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  • 1 # 物理思維

    牛頓最主要的貢獻是奠定了經典力學和經典力學的數學基礎——微積分。在此基礎上數學家們把微積分更加嚴格化系統化為數學分析,在數學分析的基礎上物理學家則建立了分析力學。

    分析力學是很重要的工作,因為它是個普適的語言,既可用來描述經典力學,也可用來描述光學,電磁學,甚至量子力學和量子場論等等。分析力學有拉格朗日形式,和哈密頓形式,拉格朗日形式用的更多一些。

    分析力學是對牛頓力學的自然發展,它研究的物理現象還是力學現象。在牛頓的時代,除了有對力學現象的研究外,還有對光學現象的研究,實際上牛頓也是近代光學的鼻祖,他做了三稜鏡分光實驗,被認為是物理光學的開拓者。

    牛頓認為光是粒子,但惠更斯認為光是一種波動,到楊氏的時候更透過實驗確認光就是一種波動。與此同時對電現象和磁現象的研究也在飛速進步,法拉第是研究電現象、磁現象和光現象的集大成者,他做了那個年代幾乎所有可能的各種涉及電、磁和光的實驗,提出了力線這個重要的概念。

    麥克斯韋成功地為法拉第的力線建立起了一個數學結構——麥克斯韋方程組,並證明電磁波的速度就是光速,這意味著光是一種電磁波。

    在麥克斯韋的年代,還有一個重要的物理學家叫開爾文,開爾文在熱學、電磁學以及數學物理領域都有重要的貢獻,熱學的研究在卡諾那裡已經達到了高峰,後來開爾文,麥克斯韋以及玻爾茲曼等都對熱學有重要貢獻。

    麥克斯韋和玻爾茲曼提出熱現象與原子或分子的無規則運動有關,這個觀點在當時很難被大多數物理學家接受。因為物理學在近代以來已經牢固地確立起其實驗科學的本色,假設存在的原子或分子在當時是不可能被實驗直接觀測到的。

    到19世紀末,20世紀初的時候,物理學家已經建立起了力學、電磁學、熱力學和統計物理這三個宏偉的理論體系。與此同時工業革命也在如火如荼地進行中,此時人們已經可能做比以前更加精巧的實驗了。

    最終被我們記住名字的是愛因斯坦這個了不起的大人物,他的光芒幾乎掩蓋了同時代所有的人。愛因斯坦提出布朗運動是分子無規則熱運動的後果,並推匯出了相應的公式,使花粉顆粒的運動與液體的粘滯係數聯絡起來,這使得原子論不再是純粹的理論想象。愛因斯坦提出了狹義相對論使經典力學和電磁學協調起來。此外愛因斯坦還提出了廣義相對論,把引力幾何化,廣義相對論現在是研究宇宙學的基礎。

    最早提出量子概念的科學家是普朗克,他用這個概念解釋了黑體的熱輻射譜,此後愛因斯坦,玻爾等人又進一步發展了量子概念,解釋了光電效應,氫原子光譜等現象。但量子力學的最終完成則是三個年輕人,海森堡,薛定諤和狄拉克的功勞。狄拉克提出了相對論性量子力學,這是量子場論的先聲,在量子場論中粒子被看做是場的量子激發,量子電動力學,量子色動力學都是量子場論。

    除了場論和粒子物理外,研究固體,比如金屬或半導體等也是量子力學建立後物理學家努力的方向,目前這個領域已經發展為凝聚態物理學,這是物理學最大的一個分支,它的基本語言和量子場論其實是一樣的,但因為有豐富的實驗現象和應用前景,所以發展最快。

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