物理學史

力學的發展1
1.1　歷史概述2
1.2　天文學的新進展揭開了科學革命的序幕4
1.3　慣性定律的建立 14
1.4　伽利略的落體研究18
1.5　萬有引力定律的發現29
1.6　《自然哲學之數學原理》和牛頓的大綜合38
1.7　碰撞的研究41
1.8　牛頓以後力學的發展45
1.9　牛頓的絕對時空觀和馬赫的批判51

熱學的發展55
2.1　歷史概述56
2.2　熱現象的早期研究56
2.3　熱力學第一定律的建立65
2.4　卡諾和熱機效率的研究81
2.5　絕對溫標的提出84
2.6　熱力學第二定律的建立88
2.7　熱力學第三定律的建立和低溫物理學的發展94
2.8　氣體動理論的發展99
2.9　統計物理學的創立112

電磁學的發展125
3.1　歷史概述126
3.2　早期的磁學和電學研究126
3.3　庫侖定律的發現131
3.4　動物電的研究和伏打電堆的發明141
3.5　電流的磁效應146
3.6　安培奠定電動力學基礎151
3.7　歐姆定律的發現153
3.8　電磁感應的發現155
3.9　電磁理論的兩大學派161
3.10　馬克士威電磁場理論的建立163
3.11　赫茲發現電磁波實驗173
3.12　馬克士威電磁場理論的發展178

經典光學的發展181
4.1　歷史概述182
4.2　反射定律和折射定律的建立182
4.3　牛頓研究光的色散187
4.4　光的微粒說和波動說193
4.5　光速的測定200
4.6　光譜的研究204

實驗新發現和現代物理學革命213
5.1　歷史概述214
5.2　十九／20世紀之交的三大實驗發現215
5.3　「以太漂移」的探索231
5.4　熱輻射的研究244
5.5　經典物理學的「危機」251

相對論的建立和發展255
6.1　歷史背景256
6.2　愛因斯坦創建狹義相對論的經過259
6.3　狹義相對論理論體系的建立269
6.4　狹義相對論的遭遇和實驗檢驗278
6.5　廣義相對論的建立 281
6.6　廣義相對論的實驗驗證291

早期量子論和量子力學的準備301
7.1　歷史概述302
7.2　普朗克的能量子假設302
7.3　光電效應的研究306
7.4　固體比熱312
7.5　原子模型的歷史演變317
7.6　α散射和拉塞福有核原子模型323
7.7　波耳的定態躍遷原子模型和對應原理327
7.8　索末菲和埃倫費斯特的貢獻332
7.9　愛因斯坦與波粒二象性341
7.10　X射線本性之爭344
7.11　康普頓效應345

量子力學的建立與發展353
8.1　歷史概述354
8.2　電子自旋概念和不相容原理的提出355
8.3　德布羅意假說 357
8.4　物質波理論的實驗驗證360
8.5　矩陣力學的創立365
8.6　波動力學的創立366
8.7　波函數的物理詮釋369
8.8　不確定原理和互補原理的提出370
8.9　關於量子力學完備性的爭論372
8.10　量子電動力學的發展377

原子核物理學和粒子物理學的發展385
9.1　歷史概述386
9.2　放射性的研究386
9.3　人工核反應的初次實現 393
9.4　探測儀器的改善 395
9.5　宇宙射線和正電子的發現399
9.6　中子的發現402
9.7　人工放射性的發現406
9.8　重核裂變的發現407
9.9　鏈式反應 412
9.10　原子核模型理論414
9.11　加速器的發明與建造416
9.12　β衰變的研究和微中子的發現422
9.13　介子理論和μ子的發現425
9.14　奇異粒子的研究425
9.15　弱交互作用中宇稱不守恆和CP破壞的發現426
9.16　強子結構和夸克理論430
9.17　量子色動力學的建立432
9.18　弱電統一理論的提出433
9.19　夸克模型的發展436

凝聚態物理學簡史439
10.1　歷史概述440
10.2　固體物理學的早期研究 441
10.3　固體物理學的理論基礎444
10.4　固體物理學的實驗基礎448
10.5　電晶體的發明449
10.6　半導體物理學和實驗技術的蓬勃發展 453
10.7　超導電性的研究459
10.8　超流動性的發現465
10.9　量子霍爾效應與量子流體的研究470
10.10　非晶態物理的發展477
10.11　高壓物理學的發展481
10.12　軟物質物理學的興起484

現代光學的興起487
11.1　雷射科學的孕育和準備488
11.2　微波激射器的發明494
11.3　雷射的設想和實現498
11.4　雷射技術的發展506
11.5　全相術的發明和應用510
11.6　雷射光譜學513
11.7　非線性光學516
11.8　量子光學519
11.9　量子資訊光學522
11.10　原子光學525

