1萬(wàn)多字，綜述“宏觀”物理學(xué)的探索史，是你無(wú)法想象的美！
第一章：“宏觀”物理學(xué)的探索史，是你無(wú)法想象的美！
我相信每一個(gè)了解過(guò)物理學(xué)探索過(guò)程的人，都是會(huì)覺(jué)得這是一首晦澀的詩(shī)歌，這是一幅抽象的圖，這是一場(chǎng)沒(méi)有結(jié)局的戰(zhàn)爭(zhēng)，這是一個(gè)讓無(wú)數(shù)青年才俊沸騰的天堂。
今天我?guī)Т蠹襾?lái)走進(jìn)宏觀物理學(xué)的殿堂，來(lái)認(rèn)識(shí)一下有哪些人在這個(gè)殿堂里留下了名字？ 他們說(shuō)了什么？ 他們還有什么難言之隱？
我們知道物理學(xué)主要是研究物質(zhì)、能量及它們彼此之間的關(guān)系。它是最早形成的自然科學(xué)學(xué)科之一。最早的物理學(xué)著作是古希臘科學(xué)家亞里士多德的《物理學(xué)》。形成物理學(xué)的元素主要來(lái)自對(duì)天文學(xué)、光學(xué)和力學(xué)的研究，而這些研究通過(guò)幾何學(xué)的方法統(tǒng)合在一起形成了物理學(xué)。
自希臘遠(yuǎn)古時(shí)期 (公元前 650–480 年)，前蘇格拉底哲學(xué)家逐漸理性地認(rèn)識(shí)自然。 其中米利都的哲學(xué)家泰勒斯因?yàn)樗芙^以各種超自然，宗教或神話的方式解釋自然現(xiàn)象，所以人們稱他為科學(xué)之祖。此外，泰勒斯宣稱每個(gè)事件皆有僅需訴諸自然的原因。
公元前 580 年，泰勒斯貢獻(xiàn)良多，他推測(cè)水是萬(wàn)物之源，作磁鐵與琥珀的吸引實(shí)驗(yàn)，并且形式化史上第一筆的天文學(xué)知識(shí)。作為史上首位提出演化思想而聞名的人，阿那克西曼德，并不同意泰勒斯的“水是萬(wàn)物之源”觀點(diǎn)。他主張無(wú)窮才是萬(wàn)物的基石。
大家注意，無(wú)論是泰勒斯還是阿那克西曼德的觀點(diǎn)，都是具有樸素的唯物主義觀點(diǎn)的。水是萬(wàn)物之源的觀點(diǎn)，類似中國(guó)的五行說(shuō)。而無(wú)窮是萬(wàn)物基石的感念，和中國(guó)老子的道如出一轍。但老子的學(xué)說(shuō)更形象化。所以古往今來(lái)，至今不衰。
大約于公元前 500 年，赫拉克利特主張只有少數(shù)幾個(gè)掌控宇宙的基本定律才是萬(wàn)物變化的原理，并且，任何事物隨時(shí)都在變化；沒(méi)有事物能永恒地維持在相同狀態(tài)中。這個(gè)觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)很前衛(wèi)。
早期的哲學(xué)家，留基伯堅(jiān)決反對(duì)神、上帝借由天意來(lái)影響自然現(xiàn)象，并主張任何自然現(xiàn)象都是必然的。留基伯與他的學(xué)生，德謨克利特，為史上首先提出原子論的人，主張任何一切物質(zhì)皆由各種不可分割、不滅的稱作原子的元素所組成。
在經(jīng)典希臘時(shí)期以及希臘化時(shí)代，亞里士多德寫(xiě)下史上第一本被稱作物理學(xué)的書(shū)，日后成為著名的亞里士多德物理學(xué)，他企圖借由四元素解釋物體的運(yùn)動(dòng)（以及落體現(xiàn)象）。亞里士多德相信，所有物質(zhì)都由以太，或另外的四元素所組成：土、水、風(fēng)、火。
根據(jù)亞里士多德，這四個(gè)陸地上的元素能夠相互轉(zhuǎn)換，并且朝向它們各自的自然位置移動(dòng)。因此，石頭往宇宙中心【即地球中心】墜落，但火總是往地球外圍靠近。
雖然亞里士多德的很多理論在現(xiàn)在人看來(lái)是錯(cuò)誤的，但我們不能否認(rèn)人類的認(rèn)識(shí)就是從他的基礎(chǔ)上，不斷深化，否定又肯定，否定又肯定，才有了我們現(xiàn)在的物理學(xué)體系。
先是經(jīng)典物理學(xué)迅速發(fā)展起來(lái)，經(jīng)典物理學(xué)指的是不涉及到量子力學(xué)或相對(duì)論的物理學(xué)，例如，牛頓力學(xué)、熱力學(xué)、麥克斯韋電磁學(xué)等等。
而經(jīng)典物理學(xué)，繞不開(kāi)談力學(xué)。力學(xué)是最原始的物理學(xué)分支之一，而最原始的力學(xué)則是靜力學(xué)。靜力學(xué)源于人類文明初期生產(chǎn)勞動(dòng)中所使用的簡(jiǎn)單機(jī)械，如杠桿、滑輪、斜面等:。
古希臘人從大量的經(jīng)驗(yàn)中了解到一些與靜力學(xué)相關(guān)的基本概念和原理，如杠桿原理和阿基米德定律，這是我們初中學(xué)習(xí)的內(nèi)容。
從1609至1619年期間，天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒先后發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三大定律，準(zhǔn)確估算出從天文觀測(cè)獲得的行星繞著太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，總結(jié)了他的老師第谷·布拉赫畢生的觀測(cè)數(shù)據(jù)。他的貢獻(xiàn)為人類進(jìn)一步研究天體物理，和后來(lái)的牛頓萬(wàn)有引力打下了良好的基礎(chǔ)。
到了17世紀(jì)，自然哲學(xué)家逐漸展開(kāi)了一場(chǎng)針對(duì)中世紀(jì)經(jīng)院哲學(xué)的進(jìn)攻，他們持有的觀點(diǎn)是，從力學(xué)和天文學(xué)研究抽象出的數(shù)學(xué)模型將適用于描述整個(gè)宇宙中的運(yùn)動(dòng)。被譽(yù)為“現(xiàn)代自然科學(xué)之父”的意大利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家伽利略·伽利萊就是這場(chǎng)轉(zhuǎn)變中的領(lǐng)軍人物。
伽利略所處的時(shí)代正值思想活躍的文藝復(fù)興之后，在此之前列奧納多·達(dá)芬奇所進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)、尼古拉斯·哥白尼的日心說(shuō)以及弗朗西斯·培根提出的注重實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)方法論都是促使伽利略深入研究自然科學(xué)的重要因素，哥白尼的日心說(shuō)更是直接推動(dòng)了伽利略試圖用數(shù)學(xué)對(duì)宇宙中天體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述。
伽利略意識(shí)到這種數(shù)學(xué)性描述的哲學(xué)價(jià)值，他注意到哥白尼對(duì)太陽(yáng)、地球、月球和其他行星的運(yùn)動(dòng)所作的研究工作，并認(rèn)為這些在當(dāng)時(shí)看來(lái)相當(dāng)激進(jìn)的分析，將有可能被用來(lái)證明經(jīng)院哲學(xué)家們對(duì)自然界的描述與實(shí)際情形不符。
伽利略進(jìn)行了一系列力學(xué)實(shí)驗(yàn)闡述了他關(guān)于運(yùn)動(dòng)的一系列觀點(diǎn)，包括借助斜面實(shí)驗(yàn)和自由落體實(shí)驗(yàn)批駁了亞里士多德認(rèn)為落體速度和重量成正比的觀點(diǎn)，還總結(jié)出了自由落體的距離與時(shí)間平方成正比的關(guān)系，以及著名的斜面理想實(shí)驗(yàn)來(lái)思考運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。他在1632年出版的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》中提到：“只要斜面延伸下去，球?qū)o(wú)限地繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，而且不斷加速，因?yàn)榇四诉\(yùn)動(dòng)著的重物的本質(zhì)?！?。伽利略在天文學(xué)上最著名的貢獻(xiàn)是于1609年改良了折射望遠(yuǎn)鏡，并借此發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星、太陽(yáng)黑子以及金星類似于月球的相。
可以夸不夸張的說(shuō)，很多現(xiàn)代物理學(xué)大咖們都是受伽利略的影響最深。他的實(shí)驗(yàn)方法，他的理論都是經(jīng)典物理的基礎(chǔ)，基石。牛頓據(jù)此建立了牛頓三大定律；愛(ài)因斯坦通過(guò)深刻了解慣性，慣性系和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，建立了狹義相對(duì)論。
1687年，英格蘭物理學(xué)家艾薩克·牛頓出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)，這部里程碑式的著作標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的正式建立。牛頓在人類歷史上首次用一組普適性的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)原理——牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律——來(lái)描述宇宙間所有物體的運(yùn)動(dòng)。
牛頓放棄了物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是自然本性的觀點(diǎn)（例如開(kāi)普勒認(rèn)為行星運(yùn)動(dòng)軌道本性就是橢圓的），相反，他指出，任何現(xiàn)在可觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)、以及任何未來(lái)將發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，都能夠通過(guò)它們已知的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物體質(zhì)量和外加作用力并使用相應(yīng)原理進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算得出。
