物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学③经典物理学体系的建立

物理知识系列讲座（二）——从自然哲学到现代物理学

3——经典物理学体系的建立

文艺复兴运动和科学革命使人的思想得到了解放、激发了人们对科学的探索热情，资本主义的发展为科学研究提供了物质基础。在此历史环境下，诞生了近代自然科学。牛顿力学的建立，完成了人类历史上第一次自然科学大统一，标志着经典物理学理论体系正在形成。到了19世纪末，经典物理学大厦已经落成。经典物理学理论有三大支柱即牛顿的经典力学、热力学与统计物理和经典电磁学理论（包括光学）。

一、 经典力学体系

伊萨克·牛顿（Isaac Newton,1642-1727），一个揭示自然奥秘的科学天才，英国杰出的物理学家和数学家。牛顿概括了前人包括伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果，创造性地将天体运动和地面物体的运动和谐地统一起来并形成了严密的科学体系，成功地创建了经典力学，发现了自然界深刻的运动规律。

牛顿

1.伽利略—近代力学的奠基人

伽利略（Galileo Galilei,1564-1642）被科学界誉为近代力学的奠基人。伽利略的两部著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明》（简称《两门新学科》，两门新学科指材料力学和运动学），为力学的发展打下了思想基础。在力学研究中，伽利略既涉及到静力学，也深入到运动学和动力学。他研究过物体的重心和平衡，研究过材料强度，利用浮力定律制作过静力学天平，等等。然而更重要的是运动学和动力学的研究成就，他发现了摆的等时性，研究了自由落体运动和抛体运动规律，研究过物体的惯性，区分了速度和加速度概念。

伽利略

关于物体的运动，亚里士多德曾把运动分为强迫运动和自然运动，认为落体运动的速度与重量成正比，力是使物体维持运动的原因，等等。伽利略认为不能把运动分为自然运动和强迫运动，应当根据运动的基本特征即速度进行分类，由此提出了匀速运动和变速运动的分类方法。他首先定义了匀速运动是指任何相等的时间间隔内通过相等的距离，进而给出了瞬时速度的概念即物体在给定时刻的速度，也就是从该时刻起做匀速运动所具有的速度。

伽利略从落体运动的研究出发来研究变速运动，并假定落体运动是匀加速运动。他对匀加速运动给出了这样定义，若一物体从静止出发，并且在相等的时间间隔内获得相等的速度增量，则称之为匀加速运动。

自由落体运动是否是匀加速运动？他认为要通过实验来检验。但要直接测量落体的速度增量与下落时间间隔的正比关系在当时是非常困难的。于是他利用数学图解方法得出物体从静止开始做匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比即s/t²=常数，只要测出s与t即可。对自由落体运动，要准确测量s与t的关系也是不容易的。于是，他设计了著名的斜面实验，因为斜面上的运动慢得多，便于测量。他通过不同倾角的斜面实验，发现了前述平方正比关系。斜面实验的结论可以推广到竖直的自由落体运动，因为斜面坡度达到90度的极限情况就是自由落体运动。由此得出，物体自由下落的距离一定与时间的平方成正比，自由落体运动就是匀加速运动，从同一高度自由下落的物体，不论其重量如何，必然同时落地。他由斜面运动提出了加速度概念，而且容易得出斜面上的加速度与自由落体加速度之间的关系。传说伽利略曾经在比萨斜塔上做过实验，用以批驳亚里士多德的落体速度与重量成正比的说法，证实了落体加速度与物体重量无关的结论。有人说，他用大小相同而重量不同的的铁球和木球同时放下，观众看到两球同时落地，但历史考证对该传说存疑。

伽利略在他的著作中所形成的惯性思想，为后来牛顿定律的建立和惯性概念的引入开辟了道路。他曾设计了一个实验—斜面对接的理想实验。如图1-3-1所示，一个光滑的小硬球从光滑斜面的某一高度下落到底部再沿对接的斜面上升将达到同意一水平高度。对接斜面越平缓，上升到原高度的时间则越长。当对接斜面过渡到坡度为零的水平面时，伽利略得出结论说，小球将以恒的定速度（匀速）永远运动下去。这就是伽利略关于惯性的思想。在谈到小球从水平桌面的边缘下落时，他指出小球将在水平方向的匀速运动上增加一个向下的匀加速运动，并认为重力是这个加速运动的原因。从而把力的作用同运动状态的变化联系起来了，形成了动力学研究的思想。笛卡儿则弥补了伽利略惯性思想的不足，比较完整地表述了惯性原理。他指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持静止或运动状态，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动。笛卡儿的表述对对牛顿的综合工作有深远的影响。

图1-3-1 斜面对接理想实验

伽利略研究了抛体运动，把抛体运动看成是物体在水平方向的匀速运动和竖直方向的匀加速运动的合成，而且两种运动互不影响，这是关于运动叠加或合成的原理。他还推出了抛体运动轨迹，给出了抛射角为45度时射程最远。他在批驳反对地动说的一些论据（如人感觉不到地的运动、如果地球转动高处落下的石头应当偏西等）时，用运动合成的观点论述了运动的相对性：在一个封闭的做匀速运动的平稳的船舱里，由于一切物体都参与了船的匀速运动，因此各物体的相对运动关系保持不变。从桅杆上掉下的物体仍然会落到桅杆脚下，不会因船的运动而落到桅杆后面，人跳向船尾不会比跳向船头来得远，人们感觉不到船在运动。这就是我们今日所称的力学相对性原理或伽利略相对性原理。这个原理的发现是人类科学认识史上的一个重大飞跃。

2．碰撞的研究及“活力”

在力学体系形成过程中，碰撞是一个重要研究课题。最早建立碰撞理论的是笛卡儿（Rene Descartes,1596-1650）。他在《哲学原理》一书中肯定了运动量就是物质的量和速度的乘积，只是当时还没有建立“质量”的概念，也就无法写出动量的表达式。他还总结了7条碰撞规律，但由于缺乏对动量矢量性的了解，7条规律只有两条正确。这两条规律描述了动量传递的思想。荷兰物理学家、数学家惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）从1652年开始研究弹性物体的碰撞，研究结果收集在《论碰撞作用下物体的运动》的论文中。在研究过程中，惠更斯发现了动量守恒和弹性碰撞机械能守恒的规律，并且明确地指出了动量的方向性。他写道：“两个物体所具有的运动量在碰撞中可以增加或减少，但它们的量值在同一个方向的总和保持不变，如果减去反方向的运动量的话。”“在两个物体的碰撞中，大的程度与速度的平方乘积的总和保持不变”，“大的程度”代表惯性大小即后来的质量概念，这里第一次提到mv²这个量。马略特(Edme Mariotte,1620-1684)在1673年创立了一种用单摆做碰撞实验的方法，他用两根一样长的细绳悬挂两个小球，根据两球在碰撞前后下落和上升的高度可以测出碰撞前后的瞬时速度。碰撞的研究为建立作用力和反作用力定律准备了一定的条件。

