物理学中的哲学思想 经典物理学，近代物理学

物理学中的哲学思想 经典物理学，近代物理学

古代和中世纪

大约公元前4000-2000年物理学中的哲学思想 经典物理学，近代物理学，在底格里斯河、幼发拉底河、尼罗河、印度河和黄河的流域逐渐形成了古代文明的中心。从公元前7世纪到公元前2世纪，古代科学在希腊和中国都取得了长足的进步。鉴于中国历史进程与欧洲历史进程的不同，中国古代物理学情况见中国物理学史。

物理学起源于古希腊理性唯物主义。早期的哲学家提出了广泛的问题，例如宇宙秩序的起源，世界多样性和多样性的起源，如何解释物质与形式、运动与变化之间的关系等等。特别是以留基普斯和德谟克利特为代表，后来由伊壁鸠鲁和卢克莱修发展起来的原子论，以及以埃利亚的芝诺为代表的斯多葛学派，主张自然的连续性。从自然的角度，对自然的结构、运动和变化做出自己的解释。自 18 世纪以来，原子理论对化学和物理学产生了相当大的影响。

古希腊罗马的物理学其实是静力学最好的，真正的代表是阿基米德。他建立了杠杆定律、浮体定律，并发明了后来以他的名字命名的螺杆泵。更重要的是，他将欧几里得几何和逻辑推理应用于解决物理问题，为经典物理学的兴起提供了一个方法论的例子。至于亚里士多德的物理学，本质上大部分是由误判和逻辑构成的几个概念的集合。他将宇宙划分为两个不同的领域，天体和地球，并将运动分为“自然”和“非自然”两类。 “不自然的运动”需要不断的外部原因。今天似乎很奇怪，支配整个中世纪的形而上学不是阿基米德的物理学，而是亚里士多德的物理学。这不仅与宗教需要有关，而且大概也与亚里士多德争论问题的巧妙方式有关。此外，泰雷兹还观察到了琥珀吸引现象；毕达哥拉斯可能已经知道某些区间的数字比例；欧几里得探索了凹面镜的反射现象；托勒密发现光的入射角与折射角成正比，他所构建的洋葱状宇宙模型（托勒密体系）对中世纪影响很大。

阿基米德

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给我一​​个支点

随着古希腊和罗马文明的衰落，在中世纪，出于对社会压力、政治迫害和早期教会牧师的反理性偏见的恐惧，为数不多的科学家和哲学家流向东方。他们的大量科学经典被引进阿拉伯国家，翻译成阿拉伯语保存下来。但在物理学中，只有光学是在阿拉伯发展起来的。这一时期相当于中国的隋唐宋初。 Al Hazen 发展了光反射和折射的知识，对眼睛的结构进行了解剖学研究，并创造了一些至今仍在使用的术语，如“角膜”、“玻璃体液”等。 12世纪至13世纪，欧洲建立了一些附有教会的学校，以1100年成立的巴黎大学为标志。此后，博洛尼亚大学、牛津大学、剑桥大学相继成立。其他。一些学者开始重新对希腊文化产生兴趣，并开始从阿拉伯语翻译原本希腊的科学著作。这些学校虽然用阿拉伯语教授亚里士多德的著作，但亚里士多德讨论问题的逻辑方式已成为欧洲的传统，无形中培养了一代又一代学生的逻辑思维习惯。 13、14世纪，一些学者在对亚里士多德运动观的评论中提出并发展了“冲动说”。尽管这些人在希腊科学的总体框架内工作，

经典物理学

在 16 和 17 世纪，一场伟大的科学革命在欧洲兴起。它是文艺复兴的产物。大量古希腊罗马文本的阿拉伯语翻译激发了人文主义和新兴公民探索现实世界和自然世界的热情。此时，东西方都积累了大量从工艺传统中获得的科学知识；此外，纺织、钟表、眼镜、玻璃等生产技术的进步为科学研究提供了新的实验手段。这场革命首先从天文学开始，然后是力学和光学。新的科学观取代了统治科学近2000年的古希腊观，科学开始独立于哲学和具有功利目标的工艺。定量的、机械的自然观取代了定性的、有机的自然观。依靠实验方法寻找具体问题的明确答案，并用符合具体理论框架的术语，甚至是数学上的定量来制定答案。科学研究的目的也是为了了解自然事物的“如何”，而不是讨论它的“为什么”。

