科学技术史 (一) 导言
科技史的功能
其一，提升科学素养 （科学精神、科学作用、科学规律、知识结构）。 其二，丰富人文素养 什么是科学？ 从词源来看： 拉丁语Scientia，（词根Scire,学或知）是学问和知识的意思。英语Science 等同于 natural science。德语Wissenschaft，则包括了一切有系统
的学问，不但包括science,也包括历史、
语言学及哲学。
科学是涉及对物质世界及其各种现象并需要无偏见的观察和系统实验的所有各种智力活动，一般说来，科学涉及一种对知识的追求，包括追求各种普遍真理或各种基本规律的作用。‚科学＝逻辑＋实证‛
什么是技术？
生产经验 劳动技能 以劳动工具为主的生产资料 科学史研究的内容
按照学科来分类有：天文学史、物理学、化学史、生物学史等等。 按照年代来分：古代史、中世纪史、近代史、现代史
总得说来，科学史研究的内容就是科学技术发展的历史及其与社会各方面之间
的相互影响。
内史研究与外史研究
内史研究：注重科学技术本身发展历史的研究，研究某一学科本身发展的过程，包括重要的事件、成就、仪器、方法、著作、人物等等 。
外史研究：侧重于研究该学科发展过程中与外部环境之间的相互影响和作用，以及该学科在历史上的社会功能和文化性质；而这外部环境可以包括政治、经济、军事、风俗、地理、文化等许多方面。 科学史的三种研究方法
实证主义的编年史方法：以年代为线索，对史实进行梳理考证，弄清所用的仪器、资料、方法、人物贡献、著作成果等，关注科学取得的具体成就。
思想史学派的概念分析方法：在研究原始文献的基础上，注重探寻科学发现者研究问题时的思维切入与深化以及在理论建立过程中概念的提出与发展。 社会学的方法 ：注重科学的社会、文化功能 科学史的历史
古希腊时期：
近代科学革命之后18世纪中叶：《数学史》、《电学的历史和现状》、《归纳科 学的历史》
20世纪初：1912年，乔治.萨顿创办刊物Isis;1924年，美国科学史学会成立；1936 年，剑桥大学创立科学史系。
(二)古代世界的科学与技术
起源问题
古代技术的发端：打制石器、人工取火、创造文字
古代科学的萌芽：数学、物理学、化学、生物学、天文学 流域文明
尼罗河流域、两河流域、印度河流域、黄河流域 文字的发明：信息技术的萌芽
公元前3500年左右两河流域的苏美尔人（Sumerians）使用一种楔（cuneiform），写在潮湿的泥版上，然后晒干，这就是泥版文书。
埃及人的象形文字大约同期古埃及人也发明一种象形文字，写在纸草上。 拼音文字的祖先
公元前1500左右腓尼基人Phoenicians）发明了字母，成为后来西方拼音文
字的祖先。 中国人的象形文字、大约同期，中国人也开始使用一种象形文字。
数学的萌芽
数学作为一门有组织的、独立的学科，在公元前600到300年之间古希腊学者登场之前是不存在的，但在更早期的一些古代文明社会中已经产生了数学的萌芽。
古巴比伦人的数学
古巴比伦人是首先对数学作出贡献的。发明了数的记法，采用60进制和10进制。古巴比伦人的数学1/2、1/3等分数有专门的记法。
古巴比伦人的数学在巴比伦人的碑石中发现过乘法表、倒数表、平方表、
平方根表、立方表、立方根表。在巴比伦人有关土地测量的基本公式和数量关系中可以找到几何学的开端。
在公元前二千年左右，古巴比伦国王的赦令中规定了
长度、重量和容量的标准。
在代数方面，能解一元一次方程、多元一次方程组、一元二次方程、特殊的三次四次方程、指数方程。在几何学方面，知道半圆的内接三角形是直角三角形、直角三角形的勾股定理、能计算直角三角形等腰三角形梯形的面积、圆周率为3或者3.125，圆周率为显然，常识性的知识和工艺知识的规范化和标准化是实用科学起源的可靠基础。
现存的巴比伦楔形泥版文书：大都是关于经济问题的，涉及钱币兑换、商品交换、利税计算、粮食分配、遗产划分，等等。 古巴比伦人的数学
挖运河、修堤坝，以及其他水利工程都需要用到计算。谷仓和房屋的容积以及田地面积的计算，使他们接触了初步的几何学知识。
古埃及人的数学
与两河流域统治民族频繁更替、外来文化不断进入的情形相反，尼罗河流域的古埃及文明是在相对孤立的状态下形成的。古埃及人在数学上也取得了相当高的成就。
用数学来管理国家和教会的事务，确定付给劳役者的报酬，求谷仓的容积和田地的面积，征收按土地面积算出的地税，计算建筑物所需的砖数，计算酿造一定量啤酒所需的谷物数量——出酒率，等等。 数学纸草书
一批纸草书保存在莫斯科，叫做莫斯科纸草书。
数学纸草书另一批保存在大英博物馆，因其作者叫阿默士（Ahmes），所以叫阿默士纸草书。阿默士纸草书一开头写着：‚获知一切奥秘的指南‛。 数学纸草书
从这些纸草书中可以知道古埃及人的算术、几何及代数知识。两批纸草书中都含有数学问题和解答。阿默士纸草书中有85题。莫斯科纸草书中有25题。这些问题很可能是被作为一些典型问题和典型解法的示范例子而记来的。两批纸草文书的撰写年代在公元前1700左右，但其中所含的数学是埃及人早在公元前3500年就已经知道。从那时起直到希腊人征服他们以前，他们几乎没有增加什么新的知识。 埃及数字
埃及人的数字符号系统不如巴比伦人的先进，但在三角形、矩形和不规则四边形面积和体积的计算方
2
面发明了比巴比伦人更好的公式。 埃及数学问题
建筑物和金字塔坡度容积的计算；啤酒、面包等的数量分配等，是埃及数学问题的中心问题。 巴比伦天文学
公元前2000年，注意到金星运动周期性，一年360天？，12月，30天，8年3闰和27年10闰。亚述人（Assyrians）:公元前700年左右，对天象的数学描述、系统的记录。公元前6世纪，预测日食、月食公元前的最末三个世纪里，即所谓的塞琉古时期Seleucid period）：两类天文泥主版文书， 公元前17世纪一块记录金星动态的巴比伦泥板文书 巴比伦天文学
记录日、月食发生的时间和位臵命名星期，一天24时？、回归年的长度：12+22/60+8/602个月月的定义：从新月出现到下次新月出现之间的间隔黄道十二宫的全部名称在公元前419的一份文件中首次出现。
巴比伦天文学
历法是阴历，知道19年7闰的法则。（19×12＋7）×29.53≈19×365.25
把圆周分成360°，公元前最后一个世纪里的首创。星占学发达。认为天体都是神，它们能够影响甚至主宰人间的事情。对行星的观测和对天象的预测，出于对自己命运进行预测的考虑。
巴比伦的星占学
巴比伦观天者经常被认为是星占学家。巴比伦人对自然的各个方面的不寻常事件
保持着警惕，当他们发现不寻常事件时，他们将其解释为一个征兆；这不是将要发生的灾祸的原因，而是对国王和民众的一个警告。灾祸则有可能通过 举行适当的仪式而得到避免。 Enuma集合
对征兆的解释被编成了法典，在一系列约70个表中，包含了7000个征兆，这些表都以Enuma AnuEnlil字样开头。这些星占征兆的集合，从公元前900年前开始就
已经获得了权威地位，实际上被认为是诸神向国王传递的讯息，包括愉悦或不满。
博学的抄写员能够根据在Enuma集合中相似的征兆讯息，来解释新的征兆，人们希望这些人提出的建议能够有助于国王采取必要的措施以避免灾祸。 规律的认识和追求
Enuma集合对凶兆持续了七个世纪的记录，显示出这些凶兆重复出现如此频繁，
以致于星占学家们在宇宙秩序中认出了规则，于是太阳、月亮和诸行星运行的周期──也就是规则──逐渐被识别和确定了。星占学家对于载有太阳、月亮和行星未来位臵的表（即星历表）的需求，直到17世纪，一直是天体运动研究背后的驱动力。 对比：中国古代军国星占学《易经》：‚观乎天文，以察时变；观乎人文，以 化成天下‛《汉书?艺文志》：‚天文者，序二十八宿，步五星日月，以系吉凶之象，圣王所以参政也‛《史记?天官书》前五类占辞及数目：战争九十三条；水害灾害与年成丰歉四十五条；王朝盛衰治乱二十三条；帝王将相之安危十一条；君臣关系 十条。 汉宣帝命赵充国进兵诏书：‚今五星出东方，中国大利，蛮夷大败；太白出高，用兵深入敢战者吉，弗敢战者凶‛王莽国师刘歆密谋政变，等太白星出而谋泄身死梁武帝以谚云‚荧惑入 南斗，天子下殿走‛，乃跣而下殿以禳之；及 闻魏主西奔，惭曰：‚虏亦应天象邪！‛534年4月19日火星位于斗勺中 生辰星占学：从西方到东方
星占学对命运的预测和掌握：虚假性与实效性 天象与人事没有逻辑的、物理的联系
3
社会、群体心理学效应：‚信则灵‛
经过筛选的星占事验在统计上是有偏的 古埃及天文学的特点
带有他们鲜明的地方特色。 尼罗河是埃及人的生命源泉。
一年的开始：每年当天狼星和太阳一起从东方升起时，尼罗河就开始泛滥
古埃及天文学的特点
两次天狼星偕日升的时间间隔大约为365.25天，以365天为一年。一年十二个月，每月30天，年末外加5天。因为埃及人没有每隔四年闰一天。历法的岁首慢
慢落后于季节，经过1460年后，岁首和季节的对应关系又恢复如初。这个周期叫做索特周期（Sothic cycle），因为埃及人称天狼星为索特。 Dendera神庙中的天文屋顶
由拿破仑远征埃及时（公元1798～1801年）的随军学者所复制。内圈有黄道星座，间杂着行星。外圈（靠近支撑天球的众女神之手）是36旬星（decans），它们可 能既是参与神圣仪典的神祗，同时又是夜间时刻的指示者 埃及人的天文学知识和几何知识结合
建造神庙：使得一年里某几天的阳光能照射到庙宇里 金字塔的朝向
斯芬克斯像面朝正东
医学
古巴比伦人知道了很多疾病，如不同种类的发热、中风和瘟疫；一些泥板书上还描述了眼、耳、皮肤和心脏的疾病，以及风湿和性病。古巴比伦医学是宗教巫师的特权，他们向天神负责；普通医生对他们所做的手术成功与否负责。
巴比伦外科手术工具，约制于公元前2300年。