17-18世纪，“力”的概念还不完全清晰，人们从不同的意义上使用这个概念描述了力的各种效应，从而引起了关于“运动量”或“力”的量度的一场争论。笛卡儿学派主张以mv量度运动量或力。而德国数学家、物理学家莱布尼兹（G.W.F.von Leibnitz,1646-1716）则引进“活力”的概念，主张用mv²（后来变成1/2 mv²即动能）对与运动量或力进行量度，认为宇宙中“活力守恒”，且发现力和路程的乘积（实际上是功）与活力成正比。“活力守恒”已非常接近机械能守恒原理。以后的研究表明，动量和动能是从不同的角度衡量机械运动量的两个重要的物理量。

3.万有引力定律的发现

万有引力定律的发现是牛顿从运动现象研究自然力的一个辉煌的范例。开普勒所描述的行星运动的三个定律使人们进一步研究行星的运动学和动力学问题成为了可能,为万有引力定律的发现打下了基础。牛顿根据向心力公式和开普勒定律得出行星受中心力作用、该中心力是吸引力、该吸引力与半径的平方成反比。还得出“这些指向物体的力应与物体的性质和量有关”， 从而把质量引进到万有引力定律。

还有许多人为万有定律作出过贡献。笛卡儿在1644年提出的“旋涡”假说是牛顿以前最有影响的引力理论，他认为宇宙空间充满了“以太”—一种稀薄的不可见的流质。以太围绕天体形成旋涡式运动，带动天体（如太阳）周围的物体（如行星）转动，旋涡压力卷吸着周围物体趋向中心物体，从而表现出引力现象。1645年，法国天文学家布里阿德(L.Bulliadus,1605-1694)第一次提出“从太阳发出的力和离太阳距离的平方成反比而减少”的假设。1666年，比萨大学教授玻列利（Alphonse Borelli,1608-1678）提出，引力是距离的幂的某种函数，设想行星受到一个趋向太阳的向心力。惠更斯在他的著作《摆钟》中导出了单摆的周期公式，摆钟的发明和使用显示了重量和质量的差异，在不同的地方要调整钟摆的摆长，走时才准确，因为同一物体在地球表面不同的地方重力不同。英国的胡克（Robert Hooke,1635-1703）曾经觉察到引力和重力有同样的本质并于1680年初在给牛顿的信中提出了引力反比于距离的平方的猜测。哈雷（Edmund Halley,1656-1742）和伦恩(Christopher Wren,1632-1723)在1679年按圆形轨道和开普勒定律，导出了行星的引力与其到太阳的距离的平方成反比，但没能证明行星在椭圆轨道上也是如此。哈雷后来还根据牛顿的理论计算出1682年出现的大彗星（后来称哈雷彗星）的轨道是一个拉得很长的椭圆且回归周期约为76年。牛顿在1684年关于《论运动》的演讲中，明确叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动下的平方反比关系，不久又在另一篇文章中定义了质量的概念并探讨了引力与质量的关系，从而完善了万有引力定律的发现。

苹果落地引发牛顿对引力的思索的故事很有意思。有一次他独自坐在花园里，忽然看到一个苹果从树上掉下来，他吃了一惊，便沉浸在对引力的思考中。他想这种力的作用范围可能要比通常设想的大得多，比如说一直延伸到月亮，很可能这个力就是使月亮维持轨道运动的原因。这个故事说明牛顿已觉察到天体运动与地球上物体运动的统一性。不论故事的真实性如何，然而苹果已成了万有引力的象征。

4.牛顿的《自然哲学的数学原理》—物理学史上第一次大综合

1687年牛顿出版了《自然哲学的数学原理》（简称《原理》）这部划时代的科学巨著，从而奠定了他在世界科学史上的崇高地位。《原理》创造性地综合了前人和他本人的研究成果，总结了动力学原理并宣布了万有引力定律，缔造了天上和地上统一和以三大运动定律为基础的力学体系。牛顿曾经说过：“如果我看得更远那是因为站在巨人的肩膀上。”这里的巨人指伽利略、开普勒、哥白尼、胡克和笛卡儿等，实际上他的综合工作是基于中世纪以来科学研究的累累成果。

《原理》共分两大部分。第一部分为导论，给出了质量、运动量、力、惯性等定义，提出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和绝对静止的概念，写出了著名的三个运动定律以及矢量的合成分解法则、运动叠加原理、动量守恒原理、伽利略相对性原理。第一定律即惯性定律，继承了伽利略的惯性思想和笛卡儿关于惯性的说法。第二定律的形式是Δ（mv）=fΔt而不是现在的f=ma，前者对速度很高的相对论情形仍然成立，好象牛顿有预见似的。第三定律是作用力和反作用力定律，与对碰撞的研究有某些关系。这一部分是前人工作的系统化，是牛顿力学的概念基础。第二部分的第一篇应用前面的基本定律研究了万有引力定律和有心力问题，给出了点状物体和均匀球体的引力公式：f=Gm₁m₂/r²。G是引力恒量。第二篇指出了笛卡儿的旋涡学说违背了开普勒定律。第三篇讨论了“宇宙系统”，用万有引力解释了当时所知道的天体的一切运动，宣布了宇宙中任何物体之间普遍存在着一种万有引力。也就是说，支配天体运动的力和苹果的重力是同一种力。牛顿还用一个理想实验，直观说明了轨道运动的力与重力是同一种力：在高山上水平射出一炮弹，速度不够时，重力使炮弹落在地上。当速度足够大时，炮弹就绕地球运动而不掉下来。

牛顿定律在原则上可以解决所有力学问题，但对多质点系统和约束较多的情形，直接应用牛顿定律很烦琐，又逐渐发展起了动量、动量矩、机械能三个守恒定律。18世纪，力学家和数学家又致力于寻找一种比牛顿定律更广泛、更简便的普遍力学原理，形成了分析力学。牛顿力学与天文学结合又形成了天体力学，真正的天体力学是在爱因斯坦之后。牛顿力学的另一发展方向是推广到连续介质形成了弹性力学、流体力学、材料力学、空气动力学和变质量体力学等，它们是解决许多工程问题的基础。

