“宏观”物理学的探索史，是你无法想象的美！

第一章：“宏观”物理学的探索史，是你无法想象的美！

我相信每一个了解过物理学探索过程的人，都是会觉得这是一首晦涩的诗歌，这是一幅抽象的图，这是一场没有结局的战争，这是一个让无数青年才俊沸腾的天堂。

今天我带大家来走进宏观物理学的殿堂，来认识一下有哪些人在这个殿堂里留下了名字？ 他们说了什么？ 他们还有什么难言之隐？

我们知道物理学主要是研究物质、能量及它们彼此之间的关系。它是最早形成的自然科学学科之一。最早的物理学著作是古希腊科学家亚里士多德的《物理学》。形成物理学的元素主要来自对天文学、光学和力学的研究，而这些研究通过几何学的方法统合在一起形成了物理学。

自希腊远古时期 (公元前 650–480 年)，前苏格拉底哲学家逐渐理性地认识自然。 其中米利都的哲学家泰勒斯因为他拒绝以各种超自然，宗教或神话的方式解释自然现象，所以人们称他为科学之祖。此外，泰勒斯宣称每个事件皆有仅需诉诸自然的原因。

公元前 580 年，泰勒斯贡献良多，他推测水是万物之源，作磁铁与琥珀的吸引实验，并且形式化史上第一笔的天文学知识。作为史上首位提出演化思想而闻名的人，阿那克西曼德，并不同意泰勒斯的“水是万物之源”观点。他主张无穷才是万物的基石。

大家注意，无论是泰勒斯还是阿那克西曼德的观点，都是具有朴素的唯物主义观点的。水是万物之源的观点，类似中国的五行说。而无穷是万物基石的感念，和中国老子的道如出一辙。但老子的学说更形象化。所以古往今来，至今不衰。

大约于公元前 500 年，赫拉克利特主张只有少数几个掌控宇宙的基本定律才是万物变化的原理，并且，任何事物随时都在变化；没有事物能永恒地维持在相同状态中。这个观点在当时来说很前卫。

早期的哲学家，留基伯坚决反对神、上帝借由天意来影响自然现象，并主张任何自然现象都是必然的。留基伯与他的学生，德谟克利特，为史上首先提出原子论的人，主张任何一切物质皆由各种不可分割、不灭的称作原子的元素所组成。

在经典希腊时期以及希腊化时代，亚里士多德写下史上第一本被称作物理学的书，日后成为著名的亚里士多德物理学，他企图借由四元素解释物体的运动（以及落体现象）。亚里士多德相信，所有物质都由以太，或另外的四元素所组成：土、水、风、火。

根据亚里士多德，这四个陆地上的元素能够相互转换，并且朝向它们各自的自然位置移动。因此，石头往宇宙中心【即地球中心】坠落，但火总是往地球外围靠近。

虽然亚里士多德的很多理论在现在人看来是错误的，但我们不能否认人类的认识就是从他的基础上，不断深化，否定又肯定，否定又肯定，才有了我们现在的物理学体系。

先是经典物理学迅速发展起来，经典物理学指的是不涉及到量子力学或相对论的物理学，例如，牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁学等等。

而经典物理学，绕不开谈力学。力学是最原始的物理学分支之一，而最原始的力学则是静力学。静力学源于人类文明初期生产劳动中所使用的简单机械，如杠杆、滑轮、斜面等:。

古希腊人从大量的经验中了解到一些与静力学相关的基本概念和原理，如杠杆原理和阿基米德定律，这是我们初中学习的内容。

从1609至1619年期间，天文学家约翰内斯·开普勒先后发现开普勒行星运动三大定律，准确估算出从天文观测获得的行星绕着太阳的公转数据，总结了他的老师第谷·布拉赫毕生的观测数据。他的贡献为人类进一步研究天体物理，和后来的牛顿万有引力打下了良好的基础。

到了17世纪，自然哲学家逐渐展开了一场针对中世纪经院哲学的进攻，他们持有的观点是，从力学和天文学研究抽象出的数学模型将适用于描述整个宇宙中的运动。被誉为“现代自然科学之父”的意大利物理学家、数学家、天文学家伽利略·伽利莱就是这场转变中的领军人物。

伽利略所处的时代正值思想活跃的文艺复兴之后，在此之前列奥纳多·达芬奇所进行的物理实验、尼古拉斯·哥白尼的日心说以及弗朗西斯·培根提出的注重实验经验的科学方法论都是促使伽利略深入研究自然科学的重要因素，哥白尼的日心说更是直接推动了伽利略试图用数学对宇宙中天体的运动进行描述。