汉谟拉比（前1948－前1905）法典第215条：如果医生做一项较大的手术或治疗眼病时，他应能收到10枚银币。如果病人是一个自由人，他应付5枚银币，如果是个奴隶，他的主人应代付2枚银币。如果病人因为手术死亡或失明，那么医生的双手就会被砍掉。 古埃及医学
古埃及医学主要通过三种纸草书获得了解：
书写于前1700年左右，但其中主要知识形成于前2640年。1862年美国人 Edwin Smith在开罗购得，后捐献给纽约历史学会收藏。17页正面共377行；5页反面共92行。为第二长的医学纸草书。 Ebers Papyrus先有 Edwin Smith于1862在Luxor购得，后被1872 美国埃及学家GeorgeEbers购走。1875年 Ebers发表了一份带有英文和拉丁文翻译的抄写本。Ebers Papyrus共110页，年代为 Amenhotep I世第9年 (1534 B.C.)。被称为古埃及医学大全。记载了700种药剂，涉及腹部疾病、肺病、痢疾、咽炎、眼病、皮
肤病、伤科、血管神经、妇科、儿科等等。
Kahun Gynecological Papyrus 发现于1889年年代确定为 Amenenhat III世第29年(1825B.C)现由伦敦学院大学（University CollegeLondon）收藏。 埃及死亡之神阿努比斯，是尸体防腐工人在给尸体做防腐处理时的守护之神。图为前1320－前1200年间墓中壁画。
(三)中国古代的科学与文明 中国古代科技成就巡礼
四大主干学科：农、医，天，算四大日用技术：陶瓷、冶金、纺
织、建筑改变世界文明进程的四大发明：造纸、印刷、火药、指南针
4
—、农学
农业是中国社会基础，历代统治者天大要事就是稳定人心—家里有粮，心里不慌。 神农
神农氏‚斫(zhuo)木为耜（si），揉木为耒（lei）。耒耨(nou)之利，以教天下。‛—《周易?系辞下》 二牛抬杠—当时先进的耕作方式 三脚耧播种机 龙骨水车 水碾 牛转连磨
精耕细作—改善土壤结构，增加土壤墒情 农学著作《汜胜之书》（西汉）《齐民要术》（北魏?贾思勰）《陈旉农书》（南宋）《王帧农书》（元）《农政全书》（明?徐光启） 二、医药 中医
特点：辨证施治：阴阳、表里、虚实、寒热 头痛医脚—‚人是一个整体‛
理论：腑脏学说，经络学说 五脏：肝，心，脾，肺，肾
六腑：胆，胃，小肠，大肠，膀胱，三焦（腹膜包裹脏器的包层） 八脉，十二经络
至今天下言脉者，由扁鹊也—《史记》 ‚四诊法‛ 切脉、望色 闻声、问病
《黄帝内经》包括《素问》、《灵枢》两部分，18卷，162篇。主要论述人体解剖，生理，病理、病因、诊断等基础理论，兼述针灸、经络、卫生保健。 医圣张仲景（约150-219）《伤寒杂病论》《金匮要略》—八纲辨证（阴阳 表里虚实寒热）
辨证—立法—拟方—用药 驱邪扶正，随症施治邪在肌表用汗法；邪壅于上用吐法；
邪实于里用下法；邪在半表半里用和法；寒症用温法；热症用清法；虚症用补法；滞症用消法。 孙思邈
《千金方》—‚人命至重，有贵千金‛。医德垂训：‚胆欲大而心欲小，智欲圆而行欲方‛，‚不为利回，不为义疚。‛ 中药：‚本草‛—药物学体系 名称、形状、功能、主治、产地、采摘、保存、加工
《神农本草》—先秦 《新修本草》—唐，国家药典 《本草纲目》—明，李时珍（1518-1593） 李时珍（1518-1593）医生世家。14岁考取秀才，三次乡试未中，放弃科举，专心研究医药学。1552年开始编写《本草纲目》，1578完稿。历时20余年，共52卷，190万字 《本草纲目》：‚虽名医书，实该物理‛16 部 ， 62 类 ， 1892 种 药 物 ，11096个附方，1160幅插图，价值远远超过了药物学，包括了博物学、植物学、生物学，
影响远远超过了中国：译成日文、德文、法文、拉丁文、俄文。达尔文《人类由来》引用过《本草纲目》的材料来说明动物的人工选择。 三、天文
观乎天文以察时变；观乎人文以化成天下。《周易》天垂象，见吉凶，圣人象之《周易》乃命羲和，钦若昊天。历象日月星辰，敬授人时。《尚书?尧典》 宇宙理论：盖天说，浑天说，宣夜说
盖天说—天圆如张盖，地方如棋局—天似盖笠，地法覆盘 浑天说—天圆如弹丸，地如卵中黄
5
宣夜说—天了无质，日月众星，浮于虚空之中 天象观测
观测仪器—浑仪、浑象、圭表，观象台天象记录—《天文志》：保存最完整的天 象观测记录《左传》：‚秋七月，有星孛入北斗‛—哈雷 彗 星 （ 回 归 周 期 76 年 ） 的 最 早 记 录（618BC）《宋会要》：‚至和元年（1054）五月，晨出东方守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日 ‛。 —1054年（北宋）超新星‛的记录—恒星演化的重要证据。 著名的天文学家 张衡 地动仪 四、算学
中国古代十大数学名著
海岛算经 五曹算经 孙子算经 夏侯阳算经 张丘建算经 五经算经 缉古算经 缀术 周髀算经 九章算术
秦九韶 李冶 杨辉 朱世杰
《九章算术》约成书于东汉之初，共有246个问题的解法．在许多方面：如解联立方程，分数四则运算，正负数运算，几何图形的体积面积计算等，都属于世界先进之列 中国古代数学的特点 （1）鲜明的社会性
《九章算术》（西汉）：方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、 勾股《五曹算经》（北魏）：田曹、仓曹、兵曹、金曹、集曹 （2）机械化算法体系
算筹： ‚运筹于帷幄之中，决胜于千里之外‛—外设、硬件 算法：‚口诀‛—程序，软件
中国古代数学的杰出成就（1）记数法（2）正负术（3）极限（4） 高次方程的数值解法（5） ‚四元术‛（6）同余式（7）‚方程术‛（8）‚贾宪三角形‛—杨辉三角 祖冲之利用割圆术的方法求得圆周率在3.1415926和3.1415927之间。 四大日用技术 纺织 陶瓷 建筑 冶炼 纺织业
(1)中国是世界上最早养蚕织绸的国家，约在四五千以前黄河流域和长江流域已出现了丝绸的生产。 (2)商代，在甲骨文中已出现了关于祭祀蚕神的内容，还有负责指导蚕桑生产的专职官员。商代出土文物中有‚玉蚕‛。 (3)周代，《周礼?考工记》中记载，妇女的纺织生产被称为‚妇功‛。从事纺织生产的人与王公、士大夫、百工、商旅及农夫并列，称做‚国有六职‛。
(4)秦汉以后，我国蚕业丝织生产进入兴盛时期。西汉初期实行了一系列有利于农桑的政策，促进丝织业发展。汉代在考古出土中先后发现很多技巧高超、品种繁多、图案变化丰富的丝绸实物。如长沙马王堆出土的丝织品。汉代丝织品经过丝绸之路远销到以罗马为中心的地中海沿岸，中国因此被称为‚丝国‛。
(5)唐代中期以后，随着城市和商品经济的发展，私营纺织作坊兴起，官营纺织业也有相当大的规模。 (6)宋代棉花种植及棉纺织技术已经推广到闽粤等地区，丝织工艺水平也有了新的提高。 (7)明代蚕桑、棉花种植面积普遍扩大，丝织业出现了资本主义生产的萌芽。 唐代白瓷
中国古代冶铁技术发展
敦煌莫高窟 宁波天封塔 永定土楼
古代园林 南京城墙（明代） 中华门最为宏伟，规模、质量为我古城之冠。 西安城墙 隋唐长安基础上修建的明代古城。
6
平遥古城 建于明洪武三年（1370年）。1998年列入《世界 遗 产 名录》。
丽江古城 融合纳西民族传统建筑及外来建筑特色的唯一城镇。1998年列入《世界 遗产名录》。
古长城建筑 八达岭长城 居庸关 山海关 嘉峪关 宫殿建筑 北京故宫 布达拉宫 沈阳故宫 坛庙建筑 太庙 天坛 社稷坛 地坛 孔庙
陵墓建筑 秦始皇陵 唐乾陵 汉茂陵 北宋陵 明十三陵 清陵 楼阁 黄鹤楼 岳阳楼 滕王阁
佛塔 西安大雁塔 河南登封嵩岳寺塔 北京妙应寺白塔 北京真觉寺金刚宝座塔
古桥 安济桥（又名‚赵州桥‛）泉州洛阳桥 苏州宝带桥 北京卢沟桥 程阳永济桥 四大发明
纸发明前的书写材料：龟甲、兽骨、青铜器、玉石器、竹木简、帛上述书写材料有什么缺点？ 缺点：书写比较麻烦，不易携带、价格昂贵 纸的发明 蔡伦改进造纸术 意义：
1、造纸术的西传，促进了欧洲文化的发展。
2、在‚四大发明‛中纸的发明最为久远，对文明发展和社会进步的积极作用也最为显著。 3、有利于信息的记录、储存、传播和继承。 指南针技术的应用和意义
1、对于军事和经济生活有着重要的作用。 2、对于航海事业的发展意义特别重大。
北宋《萍洲可谈》和南宋《梦梁录》都有中国海船使用指南针进行航行的记载。为明代航海家郑和远航东非等地提供了条件。
为哥伦布发现美洲航行和麦哲伦的环球航行提供了技术保证（即开辟了地理大发现时代） 火药的发明和使用 （1）火药的发明历程
火药的影响
（1）改变了人类的作战方式：冷兵器时代进入热兵器时代
（2）对欧洲资产阶级革命的影响：成为资产阶级战胜封建势力的重要武器
1、早期的印刷术主要是雕版印刷
2、北宋毕昇发明活字印刷术 泥 活 字 板 雕版
对比活字印刷与雕版印刷，毕升活字印刷术的创新‚新‛在哪里？具有什么优点? 新：变死字为活字 , 变死版为活版 三省：省时、省力、省钱
3、元代王祯创制木活字并发明了转轮排字盘 4、明代中期出现了铜铅铸的金属活字 印刷术对西方起到了怎样的作用？
（1）推动文教的发展：14世纪末，欧洲出现木版雕印的印刷品。1450年前后，德国出现了受中国活字印刷术影响而制得金属活字。
(2）推动了社会进步：印刷术传到欧洲后，为欧洲走出黑暗的中世纪以及文艺复兴运动的出现准备了条件。
四大发明的传播及意义
（1）对中国的影响奠定了中国文明古国的地位；带来无比的自豪和骄傲；但并没有给中华民族带来
7
更多的社会和经济效益。
（2）对世界文明（欧洲）的影响
①造纸术书写材料的一次革命，促进世界文明和文化的发展; ②火药的使用,摧毁了欧洲封建堡垒;
③指南针的使用,迎来了新航路开辟的时代;
④印刷术促进了文化的传播，推动了文艺复兴和宗教改革运动.
