我想聊的物理 3：存在与演化

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前情提要：

物理学的精髓是测量与描述。

对物理量的测量，对物理规律的描述。

物理学的存在

如果有人问我物理学究竟是一种怎样的存在，我的答案是：模型，就像上一篇文章提到的那样。

这是我正式谈论物理知识之前的最后一篇前置文章（绪论）。我认为一门学科的发展史是最好的绪论，因此我决定摆出一长串的物理发展史。

你真的了解物理学的发展过程吗？

物理学的演化

这段历程很混乱，所以我写得也很混乱。

还请见谅。

几千年前的物理学的萌芽在此略过，很多民族都发现了一些朴素的规律。

16世纪，伽利略（Galileo）、笛卡尔（R.Descartes）、帕斯卡（B.Pascal）、波义耳（R.Boyle）、托里拆利（E.Torricelli）、胡克（R.Hooke）等人奠定了地球上的力学原理。第谷（Tycho）、开普勒（J.Kepler）、胡克、牛顿（I.Newton）、哈雷（E.Halley）逐渐揭示了天国的力学原理：万有引力定律，以及弱等效原理，引力质量等于惯性质量。“天”与“地”迎来了力学性质的统一。

牛顿用三大运动定律构建了牛顿力学的体系，在《自然哲学的数学原理》中系统总结了力学的框架，准确地说是理性力学。对“力”的研究分为力的性质和力的作用效果，我们通常说的力学只是在研究力的作用效果。自此，经典力学并没有完成，恰恰相反，经典力学的发展历程才刚刚开始。之后，约翰.伯努利（J.Bernoulli）用最速降线问题挑战全欧洲的数学家，他本人使用费马原理类比光学来作答，最有影响的是欧拉（L.Euler）的解答，开辟了变分法，这是最小作用量原理的萌芽。笛卡尔、牛顿等人用动量作为运动的量度，莱布尼茨（G.W.Leibniz）、惠更斯（C.Huygens）等人用动能作为运动的量度，引发了动量与动能之争。后来，科里奥利（Coriolis）提出了现在常见的动能的表达式。达朗贝尔（J.d’Alembert）指出动量与动能之争毫无意义，动量是力的时间积累，动能是力的空间积累，都可以作为运动的量度。

18世纪，达朗贝尔提出了虚功原理，欧拉建立了刚体转动的定律。拉格朗日（J.L.Lagrange）创立了一种解决多约束力的力学，并写在了《分析力学》中，得出的运动方程与欧拉的泛函极值的通解一致，称为欧拉-拉格朗日方程，形成了拉格朗日力学。莫培督（L.Maupertuis）和哈密顿（W.R.Hamilton）分别提出了最小作用量原理，哈密顿定义了拉格朗日量和哈密顿量，建立了哈密顿力学，哈密顿力学是力学和光学的统一。除此之外，泊松（S.D.Poisson）、雅可比（C.G.J.Jacobi）等人也对哈密顿力学的进一步发展做出了贡献。除此之外，高斯（C.F.Gauss）提出了最小拘束原理、赫兹（H.Hertz）提出了最小曲率原理。分析力学逐渐建立，使“力”这个概念可有可无，“力”被踢出了力学。

经典力学的体系至此完整了，牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学是三种全等的力学。牛顿力学和拉格朗日力学是位形空间纤维丛切丛上的力学，哈密顿力学是相空间纤维丛余切丛上的力学。可以将这三大力学合称为理论力学，主要研究对象是质点和刚体。

之后的大师着眼于对弹性固体和流体的动力学的研究。达朗贝尔、欧拉、拉格朗日各自发展了弦振动理论，傅里叶（J.Fourier）综合了三者的成就。格林（G.Green）、斯托克斯（G.G.Stokes）都对弹性力学的发展做出了贡献。丹尼尔.伯努利（D.Bernoulli）建立流体力学，欧拉、柯西（A.L.Cauchy）对其进行了发展，提出了6变量的应力张量，应力是可以和万有引力相媲美的概念。弹性力学和流体力学是理论力学的延伸，也是理论力学之后最发展最快的物理分支，可以将其统一为连续介质力学。

18世纪，对光现象、热现象、电现象、磁现象、化学现象的研究仍处于定性研究的阶段。对光现象的争论有微粒说和波动说，还有色散与光谱。对热现象的争论有热质说和热动说。定量的研究有布莱克（J.Black）、拉瓦锡（A.L.Lavoisier）、拉普拉斯（S.Laplace）对热学的研究，关键一步在于傅里叶对传热学的研究，他的《热的解析理论》将力学的研究方法推广到牛顿限定的范围之外，同时提出了傅里叶分析，无与伦比。迈耶（T.Mayer）、拉姆伯特（J.H.Lambert）、卡文迪许（Cavendish）、库仑（C.A.Coulomb）的静电学研究开创了定量分析的先河，柏松引入电势来描述静电学的定律。