伽利略、笛卡爾的動(dòng)力學(xué)研究（“地上的”力學(xué)），以及開(kāi)普勒和法國(guó)天文學(xué)家伊斯梅爾·布里阿德在天文學(xué)領(lǐng)域的研究（“天上的”力學(xué)）都影響著牛頓對(duì)自然科學(xué)的研究。（布里阿德曾特別指出從太陽(yáng)發(fā)出到行星的作用力應(yīng)當(dāng)與距離成平方反比關(guān)系，雖然他本人并不認(rèn)為這種力真的存在）。
1673年惠更斯獨(dú)立提出了圓周運(yùn)動(dòng)的離心力公式（牛頓在1665年曾用數(shù)學(xué)手段得到類似公式），這使得在當(dāng)時(shí)科學(xué)家能夠普遍從開(kāi)普勒第三定律推導(dǎo)出平方反比律。
羅伯特·胡克、愛(ài)德蒙·哈雷等人由此考慮了在平方反比力場(chǎng)中物體運(yùn)動(dòng)軌道的形狀，1684年哈雷向牛頓請(qǐng)教了這個(gè)問(wèn)題，牛頓隨后在一篇9頁(yè)的論文中做了解答。在這篇論文中牛頓討論了在有心平方反比力場(chǎng)中物體的運(yùn)動(dòng)，并推導(dǎo)出了開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律。
其后牛頓發(fā)表了他的第二篇論文《論物體的運(yùn)動(dòng)》，在這篇論文中他闡述了慣性定律，并詳細(xì)討論了引力與質(zhì)量成正比、與距離平方成反比的性質(zhì)以及引力在全宇宙中的普遍性。這些理論最終都匯總到牛頓在1687年出版的《原理》一書(shū)中，牛頓在書(shū)中列出了公理形式的三大運(yùn)動(dòng)定律和導(dǎo)出的六個(gè)推論（推論1、2描述了力的合成和分解、運(yùn)動(dòng)疊加原理；推論3、4描述了動(dòng)量守恒定律；推論5、6描述了伽利略相對(duì)性原理）。由此，牛頓統(tǒng)一了“天上的”和“地上的”力學(xué)，建立了基于三大運(yùn)動(dòng)定律的力學(xué)體系。
所以大家可以看到，一個(gè)偉大的理論的誕生，往往不是一個(gè)人可以的。每個(gè)人的理論都是在他人的理論之上創(chuàng)新的。
牛頓的原理引起了歐洲大陸哲學(xué)家們的爭(zhēng)議，他們認(rèn)為牛頓的理論對(duì)物體運(yùn)動(dòng)和引力缺乏一個(gè)形而上學(xué)的解釋，從而是不可接受的。
從1700年左右開(kāi)始，大陸哲學(xué)和英國(guó)傳統(tǒng)哲學(xué)之間產(chǎn)生的矛盾開(kāi)始升級(jí)，裂痕開(kāi)始增大，這主要是根源于牛頓與萊布尼茲各自的追隨者就誰(shuí)最先發(fā)展了微積分所展開(kāi)的唇槍舌戰(zhàn)，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。
牛頓的理論體系是建立在他的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的假設(shè)之上的，牛頓對(duì)時(shí)間和空間有著如下的理解：
1、絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地、與任何外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。
2、絕對(duì)空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的。
牛頓從絕對(duì)時(shí)空的假設(shè)進(jìn)一步定義了“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”和“絕對(duì)靜止”的概念，為了證明絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在性，牛頓還在1689年構(gòu)思了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，即著名的水桶實(shí)驗(yàn)。
在水桶實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)注水的水桶起初保持靜止。當(dāng)它開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水桶中的水最初仍保持靜止，但隨后也會(huì)隨著水桶一起轉(zhuǎn)動(dòng)，于是可以看到水漸漸地脫離其中心而沿桶壁上升形成凹狀，直到最后和水桶的轉(zhuǎn)速一致，水面相對(duì)靜止。牛頓認(rèn)為水面的升高顯示了水脫離轉(zhuǎn)軸的傾向，這種傾向不依賴于水相對(duì)周圍物體的任何移動(dòng)。牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀作為他理論體系的基礎(chǔ)假設(shè)，卻在其后的兩百年間倍受質(zhì)疑。特別是到了十九世紀(jì)末，奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫在他的《力學(xué)史評(píng)》中對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀做出了尖銳的批判。而愛(ài)因斯坦從馬赫原理收到啟發(fā)，在狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了廣義相對(duì)論。
在此期間，熱力學(xué)的發(fā)展也非常迅速。我們知道熱學(xué)起源于人們對(duì)熱現(xiàn)象的概念和本性的研究，熱和溫度的概念是在伽利略發(fā)明了溫度計(jì)之后逐漸理清的。
而人們最初對(duì)熱的本性的認(rèn)知可以用所謂“熱質(zhì)說(shuō)”來(lái)概括，即熱是一種會(huì)從高溫物體流向低溫物體的物質(zhì)，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，熱這種物質(zhì)沒(méi)有質(zhì)量，它被稱作“卡路里”。
熱質(zhì)說(shuō)能解釋很多熱現(xiàn)象，但到了十八世紀(jì)末，英國(guó)的倫福德伯爵在慕尼黑兵工廠領(lǐng)導(dǎo)鉆制大炮的工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)“銅炮在鉆了很短一段時(shí)間后就會(huì)發(fā)生大量的熱；而被鉆頭從炮上鉆出來(lái)的銅屑更熱（像我用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)的，發(fā)現(xiàn)它們比沸水還要熱）?！眰惛５抡J(rèn)為“在這些實(shí)驗(yàn)中由摩擦所生的熱的來(lái)源似乎是無(wú)窮無(wú)盡的”，因此他認(rèn)為熱“絕不能是具體的物質(zhì)”。
在當(dāng)時(shí)力學(xué)的發(fā)展已經(jīng)使人們對(duì)能量的轉(zhuǎn)化與守恒有了初步的理解，特別是笛卡爾的運(yùn)動(dòng)不滅理論和萊布尼茲的“活力守恒原理”，他認(rèn)為這個(gè)代表“活力”的量在運(yùn)動(dòng)中是守恒的。
德國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家尤利烏斯·馮·邁爾在工作中受到啟發(fā)，在1841年發(fā)表了他關(guān)于熱是機(jī)械能的一種形式的猜測(cè)，他還進(jìn)一步將這個(gè)理論推廣到不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化中，歸納出能量的守恒性。
他的陳述“能量既不能被產(chǎn)生也不能被消滅”在今天被看作是熱力學(xué)第一定律最早的表述形式之一。而與此同時(shí)，英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、釀酒師詹姆斯·焦耳則從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了熱是能量的一種形式的猜想，并在1843年給出了熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)得值。
德國(guó)物理學(xué)家赫爾曼·馮·亥姆霍茲同樣從“活力守恒原理”出發(fā)，進(jìn)而將能量的轉(zhuǎn)化與守恒推廣到機(jī)械運(yùn)動(dòng)以外的各種過(guò)程中，這些研究成果發(fā)表在1847年的論文《力的守恒》中。
在這些理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，德國(guó)物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏褂?850年給出了熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)形式，其后這一定律在英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵等人的修訂下成為物理學(xué)中的一條基本定律。 讀到這里，你有什么想法？？ 我想說(shuō)的是，永遠(yuǎn)不要忽視你身邊小現(xiàn)象，這些小現(xiàn)象就是上帝給你打開(kāi)通往天堂的路。
而熱力學(xué)第二定律的建立起源于人們?cè)噲D提升熱機(jī)效率的探索。法國(guó)物理學(xué)家尼古拉·卡諾研究了一個(gè)由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成的理想可逆熱力學(xué)循環(huán)（卡諾循環(huán)），并得出結(jié)論：“熱機(jī)的效率只與兩個(gè)熱源的溫差有關(guān)，而與熱機(jī)的工質(zhì)無(wú)關(guān)。任何熱機(jī)的效率都不能高于可逆熱機(jī)的效率?！笨ㄖZ的結(jié)論被看作是熱力學(xué)第二定律的前身，這一成果后來(lái)被開(kāi)爾文采用，利用卡諾熱機(jī)只與溫差有關(guān)而與工質(zhì)無(wú)關(guān)的特性建立了絕對(duì)溫標(biāo)。
