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物理學史

內容簡介

內容簡介 本書介紹物理學發展的歷史，著重講述物理學基本概念、基本定律和各主要分支的形成過程，特別側重現代物理學的發展史。 本書內容包括：力學、熱學、電磁學和經典光學的發展；十九、二十世紀之交實驗新發現和現代物理學革命；相對論的建立和發展；早期量子論和量子力學的準備；量子力學的建立與發展；原子核子物理學和粒子物理學的發展；凝聚態物理學簡史；現代光學的興起；天體物理學的發展；諾貝爾物理學獎； 實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用；單位、單位制與基本常數簡史等。書中配有500多張歷史圖片，書末還附有物理學大事年表。

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介郭奕玲1931年生，江西南康人，清華大學物理系教授。從事物教育和實驗物理學史研究多年。經歷：上海師範大學、華東地質學院、臺灣東吳大學等十餘所院校的兼職教授或客座教授，以及《大學物理》編委、中國物理學會教學委員會委員等職務。著作：著有《近代物理發展中的著名實驗》、《諾貝爾物理學獎一百年》、《大學物理中的著名實驗》、《近代物理著名實驗簡介》等三十餘部著作沈慧君1935年生，淅江慈溪人，清華大學物理系教授。從事物理教學和物理學史研究多年。 經歷：中國物理學會理事、北京物理學會常務理事兼副祕書長、《物理通報》編委、贛南師範學院兼職教授。著作：著有《大學物理習題討論課指導》、《經典物理中的著名實驗》、《物理學史話》《X射線與顯微術》等二十餘部著作李精益／審核臺灣大學物理學士，美國德州大學奧斯汀分校（UT-Austin）物理博士。近二十年來積極參與科學普及化的工作，撰寫文章及翻譯書籍；主要譯作有《薛汀格的貓》、《相對論入門》及《費曼物理學講義Ⅱ》第2-4冊。另曾審校數十本書，內容涵蓋數理學科、科學史、科學普及、中外歷史等。

產品目錄

產品目錄 力學的發展1.1 歷史概述1.2 天文學的新進展揭開了科學革命的序幕1.3 慣性定律的建立 1.4 伽利略的落體研究1.5 萬有引力定律的發現1.6 《自然哲學之數學原理》和牛頓的大綜合1.7 碰撞的研究1.8 牛頓以後力學的發展1.9 牛頓的絕對時空觀和馬赫的批判熱學的發展2.1 歷史概述2.2 熱現象的早期研究2.3 熱力學第一定律的建立2.4 卡諾和熱機效率的研究2.5 絕對溫標的提出2.6 熱力學第二定律的建立2.7 熱力學第三定律的建立和低溫物理學的發展2.8 氣體動理論的發展2.9 統計物理學的創立電磁學的發展3.1 歷史概述3.2 早期的磁學和電學研究3.3 庫侖定律的發現3.4 動物電的研究和伏打電堆的發明3.5 電流的磁效應3.6 安培奠定電動力學基礎3.7 歐姆定律的發現3.8 電磁感應的發現3.9 電磁理論的兩大學派3.10 馬克士威電磁場理論的建立3.11 赫茲發現電磁波實驗3.12 馬克士威電磁場理論的發展經典光學的發展4.1 歷史概述4.2 反射定律和折射定律的建立4.3 牛頓研究光的色散4.4 光的微粒說和波動說4.5 光速的測定4.6 光譜的研究實驗新發現和現代物理學革命5.1 歷史概述5.2 十九／20世紀之交的三大實驗發現5.3 「以太漂移」的探索5.4 熱輻射的研究5.5 經典物理學的「危機」相對論的建立和發展6.1 歷史背景6.2 愛因斯坦創建狹義相對論的經過6.3 狹義相對論理論體系的建立6.4 狹義相對論的遭遇和實驗檢驗6.5 廣義相對論的建立 6.6 廣義相對論的實驗驗證早期量子論和量子力學的準備7.1 歷史概述7.2 普朗克的能量子假設7.3 光電效應的研究7.4 固體比熱7.5 原子模型的歷史演變7.6 α散射和拉塞福有核原子模型7.7 波耳的定態躍遷原子模型和對應原理7.8 索末菲和埃倫費斯特的貢獻7.9 愛因斯坦與波粒二象性7.10 X射線本性之爭7.11 康普頓效應量子力學的建立與發展8.1 歷史概述8.2 電子自旋概念和不相容原理的提出8.3 德布羅意假說 8.4 物質波理論的實驗驗證8.5 