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對(duì)物理學(xué)歷史的透視
（作者未知） 2009/7/28
對(duì)學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行歷史透視有助于了解其現(xiàn)狀，展望其未來(lái)。物理學(xué)的歷史很長(zhǎng)，不能樣樣都講到,僅從牛頓開(kāi)始，牛頓以前的很多先驅(qū)性的工作只好從略了。
20世紀(jì)前物理學(xué)的三大綜合
17世紀(jì)至19世紀(jì)，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大的綜合。牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著物理學(xué)的首次綜合，第二次綜合是麥克斯韋的電磁理論的建立，第三次則是以熱力學(xué)兩大定律確立并發(fā)展出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)理論為標(biāo)志。
第一次綜合——牛頓力學(xué)
17世紀(jì)，牛頓力學(xué)構(gòu)成了完整的體系�？梢哉f(shuō)，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓將天上行星的運(yùn)動(dòng)與地球上蘋(píng)果下墜等現(xiàn)象概括到一個(gè)規(guī)律里面去了，建立了所謂的經(jīng)典力學(xué)。至于蘋(píng)果下墜啟發(fā)了牛頓的故事究竟有無(wú)歷史根據(jù)，那是另一回事，但它說(shuō)明了人們對(duì)于形象思維的偏愛(ài)。
牛頓力學(xué)的建立
牛頓實(shí)際上建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律，一個(gè)是萬(wàn)有引力定律。運(yùn)動(dòng)定律描述在力作用下物體是怎么運(yùn)動(dòng)的；萬(wàn)有引力定理則描述物體之間的基本相互作用力。牛頓將兩個(gè)定律結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動(dòng)或者地球上的拋物體運(yùn)動(dòng)都受到萬(wàn)有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個(gè)重要的力學(xué)規(guī)律總結(jié)出來(lái)的同時(shí)，也發(fā)展了數(shù)學(xué)，成為微積分的發(fā)明人。他用微積分、微分方程來(lái)解決力學(xué)問(wèn)題。
由運(yùn)動(dòng)定律建立的運(yùn)動(dòng)方程，可以用數(shù)學(xué)方法把它具體解出來(lái),這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的威力——能夠解決實(shí)際問(wèn)題。比如,如果要計(jì)算行星運(yùn)行的軌道，可以按照牛頓所給出的物理思想和數(shù)學(xué)方法，求解運(yùn)動(dòng)方程就行了。
根據(jù)現(xiàn)在軌道上行星的位置，可以倒推千百年前或預(yù)計(jì)千百年后它們的位置。海王星的發(fā)現(xiàn)就充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的預(yù)期，問(wèn)題出在哪里呢？后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在天王星軌道外面還有一顆行星，它對(duì)天王星產(chǎn)生影響，導(dǎo)致天王星的軌道偏離了預(yù)期的軌道。進(jìn)而人們用牛頓力學(xué)估計(jì)出這個(gè)行星的位置，并在預(yù)計(jì)的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星——海王星。這表明，牛頓定律是很成功的。
按照牛頓定律寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程，若已知初始條件——物體的位置和速度，就可以求出以后任何時(shí)刻物體的位置和速度。這一想法經(jīng)拉普拉斯推廣，表述為一種普適的確定論：既然組成世界的全部粒子在某一瞬間各自具有特定的位置與速度，而且都遵從確定的定律，因而隨后世界上任何情
況都將毫無(wú)例外地完全確定。這就是拉普拉斯確定論。它和宿命論的思想不謀而合，但與我們?nèi)粘Ｉ畹母惺懿煌ㄈ粘Ｉ钪薪?jīng)常碰到不確定、不可預(yù)知的情況）。這個(gè)內(nèi)涵豐富的問(wèn)題到20世紀(jì)才解決。
牛頓力學(xué)的新表述
19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家用新的、更簡(jiǎn)潔的形式重新表述牛頓定律，如拉格朗日方程組、哈密頓方程組等。這些表述形式不一，實(shí)質(zhì)并沒(méi)有改變。這是19世紀(jì)牛頓力學(xué)發(fā)展的一個(gè)方面。另一方面，就是將牛頓定律推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問(wèn)題中去，出現(xiàn)了彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。在這一方面，20世紀(jì)有更大的發(fā)展，特別是流體力學(xué)，最終導(dǎo)致航空甚至航天的出現(xiàn)。因此，牛頓定律到現(xiàn)在還是非常重要的，牛頓定律還是大學(xué)課程中不可缺少的一個(gè)組成部分。當(dāng)然，其表達(dá)方法應(yīng)隨時(shí)代發(fā)展而有所不同。
牛頓關(guān)于力學(xué)研究的成果，寫(xiě)在一本叫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（簡(jiǎn)稱《原理》）的巨著中。只要稍微翻一下這本書(shū)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是從萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)定律把行星運(yùn)動(dòng)的軌道推導(dǎo)了出來(lái)�，F(xiàn)在在學(xué)習(xí)理論力學(xué)時(shí)，行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道問(wèn)題是不太難的，解微分方程就可以求出來(lái)。但牛頓在《原理》里沒(méi)有用微積分，更沒(méi)有用解微分方程的方法，而純粹是用幾何方法把橢圓軌道推出來(lái)的。
現(xiàn)代科學(xué)家就不一定能看懂他這一套東西。理論物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾說(shuō)他對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)比牛頓強(qiáng)得多，但對(duì)17世紀(jì)牛頓熟悉的幾何學(xué)他就不一定能全部掌握。他花了好些時(shí)間，想用牛頓的思路把行星的橢圓軌道全部證明出來(lái)，結(jié)果還是有些環(huán)節(jié)證不出來(lái)。最后他不得已調(diào)整了方法。雖然沒(méi)有完全依照牛頓的方法，但基本上還是用幾何方法把這個(gè)問(wèn)題證明出來(lái)了。
科學(xué)理論的表達(dá)是隨時(shí)間變化的�，F(xiàn)在看來(lái)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律的關(guān)鍵問(wèn)題，譬如行星運(yùn)動(dòng)是橢圓軌道，應(yīng)有可能在普通物理中講授，因?yàn)楹?jiǎn)單的微分方程已經(jīng)可以用計(jì)算機(jī)求解了。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也許今后講牛頓定律時(shí)，就可以在課堂上把行星運(yùn)動(dòng)橢圓軌道的一些基本概念說(shuō)清楚了。這也可以說(shuō)明，教學(xué)問(wèn)題與現(xiàn)代科技是息息相關(guān)的。
不可積問(wèn)題
牛頓定律取得了很大的成功，它具有完全確定的規(guī)律性。但它和拉普拉斯的確定論究竟是什么關(guān)系？這值得探討。
另一個(gè)值得一提的，是所謂的三體問(wèn)題。一體問(wèn)題最簡(jiǎn)單，一個(gè)物體在固定的中心力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。兩體問(wèn)題也不復(fù)雜，就是兩個(gè)互相吸引的物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，結(jié)果是兩個(gè)物體都繞（未完，下一頁(yè)）
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