克勞修斯在研究卡諾循環(huán)中發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)中有一部分熱量能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而大部分熱量則是從高溫?zé)嵩磦鬟f到低溫?zé)嵩?，這兩部分熱量和產(chǎn)生的功有著確定的關(guān)系。他在1850年發(fā)表了《論熱的移動(dòng)力及可能由此得出的熱定律》，重新闡述了卡諾定理，并在1854年的另一篇論文中進(jìn)一步表述了熱力學(xué)第二定律：
熱永遠(yuǎn)不能從冷的物體傳向熱的物體，如果沒(méi)有與之聯(lián)系的、同時(shí)發(fā)生的其它的變化的話?！?魯?shù)婪颉た藙谛匏?div style="height:15px;">
詹姆斯·麥克斯韋
最早嘗試建立分子運(yùn)動(dòng)論的人是瑞士數(shù)學(xué)家歐拉，他于1729年曾假設(shè)空氣由大量旋轉(zhuǎn)的球形分子構(gòu)成，并且在任意溫度下分子速率都相同。從這個(gè)假設(shè)出發(fā)他推導(dǎo)出氣體壓強(qiáng)和密度成正比，也就相當(dāng)于在理論上證明了波義耳定律。而荷蘭-瑞士物理學(xué)家丹尼爾·伯努利在1738年出版的《水力學(xué)》一書(shū)中，認(rèn)為氣體中存在大量沿不同方向運(yùn)動(dòng)的分子，這些分子對(duì)容器表面的沖擊效應(yīng)構(gòu)成了宏觀上的氣體壓強(qiáng)，他同樣從分子運(yùn)動(dòng)得到了更具普遍意義的壓強(qiáng)公式。然而這些觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)并未被接受，原因之一是在當(dāng)時(shí)能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律還沒(méi)有廣為人知。這種情況一直持續(xù)到1856年，德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W古斯特·克羅尼格創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的氣體分子平動(dòng)模型，由此可以導(dǎo)出理想氣體狀態(tài)方程。
1857年，克勞修斯在獨(dú)立于克里尼希理論的情況下，用自己的語(yǔ)言建立了一個(gè)相似但更為復(fù)雜的分子運(yùn)動(dòng)理論，這里不但考慮了氣體分子的平動(dòng)，同時(shí)還考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。在這一理論中克勞修斯引入了研究分子運(yùn)動(dòng)論的統(tǒng)計(jì)思想，建立了氣體分子的平均自由程這一概念。不過(guò)，克勞修斯的理論只是使用了分子的平均速率，沒(méi)有考慮到實(shí)際氣體分子的速率實(shí)則呈現(xiàn)出一個(gè)分布函數(shù)。
1859年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在閱讀了克勞修斯的論文后，在論文《氣體動(dòng)力理論的說(shuō)明》一文中建立了氣體分子速率的麥克斯韋分布，這一分布函數(shù)描述了在特定速率范圍內(nèi)分子數(shù)量所占比例。這一定律是物理學(xué)中第一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律的物理定律，可以說(shuō)是一個(gè)重要的時(shí)刻。
路德維?！げ柶澛?div style="height:15px;">
在麥克斯韋發(fā)表分子速率分布理論之后，奧地利物理學(xué)家路德維?！げ柶澛芷鋯l(fā)開(kāi)始了對(duì)分子運(yùn)動(dòng)論的研究。他指出分子運(yùn)動(dòng)理論必須依靠統(tǒng)計(jì)手段來(lái)建立，并通過(guò)修訂麥克斯韋分布于1871年得到了氣體分子在勢(shì)場(chǎng)中的速率分布函數(shù)，這被稱作玻爾茲曼分布或麥克斯韋-玻爾茲曼分布，是經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)中最基本的分布函數(shù)。
1872年，玻爾茲曼在論文《氣體分子熱平衡的進(jìn)一步研究》中證明，非麥克斯韋分布的氣體分子隨著時(shí)間的推移必將趨向麥克斯韋分布，這也就是所謂H定理，是熵增原理在非平衡態(tài)下的推廣。
H定理指出了過(guò)程的方向性，從而引出了所謂“可逆性佯謬”的爭(zhēng)議：微觀上分子的碰撞是可逆的，為何宏觀上的整體效果卻是不可逆的？玻爾茲曼針對(duì)這個(gè)問(wèn)題研究了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)詮釋。
他指出如果能把所有分子的微觀運(yùn)動(dòng)同時(shí)反向，則確實(shí)可以回到初始狀態(tài)；然而在實(shí)際中這種可能性幾乎為零，絕大多數(shù)狀態(tài)都是平衡態(tài)，因此在宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律上表現(xiàn)為熵總是增加的。也就是說(shuō)，熱力學(xué)第二定律是一條幾率的定律，它的結(jié)論不能由一條動(dòng)力學(xué)方程來(lái)檢驗(yàn)。玻爾茲曼證明了熵和系統(tǒng)的熱力學(xué)概率的自然對(duì)數(shù)成正比，這成為了玻爾茲曼熵的定義。熱力學(xué)第二定律在統(tǒng)計(jì)詮釋下可表述為：“孤立系統(tǒng)的熵對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)分子的熱力學(xué)概率，并總是趨向最大值?！?div style="height:15px;">
我曾經(jīng)在《變化》中反對(duì)韋爾蘭德的關(guān)于“熵引力”的假說(shuō)，其中一點(diǎn)就是韋爾蘭德無(wú)法就宇宙系統(tǒng)的開(kāi)放和封閉做出回答。那么熵引力就是一個(gè)尷尬。
在麥克斯韋和玻爾茲曼引入統(tǒng)計(jì)詮釋之前，熱力學(xué)始終是基于一組唯象學(xué)定律基礎(chǔ)之上的。美國(guó)物理學(xué)家約西亞·吉布斯在麥克斯韋和玻爾茲曼思想的基礎(chǔ)上建立了統(tǒng)計(jì)力學(xué)，從而能夠用力學(xué)定律和統(tǒng)計(jì)方法來(lái)從本質(zhì)上精確描述熱力學(xué)定律。吉布斯的統(tǒng)計(jì)力學(xué)引入了系綜的概念，并以劉維爾定理作為統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本方程，求解熱力學(xué)宏觀量實(shí)則就是求解系綜在相空間中的幾率分布（配分函數(shù)）。統(tǒng)計(jì)力學(xué)通過(guò)統(tǒng)計(jì)詮釋建立了熱力學(xué)定律與分子運(yùn)動(dòng)論之間的內(nèi)在聯(lián)系，至此成為物理學(xué)中又一個(gè)完備的理論體系。
然后再來(lái)了解一下電磁學(xué)的發(fā)展史，靜電和靜磁現(xiàn)象很早就被人類發(fā)現(xiàn)，由于摩擦起電現(xiàn)象，英語(yǔ)中“電”的語(yǔ)源為希臘語(yǔ)“琥珀”一詞。然而直到1600年，由于威廉·吉爾伯特的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度，才開(kāi)始對(duì)于電與磁的現(xiàn)象出現(xiàn)系統(tǒng)性研究。
吉爾伯特是英國(guó)女王伊麗莎白一世的皇家醫(yī)生，他對(duì)于電和磁情有獨(dú)鐘，撰寫(xiě)了第一本闡述電和磁的科學(xué)著作《論磁石》，其中，他指出，琥珀不是唯一可以經(jīng)過(guò)摩擦產(chǎn)生靜電的物質(zhì)，鉆石、藍(lán)寶石、玻璃等等，也都可以演示出同樣的電學(xué)性質(zhì)，這論述成功地摧毀了一個(gè)持續(xù)了2000年的錯(cuò)誤觀念，即琥珀的吸引力是其獨(dú)特性質(zhì)。
吉爾伯特制成的靜電驗(yàn)電器可以敏銳的探測(cè)靜電電荷，在之后的一個(gè)世紀(jì)，這是最優(yōu)良的探測(cè)靜電電荷的儀器。由于在電學(xué)給出眾多重要貢獻(xiàn)，吉爾柏特被后人尊稱為“電學(xué)之父”。
庫(kù)侖定律是靜電學(xué)中的基本定律，主要描述了靜電力與電荷電量成正比，與距離的平方反比的關(guān)系。蘇格蘭物理學(xué)家約翰·羅比遜（1759年）和英國(guó)物理學(xué)家亨利·卡文迪什等人都進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了靜電力的平方反比律，然而他們的實(shí)驗(yàn)卻遲遲不為人知。
法國(guó)物理學(xué)家夏爾·庫(kù)侖于1784年至1785年間進(jìn)行了他著名的扭秤實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)的主要目的就是為了證實(shí)靜電力的平方反比律，因?yàn)樗J(rèn)為“假說(shuō)的前一部分無(wú)需證明”，也就是說(shuō)他已經(jīng)先驗(yàn)性地認(rèn)為靜電力必然和萬(wàn)有引力類似，和電荷電量成正比。通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)庫(kù)侖的結(jié)論為：對(duì)同樣材料的金屬導(dǎo)線而言，扭矩的大小正比于偏轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)線橫截面直徑的四次方，且反比于導(dǎo)線的長(zhǎng)度?！?夏爾·庫(kù)侖
庫(kù)侖在其后的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的結(jié)論。不過(guò)，他并未認(rèn)識(shí)到靜電力和靜磁力之間有何內(nèi)在聯(lián)系，而且他一直將電力和磁力吸引和排斥的原因歸結(jié)于假想的電流體和磁流體——具有正和負(fù)區(qū)別的，類似于“熱質(zhì)”一般的無(wú)質(zhì)量物質(zhì)。
靜電力的平方反比律確定后，很多后續(xù)工作都是同萬(wàn)有引力做類比從而順理成章的結(jié)果。1813年法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家西莫恩·德尼·泊松指出拉普拉斯方程也適用于靜電場(chǎng)，從而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場(chǎng)的格林函數(shù)（喬治·格林，1828年）和高斯定理（卡爾·高斯，1839年）。