(四)古希腊罗马的科学技术
希腊的科学 自然哲学 天文学 物理学 数学 生物学 医学
米利都（Miletus）是小亚西亚的希腊殖民地爱奥尼亚（Ionia）诸城市之一。
泰勒斯（Thales，约前624—546）断言所有的事物都起源 于水，因此他被尊为希腊科学和哲学的鼻祖。
1）泰勒斯的命题中没有神话因素;2）泰勒斯用这个假说解释了其它自然现象。如回答了大地靠什么支持这个古老问题。3）现代科学正是从泰勒斯和其同时代人的思想持续不断地传下来的。 爱奥尼亚的其他自然哲学家
阿那克西曼德（前610/9—546/5），主张万物本原是无限； 阿那克西米尼（前585—528），主张万物通过聚散从空气中变化而来；
赫拉克里特（前540—约475），主张万物源于火。 毕达哥拉斯主义
万物 = 数整个宇宙 = 数与和谐毕达哥拉斯主义的发展一方面导向对数的任意推测；另一方面则致力于发现可能用数学公式表达的自然规律。这种尝试的多次成功使他们认识到科学应该把数学借为表达思想的语言。在天文学领域毕达哥拉斯主义有着特殊的意义，因为：容易导出一种观点：行星在天空中的运动可用种种复合运动的结果来解释；脱离感官证据，首次认为地球可能不是宇宙的不动中心。 原子论学派
由留基伯（前六世纪）和德谟克利特（约前460—370）创立。假设存在着无限多自身不变的微粒——原子。由于原子的秩序、位臵、大小、形状和运动状态的不同，造成各种事物和态势，它们共同组成自然界。原子自身的内部没有变化，除了不可渗透性外无别的特征。万事万物都是‚原子和虚空‛组成的。人的灵魂也是原子所构成。原子论导致了绝对的无神论.即对生命和宇宙的唯物主义观点。 柏拉图主义
柏拉图（Plato 约427BC-约347BC）原名亚里斯多柯斯，柏拉图是其绰号，为‚宽广‛之意，因其肩宽而得。
在柏拉图的哲学中全部现实知识是符合于形式或理念的超感世界的，可感世界的事物不过是理念的模糊反映或粗糙仿造。在柏拉图的两个世界之间，数学占据了一个重要的中间地位，数学训练是步入哲学的真正准备。在柏拉图创立的雅典学院门口写着‚不懂数学者，不得入内‛的告示。 柏拉图眼中的天文学不涉及可见天体的可感知的运动，而只与想象中的天空中数学点的完美运动有关，这些点，能描出均匀的圆圈。天文学家的工作就是用各种匀速圆周运动的组合来解释天体运动的不规则性。柏拉图主义对经验主义一贯评价很低，因此产生了一种不能导致科学繁荣的倾向；另一方面，他把通过感官得来的不精确的经验和理性概念图象相区别，这是任何时代的科学都具有的一种特性。 天文学
泰勒斯 阿那克萨哥拉 毕达哥拉斯学派
日月的大小与距离：地动说的萌芽
阿利斯塔克Aristarchus（前315-230年左右）
On the Sizes and Distances of the Sun and Moon太阳到地球的距离大于地球到月球距离的18倍，但小于
8
20倍；太阳与月球的直径比大于18，小于20太阳与地球的直径之比大于19:3，小于43:6 恒星的周年视差
阿利斯塔克根据得到的日、月、地大小和距离数据，提出地球绕着太阳转动的地动说。对于因此而应该产生的但没有被观测到的恒星周年视差，他假定地球轨道半径与地球到恒星的距离相比是微不足道的。
埃拉托色尼（Eratosthenes,约276-194BC）
希腊化时代的埃拉托色尼是亚历山大图书馆的馆长，著有《对地球大小的修正》、《地球论述》等书。他提出一种测算地球周长的方法，得到地球周长为252000希 腊 里 ， 合 38700 公里。地球和太阳的距离是14800公里。
阿波罗尼乌斯的两个数学发明偏心圆运动和本轮、均轮模型为天文学家解决行星视运动问题提供了基础。
Apollonius （约262-190BC）的两个数学发明
本轮和均轮的运动可以从数学上解释行星的各种运动状态：留、逆行等。
希帕克（Hipparchus，约190-127BC）
阿波罗尼乌斯的发明被希帕克用来描述天文现象。希腊天文学走上了一条康庄大道。希帕克在构建日月和行星运动几何模型时采用了巴比伦几个世纪以来保存的观测数据。 希帕克的太阳
这个模型很好地解决了四季长度不等与匀速圆周运动之间的矛盾。 岁差的发现
希帕克的另一项重要发现就是春分点的退行即岁差现象。 物理学
亚里士多德 阿基米德 泰勒斯 欧几里得 阿波罗尼
亚里士多德的物理学:所有地球上的物质都是由四种基本元素即土、水、气和火组成。其中每种元素都代表四种基本特性中两种特性的组 亚里士多德的运动学
地球上的物体的运动分为自然运动和强迫运动;
第一类是由组成这些物体的物质本性引起的; 第二类只能暂时地由外部强加。
自身性质决定一些物体下落，称为重物体；一些轻物体由其性质决定上升。
天地有别
与地球上物体的上升和下落的自然运动不同，还有一种天体所特有的永恒的均匀的圆周运动。天体不是由地球上的四种元素组成，而是由第五种元
素构成。匀速圆周运动是第五元素的性质所固有的。 由此导致两个推论：
（1）世界结构本质上是以地球为中心，沉重的地球由于它特别的性质，正好静止于世界的中心。 2）把适用于地球上的科学概念和推理运用到天体上去，这在逻辑上是不可能的。特别是把地球也看作是个天体，这是荒谬的思想。 地球在宇宙中心的论证
亚里斯多德对地球处于宇宙中心的论证之一：
因为我们时时刻刻正好看到半个天球，所以地球必然位于宇宙的中心。
亚里士多德的动力学
任何运动物体都是由与它相联的外界物体所推动。这是地球上无生命物体运动的基础。由此得出： （1）一个脱离了所有外部影响的物体处于静止状态；
9
（2）对每种强迫运动，必须寻找与物体有关的运动原因。
动力学基本规律：由外力推动的物体运动的速度与推力成正比，与反对运动的阻力成反比。 亚里士多德和其他希腊思想家的最大功绩就是把自然作为科学研究的对象。 力学（Mechanics）
字义是指对机械的研究。后来慢慢演变为指对运动着的物体作数学研究。
希腊人已经熟悉五种最重要的简单机械：杠杆、滑轮、卷扬机、楔子和螺旋，后来又增加了嵌齿轮。他们用这些简单机械和机械组合来制造省力的装臵。他们还明白：任何一个省力的机械装臵要相应加长该力作用的距离。
将观察、实验和数学方法结合杠杆原理和浮力定律结合起来。
螺旋推进器、行星仪、抛石机。 阿基米德螺旋提水器
希腊工程师们制成了一些向高地提水的机械装臵，如提水轮、阿基米德螺旋提水器等。 数学
在数学史上，希腊数学家究竟从巴比伦和埃及文明接受了不少数学知识。然而希腊人处理数学的方法：在定义和公理基础上的抽象逻辑体系，是希腊精神对数学发展的完全独创的贡献。 在柏拉图主义的影响下，数和从前产生它的实际需要之间的联系完全割断了。
泰勒斯
首先把埃及的几何学变成一种抽象研究的对象，在他那里直线变得没有任何厚度并且绝对平直。发明从公理、定理求证结果的演绎方法。发明一些具体的几何定理：圆的任何一条直径把圆分成两等分；对顶角相等；等腰三角形的两底角相等
通过比较金字塔的影子和一根已知长度的影子来确定金字塔的高度。 毕达哥拉斯
毕达哥拉斯定律：直角三角形三边a、b、c，c为斜边，则：a2 + b2 =c2 黄金分割 欧几里德
约公元前300年，欧几里德提出了对数学作系统阐述的权威性形式，此后许多世纪，这种形式被公认为是数学方法的典范。他的集大成之作《几何原本》至今还是几何学的权威著作。 亚历山大里亚时期
代表人物：叙拉古的阿基米德（约前287-212）
穷竭法求面积和体积
计算圆周率（在223/71和220/70之间） 给出多种平面和立体图形的重心 阿基米德的著作
传记作家普鲁塔克这样评论阿基米德的著作：在整个几何学上不可能找到更困难更错综复杂的问题，也不可能找到更简单更清晰的解说。 生物学
亚里斯多德的论著遍及各个领域，在今天看来，包含合理成分最多的是他在生物学方面的论述。 他给生命所下的定义是：能够自我营养并独立生长和衰败的力量。 亚里斯多德生物学：《动物学》 他的动物学分成三个部分：（1）关于动物的记录，讨论动物生命的一般现象；（2）论动物的各部分，讨论动物的器官及其机能，是解剖学和普通生理学；（3）论动物的生殖，属于生殖和胚胎学。
他提到了500种左右的动物，有一些叙述得精确而详细，说明他亲自观察过。另有50种动物附了解剖图。
10
亚里斯多德生物学：生殖、发育
亚里斯多德关于动物的有些记述，直到近几百年才又被重新认识到。比如他认识到鲸鱼是胎生的；他描写了鸡胚胎的形成，观察了心脏在蛋壳中的跳动。在普通胚胎学方面，他的见解也标志着一个重大进步。早先的见解认为父亲才是唯一真正的亲体，母亲只不过给胎儿提供一个处所和营养而已。这种信念流传甚广，并成为古代和现代世界父系风俗的主要根据。亚里斯多德认识到母体对生殖也有贡献。 亚里斯多德生物学：动物分类
在动物分类问题上，较早的对分原则把动物划分为互成对比的两类。亚里斯多德反对这个原则。他认识到在分类中要利用尽可能多的可供区分的特征。用这个原则，他制成了一个分类表，比以往任何分类表都接近于现代分类系统。
古希腊的医学
希腊医学中许多知识是直接来自埃及和两河流的。符咒和驱邪曾是流行的治疗方法。 大约在公元前五世纪，出现了以行医为业的医生，并逐渐形成一些医学派别。 古希腊的放血疗法
古希腊科学的特点
古希腊科学是哲学的一个方面，所以它一开始就有重视理论思维、重视理性探索的特征。
由于毕达哥拉斯主义和柏拉图主义的影响，古希腊科学中含有特别重的数学尤其几何学的成分。 公理化和演绎推理的方法被运用到各门学科中去。
在科学研究方法上，在希腊化时代的阿基米德那里，也已经达到了相当高的水平。逻辑推理的方法、严格定量的学方法都已趋成熟，实验的方法也初露端倪。
这些都为近代自然科学的形成做好了准备。近代自然科学就是从古希腊自然科学演进而生。 古希腊的技术 冶金技术 手工业 造船业 建筑 古罗马的科学 自然 哲学 天文 学医学
如果要数那些书本对世界历史产生了巨大影响，《天文学大成》毫无疑问就是其中一本。直到十六世纪，天文学家的思想实际上还一直受这本书的支配。 《天文学大成》的地静观 天文学大成 托勒密的独创：对点（Equant Point）
为解释火星、木星和土星的运动，托勒密引入了一个地球的‚镜象‛对点，设定C相对于E在圆周上做匀速运动，则相对圆心M做非匀速运动。牺牲了自古希腊以 来一直坚持的信念：行星作完美的匀速圆周运动。
行星依次充满宇宙空间 内行星本轮中心位于日地联线上 外行星初级本轮半径与日地联线平行 更高的精度、更多的本轮 托勒密体系 地静说
需要说明的是：（1）在托勒密体系中，地球不是天体运动的中心，但静止不动。因此称这个体系为‚地静说‛比‚地心说‛更为恰当。
（2）并非所有的希腊天文学体系都是‚地静说‛。萨摩斯的阿利斯塔克提出过一个日心宇宙体系。 （3）数学天文学的唯一目的是对天体运动作运动学描述。此外还有物理天文学，其目的是研究说明人们所看到的天文现象实际上是怎样发生的。《天文学大成》 描述的应该被看做是一种数学体系。 罗马医学
《论药材》公元一世纪塞尔苏斯的百科全书中的医学部分被保存下来，他深信希波克拉底的病理学观点，并有所进步。详细叙述了对外伤、骨折的治疗，总 结了炎症的四个主要症状：红、肿、热、痛。 《论药物》
11
自然学家普林尼（23-79）也是医药百科学家，他记录了包括从蔬菜到动物、矿物制成的药品，提供了那个年代的公共卫生方面的资料。
以弗所的索拉纽斯（98-138）是第一位产科学家，被称为产科学之父，所著《妇科疾病》成为以后1500年的教科书。
盖伦(Galen，129-199)
盖伦是最著名的医生和解剖学家。一生专心致力于医疗实践解剖研究（罗马人统治时期严禁人体解剖，盖伦通过解剖动物来了解人体）、写作和各类学术活动。一生写了131部著作，其中《论解剖过程》、《论身体各部器官功能》两书阐述了他自己在人体解剖生理上的许多发现。 古罗马的技术 农业 手 工业 建筑 公路
灌溉和作物加工技术
古典农业和古代近东农业之间有明显的差别。 后者主要靠对上涨河水的疏导和贮存。前者则依靠把冬季和春季降到地层表面的雨水一直保存到干旱的夏季，这涉及不同的技术和装臵。
建筑
罗马人不是好的科学家，但确实是称职的行政官员。在建筑方面体现罗马人管理水平的是大量公共设施建筑的修建。他们的标志性建筑：大角斗场(内、外)（建于公元70-82年）；潘提翁神庙（120-124年）等，经历近两千年的风雨，如今仍让人们遥想罗马帝国的鼎盛时期。 建筑学理论
建筑学理论也达到了一个很高的水平。维特鲁维奥是罗马著名建筑师，著有《建筑学》10卷，涉及建筑的一般理论、设计原理、建筑师的教育以及建筑施工和施工设备等多方面的问题，是现存最早的建筑学著作。 罗马学术的衰落
