物理学发展简史

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物理学发展简史。

一条视频探索物理学的发展历程。先从开启经典物理学大门的伽利略说起。在文艺复兴浪潮的推动下，人们逐渐解放思想。1589年拥有创新精神的伽利略挑战了亚里士多德的一个观点。2400年前，古希腊哲学家亚里士多德认为重的物体掉落的速度快于轻的物体，这符合常理，所以这样的观点延续了将近2000年。

伽利略存有疑惑，于是他从比萨斜塔上扔下两个质量不等的球，认为在排除空气阻力影响后，它们落到地面所花的时间是一样的。由于空气对轻物体的阻力比重物体大，所以在生活中观测到的现象与亚里士多德差不多。比如一本书和一片叶子一起下落，书下落的速度明显快于叶子。如果把叶子放在书上，可以看到它们同时落地。

伽利略的落体实验让我们初步了解了重力导致加速的原理，开启了经典物理学大门。在伽利略去世一年后，一位天才出生了，他便是牛顿。牛顿在看到苹果落地后提出一个疑问：为什么苹果总是往地上掉落，而天上的月亮不会落下？他大胆推测地球上有一股无处不在的力量拉拽着苹果。

至于天上的月球，原本在宇宙中直线运行，在经过地球的时候被同样一股力量牵制住，随后固定了轨道围绕地球运转。1687年他提出了万有引力定律和三大运动定律，奠定了经典物理学的基础。

接着来看一下经典物理学上的一次突破，它驱动了工业革命，这便是热力学第二定律。1865年德国物理学家克劳修斯认为任何能量转换总会有能量消耗，并提出了熵的概念，用来说明蒸汽机效率低下的原因。因为在热能转化为机械能的过程中损失了一部分能量，这种对于能量转换与传递的研究推动了工业革命的发展。

也在19世纪，电磁学的研究将世界推向了现代化。1821年丹麦科学家奥斯特发现，如果将一个小磁针放在通电导线附近，小磁针会受力偏转并与导线垂直。人们开始意识到电和磁这两个当时认为互不相关的自然力量竟然可以纠缠在一起，开创了电磁学。

1831年物理学家法拉第突发其想，进行了反向操作。将一圈电线绕在电磁柱之间，当磁铁靠近电线时就会有电流通过。这个实验推进了电磁学，打造出世界上第一台发电机。

电磁学的发扬光大离不开另一位物理学家，他就是麦克斯韦。他在法拉第研究的基础上总结了电磁学的运作方式，正是电力的出现将人类文明推向了现代化。人们看到了经典物理学带来的变化，但到了19世纪末20世纪初，经典物理学的一些理论开始被质疑。

比如1898年居里夫人发现放射性金属元素镭在黑暗中可以发光，释放的能量凭空出现，粒子也凭空出现，这违反了当时的经典物理学常识。在这场经典物理学危机中爱因斯坦挑战了牛顿的很多理论，开启了现代物理学的大门，这是物理学的一个崭新的领域。

比如牛顿觉得时间与空间并无关联，地球上现在是8点，金星上也是8点，木星上同样是8点，整个宇宙都是8点。爱因斯坦认为不对，时间和空间并非一成不变，时间就像河流在各大星球之间穿梭，时快时慢。于是提出了狭义相对论，并在之后得到了验证。

比如GPS卫星在空中的时速达到了1.4万公里，撇开引力对时间的影响不谈，GPS卫星上的时间比地球上慢了7微秒。如果要做到精准定位就需要考虑狭义相对论中的关于时间延缓的效应进行修正，这便是GPS定位过程中必须做的事情。

在狭义相对论出版后不久，爱因斯坦提出了质量与能量互换定律，认为当速度接近光速时时间流动变慢，空间会缩小，重量会增加，而移动的越快质量就越大，增加的质量来自于速度与能量。于是质能方程出现了，这个方程告诉我们一个小质量的物质可以包含庞大的能量，给原子弹的研制提供了理论依据。

而推动现代物理学发展的还有一批伟大的科学家，其中之一便是普朗克。1900年他提出了现代物理学的两大基石之一：量子论。大胆推测能量是由量子包组成的，在最基层的原子阶段存在量子效应，能量以包的形态诞生，物质具有波动性。

1925年薛定谔写下了管理电子的波动方程式，几年后尼尔斯玻尔表示，微观粒子的波动是一种概率波，可以出现在任何位置，存在不确定性，这也让微观世界与宏观世界产生了矛盾。

尽管冲突不断，现代物理学的研究步伐却越来越快。长久以来，原子一直是最小的物质，后来一些学者认为，原子内部含有电子和质子。

20世纪初，物理学家拉塞福主持一项实验，进一步探索原子。他往一张金箔上，发射了一些放射性阿尔法粒子。原以为这些粒子会穿透金箔，但奇怪的是，一些阿尔法粒子反弹了回来。拉塞福发现，原子内部有一种稠密浓缩的物质，于是将它称作原子核。

拉塞福的学生查德威克在此基础上，又做了一系列的实验，发现原子核的成分除了质子，还有一种新物质，就是中子。而中子的发现改变了历史。1939年物理学家费米和一群科学家，通过发射中子，分裂了原子，由此打开了研发核武器的大门。这是现代物理学的一座里程碑，开启了人类的核时代。

中子的发现，没有中断科学家寻找最小物质的步伐。随着粒子加速器的出现，科学家不断地将次原子粒子，以接近光速的方式集结起来，因此发现了数十种新分裂的粒子。之后物理学家默里盖尔曼，找到了这些新粒子的规律，用一般特性将它们分成不同家族，并认为中子和质子并不是基本粒子，它们是由更小的粒子夸克组成。

而在之后的实验中，通过电子分散质子，找到了3个夸克，于是夸克成了如今最小的物质。尽管经典物理学与现代物理学，存在理念差异，但两者都在努力探索世界的本质。比如经典物理学认为，世界上只存在两种基本力量，就是引力和电磁力。引力让我们呆在地球上，电磁力打开了科技之窗。

随着现代物理学的发展，又找到了两股力量，就是强力和弱力。强力让原子核凝聚，弱力可以造成放射性衰变，让地心温度升高，是火山和板块运动的能量来源，打造了今天的地球。可以看到，从经典物理到现代物理，两种理论体系，在冲突和矛盾中求同存异，引领我们了解世界，是人类文明进步的基石。