十八世紀(jì)末，意大利生理學(xué)家路易吉·伽伐尼發(fā)現(xiàn)蛙腿肌肉接觸金屬刀片時(shí)會(huì)發(fā)生痙攣，他其后在論文中認(rèn)為生物中存在著一種所謂“神經(jīng)電流”。意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打?qū)@種觀點(diǎn)并不贊同，他對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行研究后認(rèn)為這不過(guò)是外部電流的作用，而蛙腿肌肉只是起到了導(dǎo)體的連接作用。
1800年，伏打?qū)\片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，得到了很強(qiáng)的電流，這稱作伏打電堆；而將鋅片和銅片浸入鹽水或酸溶液中也能得到相同的效果，這稱作伏打電池。伏打電堆和電池的發(fā)明為研究穩(wěn)恒電流創(chuàng)造了條件，這也是目前所有電池的前身。
1826年，德國(guó)物理學(xué)家格奧爾格·歐姆從傅立葉對(duì)熱傳導(dǎo)規(guī)律的研究中受到啟發(fā)，在傅立葉的熱傳導(dǎo)理論中，導(dǎo)熱桿中兩點(diǎn)的熱流量正比于這兩點(diǎn)之間的溫度差。因而歐姆猜想電傳導(dǎo)與熱傳導(dǎo)相似，導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間的電流也正比于這兩點(diǎn)間的某種驅(qū)動(dòng)力（歐姆稱之為電張力，即現(xiàn)在所稱的電動(dòng)勢(shì)）。歐姆首先嘗試用電流的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量電流強(qiáng)度，但效果不甚精確，后來(lái)歐姆利用了丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁效應(yīng)，結(jié)合庫(kù)侖扭秤構(gòu)造了一種新型的電流扭秤，讓導(dǎo)線和連接的磁針平行放置，當(dāng)導(dǎo)線中通過(guò)電流時(shí)，磁針的偏轉(zhuǎn)角與導(dǎo)線中的電流成正比，即代表了電流的大小。歐姆測(cè)量得到的偏轉(zhuǎn)角度（相當(dāng)于電流強(qiáng)度）與電路中的兩個(gè)物理量分別成正比和反比關(guān)系，這兩個(gè)量實(shí)際相當(dāng)于電動(dòng)勢(shì)和電阻。歐姆于1827年發(fā)表了他的著作《直流電路的數(shù)學(xué)研究》，明確了電路分析中電壓、電流和電阻之間的關(guān)系，極大地影響了電流理論和應(yīng)用的發(fā)展，在這本書(shū)中首次提出的電學(xué)定律也因此被命名為歐姆定律。
庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)了磁力和電力一樣遵守平方反比律，但他沒(méi)有進(jìn)一步推測(cè)兩者的內(nèi)在聯(lián)系，然而人們?cè)谧匀唤缰杏^察到的電流的磁現(xiàn)象（如富蘭克林在1751年發(fā)現(xiàn)放電能將鋼針磁化）促使著人們不斷地探索這種聯(lián)系。首先發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系的人是丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特，他本著這種信念進(jìn)行了一系列有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，最終于1820年發(fā)現(xiàn)接通電流的導(dǎo)線能對(duì)附近的磁針產(chǎn)生作用力，這種磁效應(yīng)是沿著圍繞導(dǎo)線的螺旋方向分布的。
在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，法國(guó)物理學(xué)家讓-巴蒂斯特·畢奧和費(fèi)利克斯·薩伐爾進(jìn)一步詳細(xì)研究了載流直導(dǎo)線對(duì)周圍磁針的作用力，并確定其磁力大小正比于電流強(qiáng)度，反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規(guī)律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。
而法國(guó)物理學(xué)家安德烈-瑪麗·安培在奧斯特的發(fā)現(xiàn)僅一周之后（1820年9月）就向法國(guó)科學(xué)院提交了一份更詳細(xì)的論證報(bào)告，同時(shí)還論述了兩根平行載流直導(dǎo)線之間磁效應(yīng)產(chǎn)生的吸引力和排斥力。在這期間安培進(jìn)行了四個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證了兩根平行載流直導(dǎo)線之間作用力方向與電流方向的關(guān)系、磁力的矢量性、確定了磁力的方向垂直于載流導(dǎo)體以及作用力大小與電流強(qiáng)度和距離的關(guān)系。
安培并且在數(shù)學(xué)上對(duì)作用力進(jìn)行了推導(dǎo)，得到了普遍的安培力公式，這一公式在形式上類似于萬(wàn)有引力定律和庫(kù)侖定律。1821年，安培從電流的磁效應(yīng)出發(fā)，設(shè)想了磁效應(yīng)的本質(zhì)正是電流產(chǎn)生的，從而提出了分子環(huán)流假說(shuō)，認(rèn)為磁體內(nèi)部分子形成的環(huán)形電流就相當(dāng)于一根根磁針。1826年，安培從斯托克斯定理推導(dǎo)得到了著名的安培環(huán)路定理，證明了磁場(chǎng)沿包圍產(chǎn)生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。安培的工作揭示了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，將電磁學(xué)研究真正數(shù)學(xué)化，成為物理學(xué)中又一大理論體系——電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。
邁克爾·法拉第
電磁感應(yīng)現(xiàn)象，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第早年跟隨化學(xué)家漢弗里·戴維從事化學(xué)研究，他對(duì)電磁學(xué)的貢獻(xiàn)還包括抗磁性的發(fā)現(xiàn)、電解定律和磁場(chǎng)的旋光性（法拉第效應(yīng)）。
在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后的1821年，英國(guó)《哲學(xué)學(xué)報(bào)》邀請(qǐng)當(dāng)時(shí)擔(dān)任英國(guó)皇家研究所實(shí)驗(yàn)室主任的法拉第撰寫(xiě)一篇電磁學(xué)的綜述，這也導(dǎo)致了法拉第轉(zhuǎn)向電磁領(lǐng)域的研究工作。
法拉第考慮了奧斯特的發(fā)現(xiàn)，也出于他同樣認(rèn)為自然界的各種力能夠相互轉(zhuǎn)化的信念，他猜想電流應(yīng)當(dāng)也如磁體一般，能夠在周圍感應(yīng)出電流。從1824年起，法拉第進(jìn)行了一系列相關(guān)實(shí)驗(yàn)試圖尋找導(dǎo)體中的感應(yīng)電流，然而始終未獲成功。直到1831年8月29日，他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)于兩個(gè)相鄰的線圈A和B，只有當(dāng)接通或斷開(kāi)線圈回路A時(shí)，線圈B附近的磁針才會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，也就是此時(shí)線圈B中產(chǎn)生了電流。如果維持線圈A的接通狀態(tài)，則線圈B中不會(huì)產(chǎn)生電流，法拉第意識(shí)到這是一種瞬態(tài)效應(yīng)。一個(gè)月后，法拉第向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)總結(jié)了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電流的情況包括五類：變化中的電流、變化中的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流、運(yùn)動(dòng)的磁體和運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線。法拉第電磁感應(yīng)定律從而表述為：任何封閉電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，等于穿過(guò)這一電路磁通量的變化率。不過(guò)此時(shí)的法拉第電磁感應(yīng)定律仍然是一條觀察性的實(shí)驗(yàn)定律，確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流方向的是俄國(guó)物理學(xué)家海因里希·楞次，他于1833年總結(jié)出了著名的楞次定律。法拉第定律后來(lái)被納入麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，從而具有了更簡(jiǎn)潔更深刻的意義。
法拉第另一個(gè)重要的貢獻(xiàn)是創(chuàng)立了力線和場(chǎng)的概念，這些思想成為了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦稱其為“物理學(xué)中引入了新的、革命性的觀念，它們打開(kāi)了一條通往新的哲學(xué)觀點(diǎn)的道路”，意為場(chǎng)論的觀念是有別于舊的機(jī)械觀中以物質(zhì)為主導(dǎo)核心的哲學(xué)觀念。