牛顿首次大量地用数学方法系统地整理和阐述物理理论以及在观察、实验的基础上归纳出自然规律的方法，为以后各种物理理论体系的建立树立了典范。但牛顿的绝对时空观认为时间和空间与物质的运动无关则是一种机械的和形而上学的自然观，因而具有很大的局限性。

二、 经典光学理论体系

光学既是物理学中最古老的一门基础学科，也是当今科学领域中最活跃的学科之一。光学的发展大致可以分为五个时期即萌芽时期（即15世纪以前古代对光学的研究，在本章第一节已介绍过）、几何光学时期（约16-18世纪）、波动光学时期（约19世纪）、量子光学时期（20世纪初）和现代光学时期（20世纪60年代起）。此处着重介绍经典光学包括几何光学和波动光学的发展历史。

1．几何光学

光学真正成为一门科学，应从反射定律和折射定律的建立算起，这两个定律是几何光学的基础。古希腊学者托勒密最早研究折射现象，阿拉伯人也做过折射实验，但都没有找到折射定律的表达式。17世纪初，人们发明了望远镜和显微镜，伽利略还用自己制作的望远镜发现了木星的卫星。新式光学仪器对观测技术的改进，激发了开普勒对光学的研究兴趣。他汇集了前人的光学知识，于1611年发表了《折光学》一书，发现当光以小角度入射时入射角与折射角近似地成正比，还发现了全反射现象，并设计了几种天文望远镜。折射定律的精确公式（sini/sinγ=常数）则是荷兰的斯涅耳（Willibrod Snell,1591-1626）和法国的笛卡儿提出的。法国的费马（Pierre Fermat,1601-1665）在1657年首先提出光在介质中传播的路程取极值的原理（费马原理）并推出光的反射定律和折射定律。从托勒密开始，经历了1500年的时间终于得到了严格的折射定律。折射定律连同反射定律和光的直线传播原理一起，构成了几何光学的理论基础。

2．波动光学

17世纪中叶，人们发现了与光的直线传播原理不完全符合的新的光学现象。意大利的格里马第（Francesco Maria Grimaldi,1618-1663）首先观察到光的衍射现象。他注意到，如果将一束日光引入暗室，光路上的直竿投出的影子并不是清晰的，而有一个模糊的边缘，在影子的边缘还呈现2-3个彩色条带。他用不透明板上的圆孔代替直竿，在屏幕上出现了比光直线传播时稍大一些的圆形光斑。这些现象说明光线能绕过障碍而偏离直线传播，他将其称为“衍射”。后来，胡克也观察到衍射现象，并且和波义耳（Robert Boyle,1627-1691）独立地研究了薄膜产生的彩色干涉条纹，所有这些都是波动光学的萌芽。

17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等把光的研究引向了进一步发展的道路。在牛顿以前，对光的颜色的解释是困难的，人们大都承袭亚里士多德的观点：颜色是一种主观感觉，一切颜色皆由光明与黑暗、白与黑按比例混合而成。1672年，牛顿发现白光通过棱镜时，会在光屏上按一定次序排列成彩色光带（光谱）。于是他认为白光是由各种色光复合而成的。牛顿的白光实验，使人们对颜色的认识从主观视觉的印象上升到了一个科学高度。牛顿还仔细观察了白光在空气薄膜上干涉产生的彩色条纹（牛顿环）（实际上是胡克最早发现牛顿环）。1704年，牛顿出版了《光学》一书，根据光的直线传播性质提出了光的微粒学说。他认为，光是微粒流，这些微粒从光源飞出，在真空和均匀媒质中由于惯性而做匀速直线运动，用此观点解释了光的直线传播、光的反射和光的折射。笛卡儿最早提出光是机械弹性微粒的观点，用以解释光的反射（粒子反弹）和折射。牛顿和笛卡儿主张光的微粒说，但并未完全排斥波动思想。笛卡儿也将以太的思想引入到光学中，认为光是一种压力，在完全弹性的充满一切空间的媒质（以太）中传播，传播的速度无限大。牛顿虽然认为光的本质是微粒，但它们在以太中运动时能激发以太的振动。他在研究牛顿环时，认识到了光的周期性，用微粒说和以太振动结合的思想解释了干涉条纹。

惠更斯、胡克和欧拉(Leonhard Euler,1707-1783)则坚决主张光的波动说。胡克认为光是一种振动，根据云母片的薄膜干涉条纹得出光是类似于水波的某种快速脉冲的结论。惠更斯发展了胡克的思想，对微粒说提出了批评。他认为光是发光体中微小粒子的振动，是在弥漫于宇宙空间的介质“以太”中的一种波的传播过程，这种传播速度非常大但又有限，传播方式象声音的传播一样而不是象穿过空气的子弹那样的物质迁移。不过他把光的波动看成是以太纵波。他用子波和波阵面的概念引进了著名的惠更斯原理，成功地解释了反射和折射定律。但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，没有指出光的周期性和波长，没有认识到波的叠加性，没能解释光的干涉和衍射，没能解释光的偏振现象，而且以太这种物质也是值得怀疑的。由于牛顿的权威，微粒说在光学中占统治地位达一个世纪之久。

到了19世纪初叶，英国的托马斯·杨（Thomas Young,1773-1829）和法国的菲涅耳（Augustim Jean Fresnel,1788-1827）的实验和理论工作为光的波动理论奠定了坚实的基础，至此人们开始普遍接受光的波动说。1801年，杨做了著名的双缝（孔）实验，用干涉原理解释了双缝干涉现象并说明了牛顿环的成因和薄膜的彩色，第一次测定了7种颜色的光波长。1815年，菲涅耳将干涉原理和惠更斯原理结合，形成了惠更斯-菲涅耳原理，用该原理不仅圆满地解释了光在均匀的各向同性介质中的直线传播，而且还解释了光的衍射现象。光的衍射还说明几何光学是波动光学在一定条件下的近似。1808年，马吕斯（Etienne Louis Malus,1775-1812）发现光在反射时的偏振现象。1816年，菲涅耳和阿拉果（D.F.J.Arago,1786-1853）又研究了偏振光的干涉。杨用光的横波假设说明了光的偏振现象。波动说认为光在光密媒质中传播速度较慢，微粒说的结论却相反。1831年，阿拉果设计了一个直接测量比较光在空气、玻璃和水中的传播速度的实验（由于他失明未能完成），后傅科(Jean Bernard Leon Foucault,1819-1830)改进了他的设计，完成了这一实验，直接否定了微粒说。但此时，人们把光仍然看成是“以太”中的机械弹性波。至于以太是何种物质，却难自圆其说。