矩陣力學的創立8.6 波動力學的創立8.7 波函數的物理詮釋8.8 不確定原理和互補原理的提出8.9 關於量子力學完備性的爭論8.10 量子電動力學的發展原子核物理學和粒子物理學的發展9.1 歷史概述9.2 放射性的研究9.3 人工核反應的初次實現 9.4 探測儀器的改善 9.5 宇宙射線和正電子的發現9.6 中子的發現9.7 人工放射性的發現9.8 重核裂變的發現9.9 鏈式反應 9.10 原子核模型理論9.11 加速器的發明與建造9.12 β衰變的研究和微中子的發現9.13 介子理論和μ子的發現9.14 奇異粒子的研究9.15 弱交互作用中宇稱不守恆和CP破壞的發現9.16 強子結構和夸克理論9.17 量子色動力學的建立9.18 弱電統一理論的提出9.19 夸克模型的發展凝聚態物理學簡史10.1 歷史概述10.2 固體物理學的早期研究 10.3 固體物理學的理論基礎10.4 固體物理學的實驗基礎10.5 電晶體的發明10.6 半導體物理學和實驗技術的蓬勃發展 10.7 超導電性的研究10.8 超流動性的發現10.9 量子霍爾效應與量子流體的研究10.10 非晶態物理的發展10.11 高壓物理學的發展10.12 軟物質物理學的興起現代光學的興起11.1 雷射科學的孕育和準備11.2 微波激射器的發明11.3 雷射的設想和實現11.4 雷射技術的發展11.5 全相術的發明和應用11.6 雷射光譜學11.7 非線性光學11.8 量子光學11.9 量子資訊光學11.10 原子光學天體物理學的發展12.1 天體物理學的興起12.2 皮克林譜系之謎12.3 恆星演化理論的建立12.4 類星體的發現12.5 宇宙背景輻射的發現12.6 脈衝星的發現12.7 星際有機分子的發現12.8 黑洞的研究12.9 暗物質和暗能量的探索諾貝爾物理學獎13.1 諾貝爾物理學獎的設立13.2 諾貝爾物理學獎的分布統計13.3 時代劃分13.4 分類綜述實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用14.1 實驗在物理學發展中的作用14.2 實驗室在物理學發展中的地位單位、單位制與基本常數簡史15.1 基本單位的歷史沿革15.2 單位制的沿革15.3 基本物理常數的測定與評定15.4 物理學的新發現對基本常數的影響結語附錄 物理學大事年表參考文獻

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內文 : 1.1　歷史概述
力學是物理學中發展最早的一個分支，它和人類的生活與生產聯繫最為密切。早在遙遠的古代，人們就在生產勞動中應用了槓桿、螺旋、滑輪、斜面等簡單機械，從而促進了靜力學的發展。古希臘時代，就已形成比重和重心的概念。阿基米德（Archimedes，約西元前287-前212）的槓桿原理和浮力原理提出於西元前二百多年。我國古代的春秋戰國時期，以《墨經》為代表作的墨家，總結了大量力學知識，例如：時間與空間的聯繫、運動的相對性、力的概念、槓桿平衡、斜面的應用以及滾動和慣性等現象的分析，涉及力學的許多部門。雖然這些知識尚屬力學科學的萌芽，但在力學發展史中應有一定的地位。
16世紀以後，由於航海、戰爭和工業生產的需要，力學的研究得到了真正的發展。鐘錶工業促進了等速運動的理論；水磨機械促進了摩擦和齒輪傳動的研究；火炮的運用推動了拋射體的研究。天體的運行提供了機械運動最純粹、最精確的數據資料，使得人們有可能排除摩擦和空氣阻力的干擾，對機械運動得到規律性的認識。於是，天文學為力學找到了一個最理想的「實驗室」，這就是天體。但是，天文學的發展又和航海事業分不開，只有等到16、17世紀，這時資本主義生產方式開始興起，海外貿易和對外擴張刺激了航海的發展，這才提出對天文現象作系統觀測的迫切要求。第谷‧布拉赫（Tycho Brahe, 1546-1601）順應了這一要求，以畢生精力採集了大量觀測資料，為克卜勒（Johannes Kepler, 1571-1630；大陸用「開普勒」）的研究做了準備。克卜勒於1609年和1619年先後提出了行星運動的三條規律，即克卜勒三定律。