詹姆斯·麥克斯韋對(duì)電磁理論的貢獻(xiàn)是里程碑式的。麥克斯韋自1855年開(kāi)始研究電磁學(xué)，1856年他發(fā)表了首篇專論《論法拉第力線》，其中描述了如何類比流體力學(xué)中的流線和法拉第的力線，并用自己強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功底重新描述了法拉第的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，這部分內(nèi)容被麥克斯韋用六條數(shù)學(xué)定律概括。
1861年至1862年間，麥克斯韋發(fā)表了第二篇電磁學(xué)論文《論物理力線》，在這篇論文中麥克斯韋嘗試了所謂“分子渦流”模型，他假設(shè)在磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)中存在大量排列的分子渦流，這些渦流沿磁力線旋轉(zhuǎn)，且角速度正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度，分子渦流密度正比于介質(zhì)磁導(dǎo)率。這一模型能很好地通過(guò)近距作用之說(shuō)來(lái)解釋靜電和靜磁作用，以及變化的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的關(guān)系。更重要的是，它預(yù)言了在電場(chǎng)作用下的分子渦流會(huì)產(chǎn)生位移，從而以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在介質(zhì)中，這相當(dāng)于在介質(zhì)中產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)，這成為了麥克斯韋預(yù)言位移電流存在的理論基礎(chǔ)。此外，將這種介質(zhì)理論應(yīng)用到彈性波上，可以計(jì)算求得在真空或以太中橫波的傳播速度恰好和當(dāng)時(shí)已知的光速（斐索，1849年）非常接近，麥克斯韋由此大膽預(yù)言：
我們難以排除如下的推論：光是由引起電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的同一介質(zhì)中的橫波組成的?！?詹姆斯·麥克斯韋
1865年麥克斯韋發(fā)表了他的第三篇論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，在論文中他堅(jiān)持了電磁場(chǎng)是一種近距作用的觀點(diǎn)，指出“電磁場(chǎng)是包含和圍繞著處于電或磁狀態(tài)的物體的那部分空間，它可能充有任何一種物質(zhì)”。在此麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的方程組，一共包含有20個(gè)方程（電位移、磁場(chǎng)力、電流、電動(dòng)勢(shì)、電彈性、電阻、自由電荷和連續(xù)性方程）和20個(gè)變量（電磁動(dòng)量、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電動(dòng)熱、傳導(dǎo)電流、電位移、全電流、自由電荷電量、電勢(shì)）。這實(shí)際是8個(gè)方程，但到1890年才由海因里?！?shù)婪颉ず掌澖o出了現(xiàn)代通用的形式。
這是赫茲在考慮了阿爾伯特·邁克耳孫在1881年的實(shí)驗(yàn)（也是邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的先行實(shí)驗(yàn)）中得到了以太漂移的零結(jié)果后對(duì)麥克斯韋的方程組進(jìn)行的修改。
1887年至1888年間，赫茲通過(guò)他制作的半波長(zhǎng)偶極子天線成功接收到了麥克斯韋預(yù)言的電磁波，電磁波是相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在垂直于傳播方向的平面上的振動(dòng)，同時(shí)赫茲還測(cè)定了電磁波的速度等于光速。赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)電磁波的存在是物理學(xué)理論的一個(gè)重要?jiǎng)倮?，同時(shí)也標(biāo)志著一種基于場(chǎng)論的更基礎(chǔ)的物理學(xué)即將誕生。1931年，在麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會(huì)上，愛(ài)因斯坦盛贊法拉第和麥克斯韋的工作是“牛頓力學(xué)以來(lái)物理學(xué)中最偉大的變革”。
而前段時(shí)間，有民科提出“電荷不存在”的論文就顯得多么幼稚。我自己也算民科。但從來(lái)不敢如此妄想。看看上面關(guān)于電學(xué)，關(guān)于磁學(xué)，關(guān)于電磁學(xué)的整個(gè)歷史，還有比用“電荷理論”更好的理論嗎？顯然沒(méi)有，而且電磁學(xué)理論經(jīng)過(guò)如此嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，更是說(shuō)明其正確和可靠性。所以民科說(shuō)什么沒(méi)有犯罪，但說(shuō)什么得認(rèn)真。
本來(lái)我們就專業(yè)性不如相關(guān)院校和科研人的水平，再肆意妄想，也難怪不為正統(tǒng)科學(xué)所接受。關(guān)于這點(diǎn)，就說(shuō)這么多吧。
正是有了前面無(wú)數(shù)先賢對(duì)電和磁有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，人們才開(kāi)始認(rèn)識(shí)光。 對(duì)于光的認(rèn)知也發(fā)生了深刻變化。
在此之前，人們認(rèn)識(shí)了光的反射，折射，散射等性質(zhì)，但光的本性問(wèn)題是物理學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)一直爭(zhēng)論不休的一個(gè)難題。牛頓在思考這個(gè)問(wèn)題時(shí)，將他所擅長(zhǎng)的物質(zhì)、粒子和力等概念滲透到光學(xué)中，從而將光的本性解釋為物質(zhì)的微粒。
這些微粒以一定的速率在真空中保持直線運(yùn)動(dòng)，碰撞到光滑的鏡面則產(chǎn)生彈性反射，而前文中笛卡爾的理論推導(dǎo)也證明了這種假說(shuō)能夠解釋光的折射現(xiàn)象。
微粒說(shuō)能夠在相當(dāng)程度上完整地解釋幾何光學(xué)，而對(duì)于色散的問(wèn)題，則要假設(shè)每一種顏色的光對(duì)應(yīng)一種顏色的微粒，不同顏色的微粒在真空中具有相同的速度，而在介質(zhì)中則具有不同的速度。然而，關(guān)于光的本性很多物理學(xué)者一直持有另外一種觀點(diǎn)，即光是一種彈性的機(jī)械波，持這種波動(dòng)觀點(diǎn)的代表人物有胡克和惠更斯等人。
惠更斯在1678年所闡述的觀點(diǎn)認(rèn)為，光是發(fā)光體內(nèi)部的粒子振動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械波，這種機(jī)械波傳播所依靠的介質(zhì)被稱作以太?；莞拐J(rèn)為光是一種縱波，從而以太這種物質(zhì)類似于空氣一樣，但沒(méi)有任何質(zhì)量，彌漫于整個(gè)宇宙中而無(wú)處不在。
因此在波動(dòng)說(shuō)看來(lái)，光的本質(zhì)就是能量通過(guò)以太的振動(dòng)在空間中的傳遞。波動(dòng)說(shuō)同樣可以解釋很多光學(xué)現(xiàn)象，例如波在其他介質(zhì)中的傳播速率要小于在以太中的傳播速率，因而這種效應(yīng)會(huì)引起折射。對(duì)于色散，波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為每種顏色的光對(duì)應(yīng)有不同的波長(zhǎng)，因而在以太以外的其他介質(zhì)中波速不同。盡管波動(dòng)說(shuō)能夠貌似更簡(jiǎn)單地解釋光學(xué)現(xiàn)象（除去需要假設(shè)存在以太的問(wèn)題），當(dāng)時(shí)的科學(xué)界由于更相信牛頓的權(quán)威，在波動(dòng)說(shuō)提出的一百多年里一直更推崇微粒說(shuō)。
看看對(duì)光的發(fā)現(xiàn)和探索史，是不是非常有趣？ 如果牛頓，惠更斯，胡克等人知道后來(lái)人們認(rèn)為光具有波粒二象性，又會(huì)說(shuō)什么？可以說(shuō)是人類對(duì)光的不斷深入研究，使得人類更快的進(jìn)入到量子力學(xué)的世界中。
這種情形一直持續(xù)到十九世紀(jì)初，1801年英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊成功實(shí)現(xiàn)了光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，這是對(duì)波動(dòng)說(shuō)的有力證明。他通過(guò)實(shí)驗(yàn)還初步測(cè)定了空氣中不同色光的波長(zhǎng)，已經(jīng)接近于現(xiàn)代測(cè)定的精確值。
1809年法國(guó)物理學(xué)家馬呂斯發(fā)現(xiàn)了光的偏振，為了解釋這種現(xiàn)象托馬斯·楊在1817年假設(shè)了光波具有一個(gè)非常小的振動(dòng)的橫向分量，不過(guò)到了1821年，法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯丁·菲涅耳通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出結(jié)論，光的振動(dòng)完全是橫向的。
菲涅耳對(duì)波動(dòng)光學(xué)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的全方位研究，締造了波動(dòng)光學(xué)的理論基礎(chǔ)，他的主要理論成就包括：提出了兩束光的干涉條件，在數(shù)學(xué)上完善了描述光傳播規(guī)律的惠更斯－菲涅耳原理，菲涅耳指出光波的包絡(luò)面實(shí)際是各個(gè)子波彼此干涉的結(jié)果，并描述了近場(chǎng)的菲涅耳衍射；菲涅耳還得到了在物理上定量描述反射和折射規(guī)律的菲涅耳方程；以及關(guān)于光的偏振的研究，并發(fā)現(xiàn)了圓偏振光和橢圓偏振光。