1845年，英国的法拉第（M.Faraday1791-1867）发现了光的振动面在强磁场中发生旋转即磁致旋光效应。1856年韦伯（Wilhelm Weber,1804-1891）和柯尔劳斯（R.Kohlrausch,1809-1858）从电学实验结果中发现电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度（3×10⁸m/s）。这一惊人的发现，深刻地反映了电磁现象和光现象之间的联系。1865年，麦克斯韦提出了一套完整的电磁场方程并由此推出了电磁场传播的波动方程，电磁场以横波形式在空间传播，求出了电磁波的速度为光速。1868年，麦克斯韦又发表了《关于光的电磁理论》的论文，明确地把光概括到了电磁理论中，从而将电、磁、光统一起来。 1888年赫兹（Heinrich Hertz,1857-1894）由实验测定了电磁波的速度，发现它正好等于光速。至此完全确立了光的电磁说，使人们在认识光的本性方面迈出了一大步。

19世纪末到20世纪初，人们对光学的研究已经深入到光的发射、光与物质的相互作用的微观机制中，光的电磁波理论在解释光和物质相互作用的某些现象时遇到了困难，例如黑体热辐射实验、光电效应实验等。1900年普朗克（Max K.E.L.Planck,1858-1947）提出了能量子概念成功地解释了黑体辐射问题。 1905年，爱因斯坦（1879-1955）提出了光子假说，圆满地解释了光电效应。光子理论为后来许多实验如康普顿效应所证实，从而形成了量子光学。但要注意的是，光子不同于牛顿的光的微粒说中的粒子，这里的光子是和光的频率（波动特性）联系在一起的，具有波粒二象性。从20世纪60年代尤其是激光问世以来，一度沉寂的光学又以空前的规模和速度向前发展，形成了现代光学。1960年出现首台红宝石激光器，中国也于1961年8月成功研制了第一台红宝石激光器。尔后，各种不同的激光器相继问世。激光与普通光源的发光机制和性质完全不同，其用途十分广泛。随着新的技术的出现，新的光学理论也在不断发展，已经逐步形成了大量的分支学科或边缘学科。现代光学与其他科学和技术的结合，正在成为造福于人类的强有力的武器。

三、 经典热力学与统计物理学体系

热学是研究热现象和热运动的理论，它包括宏观的热力学理论和微观的统计物理理论。从远古时代到18世纪，由于生产发展缓慢，关于热的知识积累少，热学还不能成为一门系统的科学建立起来。蒸汽机的发明及其广泛应用促使人们对各种物质热性质和热运动规律作深入的研究。18世纪初，系统的计温学和量热学开始确立，人们对热的研究便走上了实验科学的道路，热学成了物理学中新发展起来的一门分支学科。

1.早期的热学研究

关于热的本质，古人曾经有一些初浅的看法。中国古代的五行学说把火当作构成万物的一种基本要素，古希腊的四元素说也把火视为一种基本元素。这些学说都认为火是自然界的一个独立的基本要素。另一种观点则认为火是物质运动的一种表现形式。中国古代的元气说就认为热（火）是元气聚散变化的表现。古希腊学者柏拉图（Plato,约前427-347）也认为火和热是摩檫和碰撞引起的。古代对热的不同看法只停留在思辩和猜测的水平上，没有科学的证明。

17世纪以后，热的本质问题又引起了人们的兴趣。当时存在着两种不同的观点，一种是从物质内部的运动解释热现象，另一种是用一种意想的特殊物质即热质来解释热现象，而且热质说一度占了上风。有不少人根据摩檫生热现象，认为热是一种特殊的运动。弗兰西斯·培根在大量的经验事实基础上断言热的实质是物体内部微粒的运动，这种看法影响了许多科学家。玻义耳（Robert Boyle,1627-1691）指出热是“物体各部分发生的强烈而杂乱的运动”。笛卡儿把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克认为热“是物体各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动”。牛顿也指出，热不是一种物质而是组成物体的微粒的机械运动。18世纪，俄国的罗蒙诺索夫（Lomonosov，Mikhil Vasilievich,1711-1765）明确提出了热的充分的根源在于运动、热是物质内部分子运动的表现以及气体分子运动是无规则的重要思想。上述热的运动说虽然正确，但尚缺乏足够的实验依据，因此还不能成为人们普遍接受的科学理论。在此期间，随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传。法国科学家伽桑狄（Pierre Gassendi,1592-1655）认为运动着的原子是构成万物的原始的、不可再分的世界要素，热和冷是由特殊的热原子和冷原子引起的。这种观念把许多人引向了热质说。

18世纪中叶以后，建立了计温学和量热学，但由于各种物理现象的相互联系还没有被揭示出来，还由于化学的进展以及形而上学思想的影响，多数物理学家以片面的观点看待事物，用热质来解释自然界的冷热变化。热质说者称热是由无重量的某种特殊物质组成的。在热质说指引下，热学也有一定进展。波尔哈夫在做混合物的实验时断言“热不能创造也不能消灭”，提出了混合时热量守恒的思想。英国化学家布莱克（Joseph Black,1728-1799）是热质说的主要倡导者。他在研究热传导时，提出了比热、热容量概念，得出了量热学基本公式Q=cmΔt，而且区分了温度和热量的概念即温度是“热的强度”、热量是“热的数量”，还发现了潜热。当时热质说之所以能占上风，是因为人们没有注意到热现象与其他物理现象之间的相互联系和转化的关系，而热质说却能很好地解释一些热现象如温度的变化是吸收和放出热质引起、热传导是热质的流动、摩檫或碰撞生热是热质被逼出来的缘故。

18世纪末，热质说受到了严重的挑战。英国物理学家伦福德（Count Rumrord,即Benjamin Thompson,1753-1814）于1797年向皇家学会提交了《论摩檫激起的热源》的报告，叙述了他的机械功生热的发现，他观察到大炮镗孔时剧烈发热，浸在水中的炮筒使水温快速上升。根据分析，他认为热是物质运动的一种形式。1799年，英国化学家戴维利用钟表机件使放在真空容器里的两块冰摩檫融化成水，而水的比热比冰高，冰要加上一个绝对量的热才能变成水。他断言，热质是不存在的，热质守恒不成立，热是物体微粒的运动或振动。伦福德和戴维的正确观点为热质说的最终破灭提供了令人信服的论据，但热质说在当时并未因此而推翻。这个问题直到19世纪热力学第一定律建立后，才得到真正解决。