拉普拉斯的不可称量流体理论逐渐衰落，取而代之的主角是以太，以太有很多种，光以太、热以太、电以太，这只是大类，具体的分类更是不计其数。这是力学自然观的兴起，力学原理是最基本的原理，一切现象都可以归结为力学现象。能量守恒定律是力学自然观的里程碑，经历迈耶、亥姆霍兹（H.v.Helmholtz）、开尔文（W.Thomson）、兰金（W.J.M.Rankine）、泰特（P.G.Tait）的发展，能量转化与守恒定律逐渐形成。这意味着可以用力学原理来描述光现象、热现象、电现象、磁现象、化学现象。

物理学本来就是多门学科统一起来的学科，原本的“物理学”泛指自然科学。19世纪50年代，麦克斯韦（J.C.Maxwell）将物理学定义为：可以用力学纲领解释的科学为物理学。至此，物理学才有了现在所说的物理学的定义。

热力学的发展。卡诺（S.Carnot）提出了基本原理，克拉珀龙（E.Clapeyron）详细地表述了卡诺的思想，并引入气压-体积图像描述卡诺循环。焦耳（J.P.Joule）证明了热功当量的关系，提出了不同于卡诺的原理。开尔文意识到卡诺和焦耳的理论的矛盾，提出了两大热力学问题，克劳修斯（R.Clausius）和开尔文调和了这个矛盾，提出了热力学第一定律和热力学第二定律。能斯特（W.H.Nernst）得出了热力学第三定律，爱因斯坦（A.Einstein）首先意识到这是一条独立的定律。福勒(R.H.Fowler)提出了热力学第零定律，昂内斯（H.K.Onnes）创立低温物理学，顺便发现了超导现象。

统计力学的发展。克劳修斯最先提出了思想，麦克斯韦提出统计规律不可由动力学规律导出，由统计方法得出了能量均分定理。玻尔兹曼（L.Boltzmann）继承了这一思想，吉布斯（J.W.Gibbs）和爱因斯坦发展了系综理论，将统计力学的方法推广到固体和液体。能量均分定理与光谱分析不兼容，分子结构的问题难以得到解答，开尔文在1900年的演讲中将其称为“一朵乌云”。爱因斯坦、朗之万（P.Langevin）、皮兰（J.B.Perrin）证明了分子的存在。普朗克（M.Planck）用熵的统计解释阐明了能量均分定理与光谱分析的矛盾，提出谐振子能量的量子化。爱因斯坦、德拜(Debye)以能量量子化为前提解释了固体比热的规律。玻色（S.N.Bose）、爱因斯坦发展出了玻色-爱因斯坦统计，并预言了玻色-爱因斯坦凝聚态。约尔当（E.P.Jordan）、费米（E.Fermi）、狄拉克（P.A.M.Dirac）各自独立建立了费米-狄拉克统计，自此引出了全同粒子的概念。

光学的发展。毕奥（J.B.Biot）、阿拉果（F.Arago）等人在拉普拉斯的影响下做了光学研究。梅隆尼（M.Melloni）确立了光和辐射的相似性。托马斯.杨（T.Young）发展了波动说，解释双缝干涉实验，马吕斯（E.L.Malus）的质疑让杨氏意识到光波是横波。菲涅尔（A.J.Fresnel）创立了严格的波动光学，提出了光以太，及其部分曳引理论。夫朗禾费（J.Fraunhofer）发现了太阳光谱中的暗线，本生（R.Bunsen）、基尔霍夫（G.R.Kirchhoff）发现暗线的含义，麦克斯韦对光谱分析提出“天地一体”。多普勒（Doppler）析辐射现象提出了多普勒效应。磁光效应引出了光现象与电磁现象的联系，电磁场理论的建立让光学成为电磁学的一部分，光波成为电磁波的特例，波动学说达到顶峰。光电效应的发现让“粒子”的观点又迎来了生机，爱因斯坦用光量子成功解释了光电效应，这也暗含着作用量的量子化。康普顿（A.H.Compton）验证了光具有动量，支持了光量子的观点。随后，爱因斯坦又提出了受激辐射理论，让人类得以制造不存在于自然界的光：激光。随后，有人将电磁场方程表示为本征方程的形式，提出了光子晶体的概念。