1543年，波兰天文学家哥白尼发表了《论天体的运动》，提出了日心地心运动理论（地球绕着太阳做圆周运动），因此托勒密被神化为经院教条地心说冲突。随后，伽利略带着望远镜观察天体现象，并进行了一系列运动实验。这不仅颠覆了以亚里士多德为代表的地心说和经典运动哲学观，而且以数学形式确立了自由落体定律、惯性定律等，创造了加速度的概念。后来，开普勒在哥白尼日心说的基础上，利用第谷的观测资料，发现了行星运动的三大定律。在 C. 和更早的 S. 等人的努力下，牛顿随后提出了三个运动定律和万有引力定律。 1687年，第一版《自然哲学的数学原理》问世。在这部划时代的科学巨著中，建立了以牛顿力学为代表的经典力学体系。它不仅解决了那个时代提出的力学和天文学的重大问题，而且把科学革命推向了顶峰。牛顿力学体系将过去被认为无关紧要的地球和天空物体的运动规律概括为一个严格统一的理论。这是人类认识自然历史上的第一次。此后，P.拉普拉斯将整个太阳系整合为一个动态稳定的牛顿引力系统，建立了天体力学； 1846年，他通过牛顿理论预言并证实了海王星的存在。此时，以牛顿力学为核心的经典力学达到了最辉煌的时代。

另一个经典力学的发展序列是由 E. 、B. 、von 等人的工作形成的，并导致了 1662 年 R. Boyle 和 E. 分别独立建立了关于关系的定律气压和体积之间的关系。

从 18 世纪开始，另一批人从另一个角度构建了经典力学，称为解析力学或解析力学。 I. 和 L. Euler 研究了多粒子系统、刚体和流体动力学。 J. D' 提出了以他命名的原理来代替运动方程（参见 D' 原理）。 J. 拉格朗日建立了特别适用于复杂情况的微分方程（参见拉格朗日方程）。后来，A. Koch 在 R. Hooke 弹性定律的基础上，做出了弹性应力和变形的通用数学表达式，总结了变形体力学的最终形式。最后，W. 发展了拉格朗日微分方程并提出了最小作用原理。该原理后来被用于一系列非机械过程，并被认为是所有自然法则中最普遍的。 C. 为许多系统提出了 - 方程。从那时起，从粒子到连续体的所有力学问题都得到了解决。从理论上讲，经典力学达到了完美的地步。

光学起源于古希腊。在 13 世纪 R. Bacon 等人的工作之后，W. Snell 和 R. 在 17 世纪发展了几何光学。在实验的基础上，他们用数学方法推导出了反射定律、折射定律和一些透镜的几何理论。 1676 年，O. Romer 通过观察木星卫星的日食测量了太空中的光速。 1729 年，J.布拉德利发现了光的像差，从而结束了关于光速是瞬时还是有限的争论。像差的发现也为地震理论提供了第一个明确的直接证据。 1850 年，J. 和 A. 根据 D. Arago 的建议，测得水中的光速小于空气中的光速，从而结束了长期以来关于光密和光密的争论。光学稀有介质。更大的光速或更大的折射率的问题。牛顿对光学的贡献：一是色彩理论，证明白光是色光的混合；一是发现薄膜干涉，用定量的方法研究干涉现象。为避免色差，牛顿于1668年设计了反射望远镜。1753年，J. 成功制造了消色差折射望远镜，而F. 则描述了直棒和光栅的衍射现象。就这样，干涉、衍射、偏振等现象的发现与对光的本质的讨论相结合，光学成为了未来长期争论的话题。

起初，牛顿和笛卡尔持有射流理论（粒子理论），而胡克和惠更斯持有波动理论。两者各有千秋，但都需要借助机械模型来解释某些光现象。从 1800 年起，由于 T. Young 的工作，波浪理论有了它的辉煌岁月。杨提出了波长、频率的概念和干涉原理，并以此解释了牛顿环。他是第一个近似光的波长并区分相干光和非相干光概念的人。然后 L. 在 1809 年发现了光的偏振，他认为这是对牛顿粒子理论的证明。然而，1811年，阿拉戈用晶体观察到偏振白光的颜色现象，1815年D.布鲁斯特通过实验证实物理学中的哲学思想，当反射光和折射光相互垂直时，反射光是完全偏振的。同年，在波动理论方面取得全面进展的A.菲涅尔用画图法建立了衍射理论，并于1819年与阿拉戈一起提出了相互垂直的偏振光不干涉的证明。彼此，最后确认了光线的横向。振动。从此，建立了正确的光波理论。直到 1888 年，H. Hertz 证实了电磁波和统一光的存在，结束了关于光在哪个方向振动的争论。后来，H. 用反射理论和 D. 独立证明了电的振动磁场强度垂直于极化平面，而磁场强度的振动在极化平面上。从那时起，光学变成了电动力学。的一部分。