2.能量守恒定律与热力学理论的建立

能量守恒原理的建立是生产技术、哲学和自然科学长期发展的结果。在中国古代和古希腊，就已经提出运动不灭又不可创造的思想。在近代科学产生以来，对能量守恒原理的认识是从力学的研究开始的。伽利略的斜面实验和单摆研究以及惠更斯的完全弹性碰撞实验都涉及到能量守恒问题。17世纪笛卡儿明确提出了宇宙中运动不灭的思想。莱布尼兹首先提出“活力”（mv²、重量和高度的乘积）守恒原理。1807年，托马斯·杨提出用“能”代替“活力”。科里奥利(Gaspard Gustave Coriolis,1792-1843)于1829年提出用mv²/2代替 mv² ，但仍然叫活力，法国的彭塞利（Jean Victor Poncelet,1788-1867）同年提出“功”的术语。以后经伯努利(D.Bernoulli,1700-1782)、欧拉(Leonhard Euler,1707-1783)、拉普拉斯(P.S.M Laplace,1749-1827)等人的工作，形成了势能的概念。到19世纪20年代，人们已弄清了功和机械能变化的量度关系。机械能守恒实际上是能量守恒在机械运动中的特殊情况。

永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒原理的例证。很早以来，一些发明者企图创造一种理想机械，这种机械（第一类永动机）在不消耗任何燃料和动力的情况下不断地进行有效的工作。但各种设计巧妙的永动机最后都以失败告终。达·芬奇也曾设计过永动机，但他的结论是：永动机不可能实现。

在能量守恒定律的发现过程中，蒸汽机的发明应用、热与机械功之间的转化研究起到了直接和关键的作用。17世纪末期，法国人巴本（Denis Papin,1647-1714）发明了第一台活塞式蒸汽机，尔后还出现了各种其他形式的蒸汽机。在众多蒸汽机的发明者和改进者中，瓦特（James Watt,1736-1819）最有名，他设计的蒸汽机效率最高。 18世纪中后期以蒸汽机的使用为主要标志的技术革命，使资本主义生产关系发生了重大转折，同时推进了自然科学尤其是热学的发展。蒸汽机的发明和利用为能量守恒与转化定律（热力学第一定律）的发现创造了最基本的物质基础。而提高热机效率的研究则导致了热力学第二定律的建立。19世纪初，蒸汽机在生产中所起的作用越来越大，但却缺乏对热转变为机械功的理论研究。法国工程师卡诺（Sadi Carnot,1796-1832）首先在理论上用热质说框架对热机运行过程进行了论证。他认为，热机在高低温热源之间做功，由热质下落所引起，好比水从高处落到低处作功一样。不过后来，他转向了热动说。对热机的理论探索导致了热力学的形成。

瓦特

蒸汽机的动力应用促使人们去深入探讨机械运动和热运动之间的相互转化，而在其他领域，各种运动形式之间的相互联系和转化，也相继被发现。从18世纪到19世纪上半叶，自然科学蓬勃发展，完成了一系列重大发现。如动物电、温差电及其逆效应、电流的热效应（焦耳楞次定律）、电流产生机械运动（法拉第“电磁旋转器”）、电流的磁效应、电磁感应（法拉第直流发电机）、电解、化学反应热、伏特化学电池、光振动面的磁旋转、紫外线的化学作用等等，还有古人已经发现了的摩檫生电、摩檫生热。这些发现日益显示出各种运动形式之间的普遍联系和相互转化，使人们逐渐形成了能量的概念并认识到各种运动形式是同一种能量的不同表现形式。能量守恒定律就是在对力、热、光、电、化学等各种运动形式相互联系的基础上建立起来的。到19世纪40年代，能量守恒定律已经完全确立。现在公认对能量守恒定律（热力学第一定律）的建立贡献最大的是迈尔（Robert Mayer,1814-1878）、焦耳（Janes Prescott Joule,1818-1889）和亥姆霍兹（H.Von Helmholtz,1821-1894）。迈尔在《论无机界的力》和《论热的机械当量》的论文中，提出了力（即能量）的不灭性和可转化原理，并初步计算了热功当量。焦耳从1837年起到1878年花了40年的时间，先后用不同的方法进行了400多次关于热功当量的实验，以精确的数据为能量守恒定律提供了无可置疑的实验事实。亥姆霍兹从多方面论证了能量守恒与转换定律。他认为，自然界的力（能量）是守恒的，所有的力都应和机械力具有相同的量纲并可还原为机械力。1847年，他在《论力的守恒》中充分论证了这一命题。亥姆霍兹曾经写道：“自然界作为整体来说，它蕴藏着一定数量的能量，既不会减少，也不会增加。因此，自然界中的能量是永恒的和不变的，就象物质的数量守恒一样。我把这种形式定义的普遍规律称为能量守恒定律”。

焦耳

热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在涉及热现象过程中的具体体现。德国物理学家克劳修斯（R.E.Clausius,1822-1888）于1850年在热功当量结论和卡诺热机效率结论的基础上给出了热力学第一定律的数学表达式（dQ=dU+dW）。

热力学第二定律（能量耗散定律）是关于热能与机械能（或其他形式能量）转化的一种特殊规律，基本内容是：涉及到热的过程是不可逆的，在实用上是寻求热机效率的最大可能性。这一定律是克劳修斯和英国物理学家开尔文（即汤姆逊）(Lord Kilvin，即Willian Thomson,1824-1907）各自独立建立的。他们重新分析了卡诺的工作，分别给出了关于热力学第二定律的说法。热力学第二定律的发现与热机效率的研究是分不开的。卡诺于1824年提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，后来这一定理成了热力学第二定律的先导。他选取以两个等温过程和两个绝热过程组成的理想循环、气体工作在两个理想的温度不同的恒温热源之间的热机，提出“动力的量唯一地取决于热质在其间转移（‘降落’）的两物体的温度，与工作物质无关”的命题，经过逻辑推理证明了他的理想循环的效率最高。在能量守恒定律确定以后，卡诺关于热质“降落”做机械功的说法显然是错误的。卡诺由于热质观念的束缚，未能充分理解到自己工作中所包含的深刻思想。克劳修斯却从可逆卡诺循环中引出了新的物理概念—熵（系统对热的转化程度的测度），得出了热力学第二定律的数学式，并用熵的概念表述了热力学第二定律即自然界一切自发过程总是沿着熵不减少的方向进行的（熵增加原理）。

热力学第一、第二定律构成了热力学的理论基础，在此基础上热力学形成了完整的理论体系并成为物理学的重要组成部分。1912年，德国的能斯脱（Walther Nernst,1864-1941）建立了热力学第三定律（绝对零度不可能达到）。该定律是研究温度趋于绝对零度时物质性质的热力学规律。

