物理学的发展：从经典物理学到现代物理学
物理学的发展：从经典物理学到现代物理学
物理学的发展历程是一部人类探索自然奥秘的壮丽史诗。从17世纪的经典物理学奠基，到20世纪现代物理学的革命性突破，人类对物质世界的认知不断深化。本文将带你领略物理学发展的辉煌历程，重点介绍粒子物理学、宇宙学和非线性物理学三大领域的重大发现。
经典物理学与现代物理学
经典物理学的诞生始于17世纪后半期。这一时期，伽利略（Galileo Galilei）、开普勒（Johannes Kepler）和牛顿（Issac Newton）做出了奠基性的贡献。1666年，牛顿发展了微积分的基本概念，得到了后来以他名字命名的经典力学三大定律，这标志着近代物理学的发端。1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，从这时开始，物理学中重视观察实验、提供假设和运用逻辑推理的科学研究方法对后世影响深远。
18至19世纪是物理学蓬勃发展的时期。焦耳（J.P.Joule）、迈尔（J.R.Mayer）、开尔文勋爵和克劳修斯（R.Clausius）奠定了描述热现象、凝聚态的热力学的基础。玻尔兹曼（L.Boltzmann）和吉布斯（J.W.Gibbs）则开辟了关于热现象、凝聚态宏观描述和微观描述间关系的统计物理学。同一时期，库仑（C.A.Coulomb）和法拉第（M.Faraday）等人对电磁学作出了巨大贡献，法拉第初步建立了电磁场的概念，后来由麦克斯韦（J.C.Maxwell）建立起概括各种电磁现象的麦克斯韦方程组并预言了电磁波的存在，20年后的1888年则由赫兹（H.R.Hertz）用实验证实。
以牛顿定律为基础的经典力学、热力学与统计物理学以及电磁学构成了经典物理学的大厦，似乎人类对自然的认识已达到完美的境地。但就在19世纪和20世纪之交，物理学界还有三大发现，分别是伦琴（W.K.Rontgen）发现了X射线，汤姆逊（J.J.Thomson）发现了电子和贝克勒尔（A.H.Becquerel）发现了放射性。于是物理学的研究从宏观转向微观，经典物理学遇到了前所未有的困难，有远见的物理学家们意识到将有新的突破。
首先，爱因斯坦（A.Einstein）于1905年提出了狭义相对论，又于1915年提出了广义相对论，建立了崭新的时空观和引力理论，将相对性原理及对称性推广于全部基本物理学。其次，物理学的另一次革命是由普朗克（M.Planck）、玻尔（N.Bohr）、薛定谔（E.Schrodinger）、海森堡（W.K.Heisenberg）和狄拉克（P.A.M.Dirac）共同建立了量子力学。于是狭义相对论、广义相对论和量子力学构造了20世纪现代物理学的基础，在此基础上，粒子物理学、原子核物理、原子与分子物理学、凝聚态物理、等离子体物理、天体物理以至生物物理学均得到迅速的发展。
现代物理学的发展
(1)粒子物理学：微观世界
1898年，汤姆逊（J.J.Thomson）发现电子，卢瑟福（E.Rutherford）于1914年发现原子有带电的核并发现质子，随后查德威克（J.Chadwick）于1932年发现中子，1934年汤川秀树（H.Yukawa）提出核子通过交换介子结合在一起，这一思想后来发展为四种基本相互作用的概念，即引力作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。1927年狄拉克（Dirac）得出了关于电子的方程即狄拉克方程，它满足狭义相对论的理论且能解释实验中已观测到的电子自旋可取和，同时预言存在正电子和一切构成物质的粒子具有反粒子。1932年安德森（C.D.Anderson）根据宇宙射线证实正电子存在，1933年他发现正负电子对的产生和湮灭，至于正负电子对的产生和湮灭，我国的物理学家赵忠尧也做了一些实验。1930年泡利（W.Pauli）预言中微子的存在，后来我国另一个物理学家王淦昌对如何验证其存在提出了一些设想，再后来有物理学家于1953年用实验证实中微子的存在，他的方法和王淦昌的设想有密切联系。在微观物理方面，物理学家李政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称不守恒并于1957年获诺贝尔奖，丁肇中和Richter分别独立发现粒子和粒子，他们获得了1976年诺贝尔物理学奖。