17、18世纪，在各种温度计的制造和温标的选择中，有两个定理推动了热力学的发展。一个是前面提到的波义耳定律，另一个是Guy-在1802年对理想气体膨胀的测量。后者指出各种气体具有相同的热膨胀系数，1/266. 6.后来更精确的测定是 1/273。这就是热力学“绝对零”这一重要概念的主导思想。

起初，人们认为热是一种流体状物质。持有这一观点的苏格兰的 J. Black 提出了“潜热”的概念，并且是第一个（1760）从概念上区分热和温度。B. （拉姆福德伯爵）于 1799 年）。最早发现热量是一种来自钻孔机械运动的运动。 1842 J. Mayer、1843 J. Joule、1847 von 等十多位科学家先后研究了蒸汽机的效率、力学，在电学、化学、人体新陈代谢等不同方面进行了独立研究，并得到了热是一种能量的规律，能量守恒，各种形式的能量相互转化。尤其是焦耳确定了热功当量，亥姆霍兹充分发展了能量守恒定律的一般含义，并最终由开尔文勋爵在1853年定义了能量守恒定律。在 1860 年左右得到认可。它很快成为所有自然科学和技术科学的基石。它揭示了热、机械、电、化学等各种运动形式的统一，从而实现了物理学的第二次理论综合。

能量守恒定律也被称为热力学第一定律。在 S. 对蒸汽机热电转换的研究的基础上，R. 和 分别于 1850 年和 1851 年建立了热力学第二定律。 1865年，克劳修斯将熵的概念引入第二定律，用它来表示一个物理系统的能量耗散程度或无序程度（又称混沌程度）。熵的概念和第二定律的建立立即在化学、天文学和所有与热现象有关的科学中发挥了不可低估的作用。 1906年，W. 提出了热力学第三定律。

随着热力学的建立和发展，分子运动学和热现象的统计方法也建立起来。起初，D. 提出了气体运动理论，但被遗忘了。化学家创造了原子和分子的现代概念，J. 定义了原子量，A. 提出了后来以他的名字命名的常数。 1858年克劳修斯提出平均自由程的概念，证明了气体分子碰撞过程的特点。 1860 年，J. 测量了平均自由程长度并建立了速度分布定律。 J. 在数学上获得了气体分子半径和每克分子数的确切数量级，后者被称为 数。特别是 、L. 和 J. Gibbs 的工作发展了分子运动学并奠定了统计物理学的基础。在这个学科分支中，出现了一个不同于牛顿的新物理学概念：统计物理学不是研究单个粒子或单体的运动状态，而是研究一大群分子的运动状态，将“概率”（）的概念引入物理学。统计力学可以处理分子运动学的所有问题，更容易推导出均分定理和克原子比热。 1887年，玻尔兹曼在熵和概率之间架起了一座数学桥梁：熵与一个状态的概率的对数成正比，它的比例因子是玻尔兹曼的普遍常数。与此同时，发现了分子运动的微小波动。涨落理论这一重要事实是对植物学家 R. Brown 在 1827 年发现悬浮粒子的运动（也称为布朗运动）是纯热现象的最佳解释。这种涨落现象在1905年由爱因斯坦研究，并被佩兰的实验证实，从而促成了原子概念的最终确立。这门学科的发展并没有就此结束，新的发现一直持续到 1940 年代。

电和磁是一个古老而晚期的学科。中国古代对此做出了一定的贡献。从 1600 年 W. 发现地球是一块大磁铁，并发表了他的《论磁学》，到 18 世纪初，研究人员面临着一些复杂的现象，如摩擦电、电火花的形成，以及大气水分、电和磁的影响。研究进展极其缓慢。其中比较重要的事件有：1745年荷兰莱顿的von 发明莱顿瓶，1752年美国人B.富兰克林的风筝实验证明了天空闪电和人工摩擦电的一致性，A.沃尔特在1775年，描述了电动发电机，后来发展为感应电动发电机。直到 1785 年 C. 发明了扭力天平，他和 H. 才独立发现了两个电荷之间的力定律，即现在的库仑定律。从那时起，已经推出了一系列发展。

