世纪物理学思想基本特征.ppt

经典物理学19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16 18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 1564 1642 和牛顿 1642 1727 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 1805 1865 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