在數學方面，13-14世紀英國牛津大學的默頓（Merton）學院聚集了一批數學家，對運動的描述作過研究，他們提出了平均速度的概念，後來又提出加速度的概念，為新科學的誕生做了準備。
16-17世紀，以伽利略（Galileo Galilei, 1564-1642）為代表的物理學家對力學開展了廣泛研究，得到了落體定律。伽利略的兩部著作：《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）和《關於力學和運動兩門新科學的談話》（簡稱《兩門新科學》；1638年），為力學的發展奠定了思想基礎。隨後，牛頓（Isaac Newton, 1642-1727）把天體的運動規律和地面上的實驗研究成果加以綜合，進一步得到了力學的基本規律，建立了牛頓運動三定律和萬有引力定律。牛頓建立的力學體系經過丹尼爾‧伯努利（Daniel Bernoulli, 1700-1782）、拉格朗日（J. L. Lagrange, 1736-1813）、達朗貝爾（Jean le Rond d’Alembert, 1717-1783）等人的推廣和完善，形成了系統的理論，取得了廣泛的應用並發展出了流體力學、彈性力學和分析力學等分支。到了18世紀，經典力學（classical mechanics；古典力學）已經相當成熟，成為自然科學中的主導和領先學科。
機械運動是最直觀、最簡單，也最便於觀察和最早得到研究的一種運動形式。但是，任何自然界的現象都是錯綜複雜的，不可避免地會有干擾因素，不可能以完全純粹的形態自然地展現在人們面前，力學現象也不例外。因此，人們要從生產和生活中遇到的各種力學現象抽象出客觀規律，必定要有相當複雜的提煉、簡化、復現、抽象等實驗和理論研究的過程。和物理學的其他部門相比，力學的研究經歷了更為漫長的過程。從古希臘時代算起，這個過程幾乎達到兩千年之久。其所以會如此漫長，一方面是由於人類缺乏經驗，彎路在所難免，只有在研究中自覺或不自覺地摸索到了正確的研究方法，才有可能得出正確的科學結論。其次是由於生產水準低下，沒有適當的儀器設備，無從進行系統的實驗研究，難以認識和排除各種干擾。例如，摩擦和空氣阻力對力學實驗來說恐怕是無處不在的干擾因素。如果不加分析，憑直覺進行觀察，往往得到錯誤結論。古希臘時代的亞里斯多德（Aristotle，西元前384-前322）正是這一現象的代表。他主張的物體運動速度與外力成正比、重物下落比輕物快、自然界懼怕真空，以及後人用「衝力」解釋物體的持續運動的種種似是而非的論點，看起來卻與經驗沒有明顯的矛盾，所以長期沒有人懷疑。再就是長期形成的思想枷鎖抑制了人們的創造力，科學被當成是教會恭順的奴婢。只有在以達文西（Leonard da Vinci, 1452-1519；大陸用「達‧芬奇」）為代表的文藝復興運動的衝擊下，思想得到了解放，才有可能出現伽利略和牛頓這樣的科學先驅，而伽利略和牛頓的功績，就是把科學思維和實驗研究緊密結合到了一起，為力學的發展找到了一條正確的道路。
1.2　天文學的新進展揭開了科學革命的序幕
1.2.1　哥白尼的日心說
在自然科學的發展史中，以哥白尼（Nicolaus Copernicus, 1473-1543）為代表的一場關於宇宙觀的革命，對近代科學的興起，起了開路先鋒的偉大作用。人們往往把這場革命稱為哥白尼革命。
哥白尼主張的日心說，推翻了自古希臘時代即占統治地位的地心說，地心說認為地球是不動的宇宙中心，這種宇宙觀實際上是古人從局限的觀察和樸素的思維中得到的一種對宇宙的看法。這一看法，不僅在西方，而且在東方，都起著主導的作用。古人對宇宙的看法有一共同的特點，就是認為宇宙是不變的。這是因為古人對天象的認識，無非都是靠肉眼直接觀察所得的印象，結果難免會很粗淺。對宇宙生成的看法更缺乏長期觀測積累的證據，因此難以對當時天體的實際運行情況作出具體解釋，後來就逐步形成了宇宙不變的觀點。