L. 和 Volta 创造了电磁学历史上的一个重大转折点。伽伐尼在 1792 年报告了他对青蛙腿痉挛的实验，沃尔特立即将这一观察结果转化为物理发现，并在 1800 年制造了一个电堆。电堆提供的连续电流为电磁学的发展开辟了一个全新的领域。它最初的影响是对电解和各种离子传输的一系列研究。 1820 年，H. Oster 发现了电流的磁效应。鉴于其技术应用前景，一大批物理学家，尤其是法国的物理学家，立即涌入这一新领域，在两年内奠定了电动力学的基础。其中，A.安培发现同方向的电流相互吸引，相反方向的电流相互排斥，并提出了电磁偏转的方向定律，特别是创立了两个电流元素间相互作用的安培定律； J. Biot 和 F. 还制定了单个电流线元件的磁作用定律。几年后，1826 年，G. Ohm 确立了电阻定律，明确区分了电动势、电位梯度、电流强度的概念，奠定了电导率概念的基础。受电流磁效应发现的启发，M. 通过一系列实验终于发现了磁感应电流的效应，并于 1831 年建立了法拉第电磁感应定律。该定律是发电机的理论基础。法拉第的实验为人类开辟了新能源，开启了电时代的大门。为了解释他的实验，法拉第提出了“力线”的概念。 1855年至1864年，麦克斯韦在此概念的基础上引入了“位移电流”的概念，并在数学上建立了影响深远的电磁理论，即迄今已知的一组矢量微分方程。它以光速传播的结论（见麦克斯韦方程）。法拉第、麦克斯韦等人的工作导致了物理学史上的第三次理论综合，揭示了光、电、磁三种现象的本质统一。 1888年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，证明它具有光的所有特性。电磁波的发现预示着无线电通信和后来出现的电视技术的到来，为现代人类的物质文明奠定了坚实的基础。至此，电磁学的理论基础基本完成。

现代物理学

人们普遍认为，1895 年 X 射线的发现标志着 20 世纪现代物理学的开端。现代物理学的两大基石，相对论和量子论，彻底改变了物理学的理论基础，包括经典物理学中的空间、时间、质量、能量、原子、光、连续性、决定论和因果关系。在 20 世纪牢固确立的概念，在 1930 年代之前掀起了一场科学理论的新革命。

19世纪末20世纪初，经典物理学在面对新的实验事实时遇到了困难，与实验相一致的原始理论受到了挑战。牛顿力学无力解释水星近日点的进动；随着光的波动理论的确定，以太模型已被习惯并长期以来被认为是作为绝对静止的惯性坐标系存在的，但在 A. 的主持下，在多次重复实验中得到了否定的结果，和建筑物似乎有倒塌的危险。

爱因斯坦看到经典理论是不可能修复的，他默默地对物理理论的基础进行了根本性的改革。 1905年和1915年，他创立了狭义相对论和广义相对论。相对论否定了牛顿以来的绝对时间和绝对空间的概念，建立了新的时空观，并将牛顿力学概括为一个特例。相对论不仅是天体物理学和宇宙学的理论基础，也是亚原子世界微观物理学的理论基础。

广义相对论

广义相对论等价原理

M.普朗克于1900年提出能量量子假说来解释黑体辐射问题，并引入了著名的普朗克常数。爱因斯坦于1905年提出光的量子理论，不仅解释了光电效应等经典物理学无法解释的一些问题，也证实和发展了普朗克的思想。光量子理论认为物理学中的哲学思想 经典物理学，近代物理学，光既有连续波的性质，也有不连续的粒子性质。 1913年，N.玻尔提出了一种基于量子理论的原子模型，成功地解释了只含有一个电子的原子的光谱和其他性质。 1923年，德布罗意提出物质波的概念，波粒二象性被普遍认为是微观世界的基本特征之一。经过近 20 年的酝酿和准备，W. 、P. Dirac、M. Born、E. Schrö 等当时的一批年轻物理学家终于在 1925 年至 1927 年间建立了量子力学。它不仅解决了许多19世纪末提出的物理问题，但后来被广泛用于研究原子、分子和金属的性质，加速了原子分子物理的发展，成为物理、化学和生物学之间的桥梁。