伽利略意识到这种数学性描述的哲学价值，他注意到哥白尼对太阳、地球、月球和其他行星的运动所作的研究工作，并认为这些在当时看来相当激进的分析，将有可能被用来证明经院哲学家们对自然界的描述与实际情形不符。

伽利略进行了一系列力学实验阐述了他关于运动的一系列观点，包括借助斜面实验和自由落体实验批驳了亚里士多德认为落体速度和重量成正比的观点，还总结出了自由落体的距离与时间平方成正比的关系，以及著名的斜面理想实验来思考运动的问题。他在1632年出版的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中提到：“只要斜面延伸下去，球将无限地继续运动，而且不断加速，因为此乃运动着的重物的本质。”。伽利略在天文学上最著名的贡献是于1609年改良了折射望远镜，并借此发现了木星的四颗卫星、太阳黑子以及金星类似于月球的相。

可以夸不夸张的说，很多现代物理学大咖们都是受伽利略的影响最深。他的实验方法，他的理论都是经典物理的基础，基石。牛顿据此建立了牛顿三大定律；爱因斯坦通过深刻了解惯性，惯性系和运动的关系，建立了狭义相对论。

1687年，英格兰物理学家艾萨克·牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书，这部里程碑式的著作标志着经典力学体系的正式建立。牛顿在人类历史上首次用一组普适性的基础数学原理——牛顿三大运动定律和万有引力定律——来描述宇宙间所有物体的运动。

牛顿放弃了物体的运动轨迹是自然本性的观点（例如开普勒认为行星运动轨道本性就是椭圆的），相反，他指出，任何现在可观测到的运动、以及任何未来将发生的运动，都能够通过它们已知的运动状态、物体质量和外加作用力并使用相应原理进行数学推导计算得出。

伽利略、笛卡尔的动力学研究（“地上的”力学），以及开普勒和法国天文学家伊斯梅尔·布里阿德在天文学领域的研究（“天上的”力学）都影响着牛顿对自然科学的研究。（布里阿德曾特别指出从太阳发出到行星的作用力应当与距离成平方反比关系，虽然他本人并不认为这种力真的存在）。

1673年惠更斯独立提出了圆周运动的离心力公式（牛顿在1665年曾用数学手段得到类似公式），这使得在当时科学家能够普遍从开普勒第三定律推导出平方反比律。

罗伯特·胡克、爱德蒙·哈雷等人由此考虑了在平方反比力场中物体运动轨道的形状，1684年哈雷向牛顿请教了这个问题，牛顿随后在一篇9页的论文中做了解答。在这篇论文中牛顿讨论了在有心平方反比力场中物体的运动，并推导出了开普勒行星运动三定律。

其后牛顿发表了他的第二篇论文《论物体的运动》，在这篇论文中他阐述了惯性定律，并详细讨论了引力与质量成正比、与距离平方成反比的性质以及引力在全宇宙中的普遍性。这些理论最终都汇总到牛顿在1687年出版的《原理》一书中，牛顿在书中列出了公理形式的三大运动定律和导出的六个推论（推论1、2描述了力的合成和分解、运动叠加原理；推论3、4描述了动量守恒定律；推论5、6描述了伽利略相对性原理）。由此，牛顿统一了“天上的”和“地上的”力学，建立了基于三大运动定律的力学体系。

所以大家可以看到，一个伟大的理论的诞生，往往不是一个人可以的。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。

牛顿的原理引起了欧洲大陆哲学家们的争议，他们认为牛顿的理论对物体运动和引力缺乏一个形而上学的解释，从而是不可接受的。

从1700年左右开始，大陆哲学和英国传统哲学之间产生的矛盾开始升级，裂痕开始增大，这主要是根源于牛顿与莱布尼兹各自的追随者就谁最先发展了微积分所展开的唇枪舌战，在此不作详细说明。