天體物理學的發展531
12.1　天體物理學的興起532
12.2　皮克林譜系之謎535
12.3　恆星演化理論的建立538
12.4　類星體的發現541
12.5　宇宙背景輻射的發現543
12.6　脈衝星的發現547
12.7　星際有機分子的發現551
12.8　黑洞的研究552
12.9　暗物質和暗能量的探索555

諾貝爾物理學獎561
13.1　諾貝爾物理學獎的設立562
13.2　諾貝爾物理學獎的分布統計563
13.3　時代劃分566
13.4　分類綜述572

實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用615
14.1　實驗在物理學發展中的作用616
14.2　實驗室在物理學發展中的地位620

單位、單位制與基本常數簡史641
15.1　基本單位的歷史沿革642
15.2　單位制的沿革649
15.3　基本物理常數的測定與評定656
15.4　物理學的新發現對基本常數的影響664

結語667
附錄　物理學大事年表673
參考文獻699
 

前言

　　物理學史研究人類對自然界各種物理現象的認識史，研究物理學發生和發展的基本規律，研究物理學概念和思想發展和變革的過程，研究物理學是怎樣成為一門獨立學科，怎樣不斷開拓新領域，怎樣產生新的飛躍，它的各個分支怎樣互相滲透，怎樣綜合又怎樣分化。

　　物理學是一門基礎科學，它向著物質世界的深度和廣度進軍，探索物質世界及其運動的規律。它像一座知識的寶塔，基礎雄厚，力學、熱學、電學、光學以至於相對論、量子力學、核物理和粒子物理學、凝聚態物理學和天體物理學，形成了一座宏偉的大廈。它又像一棵大樹，根深葉茂，從基根長出樹幹，從樹幹長出茂密的枝杈，又結出累累果實。它還像滾滾大江，洶湧澎湃，一浪高過一浪。然而，通過這些比喻，仍不足以說明物理學是怎樣的一門不斷發展的科學，只有瞭解了物理學發展的歷史，才能更深刻地認識物理學的宏偉壯觀。

　　通過物理學史的學習，不但能增長見識，加深對物理學的理解，更重要的是可以從中得到教益，開闊眼界，從前人的經驗中得到啟示。

　　本書的第1版*是在我們講物理學史課程時所寫講義的基礎上擴充而成的。課程原名物理學史專題講座，是為清華大學本科生開設的選修課。之所以叫專題講座，是因為在理工科大學沒有那麼多時間，也沒有必要按部就班地進行系統地講授。那樣既乏味又費時間。有些課題，我們沒有講到，同學們如果有興趣，可以自己找書看。我們認為，與其平鋪直敘地羅列一大堆史實，不如抓住若干典型，進行個例剖析，講得深透些。什麼是個例剖析？我們指的是就某一個事件、某一項發現或某一位科學家的成就進行充分的揭示，說明其前因後果、來龍去脈，不僅說有什麼，還要說為什麼。例如，可以問一問：為什麼會出現那樣的事件？為什麼會發生新的突破？為什麼會造就偉大的人物？分析其成功的要素，總結其經驗教訓，提煉出可供大家共用的精神財富。所以我們選了十幾個專題，每講一個專題，分析一個或幾個例子，於是就叫專題講座。講座開了幾屆之後，又感到選修課不宜過專，不能讓學生花費過多的精力閱讀原始文獻，但是有必要保留專題講座的精華，即保留從個例剖析得到的各種有益啟示，這些啟示並不是生硬灌輸給學生，而是通過真實的歷史、實際的資料、生動的情景把學生引入歷史的氛圍，讓他們自己去體會，自己去獲取應該得到的啟示。於是這門選修課就改名為《物理學史的啟示》。這門課一開就是十幾年。1993年，經過多次試用和修改補充的講義終於正式出版，取名為《物理學史》。我們的工作得到了校內外許多師生的鼓勵和關懷，其中包括老一輩的物理學家的指點和勉勵。最讓我們感到榮幸的是，我國著名物理學家錢三強教授曾經多次給我們以具體的指導，並親自為我們作序。

　　這些年來，《物理學史》一書被許多院校選為物理學史課程教材，也成了廣大物理教師的參考書。這本書顯示出了不少缺陷和錯誤，我們深感有加以修改和完善的必要。這次修改主要是針對如下幾方面：

　　1. 加強20世紀物理學各個分支的論述，其中包括相對論、量子理論、粒子物理學、現代光學、凝聚態物理學和天體物理學。

　　2. 充分利用圖片資料。

　　3. 必要的增補和修改。

　　眾多的同行多年來為我們提供物理學史資料，其中特別是Melba Phillips教授*。她和美國物理學會曾經給予我們多方面的幫助。Allan Franklin教授也是我們工作的積極支持者。我們對他們表示誠摯的感謝。我們還要感謝圖片資料的版權所有者。由於圖片是多年來從各種渠道收集到的，難以一一注明出處。