淺談經典物理學的發展

趙婷婷

（渤海大學數理學院，遼寧 錦州121000）

人們最早對物理學說做出細致的分析和科學的解釋是根據物體的機械運動，通過機械運動對動物或其他物體的機體運動獲得了較為全面的認識，從17世紀到19世紀，機械運動學說成為一套完備的理論，并成為物理學研究的主體，然而隨著人們視野的開闊并為了不斷滿足日益發展的現代化社會，人們在機械運動的基礎上又相繼了解了熱運動、磁場運動、電場運動以及萬有引力帶動的相關宇宙內行星的運動等。縱觀經典物理學的發展，大致經歷了三次有代表性的運動，可以說每一次運動都是人們對未知世界追求的一種表達，并帶動了文明的發展和物質水平的提升。

1 從日心說到萬有引力定律

1543年，歐洲物理學家哥白尼發表《天體運行論》，提出了日心說，標志著歐洲物理學說自然觀的范圍性擴展，在宗教勢力的籠罩下突破了神學的束縛，并在封建教會內部形成了“上帝創造了宇宙內萬物的中心，那就是太陽”這一理論，并很好地為宗教進行服務。哥白尼日心說提出的真正意義就在于它是對封建落后的神學說的一次抨擊，推翻了傳統意義上的“地球是萬物之本，是世界的中心”這一地球中心學說，為人類精神文明的傳播與進步做出了突出貢獻。

隨著哥白尼“日心說”的提出，很多學者對物理學進行了更深層次的研究，對新的宇宙觀的建立提出了更多的觀點，如意大利哲學家布魯諾，他提出，“日心說”這一太陽核心觀并不能成立，宇宙內并不是所有星體都圍繞著太陽轉動，其實每個恒星都是中心，只不過離地球距離的遠近不同而已。這一觀點的提出引發熱議，人們開始對“日心說”提出質疑，而布魯諾更是為宣揚自己的主張到處發表演講，在教會內形成一股反封建勢力，教會因此感受到了壓迫，為穩定權利和地位，將布魯諾捕獲并囚禁7年，在獄中，布魯諾不服管制，最終被判處火刑。

布魯諾這一事件對后來著名物理學家開普勒的天文觀測產生了重要影響，他通過他的老師弟谷以及自身的不斷實際觀測總結出了開普勒行星運動三定律，并對后世的物理學以及航空領域產生了深遠的影響。首先，開普勒第一定律確立了太陽在宇宙中的中心地位，這也是對“日心說”通過科學理論進行的解釋，所有的行星都是通過一個特定的軌道圍繞太陽進行圓周運動；開普勒第二定律進一步論述了行星的運動，這一運動并不是完全的圓周運動，即它們的運行軌道并非圓形，而是以一個特定周期進行等面積運動；第三定律用公式用數據解釋了行星的運動規律。開普勒三定律的提出引起了眾多科學家的探討，盡管這一定律明確了行星的運動規律，但是卻無法解釋為何會發生這些運動，比如為什么地球會繞太陽公轉而不是繞月球進行轉動。1687年，英國物理學家牛頓根據一系列實驗總結出了力學的運行規律，形成了一套新的力學體系，并提出了運動三定律和萬有引力定律，其中運動三定律是對力學的科學解釋，總體來說就是物體在受力以及受哪種力的情況下會做出怎樣的運動，且這種運動趨勢在外力的作用下會做出怎樣的改變。萬有引力定律通過重力的引用，不僅解釋了星體的運行規律和運行原理，還揭示了自然界的一種基本規律——物體之間的相互作用，大到宇宙中的天體，小到塵埃甚至是看不到的微觀粒子，它們之間都存在相互作用力，這是物質之間發生關系的基本原理。

從日心說的提出到牛頓的萬有引力定律，經典物理學完成了人類物理學史上的第一次科學與價值的較量，也暗示著物理學革命的積極作用，從牛頓的萬有引力定律萌生出的啟蒙運動以及西方先進的思想文化，無論是對物理學還是自然界整體，無疑都產生了不可替代的重要影響。