牛顿的理论体系是建立在他的绝对时间和绝对空间的假设之上的，牛顿对时间和空间有着如下的理解：

1、绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。

2、绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。

牛顿从绝对时空的假设进一步定义了“绝对运动”和“绝对静止”的概念，为了证明绝对运动的存在性，牛顿还在1689年构思了一个理想实验，即著名的水桶实验。

在水桶实验中，一个注水的水桶起初保持静止。当它开始发生转动时，水桶中的水最初仍保持静止，但随后也会随着水桶一起转动，于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状，直到最后和水桶的转速一致，水面相对静止。牛顿认为水面的升高显示了水脱离转轴的倾向，这种倾向不依赖于水相对周围物体的任何移动。牛顿的绝对时空观作为他理论体系的基础假设，却在其后的两百年间倍受质疑。特别是到了十九世纪末，奥地利物理学家恩斯特·马赫在他的《力学史评》中对牛顿的绝对时空观做出了尖锐的批判。而爱因斯坦从马赫原理收到启发，在狭义相对论的基础上，创立了广义相对论。

在此期间，热力学的发展也非常迅速。我们知道热学起源于人们对热现象的概念和本性的研究，热和温度的概念是在伽利略发明了温度计之后逐渐理清的。

而人们最初对热的本性的认知可以用所谓“热质说”来概括，即热是一种会从高温物体流向低温物体的物质，同时根据实验结果，热这种物质没有质量，它被称作“卡路里”。

热质说能解释很多热现象，但到了十八世纪末，英国的伦福德伯爵在慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作时，发现“铜炮在钻了很短一段时间后就会发生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的铜屑更热（像我用实验所证实的，发现它们比沸水还要热）。”伦福德认为“在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的”，因此他认为热“绝不能是具体的物质”。

在当时力学的发展已经使人们对能量的转化与守恒有了初步的理解，特别是笛卡尔的运动不灭理论和莱布尼兹的“活力守恒原理”，他认为这个代表“活力”的量在运动中是守恒的。

德国医生、物理学家尤利乌斯·冯·迈尔在工作中受到启发，在1841年发表了他关于热是机械能的一种形式的猜测，他还进一步将这个理论推广到不同形式能量之间的转化中，归纳出能量的守恒性。

他的陈述“能量既不能被产生也不能被消灭”在今天被看作是热力学第一定律最早的表述形式之一。而与此同时，英国实验物理学家、酿酒师詹姆斯·焦耳则从实验上验证了热是能量的一种形式的猜想，并在1843年给出了热功当量的实验测得值。

德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹同样从“活力守恒原理”出发，进而将能量的转化与守恒推广到机械运动以外的各种过程中，这些研究成果发表在1847年的论文《力的守恒》中。

在这些理论和实验研究的基础上，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯于1850年给出了热力学第一定律的数学形式，其后这一定律在英国物理学家开尔文勋爵等人的修订下成为物理学中的一条基本定律。 读到这里，你有什么想法？？ 我想说的是，永远不要忽视你身边小现象，这些小现象就是上帝给你打开通往天堂的路。

而热力学第二定律的建立起源于人们试图提升热机效率的探索。法国物理学家尼古拉·卡诺研究了一个由两个等温过程和两个绝热过程组成的理想可逆热力学循环（卡诺循环），并得出结论：“热机的效率只与两个热源的温差有关，而与热机的工质无关。任何热机的效率都不能高于可逆热机的效率。”卡诺的结论被看作是热力学第二定律的前身，这一成果后来被开尔文采用，利用卡诺热机只与温差有关而与工质无关的特性建立了绝对温标。

克劳修斯在研究卡诺循环中发现，在循环中有一部分热量能转化成机械能，而大部分热量则是从高温热源传递到低温热源，这两部分热量和产生的功有着确定的关系。他在1850年发表了《论热的移动力及可能由此得出的热定律》，重新阐述了卡诺定理，并在1854年的另一篇论文中进一步表述了热力学第二定律：

热永远不能从冷的物体传向热的物体，如果没有与之联系的、同时发生的其它的变化的话。— 鲁道夫·克劳修斯

詹姆斯·麦克斯韦

最早尝试建立分子运动论的人是瑞士数学家欧拉，他于1729年曾假设空气由大量旋转的球形分子构成，并且在任意温度下分子速率都相同。从这个假设出发他推导出气体压强和密度成正比，也就相当于在理论上证明了波义耳定律。而荷兰-瑞士物理学家丹尼尔·伯努利在1738年出版的《水力学》一书中，认为气体中存在大量沿不同方向运动的分子，这些分子对容器表面的冲击效应构成了宏观上的气体压强，他同样从分子运动得到了更具普遍意义的压强公式。然而这些观点在当时并未被接受，原因之一是在当时能量的转化与守恒定律还没有广为人知。这种情况一直持续到1856年，德国化学家奥古斯特·克罗尼格创建了一个简单的气体分子平动模型，由此可以导出理想气体状态方程。

