物理學史

本書介紹物理學發展的歷史，著重講述物理學基本概念、基本定律和各主要分支的形成過程，特別側重現代物理學的發展史。

本書內容包括：力學、熱學、電磁學和經典光學的發展；十九、二十世紀之交實驗新發現和現代物理學革命；相對論的建立和發展；早期量子論和量子力學的準備；量子力學的建立與發展；原子核子物理學和粒子物理學的發展；凝聚態物理學簡史；現代光學的興起；天體物理學的發展；諾貝爾物理學獎； 實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用；單位、單位制與基本常數簡史等。書中配有500多張歷史圖片，書末還附有物理學大事年表。

劉源俊
東吳大學名譽教授
※審定者簡介
李精益 審校
臺灣大學物理學士，美國德州大學奧斯汀分校（UT-Austin）物理博士。近二十年來積極參與科學普及化的工作，撰寫文章及翻譯書籍；主要譯作有《薛汀格的貓》、《相對論入門》及《費曼物理學講義Ⅱ》第2-4冊。另曾審校數十本書，內容涵蓋數理學科、科學史、科學普及、中外歷史等。

郭奕玲
1931年生，江西南康人，清華大學物理系教授。從事物教育和實驗物理學史研究多年。
經歷
上海師範大學、華東地質學院、臺灣東吳大學等十餘所院校的兼職教授或客座教授，以及《大學物理》編委、中國物理學會教學委員會委員等職務。
著作
著有《近代物理發展中的著名實驗》、《諾貝爾物理學獎一百年》、《大學物理中的著名實驗》、《近代物理著名實驗簡介》等三十餘部著作

沈慧君
1935年生，淅江慈溪人，清華大學物理系教授。從事物理教學和物理學史研究多年。
經歷
中國物理學會理事、北京物理學會常務理事兼副祕書長、《物理通報》編委、贛南師範學院兼職教授。
著作
著有《大學物理習題討論課指導》、《經典物理中的著名實驗》、《物理學史話》《X射線與顯微術》等二十餘部著作