在 19 世纪末和 20 世纪初，人们在 X 射线、放射性和镭方面取得了一系列惊人的发现。 1905年，爱因斯坦提出了著名的质能关系（E=mc），量子理论从最初解决辐射问题进入到物质本身，从而打破了古代原子不可分离的概念，人们对物质的认识从宏观的视角。进入原子内部的微观世界。 1932年，J.查德威克发现了中子，C.安德森发现了正电子，J.考克罗夫特和E.沃尔顿利用加速器实现了人工核转化。 1938 年，O. Hahn 和 F. 发现铀分裂是重原子核裂变的现象。 1942年，实现了核链式反应。在 E. Fermi 的领导下，第一座原子反应堆建成。 1945年，第一颗原子弹制造出来。从而拉开了原子能时代的序幕。

自 1932 年发现中子和正电子以来，粒子物理学已成为 20 世纪中叶以来的热门话题。新粒子的性质、结构、相互作用和转变已成为该学科的主要研究内容。自然界中存在的四种相互作用力（引力、电磁、强、弱）的统一已经取得了相当大的进展。但真正的统一还有很长的路要走。传统意义上的物理学分为高能物理学、核物理学、等离子体物理学、凝聚态物理学、复杂系统的统计物理学、宇宙学和各种交叉学科。即使是传统的物理学科，如光学和声学，在其基础理论、教学方法、实验装置、解决问题的复杂性以及可能的技术应用等方面都经历了巨大的演变和发展。物理学家不断发现新现象和新方法，实验设备和装置不断增加和更新，如强子对撞机、线性对撞机、相对论重离子对撞机、同步辐射源、激光聚变及其点火装置，甚至国际热核多国共同建设和研究的实验反应堆。在人类认识自然界的漫长历史中物理学中的哲学思想，当前关注的两个领域是宇宙的形成和粒子的分化与结合。其中，暗物质与暗能量的研究，物理学与生命科学的交叉研究，将成为21世纪物理学的热点。到目前为止，物理学已经帮助人们的“视力”扩大到宇宙的10厘米，最深到粒子内部的10厘米。

电子

与其他学科的关系

在经典物理学形成之初，磨镜和制镜技术帮助和促进了物理学和天文学。眼镜的早期发明和1600年左右望远镜、显微镜的突然问世，为伽利略等物理学家观察天体带来了便利，也促使菲涅耳、笛卡尔、牛顿等一大批光学学家进行几何光学研究。后者的成就导致了 17 世纪和 18 世纪反射望远镜、折射望远镜和消色差折射望远镜的出现。各种望远镜的进步也促进了物理学的发展，比如用它来观察月食和发现像差。在牛顿建立经典力学的同时，机械、土建、交通、航空航天等一切现代工程技术的理论基础也初步确立。

始于 1760 年代的工业革命以蒸汽机的广泛使用为标志。起初，蒸汽机的热机效率只有5%左右。为了提高蒸汽机的效率，大量的物理学家进行了热力学研究。 J. Watt 基于 J. Black 的“潜热”理论物理学中的哲学思想，在技术因素（增加冷凝器）方面对蒸汽机进行了改进。然而，当时并没有认识到气缸的热量只是部分转化为机械功。之后，卡诺确立了热电转换的循环原理，从理论上为热机效率的提高指明了方向，因此N. Otto和R. 的内燃机出现在19世纪下半叶。世纪。 一、热力学第二定律建立后不久，英国土木工程师 W. 于 1859 年将其编入蒸汽机手册。

从克劳修斯定理推导出开尔文定理

电磁学的所有重大成就都纯粹是在物理实验室中诞生的。伏打电池成功获得持续电流，开启了用电新时代。奥斯特发明的电流磁效应和法拉第建立的电磁感应定律为电气时代的到来奠定了理论基础。尤其是在实验室里用来演示感应电流的法拉第转子，原本几乎是一个玩具，但却是后来所有发电机和电动机的始祖。 19 世纪上半叶制定的一系列电磁定律促成了 1880 年代钢铁、电力、化学和内燃机的重大技术飞跃。实验室的成果催生了一大批工业技术领域的巨头和巨头。 ，如电机行业的冯·西门子，钢铁行业的H. 和马尔丁兄弟等。燃料和能源，推动了 19 世纪最后 20-30 年热辐射研究的快速发展。同样，麦克斯韦的理论预测和赫兹电磁波实验导致了1895年马可尼发明无线电，从而开创了无线电通信技术的新纪元，极大地改变了人类生活和文明进程。 This is yet of the and .

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