值得一提的是，开尔文和克劳修斯把热力学第二定律推广到整个宇宙，得出了宇宙“热寂”的结论。克劳修斯把热力学的基本原理用简洁的语言表述为：“宇宙的能量是常数”“宇宙的熵趋于一个极大值”，因此，“宇宙越接近于熵为最大值的极限状态，它继续发生变化的机会也越减少，如果最后完全达到了这个状态，也就不会再出现进一步的变化，宇宙将处于死寂的永远状态”。以上就是众所周知的“热寂说”。“热寂说”把有限范围的孤立系统的规律任意推广到无限的开放的宇宙，是其错误的根源所在。

3.分子运动论及统计物理学

虽然热力学定律找到了热现象的一般规律，但对于热的本质究竟是什么，热是一种什么运动形式，并没有具体的回答。热质说衰落后，热的动力论取而代之。既然热动说认为热是组成物质的微粒的内部运动的表现，人们当然要深入到物体的内部从分子角度来解释宏观热现象的本质。19世纪中叶，热力学两个定律建立后，物理学界普遍认识到热和分子运动的联系，分子运动论得到很大的发展。克劳修斯、麦克斯韦（James Clerk Maxwell,1831-1879）、玻耳兹曼（Ludwig Boltzmann,1844-1906）是分子运动论的主要奠基者，他们对分子运动论进行了全面系统的研究。这些研究深入到物质内部，把唯象的热力学和分子运动结合起来，运用概率统计方法把系统的宏观状态参量描述为系统相应的微观量的统计平均值，从而由系统的微观运动状态预言系统热运动的宏观性质。

克劳修斯在1857年第一次明确地引进了统计思想，提出了理想气体分子模型，正确地导出了玻义耳定律，得到了气体压强和分子平均平动动能成正比、分子的平动动能又与绝对温度成正比的认识，。在推导气体压强公式时，指出压强是大量分子对容器壁碰撞的统计平均效果。由于力学定律无法解释大量微观粒子的运动问题，要确定每个分子的碰撞过程和细节是不可能的，也是没有意义的，因而有必要引进统计平均概念以代替对单个分子运动的描述。

克劳修斯的研究对麦克斯韦研究气体动理论产生了很大的影响。麦克斯韦得出了气体分子在碰撞后沿各个方向运动的概率相等的结论。他还指出，气体分子间的频繁碰撞并不使它们的速度趋于一致，速度大小范围可以从0到无穷大，而且在平衡态下有确定不变的规律性分布。他于1859年用概率方法得到了平衡态下气体分子速度和速率分布律。奥利地物理学家玻耳兹曼（（Ludwig Boltzmann,1844-1906）在1868年到1871年间又把麦克斯韦速度分布律推广到有外力场作用的情况，得出了粒子按能量大小分布的规律即玻耳兹曼定律，且很好地说明了大气密度和压强随高度的变化。该定律是统计物理学的重要定律之一，而且在后来的物理学发展中占有重要地位。1887年，他给出了热力学第二定律的统计解释，把熵和热力学状态的几率W联系起来，得出了物理学中最重要的公式之一S=klnW（这个公式后来刻在了他的墓碑上），明确地说明了熵的统计意义，揭示热力学第二定律的实质。他指出，不可逆性由概率引起，一个孤立系统总是向概率最大的宏观态演化。

以上工作为统计力学奠定了基础。吉布斯（Josah Willard Gibbs,1839-1903）大大改进和发展了麦克斯韦、玻耳兹曼的统计方法，于1902年出版了《统计力学基本原理》一书，这标志着平衡态经典统计力学的建立。吉布斯提出了系综的概念。系综代表大量性质相同的体系的集合，研究系综在相空间中的分布，求力学量的平均值，就是统计力学的基本任务，从而使热学上的很多与平衡态有关的问题获得了普遍解决。

统计力学理论又使得热力学过程的不可逆性失去了绝对意义。它指出任何宏观平衡态必然伴随着永不停息的微小涨落。涨落现象在光的散射中容易观察到。1881年，英国物理学家瑞利（Lord Rayleigh,1842-1919）证明了分子密度的涨落引起分子散射，并用分子散射解释了天空呈蓝色的原因。 涨落还说明了布朗运动即布朗1827年发现的悬浮在液体中的超显微粒子持续的无规则运动。斯莫卢霍夫斯基（Marian von Smoluchowski,1872-1917）和爱因斯坦（Albert Einstein,1879-1955）提出和完成了关于布朗运动的统计理论。

气体分子运动论、统计力学、涨落理论一起构成了统计物理学的三个组成部分。统计物理学使人们对物质的认识从宏观领域进入到了微观领域。20世纪，量子力学建立后，经典统计物理学经过改造又建立了量子统计物理学。量子统计物理学强有力地推动了对固体、液体和等离子体中各种物理性质的研究。20世纪50年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到了迅速发展。20世纪60年代以来，以比利时物理学家普利高津为代表所创造的关于非平衡系统自组织现象的理论，在物理学、化学、生物学、医学、生态演化、天体演化等领域内的应用取得了重大进展。但非平衡态理论还很不完善，有待于继续研究和发展。

四、 经典电磁学理论体系

从文艺复兴时期开始，电学和磁学进入了系统的实验研究，但两者是独立发展的。自奥斯特发现电流具有磁效应以后，电和磁便形成了一个统一的整体。麦克斯韦在库仑、奥斯特、毕奥、萨伐尔、安培、法拉第等人的工作基础之上，建立了完整体系的电磁学理论。

1.电学和磁学的早期研究

早在古代中国和古希腊，就有了摩檫起电、磁石吸铁、司南等历史记载。但对电、磁现象进行比较系统的研究，则是从16世纪以后才开始的。1600年，英国科学家吉尔伯特（William Gilbert,1540-1603）在他出版的《论磁、磁体和地球作为一个巨大磁体》一书中系统地总结了前人和自己的研究成果。他做了大量的揭示电和磁性质的实验，是用实验和理论相结合的方法探索自然的典范。吉尔伯特用天然磁石制成一个大石球，把小磁针放在磁石上面，发现小磁针与指南针在地球上的行为一样。由此，他设想地球是一个巨大的磁石，许多磁现象与这个巨大的磁石有关。他从实验中发现磁石对铁块吸引力与磁石大小成正比。他制作了第一个验电器以检验物体是否带电。他还发现了多种物质（除琥珀外，还有金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂等）具有摩檫起电性质。1660年，德国的格里凯（Otto von Guericke,1602-1686）发明了用硫磺球产生大量电荷的摩檫起电机，1705年豪客斯比（F.Hauksbee,1666-1713）用玻璃球代替硫磺球做成摩檫起电机。1720年，格雷（Stephen Gray,1675-1736）研究了电的传导现象，发现了导体和绝缘体的区别，又发现了静电感应现象。1733年，杜菲（(Charles Francois Du Fay,1698-1739）通过实验区分出两种电荷，并总结出同性相斥异性相吸的静电基本特性。克莱斯特（Ewald Georg von Kleist,1700-1738）于1745年发明的莱顿瓶提供了一种储存电的方法，为深入研究电现象提供了强有力的实验手段。美国伟大的科学家、政治家和美国独立之父富兰克林（Benjamin Franklin,1706-1790）在电学中作了许多重要工作，大大丰富了人类对电的认识。他发现了尖端放电，发明了避雷针。他利用风筝从雷云中收集的电荷给莱顿瓶充电而得到电火花，从而证明闪电是一种电现象，统一了天电和地电。他认为摩檫起电是电从一个物体向另一物体转移引起的，从而发现了电荷守恒原理。他第一个用数学上的正负表示两种电荷，还首创了导体、充电、放电等一直沿用至今的术语。至此，已经建立了静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理等电的初步认识，但还没有建立关于电的定量规律，电的知识还不能成为一门严密的科学。