2 從蒸汽機到能量的轉換與守恒定律

1765年，瓦特對蒸汽機的改良實現了蒸汽技術的生產生活化運用，實現了歷史性的突破，他將蒸汽機的冷凝過程安排到設備外端，實現了蒸汽機的恒溫轉化，大大增強了蒸汽機的使用效率，降低了運作成本，為工業和農業以及機械化生產產生了重要影響。1807年，以蒸汽機作為動力的美國“克萊蒙特號”誕生，在航海領域取得了重大突破。1814年，史蒂芬孫制造出世界上第一臺實用性蒸汽機，成為資產階級生產領域的核心動力資源。

通過蒸汽機原理，很多科學家開始研發高效率的熱機，希望通過效率的提升降低運行成本，并廣泛推廣到各種動力設備中，1842年邁爾醫生首次提出了能量守恒定律，認為在一定條件下熱能能夠與機械能實現完全轉化，作為一種形式發揮熱的能量作用。1847年，德國物理學家亥姆霍茲系統地解釋了能量守恒定律，揭示了人類社會中潛在的能量轉化規律，任何物理行為都可以用能量的觀點來解釋，無論是微觀粒子還是宏觀物質，能量守恒定律可以涵蓋所有的熱能、機械能、光能、電能、磁能以及諸多的物理化學反應，在多種能量共存的多合場中也成立，且能量只會通過不同形式而轉化，它既不會憑空產生，也不會無故消失。能量守恒定律的提出，實現了物理學研究的空前發展，將物理學賦予能量的觀點，推動了社會發展和人們生活水平的提升，更多的機械設備和電子設備產生，也在一定程度上豐富了人們的文化生活。

3 從指南針到統一的電磁場理論

指南針是我國四大發明之一，也是我國物理學史中的一次重大轉折，宋代的《萍州可談》中就提到了廣州的研究者用指南針進行航海并順利返航，指南針通過電磁場作用共同推動，在諸多領域廣泛使用并用于方向導航。在物理學史中，第一次對電磁場理論進行系統研究的是吉爾伯特發表的《論磁》，他不僅發現了磁場的一般規律，同時發現了物質摩擦起電的現象。

1785年庫侖借助扭秤實驗總結了靜電力和磁極之間的作用機理，1820年奧斯特發現了電流的磁效應，將磁現象與電現象相結合進行研究，總結得出任何有電流的導線都可以在周圍產生磁場，被稱為電流的磁效應，可以通過右手定則來判斷磁場力的方向，并結合公式進行計算。

1831年英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，并制造出了第一臺手搖發電機，為新能源的開發和使用打開了科學的大門，此后，電磁感應原理被廣泛運用到人們的生產和生活領域中，這也是物理學史上實現的第二次重大突破。

為了更好地解釋電磁場現象，麥克斯韋提出了“位移電流”和“漩渦磁場”，并預言了電磁波的存在，為后來電子產業的發展和互聯網時代的到來奠定了重要基礎，如現在的人造衛星、智能手機、電子計算機網絡等通訊工具和信息傳輸工具都是通過電磁波進行連接和定位，都離不開電磁波的熱傳導，通過電磁場理論的建立，人們的視野迅速擴大，世界形成了一個整體，全球化經濟進程加快，人類實現了認識自然和改變自然的又一次大跨越，在這一基礎上，汽車、火車、輪船的產生以及信息化產業實現了大發展，不僅加強了人們對未知世界的認識，也推動了人類文明發展的不斷進步。

［1］馬克思恩格斯全集(第一卷)[M].北京：人民出版社,1956：256.

［2］張慶勝,李會聯.物理與文明[M].北京：北京理工大學出版社,2007.

［3］鄒海林,徐建培.科學技術史概論[M].北京：科學出版社,2004.