真挚通信与匆忙会议的时代，有许多激烈的辩论和无情的批评，充满了巧妙的数学性的方法。对于那些参与者，那是一个创新的时代，从宇宙结构的新认识中，他们感受到了激奋，也体验到了恐惧。这段历史恐怕永远也不会被完整地记录下来。要写这段历史，需要有非凡的笔力，由于涉及到的知识距离日常生活是那么的遥远，实在很难想象有任何诗人或史家能够胜任。

奥本海默的这一段有诗意的描述，讲清楚了那十几年物理学一方面紊乱、一方面诞生革命性见解的情形。通过那十几年的努力，1925年由年轻的玻尔、年轻的海森伯和比他们稍微年长一点的薛定谔一起，提出来了量子力学的概念。然后在1925~1927年，对于量子力学的意义做了深入的讨论，最后发展出来了量子力学。在此以后的70年直至今天，量子力学对物理学的发展仍然具有革命性的影响。所以说，量子力学是20世纪物理学主旋律之一，这是没有任何疑问的。

物理学的第二个主旋律：对称

20世纪物理学的第二个主旋律是对称。

对称这个观念，在人类的历史上，不是到20世纪才有的。在不同的文化里面，在不同的哲学的讨论里面，对称的观念很早很早就有了。在中国的历史上，古希腊的历史上、古罗马的历史上，都有很多这方面的讨论。这些讨论对于近代科学的发展时候，对于开普勒，对于牛顿，都有很重要的影响。可是，这些影响同20世纪由于人们逐渐对对称有了了解所产生的影响相比是徽不足道的。

20世纪发现对称的重要影响的第一个工作是爱因斯坦在1905年做的。1905年，爱因斯坦在德国（物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论。爱因斯坦发表这篇论文的时候并没有用“对称”这个名词。这篇论文里面有很多公式，爱因斯坦并没有认识到这些公式与对称有何关系。两年以后，有个数学家写了一篇文章，指出爱因斯坦的狭义相对论里的那许多公式，用数学的眼光看起来是一个对称的结构。爱因斯坦看了这篇文章以后，才第一次了解到，从数学的角度来看，他所讲的狭义相对论的基本意义就是对称的观念。这个观念后来对于20世纪物理学的发展有决定性的影响。所以说，对称是20世纪物理学的第二个主旋律是非常正确的

物理学的第三个主旋律：相位因子

相位因子这个观念相比较而言不是那么容易掌握的。这个观念是1918年由一个名叫Weyl的数学家提出来的。他为什么要提出这个观念呢？原因是爱因斯坦在1916年发表了广义相对论，从某种意义上来说这是1905年狭义相对论的推广。爱因斯坦提出的广义相对论所讨论的是宇宙间一个力量的来源，这个力量就是万有引力。万有引力是牛顿在17世纪最早提出来的，可是爱因斯坦在1916年广义相对论里面说，这个万有引力的本质不是牛顿所讲的，而是一个有集合意义的现象。这是项非常美妙的工作，是爱因斯坦一生又一个重大的贡献。爱因斯坦紧跟着说，有了广义相对论，我们就可以把人类所了解的一个力量，也就是万有引力的来源集合化。然后他说，我们还有另外一个指导物理世界的力量，就是电磁学，电磁学和化学的力量有着同一个来源。

爱因斯坦认为我们当前所要做的一件事情，就是把电磁学集合化，然后跟已经集合化的万有引力结合在一起，这就变成统一场了。这个观念是爱因斯坦终生的理想。今天物理学所要做的最基本的事情，还是要向这个统一场论进军。

这里所说的集合观念来自前面提到过的数学家Weyl。Weyl比爱因斯坦年轻16岁，那时候他已经是个有名的数学家了，他很喜欢对物理学做一些哲学的探讨。爱因斯坦这篇文章出来以后，他就说要响应爱因斯坦的见解，他引进一个集合的观念，这个集合的观念可以解释电磁学。他的集合观念就是引进了一个因子，他把它叫做相位因子，我把它翻译成拉长因子，把一个东西拉长缩短的拉长。又过了4年，薛定愕在写出“薛定谔方程”以前4年，注意到了Weyl的这篇文章。然后他写了一篇文章，他说他现在发现了一个“Remarkable Proporty”一个非常值得惊异的性质，这是个什么性质呢？我想在座的很多同学都会记得，中学物理学里讲了，比如说氢气的电子有一个轨道，这个轨道是量子化的，这是玻尔在1913年第一个讲出来的。1922年，玻尔的这个轨道就被薛定愕拿过来，围绕着这个轨道来研究拉长因子是多少。他算出来以后，发现拉长因子里面是子指数，他说这件事情具有很奇怪的值得注意的性质。

从今天的眼光看来，薛定谔这篇文章最特殊的一点，不是他所讲的那个特别的性质，而是在他文章的末尾讲了这么一句话，也可以说是一个附加的注解，他说假如你把相位因子改变一下，用另外一种方式写出来的话，那么拉长因子就等于1。这个观念当时很显然是

被薛定谔发现了，但他不懂得这是什么意思，也役有再发展下去。为什么没有发展下去？原因是他还是相信拉长因子是一个实数，不是一个虚数，所以这句话他只是简单地讲了一下，就不再讲了，这篇文章也就到此为止了。

在今天看起来，薛定谔当时是犯了一个很大的错误。假如他当时能对这一点进行仔细研究的话，那他就会在1922年发现量子力学，而不是要等到3年以后由玻尔、4年以后由他自己才发展出来量子力学。确实当时要在基本物理学里边要让大家接受一个虚数是不容易的，更不是薛定谔所喜欢接受的。可是，假如我们接受了这一点，把这个虚数加上去，那么我们就会发现：由于你加上去个虚数，这个拉长因子就不再是拉长因子，而变成了相位因子。相位因子是一个复数，从拉长因子到相位因子只是加了一个“-1”的平方根，这个变化在今天看来是有决定性影响的。

在这以前，物理学里边所讨论的数，都是普通的数也就是实数，可以是1，也可以是15，还可以是π等等。这些都是实数，那么虚数呢？从名字就可以看出来它是虚的。这个虚数由数学家引进来的原因，是因为在解二次方程式的时候，如果不用虚数的话，有些方程式是没有办法解的，而用了虚数就可以解，这是数学家所做的物理学家做的事情跟现实有关系，所以不觉得应该把“-1”的平方根引进到物理学里来，这也正是薛定愕当时并投有认识到的，他当时已经找到了极为重要的一点，可是他又退缩了。过了几年以后，等到了量子力学被发现以后，好几个人包括薛定谔自己才认识到，原来物理学里头不仅要用实数，而且要用虚数；既然用了虚数，就不要再讨论拉长因子，而要讨论相位因子了。把虚数放进去以后，就变成了现在这个样子，这是物理学发展史上一个极为重要的转折点。