盡管波動(dòng)說(shuō)在十九世紀(jì)的發(fā)展非常成功，光是一種橫波的事實(shí)意味著惠更斯關(guān)于以太的理論需要修改：以太不能像空氣那樣是“氣狀”的，而必須是彈性“膠狀”的。然而，假設(shè)一種膠狀的以太無(wú)疑會(huì)帶來(lái)更多麻煩，例如只有光才會(huì)和以太產(chǎn)生相互作用，而物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生任何作用。正如愛(ài)因斯坦所評(píng)價(jià)的那樣，需要假設(shè)彈性膠狀的以太意味著試圖完全用力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)解釋光的本性是沒(méi)有希望的，這也正是法拉第和麥克斯韋提出場(chǎng)的概念的重要意義所在。
被稱為經(jīng)典物理學(xué)的革命，是在1900年4月27日，開(kāi)爾文勛爵在英國(guó)皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動(dòng)力理論上空的十九世紀(jì)烏云》的發(fā)言，演講中開(kāi)爾文聲稱：
動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為熱和光都是運(yùn)動(dòng)的方式，現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美和明晰，正被兩朵烏云籠罩著。—?開(kāi)爾文勛爵
開(kāi)爾文所言的兩朵烏云分別是指邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)測(cè)量的零結(jié)果和黑體輻射理論出現(xiàn)的問(wèn)題。出自對(duì)牛頓理論的高度信任，開(kāi)爾文也相信這兩個(gè)問(wèn)題會(huì)被最終掃清，發(fā)言中他針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題提出了自己的解決方案。
對(duì)于波動(dòng)說(shuō)中為何光以外的其他物質(zhì)不會(huì)和“膠狀”以太發(fā)生相互作用的問(wèn)題，開(kāi)爾文提出假設(shè)以太是可伸縮的，從而邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)不能完全否定以太的自由運(yùn)動(dòng)；而對(duì)于黑體輻射的問(wèn)題，開(kāi)爾文認(rèn)為麥克斯韋、玻爾茲曼和瑞利等人對(duì)能量均分定理永遠(yuǎn)成立的維護(hù)是不必要的，“解決問(wèn)題最簡(jiǎn)單的途徑就是否定這一結(jié)論”。開(kāi)爾文對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的在意程度反映了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界對(duì)物理學(xué)理論體系的普遍憂慮，但他很有可能沒(méi)有想到的是，這兩朵烏云給物理學(xué)帶來(lái)的是一場(chǎng)突如其來(lái)的風(fēng)暴，這場(chǎng)風(fēng)暴顛覆了舊理論體系的框架，分別導(dǎo)致了二十世紀(jì)物理學(xué)的兩大理論體系：相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。
從1895年德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)X射線開(kāi)始，物理學(xué)界在短短十年間誕生出很多前所未有的研究發(fā)現(xiàn)，包括天然放射性（貝可勒爾，1896年）、塞曼效應(yīng)（塞曼，1896年）、電子（約瑟夫·湯姆孫，1897年）、α和β射線（盧瑟福，1898年）、放射性元素釙和鐳（居里夫婦，1898年）、電子質(zhì)量隨速度增長(zhǎng)（沃爾特·考夫曼，1901年）等。其中X射線和電子的發(fā)現(xiàn)都可以追溯至人們?cè)谡婵辗烹姽軆?nèi)所做的真空放電實(shí)驗(yàn)，這種放電現(xiàn)象被稱作陰極射線。
1895年11月8日，時(shí)為德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)的倫琴在進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察到放在射線管附近涂有氰亞鉑酸鋇的屏上發(fā)出的微光，最后他確信這是一種尚未為人所知的新射線。
1895年12月28日他完成了初步的實(shí)驗(yàn)報(bào)告《一種新的射線》并發(fā)表于《維爾茨堡物理醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)》上。為了表明這是一種新的射線，倫琴采用表示未知數(shù)的X來(lái)命名（盡管很多人建議他將其命名為倫琴射線，這后來(lái)也成為了X射線的別名）。倫琴為此獲得了首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，不過(guò)他很長(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)有弄清這種新射線的本質(zhì)，直到1912年德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·馮·勞厄通過(guò)晶體衍射的方法確定了X射線是一種頻率很高的電磁波，而后來(lái)英國(guó)物理學(xué)家亨利·莫塞萊則指出X射線產(chǎn)生于原子內(nèi)部?jī)?nèi)層電子的躍遷。
英國(guó)物理學(xué)家、劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·湯姆孫自1890年起開(kāi)始研究陰極射線，他在1897年重做了赫茲的實(shí)驗(yàn)，但精細(xì)程度上有相當(dāng)大的提高：他使用了真空度更高的放電管和更強(qiáng)的電場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中他觀察到了電場(chǎng)中穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)，并利用測(cè)量的偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算了這種未知粒子的荷質(zhì)比，這個(gè)測(cè)量值不依賴于電極的材料和氣體的成分。湯姆孫等人又測(cè)定了這種粒子所帶的電量，發(fā)現(xiàn)其與氫離子的帶電量相同。其后湯姆孫又采用類似方法研究了光電效應(yīng)中的光電流和熱電發(fā)射效應(yīng)中的電流，發(fā)現(xiàn)它們也都是由相同粒子組成的。這些事實(shí)加上法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝可勒爾對(duì)β射線成分的研究結(jié)果，證明這種粒子普遍存在于電流中，并且是比原子更小的組成單元。湯姆孫采用“電子”這個(gè)名稱來(lái)稱呼這種粒子，電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)基本粒子，它的發(fā)現(xiàn)改變了長(zhǎng)久以來(lái)人們認(rèn)為原子不可分的傳統(tǒng)觀念。
紫外災(zāi)變這一概念的提出起源于人們對(duì)熱輻射定律的研究，或更準(zhǔn)確的說(shuō)，是從基爾霍夫1859年提出黑體輻射的概念開(kāi)始的。1879年，斯洛文尼亞物理學(xué)家約瑟夫·斯特藩經(jīng)驗(yàn)性得到黑體輻射能量正比于黑體溫度的四次方的結(jié)論，并由玻爾茲曼于1884年從理論上證明，這被稱作斯特藩-玻爾茲曼定律。
1893年德國(guó)物理學(xué)家威廉·維恩得到了描述黑體輻射的電磁波波長(zhǎng)與黑體溫度之間反比關(guān)系的定律，即維恩位移定律；而后在1896年又得到了一個(gè)描述黑體輻射能量和波長(zhǎng)之間關(guān)系的定律，即維恩近似（也叫維恩輻射定律）。
維恩的定律引起了物理學(xué)界的注意，由于它基本上屬于基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)性公式，很多理論物理學(xué)家試圖在理論上對(duì)其進(jìn)行修正。德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克自1897年起開(kāi)始進(jìn)行這項(xiàng)工作，通過(guò)將電磁理論應(yīng)用于熱輻射和諧振子的相互作用，他于1899年得到了維恩輻射定律的理論版本。然而，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明維恩近似并不適用于長(zhǎng)波情形，在低頻區(qū)域需要進(jìn)行修正。這種偏差導(dǎo)致了普朗克對(duì)能量進(jìn)行了量子化假設(shè)，從而在1900年導(dǎo)出了普朗克黑體輻射定律。
真正引起紫外災(zāi)變的導(dǎo)火索是能量均分定理。瑞利勛爵在研究黑體輻射的過(guò)程中，注意到對(duì)頻率較低的情形能量均分定理應(yīng)當(dāng)成立，從而假設(shè)在空腔中輻射的電磁波能量按自由度均分。這樣得到的公式符合長(zhǎng)波情形，然而當(dāng)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)輻射的能量也因此趨于無(wú)窮大，瑞利注意到了這種情形的荒謬性并試圖對(duì)公式加以修正。
1905年，詹姆斯·金斯爵士發(fā)現(xiàn)了瑞利公式中系數(shù)的錯(cuò)誤，修正后這個(gè)公式被稱作瑞利-金斯定律，代表了能量均分定理應(yīng)用于黑體輻射的結(jié)果。由于麥克斯韋、玻爾茲曼和瑞利等人對(duì)能量均分定理正確性的維護(hù)，瑞利-金斯定律在紫外區(qū)域發(fā)散的情形對(duì)經(jīng)典物理學(xué)而言是不可理解的，這被奧地利物理學(xué)家保羅·埃倫費(fèi)斯特于1911年稱作所謂“紫外災(zāi)變”。紫外災(zāi)變是二十世紀(jì)之初物理學(xué)的又一朵烏云，它的存在預(yù)示著能量均分定理并非永遠(yuǎn)成立，而普朗克的能量量子化假設(shè)則為二十世紀(jì)物理學(xué)的另一大支柱——量子力學(xué)的建立開(kāi)創(chuàng)了先河。