罗马人建立起了一个政治上、军事上空前强盛的帝国，经济繁荣、技术先进。
但是罗马人太讲究实际，他们重技术而轻科学、重政治而轻艺术、重国家而轻个性。这种罗马性格不合适培育在希腊本土萌发的科学幼芽。
古希腊的自由民可以有思索的闲暇。罗马的奴隶主虽然也有闲暇，但是他们把闲暇用在消耗从新征服土地上掠夺来的巨额财富，观看角斗表演。他们驱使着一群比他们自己的知识程度还要高的奴隶。自然科学家被当作奴隶驱使。
当然，罗马人中间也并不是没有可与希腊天才比肩的科学家和技术家。 我们可以看到有自然哲学家卢克莱修、博物学家普林尼、建筑学家维特鲁维 奥、农业学家瓦罗和医学家盖伦等。但与古希腊群星璀璨、百家争鸣的局面 相比，毕竟大大逊色。
(五)近代科学的兴起
中世纪
原指古代文化衰落（五世纪）到意大利文艺复兴（十五世纪）之间漫长的一千 年。后来专指‚黑暗时期‛以后、文艺复兴以前的约四百年时间。
从科学史角度来看，在这段时期内，人类从希腊科学文明和罗马统治的高峰跌 落，再沿着现代知识的斜坡挣扎向上。 时代背景
世界历史的剧变
欧洲封建生产关系的瓦解与资本主义的成长
资本主义生产方式在14－16世纪形成水力、风力的运用，以及水车、风车，齿轮机构、传动装臵的发展，导致了机器文明的出现。尤其是技术和科学的结合开始
12
紧密起来。火药与大炮，摧毁了骑士阶层和封建体制，中央集权制和民族国家开始出现；侵略、扩张和殖民成为欧洲文明的主题 航海探险和地理大发现
航海探险和地理大发现（1）
马可波罗（1254－1323）游记，1275到达中国1487年，迪亚士到达非洲的最南端，葡萄牙国王裘安二世取名‚好望角‛。 1497年7月8日，葡萄牙人达伽马离开里斯本开始探索由非洲到印度的航路，次年3月1日到达非洲东岸莫桑比克，5月到印度，于1499年9月返回葡萄牙 航海探险和地理大发现（2）
意大利人哥伦布1492年8月3日由西班牙巴罗士出发，一直西航于11月12日到达巴哈马群岛的圣萨尔瓦多，他以为自己到了印度群岛。
麦哲伦1519年9月由西班牙起航，1522年9月回到圣卢卡尔港，完成环球航行。 对比：郑和
自永乐三年（1405年）到宣德八年（1433年）七下西洋
郑和，云南人，世所谓三保太监者也。初事燕王于籓邸，从起兵有功。累擢太监。 成祖疑惠帝亡海外，欲踪迹之，且欲耀兵异域，示中国富强。
航海探险和地理大发现（3）
航海家以航海探险证实地球是圆形的科学假说，使人们看到了科学的力量，也鼓舞了人们敢于探索和创新的精神。
航海活动推动了天文学、大地测量学、力学和数学的发展，带动了地磁学、地理 学、植物学、动物学、人种学等学科。 文艺复兴
歌颂人性、反对神性，提倡人权、反对神权，提倡个性自由、反对宗教禁锢，赞颂世俗生活、反对来世观念和禁欲主义。 达?芬奇(1452-1519)
文艺复兴大师达?芬奇则从事过多方面的科学研究，他和许多文艺复兴时代的人不同，即不是经院哲学家，也不是古典作家的盲目信徒。 宗教改革
神恩、天启、权威，罗马教廷的至高无上的地位。
马丁?路德（1483－1546）于1517年贴出95条论纲，反对赎罪券，反对罗马教会的权威。‚因信称义‛——科学的普遍主义。 让?加尔文（1509－1564），主张‚先定‛理念——新教徒为了上帝的恩宠而通过勤奋工作和潜心研究上帝所创造的一切得到启示。 天文学革命
哥白尼和他的《天体运行论》布鲁诺对日心说的捍卫伽利略的天文发现第谷和开普勒 托勒密学说的局限
中世纪的宇宙图景：层层相套的天球，地球位于宇宙的中心。 哥白尼和他的《天体运行论》 尼古拉?哥白尼
1530年左右哥白尼将他的学说写成概论，以手稿的形式在欧洲学者间广泛流传。
在数学家雷梯库斯（Rheticus）的强烈要求下，哥白尼同意出版他的全书，敬献给罗马教皇保罗三世。 第一本书送到哥白尼手里几小时之后，他就与世长辞了，那是1543年5月24日。 革新内容
13
哥白尼学说的革新内容主要在《天体运行论》的第一册中得到描述。
哥白尼描绘了他的宇宙图景：太阳位于宇宙的中心，水星、金星、地球带着月亮依次绕着太阳运行，最外围是静止的恒星天层。根据日心说，哥白尼可以很简洁地解释行星视运动中的‚留‛、‚逆行‛等现象，以及水星和金星的大距。 迟到的证据
事实上，1822年教庭正式裁定太阳是行星系的中心的时候，直接证明地球在绕太
阳运动的证据并没有被发现。1835年贝塞尔用精密的仪器发现了恒星周年视差这是盼望已久的证据。可以直接证明地球确实是在绕太阳运动。 见识和勇气
然而在托勒密体系在欧洲占统治地位长达千余年后，哥白尼再提出一个地动日静的学说，确实需要非凡的见识和勇气。从这一点来说，哥白尼学说在思想方法上 给予后人的深刻启发，甚至大于它在天文学上的影响。 一种风格的结束和播下革命的种子
1543年哥白尼《天体运行论》的出版，标志着始于公元前4世纪柏拉图主义色彩对行星几何模型的追求达到高潮，也标志着这种几何风格的结束。《天体运行论》播下了革命的种子：何以稳定的地球不仅可以旋转，而且当它疾驰穿过空间时，
它的乘客根本感觉不到正在发生的一切？地球何以成为球形？为了解释地球的周日运动，哥白尼认为地球作为天然的球就会天然地旋转，产生了动力学上的新问题──是什么原因使得行星特别是地球运动起来的？
布鲁诺
乔尔丹诺?布鲁诺（1548-1600)，生于意大利那不勒斯，死于罗马鲜花广场 1583写作《论原因、本原和太一》、《论无限性、宇宙和诸世界》宇宙在时空上是无限的；宇宙没有中心；宇宙存在无数象太阳一样的的恒星体系；恒星之间距离 遥远。1592年在意大利威尼斯被捕‚我愿做烈士而牺牲‛ 三个关键人物
第谷?布拉赫，主要贡献在于给出了精确和完备的观测。
约翰尼斯?开普勒，将天文学从几何学的应用转换成了物理动力学的一支。
伽利略，利用望远镜揭示了天体隐藏着的真相，并且发展了运动的新概念，巩固了哥白尼的主张。 第谷出生于一个丹麦贵族家庭，但是在爱好学术的叔叔家里长大，因此得以摆脱封建生活的限制，自由发展。很小就进哥本哈根大学学习。由于有特权的出身可以免于通常的谋职压力。他从一个大学徘徊到另一个大学。 开普勒
和动力学的引入
1571年12月27日出生于斯图加特附近魏尔市的一个中等家庭。进图宾根大学，打算进入仕途，但在1594年他被提名出任格拉茨的数学牧师。1600年初他应邀到布拉格拜访第谷；年末在格拉茨受到宗教迫害之后回到布拉格成为第谷的助手，并于1601年成为第谷的接班人。 上帝是位几何学家？
上帝在柏拉图传统中很象一位几何学家。 三大遗产
开普勒最终能在行星运动理论上取得突破性的成就，获益于他能获得的三大遗产：
哥白尼的日心体系。
第谷的精确观测资料――火星的位臵资料。
威廉?吉尔伯特（William Gilbert，1544－1603）的《论磁》（On the Magnet1600 ）书中他认为地球是一
14
个巨大的球形磁体。
对亚里斯多德的反叛和继承
开普勒体现了一种对亚里斯多德物理学的反叛和继承。 开普勒第二定律
按照阿基米德的理论，动径之和就是扇形的面积。但是阿基米德的这个结论只有在S位于圆心C处时才正确。开普勒却大胆认为它在偏心圆的情况下也成立。于是给出了动径扫过的面积与时间的关系：成正比！
从推理过程来看这是一个很粗糙的结论。但由此得到了面积速度恒定的定律（开普勒第二定律） 抛弃柏拉图以来的信条
开普勒三大定律
开普勒把作为几何学一个分支的天文学转变成了物理学的一个分支。 开普勒第一定律：椭圆定律
行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳是位于椭圆的一个焦点上（1609《新天文学》） 开普勒第二定律：面积定律
从太阳到行星的矢径在相等时间里扫过相等的面积（1609《新天文学》） 开普勒第三定律：周期定律
各行星公转周期的平方与轨道半长径的立方成正比（1619《宇宙和谐论》） 新天文学的威力 伽利略
使用望远镜支持哥白尼
哥白尼主义者的好消息：恒星非常遥远
伽利略还发现，尽管行星的视圆面可以按望远镜放大倍数而扩大，但对于恒星就不行了。这对于哥白尼主义者来说是个好消息。第谷已经估计过，为了解释探测恒星周年视差的失败，哥白尼主义者将不得不把恒星放臵到700倍于土星距离以外的地方，并且为了在如此远处还呈现视圆面，这些恒星必须是非常巨大的。现在伽利略证明这些恒星的视圆面只不过是一种错觉。 发现木星卫星
当伽利略在1610年1月7日第一次观测木星时，他发现木星位于三颗小星的中间，而这三颗小星令人惊奇地排成一条直线。木星那时正向西（逆行）运动，因此，伽利略希望在这之后的夜里，木星将运动到这些小星的西面。但事实上它却出现在了东面。第二晚是多云天气，但是到了1月10日，他发现木星到了两颗小星的西面，而第三颗小星不见了。到1月13日，小星变成了四颗，到1月15日，伽略意识到所谓的恒星实际上是卫星，是绕木星旋转的、象被太阳带动的行星一样的被行星带动的月亮。
不存在唯一的绕转中心
早在《天体运行论》卷一给出的哥白尼体系模型中就有一个严重的不规则现象，即地球一方面是一颗普通的行星，另一方面是唯一一颗带有一个卫星──月亮──而绕太阳旋转的。 现在，望远镜揭示了还有另外的带着至少四个月亮的行星。
尽管外观并非白璧无瑕，但月亮被列入在亚里斯多德的天界之中，并且同属于完美的天体。然而伽利略的望远镜显示，它的表面是不规则的，和在地球一样也山峰──这些山峰的真实性连同伽利略对它们实际高度的估算可以让读者想象着试图去攀登它们。 《恒星使者》
伽利略很快就将他的新发现付印了，任何对日心体系真理尚存的怀疑，都被他的观测排除了。他急于利用他的发现来促进他的事业。他在几个星期里就完成了《恒星使者》写作，宣布了他的令人震惊的消息。
三个进一步的发现
15
发现金星相位变化（1610年底） 托勒密体系无法解释的天文现象 金星相位变化：与托勒密体系对比 谋求《对话》的出版
《对话》支持哥白尼学说的鲜明立场最终导致了教皇不悦，伽利略被召唤到罗马并指控他违反了1616年的法令。
伽利略的余热
1636年，完成《关于两种新科学的谈话》。
1979年教皇保罗二世要求神学家、学者和历史学家重新审查伽利略案件
1982年保罗二世成立包括四个小组的伽利略案件审查委员会教皇保罗二世承认伽利略的哲学正确 经典驳难
可想而知伽利略的读者不会愿意接受这样的事实：他们是飞驰在环绕太阳的轨道上的旋转球体上的乘客。很多同时代的思想家都同意亚里斯多德的观点：一支箭垂直射向空中，又落回到原地，由此证明了地球在箭飞行的时间内是没有移动的。 重新评价运动的概念
伽利略的对策是重新评价运动的概念。
对亚里斯多德来说，位臵运动象所有的运动一样需要一个原因，因此要求一个解释；而静止是不需要原因的。
伽利略对位臵运动给出了一个不同的观点。他说，并不是运动本身需要原因，而是运动的变化需要原因。稳定的运动包括静止这个特例是一种状态，保持这种状态会感觉不到运动。这就是为什么地球上的人在地球绕太阳旋转的时候感觉不到自己的运动速度的原因。 伽利略的新物理学
伽利略循着阿基米德的足迹，进行观察、实验，把具体的事物化为抽象的数学关系，从中推导出对事物的简单、概括的数学描述。伽利略对物理现象的独立研究，使得他相信那些被奉为权威的亚里斯多德物理学内容中有许多严重的错误。 实验方法的运用
教堂的蜡烛架和单摆的发明
为什么单摆的周期与摆动的大小无关？为什么重的石头和轻的石头系在同一绳的一端时，是以相同的周期摆动的？
伽利略无法解决第一个问题——因为这需要微积分的知识，而微积分要到一百年后才由牛顿发明出来。伽利略也没有解决第二个问题——这要等到爱因斯坦关于广义相对论的工作问世才能解决。 虽然无法回答问题，但提出问题也是一个重要贡献。而且，没有答案也不妨碍伽利略利用绳子和石头做实验，对运动规律进行描述。 落体
单摆的运动是重力引起下落的特例。如果我们放开一块石头，没有东西拴住它，它就会一直掉到地上。但是石头如果拴在绳子的一端，绳子的另一端固定在天花板上，那么石头被迫沿着一段圆弧下落。不管轻的或重的石头，它们拴在同一根绳子上，到达最低点的时间总是相同的。那么，这两块石头在同一高度放手后，掉到地上的时间也一定相同。这个结论与当时公认的亚里士多德的观点相抵触——后者认为重的东西比轻的东西下落的快！ 比萨斜塔上的实验
为了向别人证明自己是正确的，伽利略从比萨斜塔上扔下了两个重量不同的球，结果两个同时扔下的球同时着了地。 数学方法的使用
16
计算与定理 ‚稀释重力‛ 落体规律
伽利略还证明了，在从静止开始的匀加速运动中，运动物体走过的距离是它在整个时间内以不变的速度运动时所应走过距离的一半。因此这种从现象中抽出物理规律，并用数学公式表述之的研究方法成为近代以后科学的基本特征。 运动的合成和运动的相对性 平抛物体之运动合成