由此往后，到了1929年，玻尔写了另外一篇重要的论文。这篇文章的题目叫做《电磁学的规范对称性》换句话说，19世纪电磁学发展的重要标志是麦克斯韦方程，麦克斯韦方程与今天无线电的发展、电视的发展，以及网络、x光、激光的发展都有着极其密切的关系。可是麦克斯韦方程结构跟虚数没有关系，是实数。今天看来是不够深刻的。深刻的了解应该是要引进虚数，引进虚数以后，再引进一个对称的观念就叫做规范对称性。规范对称性与相位因子有着密切的关系。对称和不对称是物理学的基本结构。

从1929年开始，三个主旋律都被引进到物理学，量子化、对称和相位因子都已经是20世纪物理学的主旋律了。

从1925~1970年，对称的观念渐渐变成为一个主题旋律。对称的观念是1905~1907年由爱因斯坦引进的，可是最初它对于物理学的重要性并没有被大家所认识，1925年以后才逐渐受到重视，直到1970年。1925年量子力学发展起来以后，为了了解原子的结构，有一些数学修养比较高的物理学家就把数学里面非常美妙的一个观念叫做群论引人到物理学里。这个引人，对20世纪20年代、30年代、40年代分子物理学、原子物理学乃至以后的原子核物理学都起了决定性的作用。渐渐地大家对群论的重要性、对称的重要性有了明晰的认识，也了解到对称这个观念在物理学里跟所谓的不变性这个观念有着密切的关系。

1956~1958年是一个新的发展阶段。这是因为在1954到1956年做出来了一些新的实验，这些实验跟当时的两组实验按旧的观念是不能相容的。最后发现之所以不能相容，是因为那个时候大家对对称的观念有一个错误的观念，这个错误的观念是由吴健雄和她的4位合作者通过一个著名的实验来纠正的。她们证明，在弱相互作用下，左右是不对称的，是不守恒的。这个实验在1956年底1957年初做出来以后，震惊了整个物理学界，大家终于发现，原来对称跟不对称是物理学的基本结构。

受这个影响，海森伯和泡利从1957年开始合作。因为1957年初，吴健雄她们的实验做出来以后，整个物理学界大家都在研究对称跟不对称的现象。海森伯和泡利那时是五十几岁的样子，他们当时感到1925年以前那几年的现象在物理学界又要出现了，只是这一次是围绕着对称这一观念，而不是围绕原子结构的观念了他们所要做的事清，是要写出一个公式，他们给它起了一个名字，叫做世界公式，他们认为有了这个公式，整个基本物理学一切的疑难都可以得到解释。

很多年以后，在海森伯的晚年，在70年代他逝世前儿年的一篇自传性的文章里，他讲了这么一句话“我从来没有见到泡利如此为物理所激动”。这是句分量很重的话，因为1924~1930年间是量子力学获得快速发展的时候，也是海森伯跟泡利的工作出成果的时候，他们整天都很激动。

吴健雄进行的对称不守恒实验在物理学界所引起的震动，与刚才所讲的这三个主旋律是有密切关系的。在今天看来，有长远影响的是路线积分。路线积分可以写成一个公式，这个公式与刚才所讲的三个主旋律都有极为重要的关系，从这个公式就可以看出，它是把相位因子跟量子化直接连在一起了。相位因子的单位，应该是普朗克常数，她把量子力学跟经典力学的关系变成数据化的一个了解，所以她的这个积分，包括我在内的很多人都认为是极为重要的有关键性的一个想法。

规范对称这个主旋律在1929年就引进到物理学里去了，规范对称拥有了下面这样一个重要性，也就是说，用规范对称可以了解电磁学的结构，可以了解为什么麦克斯韦方程是麦克斯韦方程。规范对称的数学公

式里原来只是一个数目，后来推广到方阵，这个推广是在1954年做出来的。为什么要做这件事情呢？为什么要把本来规范对称里面的观念推广一下，使它从一个数目变成一个方阵呢？动机有三点：

第一点，是因为那时候发现了很多新的从前不知道的粒子，暂时叫做“奇异粒子”。这些粒子发现多了以后就出现了一个问题：它们彼此之问的相互作用力是什么？有没有一个统一的观念能够解释它们应该有什么样的相互作用力。这是第一个动机。

第二个动机，在19世纪就有了。由于有电荷守恒的观念，一个正电子如果被消灭掉了，它的电荷就给了另外一个正电子，这个电荷不会从1突然变成0。因为这个关系，就有电了磁场，就有了麦克斯韦方程，所以能量守恒引来了引力场。这样就发生了一个问题，假如说有别的守恒的原理，岂不就要引出一个别的什么场？在那个时候，有另外一个守恒定律，叫做同位线守恒，既然有同位线守恒，也是一个守恒定律，是不是也要相应地产生一个同位线场？这是第二个动机。

第三个动机，是因为守恒这个观念跟相位不变之间有个密切的关系，这个我不能给大家介绍得更清楚。这个观念里头有一条，可以把它从整体化变成局部化，变成局部化以后，更符合当时物理学的精神。

总而言之，有了这三个不同的动机，不管你从哪个动机开始，最后得出来的结果都是一样的，这就产生了非阿贝尔规范场，从而把1929年规范不变的观念推广了。与规范不变的观念不一样的地方是它比较复杂，可是它们的美妙之处是一样的。

非阿贝尔规范场比较复杂的地方具有重要的影响。非阿贝尔规范场给出的宇宙结构非常对称，因为它是从对称的观念推演过来的。可是宇宙实际上并不那么对称，宇宙有很多不对称的现象，所以问题就是在于对称的理论怎么跟不对称的现实结合在一起。一直研究了20多年，在这20多年里引进了几个观念，其中一个叫做对称破缺。这个观念大概讲起来就是用一个很妙的办法，可以把一个非常对称的理论跟一个实验得出来的不太对称的现实连合在一起。这个办法不是由一个人发现的，而是由好多人发现的。渐渐引进去以后，就把非阿贝尔规范场与现实完全连合到一起，这是一个非常成功的方向。

另外在1971~1972年的时候，有两个荷兰人指出，通过非常复杂的数学演算，证明非阿贝尔规范场可以重整化，1999年，他们正是由于这项工作获得了诺贝尔奖从20世纪70年代初开始，大家了解到非阿贝尔规范场对于基本粒子的结构是正确的方程式。到了20世纪70年代末，又发现对于原子核的结构也是可以用非阿贝尔规范场解释的。

这些成就主导了这30年里整个基本粒子物理学

的发展。20世纪70年代末，我综合了这些成果，认为整个发展的方向叫做对称支配相互作用，换句话说，就是宇宙之间物理现象里头的力量，相互作用的泉源是对称的。因为规范不变原理就是一种对称的精神，所以所有这些力量的结构都是由对称所左右。这个观念直到今天讲起来仍然是正确的。