※推薦文
推薦序
1990年，我在東吳大學物理學系首度開始講授「物理學史」；這是一門三學分的課，設計為每兩年開一次。當時的動機：一是自己對物理學史有興趣，多年來也蒐集了一些資料，需要整理一下；二是認為物理學系的學生必須多知道些關於物理學史的知識。之前知道，在臺灣各大學裡，除了吳大猷曾經在臺灣大學講過一年物理學史外，並沒有人開過這課，市面上自也沒有相關的教科書。於是我每星期講一專題，自己準備講義，感到有些力不從心。
有次在新竹，聽清華大學的林克瀛教授說到，北京清華大學的郭奕玲教授長年在該校講授物理學史。1992年8月底，我首次到北京訪問，特地聯繫到了郭教授。他借了輛腳踏車帶我一同遊清華園，然後在清華宿舍裡我也見到了沈慧君教授。用過中餐，郭教授又帶我見識了他在那窄小而凌亂的研究室裡，多年辛勤工作的心血結晶，十分感動。知道清華大學每年安排他講授「物理學史」，更是羨慕。
1993年7月，郭、沈兩位教授的《物理學史》在北京清華大學出版，承他相贈。之後，我與郭教授常有聯繫，也曾請他複製一套可供教學用的幻燈片。每次我到北京，總會與他見面，常常是約在海淀書城的附近，因為要他帶我買些好書。1996年秋，我接任東吳大學校長，自己開授的「物理學史」因而中斷。1999年春，我終能安排郭教授來臺三個月，在東吳物理學系講授「物理學史」。那時，郭教授與沈教授伉儷合著的《物理通史》已在臺灣出版（凡異出版社，1994年9月），郭教授又攜來許多視聽教材。
2005年，郭、沈兩位教授在北京清華大學出版《物理學史》第二版。郭教授曾要我寫篇序，我當時推辭了，因為覺得從事高教行政多年，書本方面荒廢了許多，又從未好好研究過物理學史，何德又何能？
2013年夏，我從東吳大學退休，當「名譽教授」，繼續在物理學系上課。這時我推動每年為物理學系學生及高中物理教師們舉辦「物理學史研習會」。首先我就想到郭、沈兩位教授，於是安排兩位在當年10月舉行的兩場研習會裡講「諾貝爾物理學獎的分析」與「諾貝爾物理學獎的啟迪」。這時個人電腦軟體與網路的發展已遠非當年使用幻燈片或投影片的時期所能企及，郭教授乃能充分發揮；他的講演至為精采。郭教授的足跡其實遍及中國各地，曾引發許許多多學子對物理學的興趣。
這一「物理學史研習會」更引起在文藻外語大學任教的李精益教授的興趣。李教授是我臺大物理學系低好多屆的學弟，以前因為辦《科學月刊》認識。他真是有心人，近年花了許多功夫校訂中國出版的科學圖書，改成正體字在臺灣出版。他所校訂吳國盛先生的《科學的歷程》，我正用作東吳大學通識課「科學發展史」的教科書。李教授認為台灣各大學亟需開授「物理學史」課，而看來看去，坊間只有郭、沈兩位著的《物理學史》第二版適合用作教科書，於是發願將它校訂後在臺灣出版。我們著實作了一番努力，終於得到五南圖書的首肯，願意投資成就這一美事。李教授花費了極大的心力校訂這本書，又添加了一些最新的資料，終於讓這本書得以問世。
郭教授近年身體不適，不克再校勘一次，實屬遺憾。但他請我為本書寫序，我覺得義不容辭，當能彌補當年未應允寫序的遺憾，也可藉此機會追敘過去二十多年我與郭教授的一段情緣。
這本書的涵蓋面極為廣泛，兼顧各個領域實驗與理論的發展，且涉及新近的進展。最難能可貴的是，最後三章分別敘述歷年諾貝爾物理學獎、實驗與實驗室的發展，以及物理學基本單位、常數的測定及訂定。諾貝爾物理學獎這一章當可瞥見近百年來物理學發展的概要；後兩章又其實攸關物理學的發展，一般人卻常忽略。
本書極適合用作大學物理學系一學期三學分「物理學史」的教科書，也適合對物理學有興趣的一般人當課外讀物，更應該是所有高中物理教師的良伴。本書經過五南圖書的編排後，比原書更顯得清爽大方，而親近讀者。
若要說我對這本書有什麼意見，多是基於「名正才能教順」的考慮而持的關於名詞的若干「偏見」。例如我主張稱「無礙落體」而非「自由落體」，「溫輻射」而非「熱輻射」，「氣體微運動論」而非「氣體動力論」或「氣體動理論」，「奇偶性」而非「宇稱」，「電離態」而非「電漿」或「等離子體」，「光頻激射」而非「雷射」或「激光」等等。但這些都牽扯及其他面向，無關本書的宏旨。
我自己既然寫不出一本物理學史教科書來，有機會參與促成本書的出版，也算是功德一件吧！

 

