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物理学的发展史及心得体会

物理学的发展史归根到底其实就是人类劳动文明的一部发展史，劳动创造了人本身，而劳动是从创造工具开始的人类从开始制作第一把石刀的时候，就认识到它锐利的刃部可以集中较大的压力。工具的进一步发展和改进，导致简单机械的出现，由于运输举重物的需要，逐步出现了杠杆，滑轮、斜面等装置。由于古代生产水平的低下，人们对自然规律的认识除了直接的生产经验积累外，就是靠对自然界的观察和在这些观察经验的基础上进行的天才的直觉的思辨的猜测。在这个时期，静力学包括简单机械、杠杆原理、浮力定律等首先有所发展。在光学方面积累了光的直进、折射、反射、小孔成象、凹凸面镜等方面的知识，古希腊的欧几里德等的著作中也已经认识到光的直线传播和反射定律，并且研究了光的折射现象。关于静电和静磁现象，发现了摩擦起电磁石召铁，先发明了司南, 以后又制成了指南针。声学由于音乐的发展和乐器的制造，积累了不少乐律共鸣方面的知识等等。关于物质世界的结构和相互作用, 人们提出了诸如原子论、元气论、阴阳五行说、以太等天才的假说, 这对后来物理思想的发展, 产生了深远的影响。总之, 这个时期的物理学处于萌芽时期, 还没有从自然哲学中分化出来。观察思辫是这个时期研究的主要方法。与这种物理学状况相适应,在自然科学家中占统治地位的自然观,是原始的唯物论和朴素的辩证法。

而物理学大体上可以分为两个时期，一个是十九世纪前人类对声光热电力的研究的经典物理学时期，另一个是十九世纪后直至现在的人类对光子量子类的研究的现代物理学时期。经典物理学经历了一段漫长的时期，由于生产的推动,物理学开始以神奇的速度发展起来。刚刚在封建社会内部诞生的资产阶级,为了促进生产力的发展, 在文艺复兴的旗帜下,向封建专制制度和宗教神权的统治发动了一场历史上空前规模的政治、经济革命和思想解放运动。自然科学就在这场伟大的进步的变革中得到突飞猛进的发展。在中世纪,物理学和其他科学一样,是神学的侍女和奴婶。哥白尼临死前, 用他的《天体运行论》向宗教神权打响了第一枪，物理学开始以飞快的速度发展起来了。在经典物理学这一时期,由于工业生产的进步,给自然科学提供了新的实验工具和手段,同时也因为数学的进步,对数、解析几何、微积分的相继诞生,使当时的物理学家有可能采用科学实验仪器和精确的数学计算作为认识大自然的锐利武器。从此以后,物理学才完全从自然哲学中分化出来,成为一门独立的真正的科学。从十六世纪到十九世纪末,经典力学、热力学和统计物理学、经典电动力学一个个建立起来,逐步形成了完整的经典物理学理论体系。这是物理学发展的第二个阶段。

在经典力学中，牛顿是经典力学的集大成者。他总结了伽利略、开普勒等人的工作,得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。从这些基本定律出发,运用他自已发明的微积分这一新的数学工具,建立了经典力学完整的体系,把天体力学和地面上物体的力学统一起来,取消了天上与人间绝对分明的界限,完成了物理学史上第一次大的综合。牛顿继承了英国唯物主义和科学实验的真正始祖培根重视归纳法的传统,主张科学研究要通过实验发现现象,然后运用归纳法总结为定律,再用数学推演建立理论体系。他的《自然哲学的数学原理》一书就是这样写成的。这无疑是一种重要的科学研究方法,对后来科学的发展起了很大的促进作用。但他轻视理论思维,反对假设,否定哲学的指导作用,结果却由于无法解释行星切向的运动,提出了“神的第一次推动”这一荒谬的假设。牛顿侮辱哲学,却作了最坏的哲学—神学的奴隶,这是一个值得重视的历史教训。