现在所有新的进展，都还是沿着这条路子走下去的。因为对于这些观念有所认识，所以对于非阿贝尔规范场的结构也有了更深入的认识，这就是20世纪70年代发展起来的一个新的了解：原来那个对称相位因子在数学里头是一个很美妙的理论，是数学家已经发展的一个观念，这个观念在数学里面是个拓扑性的观念，而拓扑显然是一个集合的观念。因为这个关系，所以近年来集合学、拓扑学跟物理学产生了密切的联系。刚才我所讲的也可以说是20世纪基本物理学的简史，用通俗的语言把其中最重要最基本的观念以及彼此的关系给大家描述了一下。回过头来看，其实跟爱因斯坦所想要做的事是极为密切地联合在一起的。

从一九一几年开始到1933年，爱因斯坦坚持他继续向统一场论推进。尤其在1933年，他有一个演讲叫《理论物理的方法》，其中讲了几句话，这几句话与我们今天所了解的20世纪物理学的精神以及21世纪物理学发展的方向还是有着密切的关系。

他有一句话是说：“理论物理之公理基础不能自实际经验提炼出来，而是要创想出来”。爱因斯坦在1905年的工作，或者薛定愕在1925~1926年的工作，或者玻尔关于规范场的观念，这些开始都不是直接从实验来的，而是一个数学的结构，所以这符合爱因斯坦所说的到“理论物理之公理基础不能自实际经验提炼出来，而是要创想出来”。

然后他又说：“创想的泉源来自数学。从某种意义上来讲，我认为纯思索可以了解世界像古人所认为的那样”。这句话当然值得斟酌。假如一个人不与纯粹的世界、现实的世界发生关系，光坐在那儿想，他不可能想出来今天我们所了解的物理世界的结构。所以爱因斯坦的这句话我们要做解释，他是说你应对现实的世界要有更多的了解。

可是，最后这个结果却不是从一个实验、一个实验的数据得出来的，而是要有一个数学的东西促使你创想出来，再把这个结果与实验的结果验证一下，这才可能得到大的发展。他是想要把物理集合化，这一点是完全正确的。他逝世50多年来，基本物理学已经有了好几次集合化可是还没有解决问题。爱因斯坦想把引力场跟其他的相互作用整个地统一起来，这个最后的目标至今还没有实现，这也正是我们大家今天还在努力的方向。

谢谢！

物理学发展简史

物理学发展简史 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

一、古典物理学与近代物理学： 1、古典物理学：廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学，以巨观的角度研究物理，可分为 力学、热学、光学、电磁学等主要分支。 2、近代物理学：廿世纪以后(1900年卜朗克提出量子论后)所发展的物理学称为近代物理学， 以微观的角度研究物理，量子力学与相对论为近代物理的两大基石。

一、古典物理学对人类生活的影响： 1、力学：简单机械(杠杆、轮轴、滑轮、斜面、螺旋、劈) …… 2、光学： (一)反射原理： (1)平面镜：镜子…… (2)凹面镜：手电筒、车灯、探照灯…… (3)凸面镜：路口、商店监视镜…… (二)折射原理： (1)凸透镜：放大镜、显微镜、相机…… (2)凹透镜：眼镜、相机…… 3、热学：蒸汽机、内燃机、引擎、冰箱、冷(暖)气机…… 4、电学： (一)利用电能运作：一般电器用品，如：电视机、冰箱、洗衣机…… (二)利用电磁感应：发电机、变压器…… (三)利用电磁波原理：无线通讯、雷达…… 二、近代物理学对人类生活的影响： 1、半导体： (一)半导体：导电性介于导体和绝缘体间之一种材料，可分为元素半导体(如：硅、锗等)和 化合物半导体(如：砷化镓等)两种。 (二)用途： (1)半导体制成晶体管，体积小、耗电量少，具有放大电流讯号功能。 (2)半导体制成二极管具整流能力。 (3)集成电路(IC)： (A)1958年发展出「集成电路」技术，系利用长晶、蚀刻、蒸镀等方式于一小芯片上容 纳上百万个晶体管、二极管、电阻、电感、电容等电子组件之技术，而此电路即称为 集成电路。 (B)IC之特性：体积小、效率高、耗电低、稳定性高、可大量生产。 (C)IC之应用：计算机、手机、电视、计算器、手表等电子产品。 (4)计算机信息科技之扩展大辐改变了人类的生活习惯，故俗称第二次工业革命。 2、雷射： (一)原理：利用爱因斯坦「原子受激放射」理论，诱发大量原子由受激态同时做能态之跃迁 并放射同频率之光子，藉以将光加以增强。 (二)特性：聚旋光性好、强度高、光束集中、频率单一(单色光)。 (三)应用：

牛顿对经典力学的贡献

课题：牛顿对经典力学的贡献 组长：马啸 组员：邢硕张森淇宋迪刘梦圆刘倩指导教师：车卫红

在天文学方面，牛顿可以称为近代伟大天文学家。他的杰出贡献是制作了反射式望远镜，反射式望远镜的制造成功，是天文学史上的一项重大革新。自伽利略发明第一架天文望远镜以来，人们对于宇宙的认识范围迅速扩展，但是当时流行的伽利略、开普勒等人发明和制造的折射望远镜，口径有限，制造大型望远镜不但困难，而且太庞大，同时折射望远镜的折射色差和球差都很大，这些大大限制了天文观测的范围。牛顿由于了解了白光的组成，因而于1668年设计制成了第一架反射式望远镜。这种望远镜能反射较广光谱范围的光而无色差，容易获得较大的口径，同时对球差也有校正。这样牛顿为现代大型天文望远镜的制造奠定了基础。 牛顿在天文学上的另一重要贡献是对行星的运动规律进行了全面考察，特别是对开普勒等人的学说进行过系统的研究。1686年他在给哈雷的信中说明了天体可以按照质点处理并证明了开普勒的行星运动的椭圆形轨道以及彗星的抛物线轨道。牛顿还进一步发展了自己的理论，认为行星都由于自转而使两极扁平赤道突出，还预言地球也是这样的球体。由于地球不是正球体，牛顿就指出，太阳和月球的引力摄动将不会通过地球中心，因此地轴将作一缓慢的圆锥运动，这便出现了二分点的岁差现象。对于潮汐现象，牛顿也作出了解释，他认为这是太阳和月球引力造成的。 在物理学方面，牛顿取得了力学、热学、光学等多方面的巨大成就。牛顿是经典力学理论的开创者。他在伽利略等人工作的基础上，进行了深入研究，经过大量的实验，总结出了运动三定律，创立了经典力学体系。牛顿所研究的机械运动规律，首先是建立在绝对时空观基础之上的。绝对化的时间和绝对化的空间是指不受物体运动状态影响的时间和空间。在两个匀速运动状态下的观察者，对机械运动具有相同的测量结果。在高速运动状态下，这种时空观已不能采用，这时（运动速度与光速可以比拟），牛顿力学将被相对论力学所代替。在微观情况下，由于粒子的波动性已明显表现出来，牛顿力学将被量子力学所代替。牛顿在力学方面另一巨大贡献是在开普勒等人工作的基础上，发现了万有引力定律。牛顿认为：太阳吸引行星，行星吸引卫星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力。牛顿用微积分证明了，任何一曲线运动的质点，如果半径指向静止或匀速直线运动的点，且绕次点扫过与时间成正比的面积，则此质点必受指向该点的向心力的作用，如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比，则向心力与半径的平方成反比。牛顿还在力学发展中，首先确定了一系列的基本概念，如质量、动量、惯性和力等。经过牛顿的工作，力学已形成了严密、完整、系统的科学体系。

