宏观物理学发展史

1、导读：物理发展史就是一部伟人档案。本文节选自科普书籍见微知著关于宏观物理史的 篇章。内容正文：罗伯特胡克、爱徳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左律，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颯性。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 大运动泄律和导出的六个推论（由此

2、，牛顿统一了 “天上的”和“地上的”力学，建立了基 于三大运动泄律的力学体系。所以大家可以看到，一个伟大的理论的诞生，往往不是一个人完成的。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曆枪舌战，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

3、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，就苴本性而言，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泄义了 “绝对运动”和“绝对静I上”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，即著冬的水桶实验。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英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。牛顿认为水而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闹物体的任何移 动。牛

4、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。特別是 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。左图为詹姆斯焦耳。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淸的。而人们最初对热的本性的认知可以用所谓“热质说”来槪括，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

5、的伦福徳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）。”伦福徳认为在这些实验 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”。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。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 火理论和莱布尼兹的“活力守恒原理”，他认为displaystyle 口2儿这个代表“活力”的量 在运动中是守恒的。徳国医生、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

6、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呈: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火”在今天被看作是热力学第一左律最早的表述形 式之一。而与此同时，英国实验物理学家、酿洒师詹姆斯焦耳则从实验上验证了热是能量 的一种形式的猎想，并在1843年给岀了热功当疑的实验测得值。徳国物理学家赫尔曼冯亥姆霍兹同样从“活力守恒原理”岀发，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。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。在这些理论和实验研究的基础上，徳国物理学家鲁道夫克劳修斯于2850年给岀了热力学 第一左

7、律的数学形式，其后这一眾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。左图为鲁道夫克劳修斯而热力学第二泄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立律的前身，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

8、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2850年发表了论热 的移动力及可能由此得出的热泄律，重新阐述了卡诺立理，并在1854年的另一篇论文中进 一步表述了热力学第二定律：每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。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、同时发生的英它的变化的话。 鲁道夫克劳修斯，左图为：層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

9、出发他推导岀气体压强和密度 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2738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，这些分子对容器表而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 一是在当时能星的转化与守恒左律还没有广为人知。这种情况一直持续到1856年，徳国化 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

10、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。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。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疋速率 范用内分子数量所占比例。这一泄律是物理学中第一个基于统计规律的物理左律，可以说是 一个重要的时刻。左图为路徳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

11、理学家路徳维希玻尔兹曼受英启发开始 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，是爛增原理在非平 衡态下的推广。H泄理指岀了过程的方向性，从而引岀了所谓“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赵 律的统

12、计诠释。他指岀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，因此在宏观统讣规律上表现为埔总是增加的。 也就是说，热力学第二左律是一条几率的泄律，它的结论不能由一条动力学方程来检验。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。玻尔兹曼证明了燔和系统的热力学概率的自然对数成正比，这成为了玻尔兹曼燔的定义。热 力学第二左律在统计诠释下可表述为：“孤立系统的爛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徳的关于“燔引力”的假说，其中一点就是韦尔兰徳无法就 宇宙系统的开放和封闭做出回答。那么埔引力就是一个尴

13、尬。在麦克斯韦和玻尔兹曼引入统汁诠释之前，热力学始终是基于一组唯象学泄律基础之上的。 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讣力学，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。吉布斯的统汁力学引入了系综的概念，并以刘维尔圧理作为统计力学的基本方程，求解热力 学宏观疑实则就是求解系综在相空间中的几率分布（配分函数）。统讣力学通过统计诠释建 立了热力学泄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。虽然现在认为这是一个完备的理论体系，但我认为还有思考的空间。热力学第二泄律，至今 还有值得思考的地方，你认为呢？热力学第二泄律：不可能把热

14、量从低温物体传向髙温物体而不引起英它变化。【克劳修斯表 述】热力学第二左律:不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不 引起其它变化。【开尔文表述】热力学第二泄律：孤立系统的爛永不自动减少，爛在可逆过程中不变，在不可逆过程中增加。 【爛增加原理】还有英他表述，我就不写出来了。重要的是，这个热力学第二泄律，至今还有值得我们思考 的地方。我简单的说3个问题，我想到的问题：2、就是路徳维希玻尔兹曼认识到的问题：他指岀 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爛总是增加的。也就

15、 是说，热力学第二泄律是一条几率的泄律，它的结论不能由一条动力学方程来检验。看完上 而的内容，你会知道最后是统计力学方程来运算的。但是英实本质回答，还不究竟。本质上 它还是“几率”泄律。值得一提的事，玻尔兹曼本人因为研究此理论，不被认可，饱受争议。 后来上吊自杀。这段历史，读来让人垂泪。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。2、由于嫡增加原理，必然涉及到系统问题。即封闭的，还是开放的。所以我的问题是宇宙 是封闭的，还是开放的。这个真的是很要命的问题。燔增加原理是热力学第二泄律的又一种 表述，它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行方向：同时，更深刻 地指出了热力学第二怎律是大

16、量分子无规则运动所具有的统汁规律，因此只适用于大量分子 构成的系统，不适用于单个分子或少量分子构成的系统。那么我问问题了，热力学第二上律, 到底哪种表述是最究竟的，最靠谱的。大的方向就是有近似的封闭的系统，没有绝对的封闭 系统。这意味着什么？意味者该理论不纯粹！我在变化中反对过去年最火的一个新闻韦尔兰徳炳引力假说”，就是基于此点考虑。 请学者们深思。3、很多人用爛增加原理，来表述时间的方向”一直向前。我也做过具体的思考，认为不 可靠。科学家值得就此思考。具体我在变化中，关于时间是真实存在的论述中，有提到。在这里我提出这三个问题，是因为热力学第二左律，上过初中的朋友都知道，都学过，所以 有可以广泛展开讨论的条件。大家有没有新的认识？可以留言互动。思考总是一件美好的事 情。祝大家思考愉快。然后我们继续接着下文，来了解物理学的发展。摘自独立学者，科普作家灵遁者书籍见微知著兴趣阅读：第一:牛顿。发现牛顿三大运动左律和万有引力左律，可以说经典物理学的框架就是他构建 起来的。英巨著自然哲学的数学原理一书对人类影响巨大，有人甚至说没有牛顿，世界 要倒退五百年。被评为人类以来贡献最大的一人。第二:爱因斯坦。发现光电效应，提出相对论，把人类对物理学的研究从