电磁学的发展。富兰克林（B.Franklin）对闪电和静电的统一。伽伐尼（L.Galvani）、伏特（A.Volta）发明了电池，产生了持续的电流。奥斯特（H.C.Oersted）发现了电流的磁效应，比奥、萨伐尔（F.Savart）建立了定量的定律，安培（A.M.Ampere）提出了分子环流假说。欧姆（G.S.Ohm）建立了电压与电流的关系，提出了欧姆定律。电磁感应现象让法拉第（M.Faraday）建立了力线和场的概念。韦伯（W.E.Weber）、黎曼（B.Riemann）、洛伦茨（L.Lorenz）、纽曼（C.Neumann）着眼于有心力定律，建立了电动力学，并引入了推迟势的概念，意识到电力以有限的速度传播。磁光效应让法拉第、开尔文、麦克斯韦意识到电磁现象与光现象的联系，开尔文提出了磁矢势，麦克斯韦提出了20个方程组成的麦克斯韦方程组，并用拉格朗日力学的方法得出了与力学结构无关的广义运动方程，统一之路自此开始，之后的物理学研究，不过是在拉格朗日量后面添加一些项。上面都是建立在力学自然观（力学原理是最基本的原理）之上的电磁学。赫兹、吉布斯、拉莫尔（J.Larmor）、菲茨杰拉德（G.F.Fitzgerald）、洛伦兹（H.A.Lorentz）提出了建立在电磁学自然观（电磁学原理是最基本的原理）之上的电磁学。以太与物体的相互作用的问题也被开尔文称为“一朵乌云”。

拉莫尔、洛伦兹建立了动体的电动力学，庞加莱（J.H.Poincaré）提出了6参数的洛伦兹群，写出了质能关系，完善了动体的电动力学。爱因斯坦调和了力学自然观与电磁学自然观，使“以太”变得可有可无，把原本属于以太的属性归结为时空的属性，“以太”被踢出了物理学。经历普朗克、闵可夫斯基（H.Minkowski）、劳厄（M.v.Laue）、克莱因（F.C.Klein）的完善，狭义相对论成形了。狭义相对论是一套基础的时空观，可以在此基础上发展出相对论质点力学、相对论刚体力学、相对论流体力学、相对论热力学、相对论量子力学。诺特（E.Noether）提出了诺特定理，揭示了守恒与对称性的关系，对称性的思想被推到了物理学的顶峰。

着眼于引力与狭义相对论的兼容性问题，爱因斯坦提出了强等效原理，加速度与均匀引力场等价，引力被描述成时空弯曲。在格罗斯曼（M.Grossmann）、里奇（G.Ricci）、列维-齐维塔（T.Levi-Civita）、希尔伯特（D.Hilbert）的努力下，广义相对论诞生了，用四维伪黎曼流形来描述时空。史瓦西（K.Schwarzschild）解出了引力场方程的第一个精确解，得出了理论上的黑洞，而真正对黑洞作出预言，则是彭罗斯（R.Penrose）、霍金（S.W.Hawking）等人的工作。爱丁顿（A.S.Eddington）首次验证了广义相对论预言的光线偏折。卡鲁扎（E.Kaluza）和克莱因假设存在卷曲的第五个维度，强行让引力场方程包含了电磁势，泡利（W.Pauli）又推广到了六维时空，这一套理论后来被发展成弦论。嘉当（E.J.Cartan）和爱因斯坦发展了含挠率的理论。外尔（H.Weyl）也着眼于电磁力和引力的统一，利用平行移动的理论发展出了规范场论的前身。

在真空管、光谱分析等技术的发展中，原子结构奥秘逐渐被揭开。贝可勒尔（H.Becquerel）发现天然放射性，伦琴（W.Röntgen）发现X射线，汤姆孙（J.J.Thomson）发现了电子，卢瑟福（E.Rutherford）提出了原子的核式结构模型，发现了质子。玻尔（N.Bohr）建立了量子化的原子模型，索末菲（A.Sommerfeld）推广了玻尔的原子模型，引入了三个量子数，描述了能级的简并，解释了原子光谱在磁场中分裂的塞曼效应和在电场中分裂的斯塔克效应。威尔逊（C.T.R.Wilson）、索末菲各自独立提出了威尔逊-索末菲量子化定则，是旧量子力学的根基。为解释斯特恩-盖拉赫实验的反常现象，古德斯密特（S.A.Goudsmit）、乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck）提出了电子自旋的概念，引入了第四个量子数。泡利提出了费米子遵循的泡利不相容原理，得到了原子的核层结构。