“力学”简介、含义、起源、历史与发展

力学 力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次，从宇观的宇宙体系，宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。机械运动亦即力学运动是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等，而平衡或静止，则是其中的一种特殊情况。机械运动是物质运动的最基本的形式。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。机械运动并不能脱离其他运动形式独立存在，只是在研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了；如果其他运动形式对机械运动有较大影响，或者需要考虑它们之间的相互作用，便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变，都意味着各作用力在某种意义上的平衡。力学，可以说是力和（机械）运动的科学。 力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后来虽又含有他义，但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语μηχανη──机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的” 在英语中同为mechanical，而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。 发展简史 力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的 经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古

1957年诺贝尔物理学奖 杨振宁、李政道

1957年诺贝尔物理学奖杨振宁、李政道。 1976年诺贝尔物理学奖丁肇中。 1986年诺贝尔化学奖李远哲。 1997年诺贝尔物理学奖朱棣文。 1998年诺贝尔物理学奖崔琦。 2000年诺贝尔文学奖高行健。 1908年诺贝尔化学奖钱永健。 高行健是法籍华人，其余为美籍华人。 杨振宁，安徽省合肥市人。著名美籍华裔科学家、物理学大师、诺贝尔物理学奖获得者。1957年由于与李政道提出的“弱相互作用中宇称不守恒”观念被实验证明而共同获得诺贝尔物理学奖. 杨振宁是1922年10月1日生于安徽合肥（后来他的出生日期在1945年的出国护照上误写成了1922年9月22日）。他出生不满周岁，父亲杨武之考取公费留美而出国了。4岁时，母亲开始教他认字，1年多的时间教了他3千个字。杨振宁读小学时，数学和语文成绩都很好。中学还没有毕业，就考入了西南联大，那是在1938年，他才16岁。1942年，20岁的杨振宁大学毕业，随即进入西南联大的研究院。赴美入芝加哥大学 李振道，祖籍江苏苏州，父亲李骏康是金陵大学农化系首届毕业生。李政道曾在东吴附中，江西联合中学等校就读。因抗战，中学未毕业。1943年因以同等学历考入迁至贵州的浙江大学物理系，由此走上物理学之路，师从束星北、王淦昌等教授。 丁肇中1936年1月27日生于山东日照，先后在重庆、南京和青岛上小学。1948年随父母去台湾，又在台中读了一年小学。1949年丁肇中先考入台北成功中学，次年入台湾建国中学，接受严格的教育，他的数学、物理和历史学习成绩优秀。1955年建国中学高中部毕业，考入成功大学机械工程系。1956年转到美国密歇根大学，在物理系和数学系学习，1960年获硕士学位，1962年获物理学博士学位。 崔琦1939年2月28日，出生在中国河南省平顶山市宝丰县肖旗乡范庄村一个农民家庭，在村里小学毕业后，他于1951年在北京读书，次年到香港培正中学就读。1957年香港培正中学毕业，1958年赴美国深造，就读于伊利诺伊州奥古斯塔纳学院。 高行健出生于江西赣州，父亲是一名银行职员，母亲是基督教青年会成员，做过抗日剧团的演员。在母亲的影响下，高行健对戏剧、写作产生了兴趣，从小就有涂鸦的爱好。1950年，高行健全家搬到了南京 1952年，高行健就读于南京市第十中学，以前这所中学是一个教会学校（金陵大学附属中学），能够接触到许多的西方翻译来的著作。另外高行健师从画家恽宗瀛先生学画素描、水彩、油画以及泥塑。对这段时光，高行健回忆到：“我的底子是在那打下的。我的中学生活完全像是生活在梦里”。高行健1981年的著作《现代小说初探》1957年，高行健高中毕业，听从母亲的建议，没有报考中央美术学院，而考入了北京外国语学院。

21世纪物理学的25个难题

21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯1[①] 编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.wendangku.net/doc/5c14281487.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。 作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。

物理与美学-杨振宁

物理与美学－杨振宁 发布日期：2005-12-9 发布人：施大宁点击数：433【字体：大中小】 著名物理学家杨振宁畅谈物理学之美

杨振宁为庆祝母校90周年校庆而回到清华，进行了一场题为“美与物理学”的演讲。 一本科普书带给12岁杨振宁诺贝尔梦 杨振宁的启蒙老师是他的母亲，她只是一个念过几年私塾、没有受到过任何新式教育的中国妇杨振宁从她那里学到3000个汉字和坚强的意志，这种意志给了他无穷的力量。 童年的他是一个淘气的孩子，至少是一个不守规矩的孩子。1929年，在他7岁时随父亲来到开始在清华园内读小学，自称“清华的每一棵树都爬过，几乎每一棵都研究过 。十二三岁在崇德(现在的北京第31中学)念书的时候，喜欢东看西看。有一天发现一本“神秘的宇宙 非常有意义中讲述了20世纪到当时为止，世界上所发现的一些物理学的现象和理论。他回家就和父母开玩笑将来要得诺贝尔奖。 为什么身为著名的数学家之子，没有读数学呢？杨先生解释，因为父亲杨武之认为，中国必须地把实际的事情搞上去，所以建议他读化学。在报考大学之前，由于中学没有学过物理，杨振宁于门一个月自修物理，竟然发现物理十分有意思，进入西南联大以后，就转到物理系学习。 在西南联大读完大学和研究生课程，又教了几年书，随后决定到美国芝加哥大学留学。杨振宁以选择这所大学，不仅仅因为是他父亲的母校，更重要的一个原因是当时世界上著名的物理学家之——费米在那里教书。 每一个科学家都有独特的治学风格 在介绍科学家的风格之前，杨振宁先给大学生介绍了统计力学创始人波耳兹曼曾经写过的一段搞音乐的人，在听到几个音节以后，就能辨出莫扎特、贝多芬或者舒伯特，同样一个数学家或物理在念了几页文字以后，就能辨出柯西、高斯、雅可比、亥姆霍兹或克尔斯豪夫的作品。杨振宁对此解和解释是，每一个画家、作家、音乐家，都有他自己独立的风格。 也许有人认为，科学与文艺不同，科学是研究事实的，事实就是事实，怎么可以称之为风格？宁以物理学为例来说明科学家是有风格的。 物理学的原理有它的结构，这个结构有它的美与妙的地方。而各个物理学工作者对于“结构不美与妙 感受有不同的了解。因为大家有不同的感受，所以每个工作者就会发展他自己的研究方向究方法，也就是他会形成自己的风格。 同为20世纪大物理学家，狄拉克和海森堡的风格就不相同。狄拉克方程式奠定了今天原子和的基础，解释了无数的物理化学现象。 杨振宁认为，20世纪的物理学家中，风格最独特的就数狄拉克了。