现在已有数百种粒子被发现。按现代物理学的观点，物质均由轻子和夸克组成。有6种轻子，即电子、μ子、τ子、电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，而每一种均有反粒子，那么共有12种。夸克有6种味，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，每种味又分红、蓝和绿3种色，这里要说明的是，味与色自然不具有味觉或视觉上的意义，其实相当于用编号来标志不同性质。四种相互作用均有作为媒介的规范玻色子，电磁力以光子为媒介，弱相互作用力的媒介为W粒子和Z粒子，强相互作用力的媒介有8种颜色的胶子。还有已经被实验证实的希格斯粒子，完成这项工作的恩格勒特（Englert）和希格斯（Higgs）获得了2013年的诺贝尔奖。杨振宁和米尔斯（R.L.Mills）提出的关于描述相互作用的规范理论，已被用于将弱相互作用、电磁相互作用统一起来。上面关于物质结构的认识虽需进一步探索，但它体现了人类关于物质结构的重大突破。
(2)宇宙学：宇宙的演化
由于20世纪广义相对论和基本粒子物理的发展以及射电天文和空间技术的进步，人类对宇宙的认识发生了巨大变革，即宇宙处于动态变化之中，即有了它的诞生、发展和演化。伽莫夫（G.Gamow）最早提出宇宙的大爆炸假说，约100亿年前宇宙差不多是个奇点，经过一次大爆炸，达到难以想象的高温，此时连原子都不能存在，仅存在辐射和基本粒子。随着宇宙的膨胀，能量逐步分散且温度降低。
大爆炸后的前10^-43秒称为普朗克时代，这时自然界的四种力是统一的即只有一种力。到大爆炸后约10^-36秒，发生一次大变化，引力作用分离出来，称为大统一时代，此时物理学称气态凝为液态以及液态凝为固态为相变，宇宙演化中的变化也被称作相变。在大爆炸后约10^-12秒的相变中温度降至约10^15K，此时强相互作用分离出来，宇宙进入强子为主的时代。当宇宙年龄达到约10^-6秒时温度降至约10^12K并进一步降低，核子与反核子相互撞击而湮灭，以及质子与反质子湮灭为光子和轻子。宇宙大爆炸模型认为核子多于反核子，故仍有核子存在，正因如此才有现在的宇宙。到约1秒时，电子、μ子和中微子等轻子占主要地位，宇宙进入轻子时代。直到38万年时宇宙进入辐射为主的时代，更多能量包含在辐射中。大爆炸后到3分钟是质子和中子形成核的时期，最初是轻核的形成，接下来宇宙温度降至10^9K以下，电子和原子核不具有足够的能量克服它们间的电磁力而形成原子。
随着宇宙膨胀温度进一步降低，于是各种物质、恒星、银河系和其他星系的形成，便成了现在的宇宙，而宇宙仍处于不断地膨胀中，这就是目前被多数物理学家认同的宇宙大爆炸标准模型。宇宙膨胀、宇宙氦元素丰度的测定结果以及发现的宇宙空间温度约2.7K的微波背景辐射这些观测事实均支持上述模型，这意味着大爆炸模型确实取得了很高成就，但这一模型也同样留下了若干问题有待我们去探索。
(3)非线性物理：系统的复杂行为
胡克定律告诉我们，在一定弹性限度范围内，弹簧弹性力与其伸长量成正比，即成线性关系。但若伸长量超过一定限度，就不再是线性而是非线性关系，一旦系统出现非线性便可能呈现复杂行为，这种复杂行为有时会表现为规则的时空或功能有序，有时也会表现为貌似无序的序即混沌，复杂行为不仅能发生于物理和化学系统，也能发生于生命和社会系统。
这规则的序有时间周期震荡、空间周期震荡和时空有序即波动。目前研究较普遍的时空有序有形如同心圆的靶环波和螺旋波，在生命系统中有一种圆盘网柱菌群体聚集运动时便形成靶环波或螺旋波，以及心脏的室颤和心脏表面的电螺旋波的传播状况有关。
物理学和其他学科的共同发展
物理学研究对象不断发展。力学最早研究地面上物体的运动，由于牛顿发现运动定律和万有引力定律，研究对象便扩大到了宇宙天体。曾几何时人们认为物理学不涉及使原子性质发生变化的化学反应，但后来不仅深入到原子，而且深入到更小的粒子，因此物理学的研究对象的尺度大到宇宙天体小到微观粒子。20世纪中期以来，固体物理学、液体物理学、分子物理学等均有了长足的进展，物理学还广泛用于化学、生物学、地学和环境科学。半导体物理学的研究促进计算机的发展。20世纪生命科学最重要的发现是1953年DNA分子双螺旋结构模型的提出，女物理学家富兰克林（Franklin）等于1952年制成高度定向的DNA结晶纤维，并拍摄出清晰的X射线衍射照片，也推算出DNA分子是双链同轴排列的螺旋结构，以及测定了DNA螺旋体的直径和螺距，他们的工作为沃森（Watson）和克里克（Crick）提出双螺旋模型提供了充分的基础，这就是生物物理学。