1857年，克劳修斯在独立于克里尼希理论的情况下，用自己的语言建立了一个相似但更为复杂的分子运动理论，这里不但考虑了气体分子的平动，同时还考虑了转动和振动。在这一理论中克劳修斯引入了研究分子运动论的统计思想，建立了气体分子的平均自由程这一概念。不过，克劳修斯的理论只是使用了分子的平均速率，没有考虑到实际气体分子的速率实则呈现出一个分布函数。

1859年，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在阅读了克劳修斯的论文后，在论文《气体动力理论的说明》一文中建立了气体分子速率的麦克斯韦分布，这一分布函数描述了在特定速率范围内分子数量所占比例。这一定律是物理学中第一个基于统计规律的物理定律，可以说是一个重要的时刻。

路德维希·玻尔兹曼

在麦克斯韦发表分子速率分布理论之后，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼受其启发开始了对分子运动论的研究。他指出分子运动理论必须依靠统计手段来建立，并通过修订麦克斯韦分布于1871年得到了气体分子在势场中的速率分布函数，这被称作玻尔兹曼分布或麦克斯韦-玻尔兹曼分布，是经典统计力学中最基本的分布函数。

1872年，玻尔兹曼在论文《气体分子热平衡的进一步研究》中证明，非麦克斯韦分布的气体分子随着时间的推移必将趋向麦克斯韦分布，这也就是所谓H定理，是熵增原理在非平衡态下的推广。

H定理指出了过程的方向性，从而引出了所谓“可逆性佯谬”的争议：微观上分子的碰撞是可逆的，为何宏观上的整体效果却是不可逆的？玻尔兹曼针对这个问题研究了热力学第二定律的统计诠释。

他指出如果能把所有分子的微观运动同时反向，则确实可以回到初始状态；然而在实际中这种可能性几乎为零，绝大多数状态都是平衡态，因此在宏观统计规律上表现为熵总是增加的。也就是说，热力学第二定律是一条几率的定律，它的结论不能由一条动力学方程来检验。玻尔兹曼证明了熵和系统的热力学概率的自然对数成正比，这成为了玻尔兹曼熵的定义。热力学第二定律在统计诠释下可表述为：“孤立系统的熵对应着系统分子的热力学概率，并总是趋向最大值。”

我曾经在《变化》中反对韦尔兰德的关于“熵引力”的假说，其中一点就是韦尔兰德无法就宇宙系统的开放和封闭做出回答。那么熵引力就是一个尴尬。

在麦克斯韦和玻尔兹曼引入统计诠释之前，热力学始终是基于一组唯象学定律基础之上的。美国物理学家约西亚·吉布斯在麦克斯韦和玻尔兹曼思想的基础上建立了统计力学，从而能够用力学定律和统计方法来从本质上精确描述热力学定律。吉布斯的统计力学引入了系综的概念，并以刘维尔定理作为统计力学的基本方程，求解热力学宏观量实则就是求解系综在相空间中的几率分布（配分函数）。统计力学通过统计诠释建立了热力学定律与分子运动论之间的内在联系，至此成为物理学中又一个完备的理论体系。

然后再来了解一下电磁学的发展史，静电和静磁现象很早就被人类发现，由于摩擦起电现象，英语中“电”的语源为希腊语“琥珀”一词。然而直到1600年，由于威廉·吉尔伯特的严谨治学态度，才开始对于电与磁的现象出现系统性研究。

吉尔伯特是英国女王伊丽莎白一世的皇家医生，他对于电和磁情有独钟，撰写了第一本阐述电和磁的科学著作《论磁石》，其中，他指出，琥珀不是唯一可以经过摩擦产生静电的物质，钻石、蓝宝石、玻璃等等，也都可以演示出同样的电学性质，这论述成功地摧毁了一个持续了2000年的错误观念，即琥珀的吸引力是其独特性质。

吉尔伯特制成的静电验电器可以敏锐的探测静电电荷，在之后的一个世纪，这是最优良的探测静电电荷的仪器。由于在电学给出众多重要贡献，吉尔柏特被后人尊称为“电学之父”。

库仑定律是静电学中的基本定律，主要描述了静电力与电荷电量成正比，与距离的平方反比的关系。苏格兰物理学家约翰·罗比逊（1759年）和英国物理学家亨利·卡文迪什等人都进行过实验验证了静电力的平方反比律，然而他们的实验却迟迟不为人知。