物理学的进步对社会发展的贡献

物理学的进步对社会发展的贡献 早在1000多年前，马克思就把科学首先看成是历史的有力的杠杆，看成是最高意义上的革命力量。其中，物理学研究提高了我们对自然界的基本认识，产生了对人类有深远意义的知识。它所孕育出的新技术扎根于我们的文化中。因此，物理学的每一次革命都会推动人类社会的巨大进步。 一、日心说的建立——科学战胜神学 古希腊曾创造过灿烂的科学文化。从公元5世纪起，西方进入了黑暗的中世纪。此后，“科学只是教会恭顺的婢女”。地心说的思想博大精深并计算精确，基督教将它与神学融为一体，形成了封建神权的思想基础。由于神学的桎梏，在此后1000多年的历史长河中西方科学停滞不前。中世纪末，先进的思想家们发起了文艺复兴运动，同时宗教界也兴起了改革。这二者的结合，为科学和文艺的复兴鸣锣开道。科学，从此开始了艰难的革命。 1543年，哥白尼提出了日心说。日心说与地心说比较，最大的区别就是把宇宙的中心由地球换成了太阳。也将宇宙的中心放在一个“象征性的太阳”上在计算精度方面，哥白尼的星表“并不远比那些被它们所代替的表好”。另外，日心说还存在两个无法解答的问题：如果地球在运动，第一，为什么看不到恒星的视差?第二，竖直上抛的物体为什么会落回原处所以直到临终前，哥白尼才出版了《天体运行论》。但日心说在客观上产生了向宗教神学挑战的效果。

对地心说进行脱胎换骨的改造的是开普勒。他从弟谷·布拉赫大量的精确有天文观测资料中，总结出了行星运动三定律。其第一定律指出：行星绕太阳运动的轨道是一个椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上，从而确立了太阳在宇宙中真正的中心地位这样一来，开普勒引起了教会的极度不满。他虽然被任命为“皇家数学家”，但长期领不到薪俸，只能靠为皇室贵族算命维持生计。开普勒说：“如果‘占星术’女儿不争来两份面包，那么‘天文学’母亲就准会饿死。”1630年11月，开普勒因贫病交加而死。 伽利略为捍卫、发展和传播哥白尼学说作出了特殊的贡献。 首先，伽利略用自制的望远镜进行天文观测，有力地证实了地球在宇宙中并不比其他星球特殊。1610年，他发行了《星界信使》，公开了自己的观测成果。1632年，他又出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，对亚里士多德进行了批判，在书中，他为日心说的两大困难做了辩护：指出没发现恒星视差是因为恒星离地球太远；他用惯性原理对上抛物体落回原处作出了解释。由于该书是用意大利语写成，又是以对话的形式出现，通俗易懂，使哥白尼学说广为传播。 在1615年，伽利略受到过教会的警告。《对话》发表后的第二年，教会传讯了他并对他刑讯逼供最后伽利略被判为监禁终身，《对话》也列为禁书。相传伽利略被迫公开认错之后，还自语道：“可是，地球是在运动。”在监禁之中，他又完成了《两门新科学的对话》——这是近代自然科学诞生的标志性著作。 日心说与地心说进行了残酷的较量，直到1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》出版，才取得了历史性的胜利。《原理》建立了经典力学的理论体系提出了运动三定律和万有引力定律，揭示了行星绕太阳运动的根本原因，完成了物理学发展史上的第一次

生物物理学发展史

生物物理学的发展史 从16世纪末开始，人们就开展了生物物理现象的研究，直到20世纪40年代薛定谔（Schr?dinger）在都柏林大学关于“生命是什么”的讲演之前，可以 算是生物物理学发展的早期。19世纪末叶，生理学家开始用物理概念如力学、流体力学、光学、电学及热力学的知识深入到生理学领域，这样就逐渐形成一个新的分支学科，许多人认为这就是最初的生物物理学。实际上物理学与生物学的结合很早以前就已经开始。例如克尔肖（Kircher）在17世纪描述过生物发光的现象；波莱利（Borrelli）在其所著《动物的运动》一书中利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题。18世纪伽伐尼（Galvani）通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌肉收缩，从而发现了生物电现象。19世纪，梅那（Mayer）通过热、功和生理过程关系的研究建立了能量守恒定律。 20世纪40年代，《医学物理》介绍生物物理内容时,涉及面已相当广泛，包括听觉、色觉、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能（电镜、荧光、X射线衍射、电、光电、电位、温度调节等技术），并报道了应用电子回旋加速器研究生物对象。著名的量子物理学家薛定谔专门作了“生命是什么”的报告中提出的几个观点，如负熵与生命现象的有序性、遗传物质的分子基础，生命现象与量子论的协调性等，以后陆续都被证明是极有预见性的观点，而且均得到证实。这有力地说明了近代物理学在推动生命科学发展中的作用。 20世纪50年代，物理学在各方面取得重大成就之后，物理学实验和理论的发展为生物物理学的诞生提供了实验技术和理论方法。例如，用X射线晶体衍射技术对核酸和蛋白质空间结构的研究开创了分子生物学的新纪元，将生命科学的许多分支都推进到分子水平，同时也把这些成就逐步扩大到细胞、组织、器官等，