伽利略对动力学的另一个重要贡献，是关于运动合成的观念。 伽利略的答案
当放手的瞬间石头也具有与船一样的水平速度，所以放手之后它还会继续以这一水平速度运动，直到它落到桅杆底部前，一直保持这个水平速度。石头运动的垂直部分是加速的自由落体运动，所以它将正好落在桅杆底部的甲板上。在这里，伽利略涉及了一条运动学的基本原理——运动相对性原理。在1632年出版的《对话》中，伽利略对运动的相对性作了生动的描述 。
牛顿开创的时代 万有引力的发现
伽利略的实验表明：不是维持一个物体的匀速直线运动而是改变这种运动才需要一个外力。 什么改变月亮、行星的运动？
天文学家所需要解释的问题：为什么月亮总绕地球、行星总是绕太阳作封闭曲线运动，而不作直线运动跑到外部空间去。
抛射体
牛顿认为月球和其他行星的轨道运动是抛射体运动的一种极限情形：‚一块被抛射出去的石头由于自身的重量而不得不偏离直线路径，在空中划出一条曲线；最后落到地面。抛射的初速度越大，石块落地之前行经的路程就越远。因此我们可以设想，随着抛射体初速度的增加，石块落地之前在空中划出的弧长越长，直到最后越出地球的界限，它就可以完全不接触地球在空中飞翔。‛ 苹果落地的启发
把苹果拉向地面的力，与地球控制月亮的力，是不是同一种力？
思路
为了检验使苹果落地的力和维持月球在其闭合轨道上运动的力之间可能的关系，必须：（1）弄清楚重力随着与地球距离的增加而减少的规律；（2）根据这一规律和所测得的在地球表面上的物体的加速度，来计算月球轨道处的重力加速度有多大；3）假设月球的轨道是一个以地球为圆心的圆，计算月球的实际向心加速度是多少；（4）确定由（2）和（3）得出的加速度在数值上是否相等。 引力中心
起初的计算与实际结果的偏差差太大。牛顿对此非常失望。原因：采用了较小的地球半径数值？地球和被吸引物体之间的有效距离？引力中心问题！能把地球这个大球体的引力看作只是从地心发出的吗？
等待微积分的创立（1685年） 重力问题搁臵15年 胡克的信
1680年胡克写信给牛顿，建议他研究确定在一个按平方反比定律变化的引力中心附近区域里运动的质点的运动路径问题。牛顿重新开始了他早年的计算。并计算出在平方反比例定律的力的作用下的轨道是一个以吸引体为焦点的椭圆。又进一步证明，如果围绕引力中心的运动是椭圆运动，而此引力中心是椭圆的一个焦点，那么该力一定是平方反比例的力。
1684年8月哈雷造访牛顿，问：若天体之间在平方反比引力作用下会怎样运动？牛顿答：按椭圆轨道
17
运动。哈雷鼓励牛顿把研究继续下去，并要求牛顿答允把研究成果寄给皇家学会，以便将它们登记备案，确立其优先权。 微积分
此时牛顿创立的微积分使他能证明：
一个所有与球心等距离的点上密度都相等的球体在吸引一个外部质点时，行同其全部质量都集中在球心。为了详尽地阐述所有一切，牛顿着手写一本书，18个月后写成。书名叫《自然哲学的数学原理》，简称《原理》。
《自然哲学的数学原理》
古人在自然研究方面，把力学看得很重要，近人则抛弃了物性形式及潜在属性以
后，已开始将自然现象归宿到数学定理上去。所以本书内，于物理学的范围中尽量将数学演出，看来是有意义的事。（郑太朴译本原序第一节）初版用拉丁文，于1687年7月问世。共分三篇，以及非常重要的导论 基本概念
定义：质量、动量、力等。
牛顿是第一个精确使用这些概念的人。 绝对的真实的和数学的时间
绝对空间 绝对运动
二十世纪物理学与牛顿物理学的根本决裂就是在于抛弃这些绝对的、独立的空间和时间概念 牛顿运动三定律
（1）每个物体都保持其静止状态或直线匀速运动状态，除非受到外力的作用而 被迫改变这种状态；
（2）物体的加速度与外力成正比，加速度的方向与外力的方向相同； （3）对于每一个作用，总有一个大小相等、方向相反的反作用。 其中第三定律是真正牛顿的发现。 万有引力的三大验证
哈雷对彗星回归的预言被证实：1531－1607－1682 ??? 1758（1759.3.13近日点）
1775年第五任格林威治天文台台长马斯克林测量一座大山南北麓的纬度差海王星的发现 海王星的发现
1781年赫歇耳发现天王星天王星的轨道运动异常 万有引力定律作用不了这么远？ 未知行星的摄动？
科学史上最伟大的著作
在对当代和后代思想的影响上，没有什么别的杰作可以和《原理》相媲美。 牛顿的光学研究
在1666年他买了一个棱镜，直到1672年他在《哲学学报》上发表了一篇有关他的棱镜实验的报告。这是他的第一篇科学论文。 分光实验
白光的合成性质
牛顿对他的发现思考了各种可能的解释，做了各种实验。
最后他得出结论：日光及一般的白光都是由每种颜色的光线组成，这些颜色是这光的原始的偕与俱来的性质，而不是棱镜造成的。
什么样的颜色永远属于什么样的可折射度，而什么样的可折射度也永远属于什么样的颜色。
18
牛顿的贡献
通过奠定力学自身的公理基础把力学确立为一门独立科学； 阐明了如何把力学应用到自然科学各个领域；
通过使力学与理论天文学相联系确立了地上和天上物理学的明确综合； 为光学的理论和实践开拓了新的基础； 对机械论的自然科学概念赋予新的意义；
通过所有这些为整个自然科学领域开创了新的前景。 吉尔伯特的磁学研究 富兰克林
在解释电的本质问题上，一个杰出人物就是富兰克林（Benjamin Franklin） 。他
是新大陆第一位加入到欧洲科学行列的科学家。1706年出生于波士顿，在17个子中排行15，家境并不富裕。只受过两年正规教育。当过印刷工人、作家、政治家、外交家和科学家，为美国立国之父之一。
卡文迪许 认为电是一种流体，其微粒互相排斥，其力与距离的平方成反比。 法国工兵部队的技术军官库仑( Charles Augustin
Coulomb 1736-1806)用实验证明了电引力和磁引力都服从平方反比定律，
他的工作不仅是精密测量和数学解析相结合的典范，而且为电磁学奠定了定量基础，迅速地推进了这个领域的数学化。 库仑
库仑扭秤 库仑定律
库仑用扭秤实验于1785年证明：
电的引力或斥力与两个小球上的电荷的乘积成正比，与两个小球球心之间的距离平方成反比。这表明电力也遵循与牛顿所创立的引力论相似的法则。这一规律现在仍称做库仑定律，电量的单位也命名为库仑。 流电学
人们已经认识到：摩擦能够起电；加热晶体能够起电；大气中也能收集到电。还发现一些海洋鱼类在攻击时也放电。到十八世纪末，人们发现了接触电。对此现象的充分研究和理论解释是十九世纪物理学的最大成就。 1750年前后，一个德国教授祖尔策有一次碰巧用他的舌尖放进两块不同的金属之间，他感觉到一种刺激性的味道。后来人们把这种效应与电联系起来。 接触电 伽伐尼
对接触电的真正研究开始于意大利解剖学家伽伐尼(Luigi Galvani1737-1798)的偶然 观察。
青蛙腿的痉挛 ‚动物电‛
伽伐尼认为蛙腿痉挛现象是因为筋肉的表面和神经起到莱顿瓶外箔和内箔的作
用，所以蛙腿储存着电。放电引起筋肉收缩。于是他宣称有‚动物电‛这样一种东西，并且十分固执地坚持这一观点。后来他的同胞伏打证明他错了。
伏打(Alessandro Volta1745-1827)是伽伐尼的朋友，在静电学方面也有自己的发明贡献。他得到伽伐尼送给他的论文后，重复并证实了伽伐尼的实验。 伏打
电流与生命组织无关
19
伏打杯冠
1800年伏打制成了能产生很大电流的装臵。他使用几个盛有盐溶液的碗，将相邻的盐溶液用弓形金属条联接。金属条为两类，一类为铜，另一类为锡或锌，两者间隔放臵这样便产生了一股稳定的电流，两只碗相隔越远，能产生的电流越大这是世界上第一组电池。 伏打电堆
伏打又用小圆铜极板和小圆锌极板以及浸透了盐溶液的硬纸板圆片，做成体积小、
含水少的装臵，这个装臵被叫做‚伏打电堆‛。 电池的发明使得伏打声名远播，1801年拿破仑将他招徕到法国，表演他的实验他获得一连串的奖章和勋章，被封为伯爵。但他最高的荣誉应该是来自同辈的科学 家，电压的单位——伏特以他的名字命名。 伏特 真空问题
亚里士多德：自然界厌恶真空
意大利人托里拆利，伽利略的学生，临终时伴其侧。水泵泵水的高度问题，托里拆利实验（1643），760mm汞柱
法国人帕斯卡（1623－1662），天才的数学家、作家、思想家，设计了酒精柱高度随海拨高度变化的实验
马德堡半球实验，由该市市长盖里克（1602－1686）设计。1654年当着德皇和议员们面演示大气压力，16匹马才将 1.2英尺直径的铜球拉开
胡克
英国物理学家胡克（1635－1703）心灵手巧，曾经是波义尔的助手，帮助造出了精 致的抽气机《显微图》，提出过光的波动学说，与牛顿相对立弹性定律（1678）：弹性力的大小与离开平衡位臵的距离成正比 弹簧伸缩的时间间隔相等，可用于计时 惠更斯
荷兰物理学家惠更斯（1629－1695）出身高贵1656年发现猎户座星云，和土星的光环和卫星1656年制造第一架摆钟，1658年出版《钟表论》碰撞问题：活力（能量）守恒原理 离心力公式：离心力与速度的平方成正比，与运动半径成反比
1690年出版《论光》主张光的波动说，但误认为光跟声音一样是纵波
(六)十九世纪的科学——物理学
热力学定律和能量守恒定律的确立 热的本质
在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。
当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。 热质说
拉瓦锡在1789年的《初等化学概论》中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。 热质概念下的研究成果
拉瓦锡还把一定的质量加热到一定温度所必需的热质称作比热。热质说被拉瓦锡明确化之后，从十八世纪末到十九世纪初的一段时间里在物理学中占据着主流地位。在此基础上热学获得了一定的发展。 例如，傅里叶通过对热传导的研究，1822年发表《热的解析理论》，提出著名的热
20
传导微分方程，并使用傅里叶级数展开求解方程，成为数学物理方法的成功典范。 热之唯动说
热本质是物质微粒的机械运
这种观点缺乏足够的实验根据，不能形成科学的理论 机械运动转化为热
于是伦福德得出结论说，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。
他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数
值。不过他的数值偏高。1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。 热运动说的处境
伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。 戴维通过实验否证了‚热质守恒‛。 能量守恒定律提出的背景
一方面，由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。
另一方面，十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。 德国人迈尔（1814-1878）首先考察了自然界的各种力的统一。
迈尔是药剂师的儿子，当过随船医生。大约在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣。 作品与实验
1841年他完成《关于无机界各种力的意见》一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的《化学和药学年鉴》上。1842年他用马拉动一个机械装臵来搅动大锅中的纸浆，根据马所做的功和纸浆升高的温度，试图给出热功当量的数值。
迈尔多次著文阐述能量守恒的信念。但是他的工作几乎没有引起人们注意。
德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上， 追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。 《论‚力‛的守恒》
1847年赫姆霍兹独立完成《论‚力‛的守恒》（On the conservation of force）一
文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读论文用物理学语言，从活力守恒推导出普遍意义上的机械能守恒，最后还推广到自然界，包括有机界和无机界。
在力学、电磁学、光学、热学、化学等大量已知实验事实基础上论证了能量守恒的普遍性。 《论力的守恒》的目的