現(xiàn)在我們?cè)摿私庀鄬?duì)論產(chǎn)生的歷史背景了，邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)的零結(jié)果表明，或者所有有關(guān)以太的理論需要修改，例如像洛倫茲那樣引入長(zhǎng)度收縮因子，這樣會(huì)帶來(lái)一系列的修補(bǔ)工作；或者認(rèn)為以太存在的理論根本就不成立。其實(shí)早在1865年麥克斯韋就已經(jīng)證明電磁波傳播速度只和介質(zhì)有關(guān)，1890年赫茲在研究電磁理論時(shí)也得出了電磁波波速與波源速度無(wú)關(guān)的結(jié)論。然而，這個(gè)結(jié)論顯然是不符合伽利略變換的，這說(shuō)明對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的物體需要一種新的電動(dòng)力學(xué)。洛倫茲曾經(jīng)在維持以太存在性的前提下發(fā)展過(guò)這樣一種電磁理論，這被稱作洛倫茲以太論。在這一理論中，以太和其他物質(zhì)被嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)，以太是絕對(duì)靜止的，這也是牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀的反映；然而有別于機(jī)械觀的以太，洛倫茲的以太是一種“電磁以太”：洛倫茲假設(shè)電磁場(chǎng)是以太狀態(tài)的體現(xiàn)，但他對(duì)此沒(méi)有做更多的解釋。洛倫茲用這一理論解釋了塞曼效應(yīng)，為此獲得了1902年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1895年，洛倫茲給出了長(zhǎng)度收縮的假設(shè)，并通過(guò)他的相關(guān)態(tài)定理提出了所謂“本地時(shí)”的概念，運(yùn)用這一概念他解釋了光行差現(xiàn)象、多普勒頻移和斐索流水實(shí)驗(yàn)。相關(guān)態(tài)定理是說(shuō)相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的觀察者在他的參考系中觀測(cè)到的物理現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)和靜止坐標(biāo)系中的觀察者看到的是相同的。本地時(shí)的概念在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于狹義相對(duì)論中的相對(duì)同時(shí)概念，但在洛倫茲的理論中它只是一種數(shù)學(xué)上的輔助工具，沒(méi)有實(shí)在的物理意義。同一年，洛倫茲引入了一組適用于麥克斯韋電磁理論在相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中時(shí)空變換的方程，即洛倫茲變換，并于1899年和1904年對(duì)洛倫茲變換進(jìn)行了補(bǔ)充和修正，他的1904年的論文《以任意小于光速的系統(tǒng)中的電磁現(xiàn)象》給出的洛倫茲變換已經(jīng)非常接近于現(xiàn)代的定義。
所以大家看到了即使是像洛倫茲，開(kāi)爾文，愛(ài)因斯坦都深受以太理論和牛頓權(quán)威的影響。改變?cè)谌魏我粋€(gè)時(shí)代都是需要勇氣的。比如現(xiàn)在關(guān)于暗物質(zhì)的理論，宇宙大爆炸的理論，我就在《變化》中說(shuō)了，我們要持高度懷疑態(tài)度。因?yàn)樗麄兙拖袷钱?dāng)你的“以太”理論一樣。我們需要修改無(wú)數(shù)種可能情況去迎合它，即使這樣，還不自洽。這時(shí)候我們?nèi)绻€不懷疑，那我們才是傻。
后來(lái)法國(guó)數(shù)學(xué)家、科學(xué)家昂利·龐加萊一直是洛倫茲觀點(diǎn)的闡釋者及批判者，1900年他對(duì)洛倫茲的本地時(shí)概念的起源作出了具有物理意義的解釋，即本地時(shí)來(lái)自不同坐標(biāo)系間通過(guò)光速進(jìn)行的時(shí)鐘同步，這就是狹義相對(duì)論中同時(shí)性的相對(duì)性的概念。
1904年龐加萊在獨(dú)立于愛(ài)因斯坦工作的情形下提出了相對(duì)性原理：任何力學(xué)和電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能區(qū)分靜止和勻速運(yùn)動(dòng)的任何慣性參考系，這條原理后來(lái)成為狹義相對(duì)論的兩條基本原理之一。
1905年6月5日，龐加萊在給洛倫茲的信中證明了洛倫茲于1904年論文中給出的電磁方程組不是洛倫茲協(xié)變的，并重新修正了洛倫茲變換的方程。龐加萊的這一組方程正是沿用至今的洛倫茲變換形式，也正是龐加萊此時(shí)首次將這一組方程命名為洛倫茲變換。
洛倫茲建立的基本觀點(diǎn)是，在一組特定的變換下電磁場(chǎng)的方程組形式并不（隨坐標(biāo)系）改變。
他證明了洛倫茲變換是最小作用量原理的一個(gè)推論，并用群論的語(yǔ)言描述了洛倫茲變換，即洛倫茲群，這些內(nèi)容都包含在他于1906年1月發(fā)表的論文《論電子的動(dòng)力學(xué)》中。愛(ài)因斯坦將洛倫茲和龐加萊稱作相對(duì)論的先驅(qū)，他指出在他之前“洛倫茲已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這種以他名字命名的變換對(duì)分析麥克斯韋方程組的重要作用，而龐加萊則做出了更深入的研究……”。 這說(shuō)明偉大的人物，也需要出現(xiàn)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間，恰當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)。
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦
德國(guó)猶太物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦于1900年畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，而后于1901年獲瑞士國(guó)籍。愛(ài)因斯坦首先在各種對(duì)以太風(fēng)觀測(cè)的零結(jié)果中猜想到以太的不存在性，并在對(duì)洛倫茲和龐加萊的理論的研究中發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的光速不變性與原本的速度疊加原理的矛盾。對(duì)于這一矛盾，愛(ài)因斯坦聲稱是其好友米歇爾·貝索幫助他領(lǐng)悟到了解決方案，即同時(shí)性的相對(duì)性。
1905年6月30日，愛(ài)因斯坦完成了劃時(shí)代的著名論文：《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，并發(fā)表在同年9月的《物理年鑒》上。在這篇論文中，愛(ài)因斯坦開(kāi)頭便指出了麥克斯韋電磁理論應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體時(shí)表現(xiàn)出的內(nèi)在不對(duì)稱性（引用了一個(gè)著名的理想實(shí)驗(yàn)——移動(dòng)中的磁鐵與導(dǎo)體問(wèn)題來(lái)說(shuō)明），為同時(shí)性下了新的定義，從而引出了他的狹義相對(duì)論理論，這一理論基于兩個(gè)基本公設(shè)（原文用詞為“原理”）：
1、物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系。
2、任何光線在“靜止”的坐標(biāo)系中都是以確定的速度c運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的。
第一條公設(shè)也就相當(dāng)于龐加萊的相對(duì)性原理，第二條公設(shè)來(lái)自于從麥克斯韋理論推出的光速不變?cè)?。?ài)因斯坦首先從這兩條基本原理出發(fā)，從而可以推導(dǎo)出電動(dòng)力學(xué)中坐標(biāo)系的變換法則，即洛倫茲變換（這有別于洛倫茲首先從坐標(biāo)變換規(guī)律出發(fā)的方法）。在洛倫茲變換的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦很自然地在論文的動(dòng)力學(xué)部分中推導(dǎo)出長(zhǎng)度收縮、時(shí)間膨脹、速度的合成等新的物理概念。
在電動(dòng)力學(xué)部分中，愛(ài)因斯坦描述了麥克斯韋-赫茲方程組在洛倫茲變換下的形式，并應(yīng)用狹義相對(duì)論解釋了多普勒頻移和光行差現(xiàn)象，以及加速電子的動(dòng)力學(xué)。其中在有關(guān)加速電子的章節(jié)中，愛(ài)因斯坦得到了運(yùn)動(dòng)電子的相對(duì)論動(dòng)能公式。同年11月，愛(ài)因斯坦在另一篇論文《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》中闡述了狹義相對(duì)論中的質(zhì)能等價(jià)關(guān)系，從此提出有別于經(jīng)典能量的“靜止能量”的概念。
狹義相對(duì)論建立后，愛(ài)氏著手處理引力問(wèn)題。直到1907年他發(fā)表了論文《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》，這篇論文標(biāo)志著他對(duì)建立一個(gè)基于狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的引力理論的漫長(zhǎng)探索的開(kāi)始。
愛(ài)因斯坦試圖將牛頓萬(wàn)有引力定律加以修改得能夠與狹義相對(duì)論互相融合。初步結(jié)果顯示這方向可行，然而，愛(ài)因斯坦并不滿意，因其中涉及到一些尚未建立的假說(shuō)。