著名物理学家及其贡献

著名物理学家及其贡献 爱迪生：他以罕见的热情及惊人的精力，在一生中完成发明2000多项，其中申请专利登记的达1328项。主要研究领域在电学方面。在他掌握电报技术后，就日夜苦心钻研，完成了双路及四路电报装置及自动发报机。1877年改进贝尔电话装置，使电话从传送2～3英里扩大到107英里，同年发明留声机。在这期间，他付出巨大精力，研制白炽电灯。除电弧灯外，过去的“电灯”往往亮一下就烧毁了，为寻找合适的灯丝，曾对1600多种耐热材料及6000多种植物纤维进行实验，终于在1879年10月21日用碳丝做成可点燃40小时的白炽电灯。其后又不断反复改进、完善，又完成了螺纹灯座、保险丝、开关、电表等一系列发明，在此基础上完成了照明电路系统的研制。在实践中提出电灯的并联连接，直流输电的三线系统，建成了当时功率最大的发电机。1888年起研制电影，1893年建立第一座电影摄影棚。是他最先提出将电影手段用于教育，并用两个班进行试验。他的其它重大发明还有铁镍蓄电池等。 爱因斯坦：一生中开创了物理学的四个领域：狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论。他是量子理论的主要创建者之一。他在分子运动论和量子统计理论等方面也作出重大贡献。 安德森：美国物理学家，科学院院士，从事的是X射线，γ射线、宇宙射线和基本粒子物理学方面的研究工作。1932年他利用云宝在宇宙射线中发现了正电子（参见“正电子的发现”），并因此荣获1936年诺贝尔物理学奖、1933年，他又独立地从γ光子中发现了产生电

子一正电子对的现象，1937年，安德森和他的合作者尼德梅耶（S.H.Ne －ermever）发现了μ子并测量了它的质量 安培：法国物理学家，主要科学工作是在电磁学上，实验研究结果：通电螺线管与磁体相似；两个平行长直载流导线之间存在相互作用。进而他用实验证明，在地球磁场中，通电螺线管犹如小磁针样取向。一系列实验结果，提供给他一个重大线索：磁铁的磁性，是由闭合电流产生的。提出分子电流假说，终于得出了两个电流元间的作用力公式。他把自己的理论称作“电动力学”。安培在电磁学方面的主要著作是《电动力学现象的数学理论》，它是电磁学的重要经典著作之一。此外，他还提出，在螺线管中加软铁芯，可以增强磁性。1820年他首先提出利用电磁，现象传递电报讯号。 奥斯特：丹麦物理学家，长期探索电与磁之间的联系。1820年4月终于发现了电流对磁针的作用，即电流的磁效应。同年7月21日以《关于磁针上电冲突作用的实验》为题发表了他的发现。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域──电磁学。 巴耳末：瑞士数学兼物理学家，发表了氢光谱波长的公式（巴耳末公式），后刊载在1885年《物理、化学纪要》杂志上。巴耳末公式是一个经验公式。它对原子光谱理论和量子物理的发展有很大的影响，为所有后来把光谱分成线系，找出红外和紫外区域的氢光谱线系（如莱曼系、帕邢系、布拉开系等）作出了楷模，对N.玻尔建立氢原子理论也起了重要的作用。

物理学发展史

我所认知的物理学发展史 经典物理学的发展古希腊时代的阿基米德已经在流体静力学和固体的平衡方面取得辉煌成就，但当时将这些归入应用数学，并没有将他的成果特别是他的精确实验和严格的数学论证方法汲入物理学中。从希腊、罗马到漫长的中世纪，自然哲学始终是亚里士多德的一统天下。到了文艺复兴时期，哥白尼、布鲁诺、开普勒和伽利略不顾宗教的迫害，向旧传统挑战，其中伽利略把物理理论和定律建立在严格的实验和科学的论证上，因此被尊称为物理学或科学之父。 研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的一门学科。实验手段和思维方法是物理学中不可或缺和极其重要的内容，后者如相对性原理、隔离体(包括系统)法、理想模型法、微扰法、量纲分析法等，在古典和现代物理学中都有重要应用。物理学一词，源自希腊文physikos，很长时期内，它和自然哲学(naturalphilosophy)同义，探究物质世界最基本的变化规律。随着生产的发展。社会的进步和文化知识的扩展、深化，物理学以纯思辨的哲学演变到以实验为基础的科学。研究内容从较简单的机械运动扩及到较复杂的光、热、电磁等的变化，从宏观的现象剖析深入到微观的本质探讨，从低速的较稳定的物体运动进展到高速的迅变的粒子运动。新的研究领域不断开辟，而发展成熟的分支又往往分离出去，成为工程技术或应用物理学的一个分支，因此物理学的研究领域并非是一成不变的，研究方法不论是逻辑推理、数学分析和实验手段，也因不断精密化而有所创新，也难以用一个固定模式来概括。在19世纪发行的《不列颠百科全书》中，早已陆续地把力学、光学、热学理论和电学、磁学，列为专条，而物理学这一条却要到1971～1973年发行的第十四版上才首次出现。为了全面、系统地理解物理学整体，与其从定义来推敲，不如循历史源流，从物理学的发生和发展的过程来探索。 伽利略的成就是多方面的，仅就力学而言，他以物体从光滑斜面下滑将在另一斜面上升到同一高度，推论出如另一斜面的倾角极小，为达到同一高度，物体将以匀速运动趋于无限远，从而得出如无外力作用，物体将运动不息的结论。他精确地测定不同重量的物体以同一加速度沿光滑斜面下滑，并推论出物体自由下落时的加速度及其运动方程，驳倒了亚里士多德重物下落比轻物快的结论，并综合水平方向的匀速运动和垂直地面方向的匀加速运动得出抛物线轨迹和45°的最大射程角，伽利略还分析“地常动移而人不知”，提出著名的“伽利略相对性原理”（中国的成书于1800年前的《尚书考灵曜》有类似结论）。但他对力和运动变化关系的分析仍是错误的。全面、正确地概括力和运动关系的是牛顿的三条运动定律，牛顿还把地面上的重力外推到月球和整个太阳系，建立了万有引力定律。牛顿以上述的四条定律并运用他创造的“流数法”(即今微积分初步)，解决了太阳系中的二体问题，推导出开普勒三定律，从理论上解决了地球上的潮汐问题。史称牛顿是第一个综合天上和地上的机械运动并取得伟大成就的物理学家。与此同时，几何光学也有很大发展，在16世纪末或17世纪初，先后发明了显微镜和望远镜，开普勒、伽利略和牛顿都对望远镜作很大的改进。 20世纪的物理学到19世纪末期，经典物理学已经发展到很完满的阶段，许多物理学家认为物理学已接近尽头，以后的工作只是增加有效数字的位数。开尔文在19世纪最后一个除夕夜的新年祝词中说：“物理大厦已经落成，……动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空出现两朵乌云，一朵出现在光的波动理论，另一朵出现在麦克斯韦和玻耳兹曼的能量均分理论。”前者指的是以太漂移和迈克耳孙-莫雷测量地球对（绝对静止的）以太速度的实验，后者指用能量均分原理不能解释黑体辐射谱和低温下固体的比热。恰恰是这两个基本问题和开尔文所忽略的放射性，孕育了20世纪的物理学革命。 化工二班 许尚志 12071240073