‚在于探索规律，通过这些规律中的各个过程，总结出普遍的法则，并且又能使这些规律从普遍的法则中推导出来。‛‚科学的最终目的是探索自然过程中最后不 变的原因。‛在这种思想的指导下，赫姆霍兹在论文中提出了两个普遍性的原理：活力守恒原理和力守恒原理。 能量转化和守恒
1854年赫姆霍兹在《自然力的相互作用》一文中指出，‚自然作为一个整体，是力的储存库，它不能
21
以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为‘力的守恒原理’‛。
这里明确表达了能量转化和守恒的思想。 ‚能量‛一词
迈尔和赫姆霍兹文章中的‚力‛其实就是‚能量‛。威廉•汤姆森在1851的一篇文章中首次使用了‚能量‛一词，并在1853年的一篇文章中提出了能量守恒定律的最后严格表述。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。 焦耳
1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比－－焦耳定律。
1843年及随后的实验结论：自然界的‚力‛是不能毁灭的，凡是消耗了机械力的地方总能得到相当的热。 热功当量
1849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文《论热的机械当量》，他的成果终于获得完全承认。
1849——1878年，焦耳做了四百多次实验，最后测量出做的功和产生的热的关系为：41,450,000尔格的功产生1卡的热量。这就是热功当量。虽然伦福德和迈尔都得出过热功当量的数值，但焦耳的最精确。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。
热力学第一定律
在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，将分别获得了热力学第一定律的各自表述。 1850年4月克劳修斯：‚在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。‛ 1851年开尔文：‚物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量‛。 热机的效率
卡诺对热机的做功效率非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。通过对理想热机的考察，卡诺得出结论：热机最高效率取决于热机内的温度差，与工作介质无关。
热力学第二定律提出的必要性
热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。 热力学第二定律的两个表达
‚一个自行动作的机器，不可能把热从低温物体传到高温物体去。 ‚热不可能自发地从一冷体传到一热体‛。不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其他影响。不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。第二类永动机是不存在的。 ‚宇宙热寂说‛
1867年在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：
22
1、宇宙的总能量是一个常数； 2、宇宙的熵趋向某一个极大值。 这就是后来引起很多争议的‚宇宙热寂说‛的正式提出。 经典电磁学理论的建立 奥斯特的发现
1819年丹麦物理学家奥斯特（Oersted, Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现： 通电导体会使平行放臵的磁针转向。这次实验证实了电流对磁体有横向力作用。 1820年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。 安培的研究 安培定则
两个平行载流导线之间的相互作用的规律：当电流方向相同时，它们相互吸引； 当电流方向相反时，它们相互排斥。 安培定律
安培分子电流说
电动力学概念的提出 欧姆的研究
他利用温差电池和电磁扭秤进行金属的导电实验．得出了‚通过导体的电流与电势差成正比，与电阻成反比‛的结论．这就是著名的欧姆定律。 让磁力产生电流？ 法拉第
法拉第在1821年就设计了一个实验装臵，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动，关注让磁力产生电流。
读不到电流实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。
他用安培(Ampère, André 1775-1836)发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在第二个线圈中读不到电流。
电磁感应 经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。 磁力线 法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。
磁感应发电机 一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第
的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。 麦克斯韦的数学升华
法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。 但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。
是数学天才麦克斯韦完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而奠定了电磁场理论的基础。 1856年2月他发表了电磁学的第一篇论文《论法拉第的力线》，文章的目标首先放 在用数学表示法拉第的见解上。 《论物理的力线》
1862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文《论物理的力线》。这篇文章超越了法 拉第，取得了新的成果，从而巩固了电磁理论的基础。 磁力管 麦克斯韦的‚机械‛电磁场模型 位移电流
23
在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电 流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。
麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。 《电磁场的动力学理论》
麦克斯韦在1864年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程组。
在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为电磁场理论。
麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电磁作用。
《电磁通论》
1873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作《电磁通论》。他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起的来研究。在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某种力学状态。
麦克斯韦的理论表明：
电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有电。 电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度c向外辐射电磁波。 麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所以也是一种电磁辐射。电粒子可以 以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。 预言的证实
他的预言在不久的将来（1888）得到了证实，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到五十岁（1879）就去世了。如果他有正常人的寿数，是能够活着看到自己的一个一个科学预言被证实。
他作出的比他知道的还要好然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。他的电磁场方程组不依赖他对以太的解释。
麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个‚经典物理学‛，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧适用。 通讯技术的飞跃发展
物质基础：大量电磁学实验和理论成果。对无线电通讯来说，理论基础由麦克斯韦奠定，亨利•赫兹（Heinrich Rudolf Hertz1857-1894）使得人工产生电磁波产生可能。 三个方面的成果：有线电报、有线电话、无线通讯。
(七)物理学革命
一．经典物理学的三大支柱 1.经典力学：牛顿力学 2.电磁学：麦克斯韦方程组 3.热力学：第一定律、第二定律，卡诺、亥姆霍兹、
麦克斯韦，开尔文、克劳修斯、玻尔兹曼、
开尔文的世纪回顾
他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。但在展望20世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
第一朵乌云 ：以太理论
17世纪到19世纪末，科学家们为了寻找一种力学模型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了大部分光学现象。某些以以太为基础构造的
24
理论看上去还得到了实验的证实。 例如：以太部分曳引假说1818年菲涅耳提出：透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比。他还假定当一个物体相对以太参照系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)，并得到运动物体内光的速度：v(light) = (c/n) + vmed(1-1/n2)1851年斐索的实验证实了这个公式。
寻找以太
1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的运动速度的一个方案。迈克耳逊（A．A．Michelson，1852-1931）看到公开发表的麦克斯韦的信之后，尝试去做这个实验。迈克耳逊先单独做了一个实验来测量地球穿过以太的效应，1881年他表结果说没有发现地球相对于以太的可以检测的运动。几年后他又与一名化学教授莫雷（1838-1923）合作，以更高的精度重复了这个实验，1887年他们公布实验结果，仍然没有发现地球相对于以太的运动。
实验的思想基础 在以太这个参考系中光速是均匀的，所以通过测量不同方向上光的视速度，比较它们的差异，就可以确定地球相对于以太的速度。 光程差 假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风，那么相对实验室的光速，从A到C为c-v，从C到A为c+v，在AB和BA方向光速为(c2-v2)1/2。如果AB=AC=L，那么光在AB、AC间往返所需的时间分别为：t1=2L/(c(1-v2/c2)1/2)和t2=2L/(1-v2/c2)1/2两者之差△t，忽略高阶小项后，为Lv2/c3。相应的光程差为Lv2/c2。
条纹移动数0.37
实验仪器转动90度，使得以太风从A到B，于是光程差为- lv2/c2，转动前后的总变化为2lv2/c2。设λ为实验所用光的波长，那么光程差的改变相应于条纹移动数n为2lv2/(λc2)。迈克耳逊-莫雷的实验长度为11米，波长等于5.9×10-7米。以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒30公里，那么n约等于0.37。0.37个条纹的移动在当时已经足够被观测到了。
