经典物理学 1919世纪物理学思想的基本特征世纪物理学思想的基本特征第 8讲四、19世纪科学思想的基本特征 广度和深度比1618世纪更高了:时间-追溯到太阳系的起 源;空间-确立了微小原子与庞大银河系的存在;深度-开 始涉及宇宙的未来等深奥的理论问题 既注重个体现象的研究，更注重这些现象之间的联系和发展 历程 从搜集材料发展到整理材料的阶段,从实验科学走向了理论 科学一、经典物理学的成就和基本观念 （一）经典力学和机械决定论 （二）热力学与能量和熵 （三）经典电动力学和“以太”说 （四）经典物理学的完成和局限 由伽利略(15641642)和牛顿(16421727)等 人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在 各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系 统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电 诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是 它的三大支柱经典力学、经典电动力学、 经典热力学和统计力学已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完 美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理 学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远 的影响（一）经典力学和机械决定论 由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实 现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。 在l687年出版的自然哲学的数学原理中，牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力 定律。利用变分法的数学方法和“最小作用量原 理”的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等 价的欧拉拉格朗日方程，并最终于1834年由 英国的哈密顿(18051865)提出了哈密顿原理 和正则方程，建立了“分析力学”理论，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃（二）热力学与能量和熵 能量守恒原理的建立，使物理学思想和 理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自然科学上的一个伟大胜利也是近代物理 学发展中的第二次理论大综合 熵原理的发现，实际上把演化的思想带 进了物理学，指出了自然过程的不可逆 性和历史性 在经典力学和电磁场理论中，基本物理 定律中的时间都是对称的、可逆的，它 们的基本方程对时间反演都是具有对称 性的，运动对于过去和未来没有本质的 区别，时间在那里仅仅是从外部描述运 动的一个参量，它的变化对运动的性质 并无影响。因而时间箭头在那里没有实 质性的意义 “统计力学”这个名称是1884年由美国物 理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的 基础上，明确形成了“系综”概念，创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和 分子运动论的两个基本的研究方向统一 到一个有机整体之中，完成了统计力学 这个经典物理学的又一次理论大综合（三）经典电动力学和“以太”说 1862年，麦克斯韦引入了一个电磁以太 的准力学模型和“位移电流”假设，1864年提出了电动力学方程组，预言了电磁 波的存在，井揭示了光的电磁波动本性 。麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以 完全实现，并使电磁学理论的全部物理 基础得以奠定，成为近代物理学发展中 的第三次理论大综合（四）经典物理学的完成和局限 大约到了1895年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大 支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟 的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”，达到了它的颠峰时期 在力学方面，与机械观相联系的绝对时 间、绝对空间的概念以及关于质量的定 义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引 力的本质问题也采取了回避的态度。而 牛顿力学的理论框架实际上必然要把引 力看作是一种瞬时传递的超距作用，这 与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的 在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关 的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与 经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在 矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及 热力学规律的统计性质，已使经典力学的严格 确定性出现了缺口 在光学和电磁学方面，作为光波与电磁 波的传播媒介的“以太”，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测， 都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根 据电磁学理论，可用空间坐标的连续函 数描写的场，是具有能量的不能再简化 的物理实在，这又与经典力学把运动的 质点看作能量的唯一裁体的观点严重背 离