牛顿对经典力学贡献

牛顿对经典力学的贡献 一、认识牛顿 艾萨克·牛顿 艾萨克·牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家，同时也是物理学家、数学家和哲学家，晚年醉心于炼金术和神学。他在1687 年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学 方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运 动定律。这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类 智慧史上最伟大的一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物 理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。牛顿为人类建立 起“理性主义”的旗帜，开启工业革命的大门。牛顿逝世后被 安葬于威斯敏斯特大教堂，成为在此长眠的第一个科学家。 二、牛顿力学 1679年，牛顿重新回到力学的研究中：引力及其对行星轨道的作用、开普勒的行星运动定律、与胡克和弗拉姆斯蒂德在力学上的讨论。他将自己的成果归结在《物体在轨道中之运动》（1684年）一书中，该书中包含有初步的、后来在《原理》中形成的运动定律。 《自然哲学的数学原理》（现常简称作《原理》）在埃德蒙·哈雷的鼓励和支持下出版于1687年7月5日。该书中牛顿阐述了其后两百年间都被视作真理的三大运动定律。牛顿使用拉丁单词“gravitas”（沉重）来为现今的引力（gravity）命名，并定义了万有引力定律。在这本书中，他还基于波义耳定律提出了首个分析测定空气中音速的方法。 三、牛顿对经典力学的贡献

所谓经典力学，是指研究在低速情况下宏观物体的机械运动所遵循的规律的力学。经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理。 牛顿在前人积累的大量动力学知识的基础上，又通过自己反复观察和实验，提出了“力”、“质量”和“动量”的明确定义，并将它们与伽利略提出的“加速度”联系起来，总结出了物体机械运动的三个基本定律。牛顿的这三个定律是人类对自然界认识的一个大飞跃，它为经典力学奠定了坚实的基础，决定了300多年来力学发展的方向，并且对其他学科的发展产生了巨大的影响，至今仍是自然科学的基础理论之一。牛顿的一生不仅为经典力学奠定了基础，而且在热学、光学、天文和数学等方面也都作出了卓越的贡献。 牛顿(1642—1727)是一位伟大的物理学家、数学家和天文学家。他在自然科学史上占有独特的地位。他的科学巨著《自然哲学的数学原理》的出版,标志着经典力学体系的建立。经典力学理论体系的科学成就和科学的方法论启迪了人类征服自然的无穷智慧,对现代化科学技术发展和社会进步产生了极其深远的影响。 牛顿经典力学认为质量和能量各自独立存在，且各自守恒，它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。牛顿力学较多采用直观的几何方法，在解决简单的力学问题时，比分析力学方便简单。 经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理，它是20世纪以前的力学，有两个基本假定：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。20世纪以来，由于物理学的发展，经典力学的局限性暴露出来。如第一个假定，实际上只适用于与光速相比低速运动的情况。在高速运动情况下，时间和长度不能再认为与观测者的运动无关。第二个假定只适用于宏观物体。在微观系统中，所有物理量在原则上不可能同时被精确测定。因此经典力学的定律一般只是宏观物体低速运动时的近似定律。 因为牛顿的力学与现代力学（以量子力学和相对论为主导）有很大差别，牛顿的力学虽然在高速和微观领域不正确（由于受当时认识水平的局限），但其在一般情况下（低速、宏观），可以很容易地处理问题（也就是说牛顿力学虽然错误但还是有用的），所以就打算把它们分别起个名字。起什么名字呢？最后，一个叫经典力学，一个叫现代力学。 牛顿三大定律

“化学”简介、含义、起源、历史与发展

化学 化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和应用的科学。世界是由物质组成的，化学则是人类用以认识和改造物质世界的主要方法和手段之一，它是一门历史悠久又富有活力的学科。它的成就是社会文明的重要标志。从开始用火的原始社会，到使用各种人造物质的现代社会，人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善，有赖于科学技术的进步，而化学的贡献在其中起了重要的作用。 化学是重要的基础科学之一，在与物理学、生物学、天文学等学科的相互渗透中，不仅本身得到了迅速的发展，同时也推动了其他学科和技术的发展。例如，核酸化学的研究结果使今天的生物学从细胞水平提高到分子水平，建立了分子生物学；对地球、月球和其他天体的化学成分的分析，得出了元素分布的规律，发现了星际空间简单化合物的存在，为天体演化和现代宇宙学提供了实验数据，创建了地球化学和宇宙化学。化学的重大成就，还丰富了自然辩证法的内容，推动了唯物主义哲学思想的发展。 化学的历史发展 原始人类从用火之时开始，由野蛮进入文明，同时也就开始了用化学方法认识和改造天然物质。火──燃烧──就是一种化学现象。掌握了火以后，人类开始熟食;逐步学会了制陶、冶铜、炼铁；以后，又懂得了酿造、染色等等。这些由天然物质加工改造而成的制品，成为古代文明的标志。在这些生产实践的基础上，萌发了古代化学知识。 古人曾根据物质的某些性质对物质进行分类，并企图追溯其本源及其变化规律。公元前4世纪或更早，中国提出了阴阳五行学说，认为万物是由金、木、水、火、土五种基本物质组合而成，而五行则是由阴阳二气相互作用而成的。此说为朴素的唯物主义自然观，用“阴阳“这个概念来解释自然界两种对立和互相消长的物质势力，认为二者的相互作用是一切自然现象变化的根源。此说为中国炼丹术的理论基础之一。公元前4世纪，希腊也提出与五行学说类似的火、风、土、水四元素说和古代原子论。这些朴素的元素思想，即为物质结构及变化理论的萌芽。后来在中国出现了炼丹术，到了公元前2世纪的秦汉时代，炼丹术已颇为盛行，大致在公元7世纪传到阿拉伯国家，与古希腊哲学相融合而形成阿拉伯炼金术，阿拉伯炼金术于中世纪传入欧洲，形成欧洲炼金术，后逐步演进为近代的化学。英文中化学一字(chemistry)的字根chem，即来源于中世纪的拉丁文炼金术(alchemia)。 炼丹术的指导思想是深信物质能转化，试图在炼丹炉中夺造化之功，人工合成金银或修炼长生不老之药，有目的地将各类物质搭配烧炼，进行实验。为此设计了研究物质变化用的各种器皿，如升华器、蒸馏器、研钵等，也创造了各种实验方法，如研磨、混合、溶解、结晶、灼烧、熔融、升华、密封等。与此同时，进一步分类研究了各种物质的性质，特别是相互反应的性能。这些都为近代化学的产生奠定了基础，许多器具和方法经过改造后仍然在今天的化学实验室中沿用。炼丹家在实验过程中发明了火药，发现了若干元素（如汞、锌、砷、锑、磷等），制成了某些合金（如黄铜、白铜），还制出和提纯了许多化合物，如明矾等。这些成果我们至今仍在利用。 16世纪开始，欧洲工业生产蓬勃兴起，推动了医药化学和冶金化学的创立和发展，使炼金术转向生活和实际，更进而注意对物质化学变化本身的研究。在元素的科学概念建立之