有一天，他坐在他喜好的椅子上思考問(wèn)題時(shí)，忽然靈機(jī)一動(dòng)，“假若一個(gè)人自由地墜落，他必不會(huì)感覺(jué)到自己的重量。＂他后來(lái)描述這是他一生最快樂(lè)的思維，其賦予他深刻的印象，激勵(lì)他繼續(xù)發(fā)展出合理的引力理論。愛(ài)因斯坦在這篇論文中將弱等效原理擴(kuò)展為愛(ài)因斯坦等效原理：“在足夠小的時(shí)空區(qū)域中物理定律約化成狹義相對(duì)論中的形式；而且沒(méi)有任何局域?qū)嶒?yàn)?zāi)軌蛱綔y(cè)到周圍引力場(chǎng)的存在?！奔热环菓T性系等價(jià)于引力場(chǎng)，愛(ài)因斯坦從而將狹義相對(duì)論中的相對(duì)性原理也做了推廣：在狹義相對(duì)論中所有的慣性系都是平權(quán)的，物理定律形式不變；但在新的理論中，所有的參考系都是平權(quán)的，物理定律形式不會(huì)因慣性系或非慣性系而改變，這一推廣的相對(duì)性原理被稱作廣義相對(duì)性原理。
雖然認(rèn)識(shí)到了狹義相對(duì)論需要推廣為廣義相對(duì)論，并確立了兩條基本原理，愛(ài)因斯坦仍然為探索這一新理論研究了八年之久（1907年至1915年）。這期間他面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是缺乏有效的數(shù)學(xué)工具，直到1913年他在德國(guó)數(shù)學(xué)家馬塞爾·格羅斯曼的幫助下發(fā)表了一篇突破性的論文：《廣義相對(duì)論和引力理論綱要》，題目標(biāo)注了物理部分作者為愛(ài)因斯坦，數(shù)學(xué)部分作者為格羅斯曼。這篇論文中原來(lái)單一的牛頓標(biāo)量引力場(chǎng)被一個(gè)具有十個(gè)分量的四階對(duì)稱黎曼張量引力場(chǎng)替代，從此物理學(xué)中的時(shí)空不再是平直的，而成為了在全局上具有曲率但在局部平直的黎曼流形。
1914年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《廣義相對(duì)論正式基礎(chǔ)》，其中他得到了廣義相對(duì)論中描述粒子運(yùn)動(dòng)的方程：測(cè)地線方程，并籍此推導(dǎo)了引力場(chǎng)中的光線偏折和引力紅移的結(jié)果（此次得出的光線偏折結(jié)果并不正確，而愛(ài)因斯坦曾于1907年用等效方法推導(dǎo)出引力紅移）。
1915年11月，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他最終推導(dǎo)出引力場(chǎng)方程的四篇論文，其中《用廣義相對(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)》證明了廣義相對(duì)論能夠解釋自1859年以來(lái)困擾天文學(xué)家的水星的反常進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，而《引力場(chǎng)方程》則正式給出了描述引力場(chǎng)和物質(zhì)相互作用的愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程。
廣義相對(duì)論創(chuàng)立之初還沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)固的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)基礎(chǔ)來(lái)證實(shí)，愛(ài)因斯坦本人提出過(guò)三種驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)方法，分別為水星軌道的近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、太陽(yáng)引力場(chǎng)中的光線偏折和光波的引力紅移。在當(dāng)時(shí)只有第一種方法是很早就被觀測(cè)到的現(xiàn)象：1859年法國(guó)天文學(xué)家勒維耶就發(fā)現(xiàn)水星的實(shí)際軌道進(jìn)動(dòng)與預(yù)期的并不十分相符，即使考慮到太陽(yáng)系中其他行星的影響，實(shí)際的進(jìn)動(dòng)速度還是要比經(jīng)典力學(xué)所預(yù)言的稍快一點(diǎn)（根據(jù)西蒙·紐康在1882年的計(jì)算，這個(gè)差值大約為每世紀(jì)43弧度秒）。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這個(gè)原因都得不到合理的解釋，經(jīng)典的假說(shuō)包括行星際塵埃、太陽(yáng)本身未被觀測(cè)到的橢球性、水星未被觀測(cè)到的衛(wèi)星、水內(nèi)小行星的存在，甚至有人猜測(cè)牛頓的萬(wàn)有引力定律并非嚴(yán)格的平方反比律，但這些假說(shuō)都沒(méi)能獲得成功。
1915年，愛(ài)因斯坦在論文《用廣義相對(duì)論解釋水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)》中計(jì)算了水星在太陽(yáng)引力場(chǎng)中的軌道進(jìn)動(dòng)并推導(dǎo)出了進(jìn)動(dòng)的角位移公式，所得的理論數(shù)值完全符合紐康的結(jié)果。
愛(ài)丁頓于1919年為驗(yàn)證廣義相對(duì)論拍攝的日全食底片
1911年愛(ài)因斯坦在論文《論引力對(duì)光的傳播的影響》中提出光線在太陽(yáng)附近經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)因太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用導(dǎo)致傳播方向發(fā)生偏折，不過(guò)直到1915年他才給出正確計(jì)算得出的偏折角度。
當(dāng)時(shí)正值第一次世界大戰(zhàn)期間，英國(guó)與德國(guó)之間的學(xué)術(shù)交流也由此中斷。所幸的是，英國(guó)天體物理學(xué)家亞瑟·斯坦利·愛(ài)丁頓爵士當(dāng)時(shí)在英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)任秘書(shū)一職，他通過(guò)來(lái)自荷蘭物理學(xué)家威廉·德西特的論文和書(shū)信成為了第一個(gè)了解廣義相對(duì)論的英國(guó)人。愛(ài)丁頓在當(dāng)時(shí)是為數(shù)不多的具有良好數(shù)學(xué)功底從而能理解廣義相對(duì)論的天文學(xué)家，也因?yàn)樗钱?dāng)時(shí)為數(shù)不多的國(guó)際主義者和和平主義者，這都使得他有興趣去了解一名德國(guó)物理學(xué)家的理論。
很快，愛(ài)丁頓成為了廣義相對(duì)論在英國(guó)的主要支持者和推廣者。戰(zhàn)后，愛(ài)丁頓于1919年5月29日前往西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島觀測(cè)日全食。日全食發(fā)生時(shí)他對(duì)太陽(yáng)附近的恒星進(jìn)行拍攝，由于光線在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏折，拍攝到的恒星位置將會(huì)發(fā)生偏移。
愛(ài)丁頓指出牛頓理論預(yù)言的偏移量將只有愛(ài)因斯坦理論所預(yù)言偏移量的一半，他的測(cè)量結(jié)果表明是支持愛(ài)因斯坦理論的。次年愛(ài)丁頓將這一結(jié)果發(fā)表并肯定了愛(ài)因斯坦的理論，這一發(fā)現(xiàn)隨后被全球報(bào)紙競(jìng)相報(bào)導(dǎo)，一時(shí)間使愛(ài)因斯坦和廣義相對(duì)論名聲赫赫，有報(bào)道甚至撰文稱“發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新宇宙”。
1925年美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)的沃爾特·亞當(dāng)斯對(duì)天狼星的伴星天狼B譜線的觀測(cè)表明，譜線的頻移基本符合廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力紅移值。
1959年的龐德-雷布卡實(shí)驗(yàn)利用穆斯堡爾效應(yīng)測(cè)定的引力紅移值和理論值相差不超過(guò)5%。此后廣義相對(duì)論又產(chǎn)生了更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，但那是二十世紀(jì)六十年代以后，天體物理學(xué)和宇宙學(xué)進(jìn)入了所謂廣義相對(duì)論的黃金時(shí)代之后的事。
現(xiàn)在我們來(lái)總結(jié)一下，從亞里士多德開(kāi)始，人類試圖去用自然本身去解釋自然。從力學(xué)到牛頓體系的建立，中間有多少人的血淚，是顯而易見(jiàn)的。從摩擦生熱到熱力學(xué)系統(tǒng)的建立，和所開(kāi)創(chuàng)的一系列假想和研究方法，對(duì)下一章我們要講的量子力學(xué)產(chǎn)生多大的影響，我們是無(wú)法估量的。很多看似偶然的發(fā)現(xiàn)，都成為新的突破點(diǎn)。
再?gòu)撵o電研究，逐步深化對(duì)電學(xué)的認(rèn)識(shí)，磁學(xué)的認(rèn)識(shí)，到麥克斯韋完美的將電和磁統(tǒng)一到他的電磁學(xué)方程中，完成了具有劃時(shí)代意義的工作。使得人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)有了新的突破。
后來(lái)再由豫龐加萊，洛倫茲，愛(ài)因斯坦等人的工作，使得我們徹底跳出了牛頓時(shí)空，開(kāi)啟了相對(duì)時(shí)空的大門(mén)，這才是邁向宇宙的真正一步。
狹義相對(duì)論，廣義相對(duì)論都是劃時(shí)代意義的學(xué)說(shuō)。
人類在將來(lái)能走多遠(yuǎn)，都一定要感謝上文所出現(xiàn)的每一個(gè)人的名字。他們才是我們寶貴的精神財(cái)富和對(duì)抗宇宙冰冷的武器。
這就是整個(gè)“宏觀”物理學(xué)的發(fā)展歷程，它有多美，我們看到了結(jié)果，卻永遠(yuǎn)無(wú)法去想象過(guò)程了。
摘自獨(dú)立學(xué)者，詩(shī)人，作家，國(guó)學(xué)起名師靈遁者量子力學(xué)科普書(shū)籍《見(jiàn)微知著》第三章。