无法观察到预期结果 为了保证精确，迈克耳逊和莫雷把实验仪器浮在水银上面，当仪器缓慢转动时连续读
数。他们发现最大的位移不超过1%个条纹。实验无法观察到预期的0.37个条纹的移动。他们还在一天的不同时间和相隔六个月后重复做这个实验，均未发现任何条纹移动。
对零结果的可能解释
以太随着地球一起运动，但这将使以太变得毫无意义。或者，地球相当于以太静止，但这几乎是要倒退到中世纪以前的地心宇宙说。或者，根本没有以太这种东西，但是光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。
‚大失败‛
迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为‚神圣‛的经典物理学的根基。迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。
挽救以太
迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西，为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验的零结果。其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901）对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运
25
动方向上产生一定比例的收缩，既(1-v2/c2)1/2的比例收缩（v为物体与以太的相对速度，c为光速）。收缩的量随物体运动速率的增加而增加。按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差异。不仅如此，一切可能的测量装臵，包括人的感官在内，都要以同样的方式相应地收缩。 荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz1853-1928）在1904年发表的《以小于光速的任何速度运动着的体系中的电磁现象》中把长度收缩归结为一种特殊的动力学过程：相对于以太运动的物体在运动方向上发生收缩；相对于以太静止的物体长度不会收缩，哪怕相对于观测者是运动的。这就是绝对收缩理论，是以太理论面临严重威胁时为了维护旧传统运动观念而作出的最后一次尝试。
第二朵乌云：紫外灾害 总辐射本领在紫外部分趋向无穷大，形成所谓的‚紫外灾害‛的佯谬。一位叫琼斯的物理学家提出了‚琼斯立方体‛形象地表达了这一佯谬。‚紫外灾害‛困扰了当时的物理学界多年。
爱因斯坦和相对论
‚奇迹年‛1905年被称作爱因斯坦的‚奇迹年‛，这一年爱因斯坦在《德国物理学年鉴》上发表了4篇论文，包括物理学方面三项重要的发展，《一个关于光的产生和转化的启发性观点》《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》《论动体的电动力学》《物体的惯性是否与它所含的能量有关？》这一年他还完成了博士论文《分子大小的新测定方法》，获得博士学位。 光电效应 在《一个关于光的产生和转化的启发性观点》中,爱因斯坦发展了普朗克五年前提出的量子论，首次提出光量子的概念,成功地解释了光电效应。1921年因此获得诺贝尔物理学奖。
布朗运动方程 在《关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》中，爱因斯坦给出了布朗运动的数学分析。根据爱因斯坦的布朗运动方程，可以求出分子的大小和构成分子的原子的大小，使得道尔顿提出原子论一百多年来人们首次可以得出原子大小的可靠数值。
《论动体的电动力学》 这一年对以后世界影响最大的一篇论文是《论动体的电动力学》，这也就是后来被称为狭义相对论的第一篇论文。
狭义相对论的思路
自然现象应该具有统一性。经典力学中，力学运动规律相对于任何惯性参照体系其形式保持不变麦克斯韦电动力学只适用于静止参照系，应用到运动物体上时，就要引起不对称‛。这种不对称不是自然自身固有的，需要重新思考自然的观念，放弃牛顿的绝对时空观。 狭义相对论的前提：（相对性原理和光速不变原理）一切物理定律在所有惯性系中是等价的；光在真空中的传播速度为一常数c，与光源和观测者的运动状态无关。
洛伦兹变换
设惯性系K相对惯性系K′的运动速度为v（沿x轴），c为真空中的光速。则两个系统之间的长度和时间的洛伦兹变换公式为：(1) x′= (x+vt)/(1-v2/c2)1/2 (2) y′= y (3) z′= z (4) t′= (t+(v/c2)x)/(1-v2/c2)1/2
长度的相对性
沿K′的x′轴放臵一根米尺，令其一端与点x′= 0重合，另一端与点x′= 1重合。问米尺相对于K系的长度为何？由洛伦兹变换易知，在t=0时两点间的距离在K系中是(1-v2/c2)1/2，就是说以速度v运动着的米尺的长度是(1-v2/c2)1/2米。可见，当v = c时米尺的长度为零；v > c时，平方根是虚数。因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到也不能超过光速。
时间的相对性
考虑永久放在K′的原点上的一个按秒报时的时钟。t′= 0和t′= 1对应于该钟接连两声滴答。洛伦兹变换的第一、第四方程给出t=0和t=1/(1-v2/c2)1/2。就是说从K来判断K′的1秒，实际上比1秒要长，因而该时钟走得慢了。这就是运动系的时间膨胀。显然当v = c时，时间停止了，但这是不可能的。这就是一般被称为的‚时钟悖论‛。
26
‚双生子悖论‛
‚时钟悖论‛后来转换更富戏剧色彩的‚双生子悖论‛，由法国物理学家朗之万提出。朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。如果双胞胎兄弟中的一个留在地球，另一个去作星际旅行，飞船速度足够大，直线飞向一颗恒星再飞回地球，最后旅行者发现在他出门的两年时间里，地球已经度过了两个世纪。哲学家伯格森说，他正是听了朗之万1911年4月关于相对论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。
狭义相对论的同时性问题
《论动体的电动力学》在牛顿的绝对时空观中，整个宇宙都有一个统一的时间。但狭义相对论否定了绝对时空，也就否定了绝对同时的观念。在狭义相对论中，同一个惯性系有统一的时间，可以确定两个事件的同时性，但在不同的惯性系中没有统一的同时性。 相对论力学的普遍性（洛伦兹变换的逆变换菲涅耳－斐索公式）当物质运动速度比光速小很多时，相对论力学就自然过渡到牛顿力学。
狭义相对论中质能关系
狭义相对论能量E =（m02c4+P2c2)1/2，动量P很小时，E≈m0c2+ P2/（2m0）。这样低速粒子的相对论能量为经典力学的动能加上常数项m0c2。如果粒子静止，则动量P等于0，则E=m×c2 质量是能量的一种存在形式。E=m×c2 把质量守恒与能量守恒联系了起来，质量也可以看作是能量的一种存在形式。也正是这个公式在理论上预言了使得原子弹的可能性。1克煤全部燃烧大约产生7000卡热量，如果把一克煤的全部原子彻底崩裂，根据质能关系式，大约会产生2×1013卡热量，是燃烧产能的30亿倍。
闵科夫斯基对狭义相对论的重构 闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱因斯坦数学。闵科夫斯基发表论文，引进四维时空的概念，取代了孤立的三维空间加一维时间的不相容概念，还把相对论转化为现代张量形式，在相对论中引进专用术语，并明确指出：以相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了。 一开始爱因斯坦没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论改写成张量形式是‚多余的技巧‛。但到了1912年，爱因斯坦终于转变过来了，1916年他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。后来爱因斯坦强调说，如果没有闵科夫斯基，广义相对论也许还在襁褓中。 1909年声誉渐著的爱因斯坦获得一个苏黎世大学的低薪教授职位。1913年在普朗克的帮助下柏林威廉大帝物理研究所给以爱因斯坦一个待遇优厚的职位。1915年爱因斯坦在一篇通常称为‚广义相对论‛的论文中把相对论原理从惯性系推广到加速系中。
狭义相对论的局限 无法定义惯性系，使得研究惯性系间关系的相对论缺乏坚实的支撑。万有引力定律无法写成相对论的形式。
从惯性理论走向引力场理论
从‚科学规律相对于一切惯性系形式不变‛推广到‚科学规律在一切参考系中都相同‛要求证明非惯性体系和惯性系具有等效性，就要证明非惯性体系具有惯性系的一个基本存在——惯性力，而事实上象加速运动系统这样的非惯性体系有惯性力，如果惯性力和引力可以等同起来，惯性场和引力场就可以等价。由于引力质量和惯性质量完全相等，因此引力和惯性力在本质上可能等价。
广义相对论的本质：是一个时空和引力的理论。狭义相对论没有指出时空与能量、动量之间的关系。广义相对论认为物质存在，会使四维时空发生弯曲，万有引力不是力，是时空弯曲的经典效应。广义相对论基本方程：时空曲率＝能量动量
广义相对论提出了三项可供检验的预言，这就是：水星近日点进动、引力红移、光线偏折（弯曲）
水星近日点进动
水星近日点发生着缓慢移动，这点早已被观测到，并且比较精确地确定了其进动速率为每100年1°
27
33′20″。发生进动的主要原因是除了太阳的引力外，还存在其它行星的引力摄动。根据牛顿万有引力定律可以推算出水星的进动速率是每100年1°32′37″，这个数值与观测结果的差为每100年43″。在爱因斯坦之前，这一直是不解之谜。 1916年爱因斯坦把这一现象解释为空间弯曲和光速变慢的结果。根据广义相对论，把太阳引力场看成是弯曲的空间，行星在此弯曲空间中的运动规律跟平方反比规律得到的结果有所差异，即使没有其它因素，行星公转一周，它的近日点也会进动6πK2m2/h2弧度 ，用水星的数值代入，结果正好是43″！预言跟观测结果符合，从而合理地解释了一直得不到解释的水星近日点43″的进动，同时也验证了广义相对论。
引力红移
根据广义相对论，光在引力场中前进时频率会发生改变，向红端移动。这是因为光子具有引力质量，受到恒星的牵引，它在引力场中升高，就要消耗一定的能量，光子的能量与频率成正比，如果能量损失，频率也就降低，频率降低就是波长加长，也就是谱线向红端移动。 强天体引力场的光线红移。1925年天文学家亚当斯发现了天狼星伴星的红移现象。该恒星是颗大质量天体，引力场很强，其引起的红移量是太阳引力场中的20倍。亚当斯对天狼星伴星和波江座40双星中的白矮星的红移现象的观测值与广义相对论的预言值符合得很好。本世纪60年代在地球引力场中证实了引力红移效应。
光线弯曲
按照广义相对论，在强引力场附近，空间是弯曲的，光线在弯曲空间里走的最短路线不是一般意义上的直线，光的路径随着空间的弯曲而弯曲。在牛顿力学中，认为光子也有重量，那么光线通过太阳附近是也会发生偏折，根据牛顿力学计算出来的偏折角是0.87″，而广义相对论预言的结果是1.75″，正好比牛顿力学所得出的大一倍。 太阳系引力场最强的地方莫过于太阳附近了，所以验证这一点的最好机会是观测太阳边上的恒星位臵，然后在太阳不在这个天区时再观测恒星的位臵，前后比较后，就可以确定结果了。而太阳附近的恒星只有在发生日全食的时候才能观测到。 爱因斯坦提出广义相对论的1915年，第一次世界大战刚进入第二个年头，科学家们也无暇去做天文实测。英国科学家爱丁顿在战时就通过荷兰人了解到德国人爱因斯坦的工作。