2.库仑定律的建立

库仑定律是电磁学基本定律之一，它的发现使电磁学进入了定量的研究，是电磁学真正成为一门学科的开始。18世纪中叶，牛顿力学正当辉煌，人们对电力和磁力的认识作出了类似于万有引力的各种猜测。牛顿曾经证明过，如果万有引力服从平方反比定律，则均匀球壳内的物体应无作用。富兰克林在1755年做了一个对电力的规律有重要启示的银罐实验，他将空银灌带电，用细线吊一个小软木球放到灌里，发现木球并未受到电的作用，而且当木球接触到灌内壁后再取出来也不带电。英国电学家普列斯特利（J.Priestley,1733-1804）从富兰克林的实验结果中随即意识到“电的吸引遵从与万有引力相同的定律即按距离的平方的反比而变化”。在此之前，德国的埃皮努斯（F.U.T.Apinus,1724-1802）和瑞士的D·伯努利（D.Bernoulli,1700-1782）也有过电力平方反比关系的猜测。上述关于电力规律的研究仅停留在猜测阶段，都没有严格的科学论证。

决定性的研究工作是由法国科学家库仑(C.A.Coulomb,1736-1806)完成并公诸于世的（1785年）。在库仑之前，剑桥大学的米切尔（J.Michell,1724-1793）用扭秤测量了磁极间的斥力遵守平方反比关系。库仑受到启发，设计了精密的扭秤实验，精确测得同类电荷斥力的平方反比关系。他又把异类电荷引力与单摆受地球引力作用类比，设计了电摆实验，再根据单摆周期公式类似分析测量电摆周期，进而得出电荷引力的平方反比关系。他还用上述方法测过磁力，也得出了磁力同距离的平方反比关系。他用金属球互相接触的方法，获得了各种大小的电荷，最终得出了完整形式的库仑定律即f=kq₁q₂/r²。但库仑测出的指数是有偏差的，其偏差为0.04。这个定律与牛顿万有引力定律惊人地相似。用库仑自己的话说，电力正比于“电质量”的乘积。

库仑

实际上苏格兰的罗比森（John Robison,1739-1805）和卡文迪什（Henry Cavendish,1731-1810）在库仑之前十多年就已经作过电力定量的实验研究，确定了电力平方反比定律，可惜没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用。

3.电流的发现与研究

18世纪末，电学的研究从静电领域发展到动电领域。1791年，意大利解剖学教授伽伐尼（A.Galvani,1737-1798）发表的《论肌肉运动中的电力》一文中叙述了“动物电”的产生过程。他发现，当两种连接起来的金属导体的两端分别与肌肉和神经接触时，会引起青蛙四肢的抽搐。他设想这是由神经传到肌肉的一种特殊电流引起的，金属起着传导作用，于是把这种电流称为“动物电”。而伏打(A.Volta,1745-1827)则认为神经电流的说法有问题，青蛙抽搐是外部电作用的结果。伏打发现，将相连接的两种金属浸在液体或潮湿的物质中会出现电效应。1800年，伏打把锌片和铜片夹在盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸中也可做成电源。这种电源可以提供持续的电流，从而将电学的研究引入到了动电的途径。1821年，塞贝克(Thomas Johann Seebeck,1780-1831)发明了温差电偶。欧姆(Georg Simon Ohm,1789-1854)利用温差电偶做成稳定的电源（伏打电源不稳定），设计了一种电流扭秤来测量电流的强度。1826年，欧姆建立了电路定律即欧姆定律。

4. 电磁联系的发现

在1820年之前，电和磁是独立研究的。此前，库仑、安培、托马斯·杨、毕奥等都坚持电和磁的独立性，尽管电作用和磁作用有相似性。然而，电现象和磁现象的联系还是引起了人们的注意。当时，关于闪电使钢铁物件磁化的报道时有所见。富兰克林在1751年发现莱顿瓶放电可以使钢针磁化或退磁。1805年，德国的哈切特（J.N.P.Hachetle,1769-1834）和笛索米斯（C.B.Desormes,1777-1862）把伏打电堆悬挂起来，企图观察电堆在地磁作用下的取向，但未得出实验结果。英国的戴维（Humphrey Davy,1778-1829）在这一时期也观察到磁铁能够吸引或排斥电极碳棒间的弧光。这些早期的观察或实验虽然未能得到关键性的结果，但对电磁学的研究起了非常重要的作用。丹麦物理学家奥斯特信奉康德的哲学，认为自然界各种基本力是可以相互转化的，深信电和磁有某种联系，就象电和发热发光有联系一样，电有可能产生磁效应。1820年，他做起了这类实验。他开始以为电流磁效应是纵向的，便在通电导线前面放一根磁针，企图用通电导线吸引磁针，结果磁针毫无动静。这一年4月，他在做有关电和磁的演讲时，尝试把磁针放在导线的侧面，当接通电源时，发现磁针向垂直于导线的方向偏转过去。经过反复实验，奥斯特终于探索到电流的磁效应沿着围绕导线的螺旋方向。奥斯特的发现，使电与磁没有内在联系的传统信条破灭了，为物理学新的大综合开辟了道路，正如法拉第所说：“猛然打开了科学中黑暗领域的大门”。