热力学和物理统计学的高速发展是因为在十八世纪末,十九世纪初时,由于产业革命的推动,蒸气机的发明和推广使用,迫切要求提高热机效率,这就促进了对热的本质和热与机械运动相互联系及转化规律的研究。法国人卡诺在十九世纪二十年代运用分析的方法,研究了热机的内部矛盾,提出了著名的卡诺循环,找到了提高热机效率的根本途径。1851年前后,英国的汤姆生、德国的克劳修斯总结了卡诺等人的工作,分别提出了热力学第二定律。热力学第二定律指出,从一个热源取出热来完全变为有用的功而不产生其他效果是不可能的。热力学第一定律和第二定律的发现,奠定了经典热力学的理论基础。特别是能量定律的建立,找到了自然界不同运动形式之间相互联系和相互转化的基本规律,从而把自然界中各种运动统一了起来。在热的唯动说理论指导下,人们进一步具体研究宏观热现象和物体内部分子运动之间的联系,分子运动论得到了迅速的发展。英国麦克斯韦、奥地利波尔兹曼、美国吉布斯等人将数学中的统计和概率的方法引人分子物理学,得到了分子运动速度分布和能量分布等一系列的规律,建立了经典统计物理学。统计物理学把热运动的宏观现象和微观机制联系起来,从大量的偶然性中发现必然性,给热力学的唯象理论提供了数学证明,在力学规律的基础上又揭示了新的统计性的规律,这是物理学的又一次重大突破。

经典电动力学的发展也经历了一段高速发展的时期。十九世纪初,人们已经发现了电流的化学效应、电流的热效应,于是很自然地提出这样的问题:电流能否产生磁效应呢? 丹麦哥本哈根大学的奥斯忒在1803年就主张:“我们的物理学将不再是关于运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零散的汇总,而我们将把整个宇宙容纳在一个体系中。”1812年,他又进一步明确提出:“我们应该检验电是否以其最隐蔽的方式对磁体有所影响。”正是在这种正确思

想指导下,经过长期的研究,他终于在1820年通过大量实验发现了电流的磁效应。他的成果一公布,法国安培等人立即在这个方向继续工作,很快就得到了电流磁效应的定量规律一安培定律以及确定电流磁效应方向的安培定则。为解释物体的磁性,安培还提出了分子电流的假说。在哲学上自然界是辩证发展的，电可以转化为磁,那么磁是否也可以转化为电呢? 安培、法拉第等人都在思考这个问题。1822年,法拉第在日记中就给自己提出了研究“转磁为电”的任务。经过近十年的不懈努力,到1831年他终于从实验中发现变化的磁场可以产生感应电流,得到了电磁感应定律,初步揭示了电和磁之间的辩证关系,为发电机、电动机的制造发明奠定了理论基础。直至十九世纪六十年代，英国人麦克斯韦把从库仑定律到法拉第定律系统地总结起来,用一套偏微分方程加以概括,建立了电动力学的基本运动方程—麦克斯韦方程组。他还提出了位移电流的概念,认为不仅传导电流产生磁场,空间电场的变化也会产生磁场,反之,变化的磁场不仅在导体中感生电流,在空间中也会产生电场。这样就得到了变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场的结论。电场磁场的相互转化就产生了电磁波。他还证明,光也是一种电磁波,从而把电、磁、光等过去认为互不联系的现象统一起来,实现了经典物理学第三次大的综合。

经典物理学完成以后,不少物理学家认为,物理学的大厦已经落成,人类对自然界的认识已经到了尽头,剩下的事情不多了。有的学者这样告诉自己的学生:“别的项目比物理学有希望得多,将来的物理学只是余下的渣滓,次要的事情。”当德国著名的物理学家普朗克年轻时向他的老师求教,是选择音乐还是物理作为自己终身的职业时,得到的答复是:“物理学基本上是一门已完成了的科学,因此,对于物理学的研究实际上是不会有多大成果的。”正当物理学家们踌躇满志,在“物理学晴朗天空”下面陶醉于对自然界的胜利之中时,科学实验却揭示了许多经典物理学所无法解释的关于自然界的奥秘,特别是关于微观世界和高速领域许多新现象的发现,给形而上学的自然观以致命打击,导致了物理学的一场伟大而深刻的革命。伴随着一系列的问题，科学家们开始着手实践而非在理论上突破，实践是科学理论的源泉, 也是检验真理的唯一标准。十九世纪末期到二十世纪二十年代末,是一个以一系列新发现为前导的物理学大革命时期。这是一个英雄的时代,一个需要巨人而且产生了巨人的时代。在物理学的天空中,群星灿烂,爱因斯坦是其中最光彩夺目的一颗,在科学革命的舞台上,英雄辈出。英国的剑桥、德国的哥丁根、丹麦的哥本哈根等大学中都汇集和培养了一大批年青的物理学闯将。他们为现代物理学两大基石一相对论和量子力学的建立,作出了卓越的贡献。

相对论的建立,是由经典物理学向现代物理学发展的一个重要标志,它使人