等到1918年大战一结束，1919年5月29日有一次绝好的日全食机会。爱丁顿组织了两支考察队，一支到巴西北部，另一支他亲自率领到几内亚湾的普林西比岛。 ‚星光确实……发生偏折‛两支考察队都拍摄了太阳附近星空的照片，过了两个月后，再拍摄同一星空的对比照片。在该年11月6日召开的英国皇家天文学会和皇家学会联合举行的大会上，天文学家罗伊尔宣布：‚星光确实按照爱因斯坦引力理论的预言发生偏折‛。 第二天即1919年11月7日，历来谨慎的英国《泰晤士报》赫然出现醒目的标题文章：‚科学革命‛，两个副标题是‚宇宙新理论‛、‚牛顿观念的破产‛。11月8日《泰晤士报》接着刊登了题为‚科学革命：爱因斯坦战胜了牛顿、杰出物理学家的观点‛的文章，文中说‚这件事成了下议院热烈讨论的话题‛；物理学家、皇家学会会员、剑桥大学教授约瑟夫•拉摩‚受到围攻，要求对牛顿是否被击败了、剑桥大学是否垮台了作出答复‛。 这项验证的公布引起了强烈反响，爱因斯坦成了传奇人物。《柏林画报》周刊的封面刊登了爱因斯坦的照片。科学家、哲学家和历史学家们也纷纷就相对论发表评论。 人们都知道了爱因斯坦是个伟大的科学家，但是真正理解他的理论的人了了无几，事实表明，广义相对论的发展史比狭义相对论还要艰难曲折。很长一个时期，只有天文学家，而且只是那些研究宇宙学的天文学家对广义相对论感兴趣，物理学家则不然。1920年关于是否存在河外星系的‚大辩论‛组织者Abbot拒绝相对论作为一个可能的话题：‚我向上帝祈祷，科学进步会把相对论送到第四维空间之外的某个地方，从此它永远不会回来折磨我们了。 映式，卓别林和爱因斯坦站在一起，面对欢呼的人群，艺术之星大有被科学之星压倒的味道。卓别林对爱因斯坦说：‚他们欢呼我是因为他们都理解我，而他们欢呼你是因为没有人理解你。‛
爱因斯坦的三个划时代贡献：广义相对论、受激辐射概念、宇宙动力学方程 爱因斯坦成了举世闻名的科学家，然而他仍不能免遭德国纳粹势力的迫害。1930年爱因斯坦到美国
28
加利福尼亚理工学院讲学，直到希特勒上台（1933年）仍在美国，以后再也没有回德国。爱因斯坦以后定居在新泽西州普林斯顿高级研究所，1940年成为美国公民。 ‚统一场论‛ 在他生命中的最后十年致力于寻求一种能包罗万有引力和电磁现象的理论，也就是常称之为‚统一场论‛的理论，不过这个难题让爱因斯坦耗费了许多时间和精力，并平添许多苦恼，最终没有解决。
探索的动机
——在普朗克六十岁生日庆祝会上的讲话 (1918) 把人们引向艺术和科学的最强烈的动机之一，是要逃避日常生活中令人厌恶的粗俗和使人绝望的沉闷，是要摆脱人们自己反复无常的欲望的桎梏。一个修养有素的人总是渴望逃避个人生活而进入客观知觉和思维的世界。 物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，由此世界体系就能用单纯的演绎法建立起来。要通向这些定律，并没有逻辑的道路，只有通过那种以对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。 渴望看到这种先定的和谐，是无穷的毅力和耐心的源泉。我们看到，普朗克就是因此而专心致志于这门科学中的最普遍的问题，而不使自己分心于比较愉快的和容易达到的目标上去。我常常听到同事们试图把他的这种态度归因于非凡的意志力和修养，但我认为这是错误的。促使人们去做这种工作的精神状态是同信仰宗教的人或谈恋爱的人的精神状态相类似的；他们每天的努力并非来自深思熟虑的意向或计划，而是直接来自激情。
量子论思想的提出 1900年10月19日在柏林的德国物理学会会议上，普朗克给出了他导出的黑体辐射公式。这个辐射公式与当时的实验数据符合得非常好。并且消除了‚紫外灾害‛的矛盾。
一个解释 ‚但是现在留下一个最关键性的理论问题，就是为这个公式找出一个恰当的解释。‛‚因此，即使这个新的辐射公式竟然能被证明是绝对精确的，但是如果把它仅仅看做是一个侥幸揣测出来的内插公式，那么他的价值也只是有限的。由于这个缘故，从它于10月19日被提出之日起，我即致力于找出这个等式的真正物理意义。‛ 最后普朗克发现，辐射能量必须是一份一份的，每一份能量ε等于频率乘以常数h，即ε= hν 普朗克把这样的ε称作能量元或能量子。h后来便称为普朗克常数，它是宇宙的基本常数之一。1918年普朗克因提出能量子概念而获得诺贝尔物理学奖。
数学游戏？ 普朗克‚孤注一掷‛提到的这个理论太具有革命性了，物理学家们不能马上接受。甚至也超出了普朗克本人的接受能力。在接下来数年里他几次动摇对自己理论的信念。普朗克有时把它称作只不过是一种数学游戏。1905年爱因斯坦提出光量子假说，支持普朗克的能量子理论。普朗克非但没有支持，甚至到了1909年还在反对光量子假说。
爱因斯坦的光量子理论
1905年爱因斯坦有一篇论文是关于光电效应的。光电效应是在此之前人们发现的一种现象：照射到金属表面上的光（特别是紫外光）能使金属带正电荷。发现电子以后，人们证明了这个效应是由于有电子从被照射的表面发射出来。 光电效应的两条实验规律：
1.对于给定的入射光频率，发射出的电子能量不变，但电子数目与光强成正比。
2.对某一种金属材料，存在一种临界频率；当入射光频率没有达到这个临界频率时， 金属表面不会有电子发射出来；在入射光超过临界频率时，电子的能量与所用频率 跟临界频率之差成正比。
这两条实验结果与经典电磁理论的预言完全不符合。
光量子
爱因斯坦提出，发射出的电子能量由公式：E = hν- W 决定。W是与金属有关的功函数，hν是入射光量子的能量，是能量交换的最小单位。当一个光量子击中金属表面并与其中一个电子发生作用时，
29
把它的全部能量都传给了电子。 E = hν- W如果hν< W，电子从从光量子那里得不到足够的能量穿出金属表面，因而不会发生光电效应。而当hν> W时，就开始发射电子，而且电子能量随ν线性增加。这样，爱因斯坦一下子就解释了光电效应的神秘现象，并有力地支持了普朗克关于辐射量子的观念。 1921年的诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦，就是因为他在光电效应方面的杰出贡献。然而，爱因斯坦在量子论这片池塘里投下一块石头后就转身他去。后来他更多地考虑用广义相对论来探索宇宙的本质，对量子力学方面的新进展他拒不接受。
物质结构和量子力学的建立 原子——‚不可分的‛
打开原子的大门——电子的发现
1895年11月10日，德国物理学家伦琴（Wilhelm KonradRontgen 1854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做X射线。
放射性的发现
1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新元素的粉末，这种新元素被命名为钋，放射性比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀矿石强烈的放射现象。1898年12月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。 1902年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出十分之一克的镭。 1903年居里夫人因对放射线的研究与贝克勒尔和她的丈夫分享了该年度的诺贝尔物理学奖；1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。
原子模型
作为汤姆逊的学生，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）却不喜欢汤姆逊的原子模型。他决定用一种新粒子当作炮弹来轰击原子，以探索原子的内部结构。这时物理学家从放射性研究中掌握了一种叫做粒子的新粒子。卢瑟福知道粒子其实就是从不稳定的原子发射出来的具有极高能量的氦离子束。粒子在与原子带电部分发生相互作用时，会偏离原来的路径，由此产生的粒子散射，可以揭示原子内部电荷分布的情况。卢瑟福让粒子流射到不同的金属薄片上，并对穿过薄片后向不同方向散射的粒子的数目进行计数。根据记数结果，卢瑟福发现粒子穿过金属薄片后的散射是相当显著的。虽然多数粒子保持原来的运动方向，但有不少粒子偏转了很大角度，有的甚至被撞回来了。这个结果与汤姆逊原子模型预言的结果完全不符。 按照汤姆逊的原子模型，原子的质量和电荷几乎是均匀地分布在整个原子中。按照这个模型，入射粒子的电荷与原子内部的电荷之间的相互作用绝不会强到能使粒子离开其原来的运动方向发生大角度的偏折，更不用说能把它撞回去了。 唯一可能的解释是原子的中心含有一个很小的核，这个核带有正电并且拥有原子的所有质子，所以也几乎拥有原子的所有质量。为了判断这一假设是否能解释观测到的散射结果，需要根据力学定律导出一个公式，来计算粒子在离排斥中心不同的距离处通过时偏折的大小。 象许多其他实验室中的天才一样，卢瑟福也不精于数学。据说，这个公式是由一位年轻的数学家福勒帮他导出的——后来福勒成了卢瑟福的女婿。根据这个公式，粒子偏离原来运动方向的角度为θ的粒子数与sin4(θ/2)成反比。这个结论与观测到的散射曲线非常相符。 1911年，卢瑟福根据粒子散射实验，发表了原子的核式结构模型：原子有一个小而重的带电的核，在它周围是一群在库仑吸力作用下绕核转动的电子。卢瑟福原子模型是对德谟克利特原子观——即认为原子是不可分割的无特征球体的观点的彻底取代。
玻尔的原子
按照卢瑟福的原子模型，原子象一个微型的行星系，电子在库仑力的作用下绕原子核转动。在玻尔（Niels Bohr，1885-1962）看来，这样一个原子在经典力学下是不稳定的。当然，事实并非如此，原子是完全稳定的结构。 将量子思想引入原子结构理论，克服了经典理论说明原子稳定性的困难。玻尔是明确地把量子假说应用于原子模型并取得辉煌成就的第一位科学家。在以后几年里，玻尔的原子结构理论一直在顺利发展。但玻尔理论在达到顶点之后，它所包含的矛盾也开始暴露出来。玻尔的氢原子模型过于简单，无法解释谱线的精细结构，对比氢复杂的元素，玻尔没有能够给出满意的原子模
30
型。
一群年轻人建立量子力学
正当作为前期量子论（1900-1925）主干的玻尔理论面临严重障碍而处于停滞状态 时，一批年轻的物理学家建立了一种新的量子力学。 1923年31岁的法国物理学家德布罗意（Louis de Broglie 1892-1987）引入物质波的概念，指出电子不仅是粒子，也是波。λ＝h/p,p=mv为动量。把动量（粒子性）和波长（波动性）联结了起来。1924年他建立了波动力学基础。德布罗意认为物质粒子的运动伴随着某种引导波，这些波伴随粒子一起在空间传播。 1925年24岁的德国物理学家海森堡（WernerKarl Heisenberg 1901－1976）在德国物理学家43岁的波恩（MaxBorn 1882-1970）和23岁的约尔丹的帮助下创立矩阵量子力学，对运动学和力学的各个方面给出量子论的解释。1926年38岁的德国物理学家薛定谔（Erwin Schroinger 1887-1961）建立波动力学，提出了量子力学的波函数形式：指出电子并不是在环绕原子核公转，而仅仅是在核周围形成的一‚驻波‛，所以位于某特定轨道上的电子并没有加速运动，因而也就不会辐射能量。 海森堡的矩阵量子力学需要繁难的数学，而薛定鄂的波动方程在数学上与经典的波动力学没有什么不同，所以很快被人们接受。1926年，薛定愕证明自己的波动力学与海森伯等所建立的矩阵力学在数学上是等价的。1927年26岁的海森堡提出测不准原理：粒子的位臵和动量的不确定度的乘积绝不能小于普朗克常数除以2π。玻尔进一步提出了量子力学的互补思想：两个量，在测量其中一个量时妨碍了同时对另一个量的测量精度，那么这两个量就是互补的。 量子电动力学 1929年27岁的狄拉克（ Paul AdrienMaurice Dirac 1902-1984）和29岁的德国物理 学家泡利（Wolfgang Pauli 1900-1958）提出量子电动力学。把狭义相对论效应纳入到量子力学中。狄拉克提出的狄拉克波动方程还预言了正电子的存在。
量子力学的‚成立仪式‛
1927年在意大利科莫为纪念伏打逝世100周年而举行的国际物理学讨论会上，玻尔作了关于量子力学的报告，被看做是量子力学的正式成立仪式。爱因斯坦没有参加这次会议。几个星期后的索尔维会议上，开始了爱因斯坦与玻尔之间关于‚上帝是否掷骰子‛的著名争论。 围绕量子力学的解释，哲学上出现了异常混乱的局面。特别是海森堡提出测不准原理之后，不少人大声疾呼：因果律面临被推翻的危机。根据经典力学，如果已给出了质量在某一时刻的位臵和速度，则以后任何时刻的状态就可以绝对地确定下来。但在量子力学中，认为其状态是‚不确定‛的，量子力学只承认概率上的必然性。 支配微观领域的理论当一些物理学家和哲学家在纠缠量子力学的哲学解释时，量子力学作为支配微观领域的理论取得了长足的发展。不仅巧妙地解决了原子结构问题，而且在化学键、金属导电性和强磁性等有关物质和化学性质的各个领域内，都取得了重要成果。
31
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容