电流产生磁效应的消息使物理学界大为震动。安培（（A.M.Ampere,1775-1836）、阿拉果(D.F.J.Arago,1786-1853)、毕奥（Jean Baptiste Biot,1774-1862）和萨伐尔（F.Savart,1791-1841）等迅速投入了相关研究。毕奥和萨伐尔仔细地研究了载流直导线对磁针的作用，确定了这个作用力与电流强度成正比、与电流到磁极的距离成反比、力的方向垂直于这一距离。拉普拉斯提出了电流的作用可以看作许多电流元单独作用的总和，从数学上推出电流元作用的表达式即毕奥—萨伐尔定律。安培提出了确定磁针偏转的著名右手定则，提出了地球磁性由从西向东绕地球做圆运动的电流引起的设想，提出了磁铁类似于通电线圈的看法，提出了“分子电流”假说（每个分子形成的圆电流相当于一根小磁针）并把一切磁现象都归结于电流间的相互作用。安培定量研究了电流之间的相互作用，推出了电流元之间的相互作用力公式（在形式上与万有引力定律相似，具有平方反比关系），认为电流元相当于力学中的质点，它们之间存在的超距作用象万有引力一样。安培定律的建立奠定了电磁理论的基础。

电流的磁效应又引起了一种逆向思考：是否可以用磁体在导线中引起电流？菲涅耳、安培、阿拉果、塞贝克等许多物理学家围绕这个课题作了大量的实验。直到十年后，英国的法拉第(M.Faraday,1791-1867)和美国的亨利(J.Henry,1799-1878)才发现了磁生电的现象即电磁感应。实际上阿拉果于1824年就发现转动的铜盘可以带动磁针旋转、磁针单摆在金属盆上方摆动时受到阻碍很快衰减下来。这是最早发现的电磁感应现象，但对其电磁感应机理尚未认识清楚。亨利比法拉第早一年发现电磁感应，但没有发表。他还于1827年发现自感现象。法拉第不但独立地发现了电磁感应，而且工作的深度和广度远远超过亨利。因此，人们把电磁感应发现的功劳归于法拉第。1821年，他进行了电磁旋转器的研制，实现了载流导线绕磁棒转动和磁棒绕载流导线转动，这是历史上第一台电动机。然后他又进行了一系列磁生电的实验研究。他根据奥斯特稳恒电流产生稳恒磁场的实验，开始以为稳恒磁场也可以产生稳恒电流，以致于年复一年的实验均告失败。但他坚信电与磁是相互联系的、磁一定可以生电。直到1831年8月29日终于发现，绕在一个铁环上的两个互相绝缘的线圈，稳定电流不能在另一线圈中产生感应电流，仅当电流改变时才能感生另一电流。接着，他又做了其它实验并进行了总结。11月24日，法拉第向皇家学会报告了他的发现：变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁铁、磁极附近运动的导线都可以感生出电流。

法拉第

关于感应电流的方向，法拉第叙述得不太明确。1833年，俄国的楞次（(H.F.E.Lenz,1804-1865）在考察电磁感应现象的全过程后，提出了确定感应电流方向的楞次定律。1833年由纽曼（F.E.Neumann,1798-1895）以定律的形式给出了电磁感应的定量规律。1847年，亥姆霍兹揭示出楞次定律是能量守恒定律在电磁现象中的具体反映。法拉第的贡献不仅是发现电磁感应，他还是电化学的奠基人，也发现了磁光效应和物质的抗磁性。他创建的力线思想和场的概念为电磁场理论奠定了基础。电磁感应定律是发电机的理论基础，其确立开创了人类利用电能的新时代。

5.力线和场的初步思想

法拉第关于力线和场的思想对电磁学乃至整个物理学的发展都有重要影响。他不同意安培关于电磁力是超距作用的观点，首先提出了场的思想。他认为，带电体或磁体（电流）在其周围空间会产生一种媒质或“紧张”状态，叫做“场”，电磁作用是依靠场来传递的。为了直观地描述场的形式，他又引入“力线”的概念。例如用铁屑可以显示出磁力线排成的图形。他认为，电力和磁力不是通过虚空的超距作用、而是通过电力线和磁力线传递的；电力线或磁力线由带电体或磁极发出，弥漫于空间，作用于其中的每一个电磁物体；力线的传播速度是有限的。法拉第用力线的概念表述了电磁感应现象：电磁感应是由于导线切割磁力线而引起的，感生电流的大小与切割的磁力线的数目成正比。几十年后，开尔文评价说：“在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是力线的概念了，借助它可以把电场和磁场的许多性质简明而富有启发性地表示出来”。

6.经典电磁理论的确立

电磁学丰硕的实验研究成果以及法拉第的力线和场的概念为麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879)建立统一的电磁场理论准备了条件。

麦克斯韦经过近十余年的努力，分三步才建立起电磁理论。1856年，他发表了第一篇论文《论法拉第的力线》。他在开尔文对热传导、流体运动和电磁力线的类比基础上，把流线的数学表达式用到电磁理论中，用精确的数学形式表述法拉第的力线概念。1862年，他发表了第二篇论文《论物理的力线》。他提出了分子涡流以太模型并计算得到电学和磁学中全部已知的基本定律，引入了“位移电流”假设（变化的电场引起介质电位移的变化）并认为位移电流与传导电流一样在空间激发磁场，保证了理论的对称性即变化的电场产生涡旋磁场、变化的磁场产生涡旋电场（感生电场），这就为脱离场源而交互变化的电场和磁场—电磁场的独立存在提供了依据。1865年，他发表了第三篇论文《电磁场的动力理论》。他确立了电磁场的概念，定量表示出位移电流，通过数学解析方法总结了电磁场基本方程组。由这组方程推出了电磁场所遵循的波动方程，预言了电磁波的存在且计算出电磁波的传播速度与在真空中的光速相同，进而确立了光的电磁理论。1865年以后，他把电磁场理论进行系统整理、总结，于1873年出版了《电磁理论》这部经典名著。麦克斯韦理论所包含的深刻和新颖的思想以及高深的数学，一时还难以被人们所理解。要大家接受它，还需要强有力的实验证据。德国物理学家赫兹（Heinrich Hertz,1857-1894）在1887—1888年期间用实验充分证实了麦克斯韦预言的电磁波的存在，并且测出了电磁波的波长，根据波长和电磁振荡频率计算出电磁波速度是光速。赫兹还用实验证实了电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射和驻波。麦克斯韦曾提出过“电磁以太说”，赫兹实验的成功被人们理解为是彻底证实以太媒质存在的决定性实验。1900年前，电磁以太被逐渐看作是宇宙中的基本实体。经过赫兹等人的修改，麦克斯韦方程由原来的八个方程变成了具有完美对称性的四个方程而基本上确定下来。

麦克斯韦的电磁理论实现了电磁光的统一，这是自牛顿实现天上和地上的运动的统一后的又一次大统一。他的理论成果也是现代无线电电子工业的理论基础。

麦克斯韦