物理学发展简史

物理学发展简史 摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。 关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展 0 引言 物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。 1 古代物理学时期 古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。 物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。 古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。 直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。 2 近代物理学时期 近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。 近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。

牛顿对物理学的贡献

牛顿对物理学的贡献 摘要牛顿一是一位伟大的物理学家、数学家和天文学家。他在自然科学史上占有独特的地位。他的科学巨著《自然哲学的数学原理》的出版,标志着经典力学体系的建立。经典力学理论体系的科学成就和科学的方法论启迪了人类征服自然的无穷智慧, 对现代化科学技术发展和社会进步产生了极其深远的影响。 关键词牛顿物理学贡献 牛顿是伟大的物理学家, 在他所处的时代, 哥白尼提出了日心说, 开普勒从第 谷的观测资料中总结了经验的行星三定律, 伽利略又给出了力、加速度等概念并发现了惯性定律和自由落体定律。但是, 这些物理概念和物理规律是孤立的, 在逻辑上是各自独立的东西。牛顿正是“ 站在这些巨人的肩上” 对行星及地面上的物体运动作了整体的考察和研究, 用数学方法, 使物理学成为能够表述因果 性的一个完整体系。正如牛顿所说“ 自然哲学应称之为物理学”的目的在于发现自然界的结构和作用, 并且尽可能地把它们归结为一些普遍的法则和一般的 定律—用观察和实验来建立这些法则, 从而导出事物的原因和结果”。牛顿对力学的研究成果集中体现在他的科学巨著《自然哲学的数学原理》中, 这本书是科学史上极为重要的伟大著作。牛顿在《自然哲学的数学原理》书中, 提出了力学的三大定律和万有引力定律, 对宏观物体的运动给出了精确的描述, 总结了 他自己的物理发现和哲学观点。可以说在整个科学史上没有一部著作在创新或思维方面可以和该书相媲美, 在取得伟大成就方面也是如此。它不仅标志了十六、十七世纪科学革命的顶点, 也是人类文明进步的划时代标志, 它不仅总结和发 展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果, 而且也是后来所有科学著作和科学 方法楷模。该书的出版, 标志着经典力学体系的建立, 立即作为新科学的经典著作而受到崇敬, 在科学发展史上建立了一个不朽的丰碑。 1.1时代的巨著——《自然哲学的数学原理》 《自然哲学的数学原理》一书分为两大部分, 在第一部分中, 牛顿首先明确了当时人们常常混淆的几个重要概念, 如质量、惯性、外力、向心力、时间、空间等, 然后提出了运动的基本定理和定律, 即牛顿力学三定律, 力的合成与分解、动量守恒定律、质心运动定律、相对性原理以及力的等效原理等。这一部分虽然篇幅不大, 但它是全书的基础, 内容极为重要。第二部分是这些定律的应用,

史上最牛物理学盛会

史上最牛物理学盛会（索尔维1927）：真正的全明星梦之队 20世纪初，比利时化学家、业余学者、企业家、政治家和慈善家欧内斯特·索尔维创立了索尔维会议。索尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议——“索尔维会议”的经费。 1865年，索尔维发明了以他名字命名的制碱法：索尔维制碱法，产品由于质量纯净而被称为纯碱，并在世界上获得迅速发展，至今这个过程依然是制作苏打的最重要的化学工艺。 1911年10月，索尔维邀请包括居里夫人在内的当时世界上杰出的科学家们，在布鲁塞尔举行了国际性的索尔维会议，探讨物理学和化学发展中尚待解决的重大问题。后来虽然一度被第一次世界大战所打断，但从1921年开始又重新恢复，定期3年召开一次。并分为索尔维物理学会议和索尔维化学会议。1927年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。因为发轫于这次会议的阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔两人的大辩论，这次索尔维峰会被冠以“最著名”的称号。 一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。这张照片被称为是物理学的“全明星”合影。 在本次物理界最豪华聚会上，29位与会者中有17人是诺贝尔奖得主，唯一的女性居里夫人得过两次诺贝尔奖。中国武林小说史上著名的华山论剑，也没有如此阵容。摄于国际索尔维物理研究所，图中文字标出的为17位诺奖得主。 第一排：欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨德里克·洛伦兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch.E.Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔第三排：奥古斯特·皮卡尔德、E.Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed.Herzen、Théophile de Donder、埃尔温·薛定谔、E.Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊 现代物理学奠基人爱因斯坦 爱因斯坦，美籍德国犹太裔，理论物理学家，相对论的创立者，现代物理学奠基人。 1921年获诺贝尔物理学奖，1999年被美国《时代周刊》评选为“世纪伟人”。 爱因斯坦曾经是量子力学的催生者之一，但是他不满意量子力学的后续发展，爱因斯坦始终认为“量子力学（以波尔为首的哥本哈根诠释：“基本上，量子系统的

物理学最新动态与发展趋势

物理学最新动态与发展趋势 日常教学工作非常忙碌，很少有时间去探讨、了解与中学教学直接关联的物理问题。本次参加全国物理教师国培活动，有幸认识了当今物理学界的物理大家、泰山北斗，使我们知道了作为中学物理教师搞好常规教学的同时，还需要了解新的教学理念和教学方法，尤其要知道物理学的最新动态、最新发展趋势。这样才能更好的驰骋讲坛，站的高、望的远，才有可能为祖国培养一流的人才。学习之余，我们通过研讨、读书、上网，了解到当今科学研究中三个突出的基本问题：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持；所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 物理学发展的前沿领域有： 一、能物理和核物理的前沿领域 A.高能物理：高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力、它们是由什么构成和如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。由于高能加速器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进化也有深刻的影响。其前沿领域有：(1)发展“标准模型” 已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强子与轻子二类。强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。迄今我们对粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由更基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ），（υμ,μ），（υτ,τ）和三代夸克(u，d),(c，s),(t，b)。电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学（QCD）描述。这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子引起的。虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合。“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。仍存在很多基本问题有待解决。例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。这样的模型显然不能成为高能物理的基本理论。因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向基本理论的发展，是今后重要的研究领域。 （2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究 这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：中微子质量比几个电子伏特还小，而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。希格斯粒子被引入标准模型以产生规范对称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。所有这些都是有待解决的研究前沿问题。 （3）新粒子和更深层次的粒子 实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。也没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代，新的代意味着新的种类的粒子，每一种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。不计反粒子，目前构成物质结构的最小基本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。虽然直至10-17厘米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，