持宇宙不變觀點的人，把星空旋轉之類的變化，看成是某種星空的自然運動，而天的本質則是永不改變的。人站在地球上看天象，很自然地就會認為日月星辰都是圍繞著大地旋轉。地心說因此產生，成為主宰天文學界千餘年的天體理想模型。較為完整的地心說宇宙模型，是托勒密（Ptolemy，約90-168）在西元2世紀提出的。這個模型繼承了古希臘的所謂圓球美滿觀念，把宇宙設計成為大球套小球，小球邊上甚至還要穿插小小球的複雜圓球體系：這個圓球的球心就是地球的球心，而恆星、太陽和月亮分布在大小不同的球面上圍繞地球作圓運動；諸行星（水星、金星、火星、木星和土星）既要在各自的小球上圍繞地球作圓運動，又要圍繞各自的小小球的球心作圓運動，這樣才能解釋為什麼表觀上看到的它們既有順行運動又有逆行運動的現象。托勒密地心說在長達一千多年的時期內，被人們廣泛接受，其原因主要是因為目視天文觀測的精度很低，按地心說預報的行星位置，又與實際位置相差不多，再有就是這一學說與《聖經》的內容相符，因而得到教會的大力保護。
在中世紀的長期黑暗之後，由於生產的發展和商品經濟的興盛導致海洋航行的發達，天文學在歐洲以意想不到的速度發展了起來。為此，人們迫切需要天文儀器，需要精密的恆星、行星的星表，當然也需要發明測定經緯度的方法。這就為天文學的發展提供了動力。而冶金、機械製造等生產部門的發展，印刷術的傳播，則為天文學的發展提供了物質條件。隨著天文觀測精度的提高，地心說用圓上加圓的軌道試圖擬合行星運動的做法，顯得既繁瑣又欠精確，因此日益遭受到尊重事實的學者的反對。
進入14-15世紀，隨著生產的發展，在歐洲封建社會內部資本主義生產關係逐漸形成。與資產階級的經濟、政治利益相適應，歐洲文化也出現了新的運動。它的主要內容就是反對中世紀的神學世界觀，擺脫教會對人們的思想束縛，衝破各種神學的和經院哲學的傳統教條。這個以文藝復興命名的運動開創了歐洲文化和思想發展的一個重要時期。
由於亞里斯多德—托勒密的地心說理論成為中世紀神學世界觀的重要精神支柱，而天文學的發展卻越來越多地揭示了這個理論的荒謬，於是天文學就成為衝破神學束縛的一個突破口。文藝復興的思想解放運動為打破地心說理論提供了思想動力和精神基礎，而這個理論體系的打破又給予宗教神學以沉重的打擊，使文藝復興運動更具有實際內容。天文學也因此首先進入近代科學的大門。
應該說，早在文藝復興時期就已有許多進步思想家和天文學家對破綻百出的地心體系表示懷疑。但是，真正打破這個體系的第一人是16世紀偉大的波蘭天文學家哥白尼。他分析了托勒密的地心體系，經過幾十年的研究，建立了一個嶄新的宇宙體系，這就是日心體系。他認識到地球也是一顆行星，和別的行星一樣，都以同心圓圍繞太陽運行。行星排列的次序是水星在最小的圓周上，依次往外是金星、地球、火星、木星，最後是土星，土星在最大的圓周上。而月球並不是行星，它圍繞地球旋轉，同時也被地球帶著圍繞太陽運行，眾恆星則固定在遙遠的空間裡，並沒有繞大地晝夜旋轉。星空的旋轉是地球自轉的視覺效應；而在地球上看到的其他行星的順行和逆行，則是所有行星繞日公轉的結果。
這個既簡單而又基本的發現，使人們對於宇宙的看法從主觀的見解改造為客觀的認識，把原始而又神秘的宇宙觀提高為簡潔又合理的科學觀念。它的提出不是隨意的猜想和主觀的推論，而是建立在理性上的科學認識。哥白尼提出新的思想，本來應該很順利地得到世人的歡迎。然而，事情不像想像的那樣簡單。中世紀黑暗時代的陰影還遠未消失，幾千年的舊勢力仍然占有統治地位，新思想的提出必然要遇到阻力。這是一場鬥爭，只有對陳舊的思想進行批判才能取得公眾的承認，所以這也是一場思想上的革命。經由這場革命，人們擺脫了對神學和古代經典的權威的迷信，以事實作為知識的來源，靠實踐判斷理論的真偽。因此，哥白尼論述日心體系的代表作《天體運行論》（De revolutionibus orbium coelestium，英譯On the Revolutions of the Heavenly Spheres，另譯《天球運行論》），就成了「自然科學的獨立宣言」。
從中世紀以來，教會的反動統治形成了一道無形的枷鎖，凡是不符合教會思想而另有主張的人，都會遭到迫害。到了16世紀，這一鬥爭變本加厲，義大利思想家布魯諾（Giordano Bruno, 1548-1600）就是一位信奉和宣揚哥白尼體系而英勇獻身的科學殉道士。他堅持透過經驗和理性來獲得科學真理，提出「懷疑原則」來反對教會權威和神學教條。他拋棄了太陽是宇宙中心的觀點，認為宇宙是無限的，在太陽系之外還有無數的世界。這些觀點比哥白尼學說更為有力地衝擊了教會的教義，因而成了反動勢力的眼中釘，被處火刑，活活燒死。