力學的發展1
1.1　歷史概述2
1.2　天文學的新進展揭開了科學革命的序幕4
1.3　慣性定律的建立 14
1.4　伽利略的落體研究18
1.5　萬有引力定律的發現29
1.6　《自然哲學之數學原理》和牛頓的大綜合38
1.7　碰撞的研究41
1.8　牛頓以後力學的發展45
1.9　牛頓的絕對時空觀和馬赫的批判51
熱學的發展55
2.1　歷史概述56
2.2　熱現象的早期研究56
2.3　熱力學第一定律的建立65
2.4　卡諾和熱機效率的研究81
2.5　絕對溫標的提出84
2.6　熱力學第二定律的建立88
2.7　熱力學第三定律的建立和低溫物理學的發展94
2.8　氣體動理論的發展99
2.9　統計物理學的創立112
電磁學的發展125
3.1　歷史概述126
3.2　早期的磁學和電學研究126
3.3　庫侖定律的發現131
3.4　動物電的研究和伏打電堆的發明141
3.5　電流的磁效應146
3.6　安培奠定電動力學基礎151
3.7　歐姆定律的發現153
3.8　電磁感應的發現155
3.9　電磁理論的兩大學派161
3.10　馬克士威電磁場理論的建立163
3.11　赫茲發現電磁波實驗173
3.12　馬克士威電磁場理論的發展178
經典光學的發展181
4.1　歷史概述182
4.2　反射定律和折射定律的建立182
4.3　牛頓研究光的色散187
4.4　光的微粒說和波動說193
4.5　光速的測定200
4.6　光譜的研究204
實驗新發現和現代物理學革命213
5.1　歷史概述214
5.2　十九／20世紀之交的三大實驗發現215
5.3　「以太漂移」的探索231
5.4　熱輻射的研究244
5.5　經典物理學的「危機」251
相對論的建立和發展255
6.1　歷史背景256
6.2　愛因斯坦創建狹義相對論的經過259
6.3　狹義相對論理論體系的建立269
6.4　狹義相對論的遭遇和實驗檢驗278
6.5　廣義相對論的建立 281
6.6　廣義相對論的實驗驗證291
早期量子論和量子力學的準備301
7.1　歷史概述302
7.2　普朗克的能量子假設302
7.3　光電效應的研究306
7.4　固體比熱312
7.5　原子模型的歷史演變317
7.6　α散射和拉塞福有核原子模型323
7.7　波耳的定態躍遷原子模型和對應原理327
7.8　索末菲和埃倫費斯特的貢獻332
7.9　愛因斯坦與波粒二象性341
7.10　X射線本性之爭344
7.11　康普頓效應345
量子力學的建立與發展353
8.1　歷史概述354
8.2　電子自旋概念和不相容原理的提出355
8.3　德布羅意假說 357
8.4　物質波理論的實驗驗證360
8.5　矩陣力學的創立365
8.6　波動力學的創立366
8.7　波函數的物理詮釋369
8.8　不確定原理和互補原理的提出370
8.9　關於量子力學完備性的爭論372
8.10　量子電動力學的發展377
原子核物理學和粒子物理學的發展385
9.1　歷史概述386
9.2　放射性的研究386
9.3　人工核反應的初次實現 393
9.4　探測儀器的改善 395
9.5　宇宙射線和正電子的發現399
9.6　中子的發現402
9.7　人工放射性的發現406
9.8　重核裂變的發現407
9.9　鏈式反應 412
9.10　原子核模型理論414
9.11　加速器的發明與建造416
9.12　β衰變的研究和微中子的發現422
9.13　介子理論和μ子的發現425
9.14　奇異粒子的研究425
9.15　弱交互作用中宇稱不守恆和CP破壞的發現426
9.16　強子結構和夸克理論430
9.17　量子色動力學的建立432
9.18　弱電統一理論的提出433
9.19　夸克模型的發展436
凝聚態物理學簡史439
10.1　歷史概述440
10.2　固體物理學的早期研究 441
10.3　固體物理學的理論基礎444
10.4　固體物理學的實驗基礎448
10.5　電晶體的發明449
10.6　半導體物理學和實驗技術的蓬勃發展 453
10.7　超導電性的研究459
10.8　超流動性的發現465
10.9　量子霍爾效應與量子流體的研究470
10.10　非晶態物理的發展477
10.11　高壓物理學的發展481
10.12　軟物質物理學的興起484
現代光學的興起487
11.1　雷射科學的孕育和準備488
11.2　微波激射器的發明494
11.3　雷射的設想和實現498
11.4　雷射技術的發展506
11.5　全相術的發明和應用510
11.6　雷射光譜學513
11.7　非線性光學516
11.8　量子光學519
11.9　量子資訊光學522
11.10　原子光學525
天體物理學的發展531
12.1　天體物理學的興起532
12.2　皮克林譜系之謎535
12.3　恆星演化理論的建立538
12.4　類星體的發現541
12.5　宇宙背景輻射的發現543
12.6　脈衝星的發現547
12.7　星際有機分子的發現551
12.8　黑洞的研究552
12.9　暗物質和暗能量的探索555
諾貝爾物理學獎561
13.1　諾貝爾物理學獎的設立562
13.2　諾貝爾物理學獎的分布統計563
13.3　時代劃分566
13.4　分類綜述572
實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用615
14.1　實驗在物理學發展中的作用616
14.2　實驗室在物理學發展中的地位620
單位、單位制與基本常數簡史641
15.1　基本單位的歷史沿革642
15.2　單位制的沿革649
15.3　基本物理常數的測定與評定656
15.4　物理學的新發現對基本常數的影響664
結語667
附錄　物理學大事年表673
參考文獻699