海森堡（W.Heisenberg）为描述原子光谱的亮度，提出了矩阵力学的雏形，后与玻恩（M.Born）、约尔当完了矩阵力学，提出了新的量子化条件。德布罗意（L.d.Broglie）受到光的波粒二象性的启发，提出了相位波，后来被发展成物质波。薛定谔（E.Schrödinger）借鉴了哈密顿力学中的力学与光学的统一，写出了与哈密顿-雅可比方程类似的薛定谔方程，将量子力学表述为本征问题，建立了波动力学。玻恩提出了波函数的概率诠释。冯.诺依曼（J.v.Neumann）建立了希尔伯特空间，将波函数描述成希尔伯特空间的态矢。量子力学将经典的力学量表示成厄米算符，力学量的观测值就是相应算符的本征值。约尔当、狄拉克、薛定谔证明了矩阵力学与波动力学等价，把它们合并之后就得到了量子力学。海森堡提出了不可对易的物理量遵循的不确定原理（只要是波，就遵循的原理），与玻尔的互补原理一起构成量子力学的哥本哈根诠释。爱因斯坦等人不赞同哥本哈根诠释，而是拥护量子力学的系综诠释，引发了对量子力学完备性的论战，出现了量子纠缠的奇特现象。上面提到的是非相对论量子力学。相对论量子力学，克莱因-戈登方程，描述自旋为零的粒子，随后狄拉克建立了符合狭义相对论的狄拉克方程，描述自旋为半整数的粒子，这是相对论量子力学。

随后，费曼（R.P.Feynman）建立了路径积分形式的量子力学，逐渐形成了量子力学的退相干诠释。量子化学、半导体物理也逐渐发展起来。杨振宁、李政道发现了弱核力中的宇称不守恒（P不对称），随后发现了弱核力中的电荷反演不对称（C不对称）、时间反演不对称（T不对称），建立起CPT不对称，开启了对称性破缺的大门。

对经典的场进行量子化，正则量子化考虑了粒子的产生和湮灭，狄拉克、费曼、朝永振一郎、施温格（J.Schwinger）发展了重正化理论，建立量子电动力学(QED)，这是量子场论最成功的成果。量子力学使外尔的规范场理论从“尺规变换”修正为“相位变换”，这使描述电磁场的麦克斯韦方程组可以由U(1)群得到，是规范变换变换对称性（电荷守恒）决定了麦克斯韦方程组。阿哈罗诺夫（Aharonov）、玻姆（D.J.Bohm）发现A-B效应表明电磁势是更基本的物理量。海森堡为描述强核力，借鉴赫兹的作用不等于反作用的观点，类比电磁力与电荷守恒的关系，提出了同位旋。杨振宁推广了麦克斯韦方程组，利用基于SU(2)群的同位旋对称性描述强核力，发现了物理中的规范场与数学中的纤维丛的对映关系。除此之外还有费米的四费米子理论、汤川秀树介子理论来描述强核力与弱核力。但是都不理想，转机是由格拉肖（S.L.Glashow）、萨拉姆（A.Salam）、温伯格（S.Weinberg）将电磁力与弱核力看作一体，引入对称性破缺，建立了基于SU(2)xU(1)群描述电磁力和弱核力的电弱统一理论。为了描述大型强子对撞机中撞出的上百种奇异粒子，盖尔曼（M.Gell-Mann）提出了夸克模型。希格斯（P.Higgs）为解决规范玻色子的质量问题提出了希格斯机致。可以用SU(3)群描述强核力，建立量子色动力学(QCD)。由此可以建立基于SU(3)xSU(2)xU(1)群的标准粒子模型，也被称为大统一理论。

除此之外，还有昂内斯、布拉维（A.Bravais）、劳厄、朗道（L.D.Landau）等人奠基的凝聚态物理学。史瓦茨（J.Schwarz）、威滕（E.Witten）等人建立的超弦理论、M理论。霍金、贝肯斯坦（J.Bekenstein）等人建立的黑洞力学。庞加莱、图灵（A.M.Turing）、曼德伯罗（B.Mandelbrot）、普里戈金（I.Prigogine）等人建立的非线性科学，包括混沌、分形、孤立波、湍流、自组织、……，它们穿插在各个自然科学的分支中，甚至还渗透到社会科学中。

提及物理学的演化，可谈的事情实在是太多了，仅仅是简要介绍，我也不可能在一篇文章中把我知道的那点信息完全写下来。本文介绍的物理发展史还是过于残缺，真正的物理发展史比这要复杂十倍、百倍。

随后，我将会着重谈论具体的物理知识，至于物理学的演化，我尽量在今后提供更详细的信息。由于数学对于物理学实在是太过重要，系统地学习数学对于理解物理学也大有裨益，因此我还会写一个专门介绍数学知识的专题：《数学插曲》，用来展示数学本身的美。