1.1　歷史概述
力學是物理學中發展最早的一個分支，它和人類的生活與生產聯繫最為密切。早在遙遠的古代，人們就在生產勞動中應用了槓桿、螺旋、滑輪、斜面等簡單機械，從而促進了靜力學的發展。古希臘時代，就已形成比重和重心的概念。阿基米德（Archimedes，約西元前287-前212）的槓桿原理和浮力原理提出於西元前二百多年。我國古代的春秋戰國時期，以《墨經》為代表作的墨家，總結了大量力學知識，例如：時間與空間的聯繫、運動的相對性、力的概念、槓桿平衡、斜面的應用以及滾動和慣性等現象的分析，涉及力學的許多部門。雖然這些知識尚屬力學科學的萌芽，但在力學發展史中應有一定的地位。
16世紀以後，由於航海、戰爭和工業生產的需要，力學的研究得到了真正的發展。鐘錶工業促進了等速運動的理論；水磨機械促進了摩擦和齒輪傳動的研究；火炮的運用推動了拋射體的研究。天體的運行提供了機械運動最純粹、最精確的數據資料，使得人們有可能排除摩擦和空氣阻力的干擾，對機械運動得到規律性的認識。於是，天文學為力學找到了一個最理想的「實驗室」，這就是天體。但是，天文學的發展又和航海事業分不開，只有等到16、17世紀，這時資本主義生產方式開始興起，海外貿易和對外擴張刺激了航海的發展，這才提出對天文現象作系統觀測的迫切要求。第谷‧布拉赫（Tycho Brahe, 1546-1601）順應了這一要求，以畢生精力採集了大量觀測資料，為克卜勒（Johannes Kepler, 1571-1630；大陸用「開普勒」）的研究做了準備。克卜勒於1609年和1619年先後提出了行星運動的三條規律，即克卜勒三定律。
在數學方面，13-14世紀英國牛津大學的默頓（Merton）學院聚集了一批數學家，對運動的描述作過研究，他們提出了平均速度的概念，後來又提出加速度的概念，為新科學的誕生做了準備。
16-17世紀，以伽利略（Galileo Galilei, 1564-1642）為代表的物理學家對力學開展了廣泛研究，得到了落體定律。伽利略的兩部著作：《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）和《關於力學和運動兩門新科學的談話》（簡稱《兩門新科學》；1638年），為力學的發展奠定了思想基礎。隨後，牛頓（Isaac Newton, 1642-1727）把天體的運動規律和地面上的實驗研究成果加以綜合，進一步得到了力學的基本規律，建立了牛頓運動三定律和萬有引力定律。牛頓建立的力學體系經過丹尼爾‧伯努利（Daniel Bernoulli, 1700-1782）、拉格朗日（J. L. Lagrange, 1736-1813）、達朗貝爾（Jean le Rond d’Alembert, 1717-1783）等人的推廣和完善，形成了系統的理論，取得了廣泛的應用並發展出了流體力學、彈性力學和分析力學等分支。到了18世紀，經典力學（classical mechanics；古典力學）已經相當成熟，成為自然科學中的主導和領先學科。
機械運動是最直觀、最簡單，也最便於觀察和最早得到研究的一種運動形式。但是，任何自然界的現象都是錯綜複雜的，不可避免地會有干擾因素，不可能以完全純粹的形態自然地展現在人們面前，力學現象也不例外。因此，人們要從生產和生活中遇到的各種力學現象抽象出客觀規律，必定要有相當複雜的提煉、簡化、復現、抽象等實驗和理論研究的過程。和物理學的其他部門相比，力學的研究經歷了更為漫長的過程。從古希臘時代算起，這個過程幾乎達到兩千年之久。其所以會如此漫長，一方面是由於人類缺乏經驗，彎路在所難免，只有在研究中自覺或不自覺地摸索到了正確的研究方法，才有可能得出正確的科學結論。其次是由於生產水準低下，沒有適當的儀器設備，無從進行系統的實驗研究，難以認識和排除各種干擾。例如，摩擦和空氣阻力對力學實驗來說恐怕是無處不在的干擾因素。如果不加分析，憑直覺進行觀察，往往得到錯誤結論。古希臘時代的亞里斯多德（Aristotle，西元前384-前322）正是這一現象的代表。他主張的物體運動速度與外力成正比、重物下落比輕物快、自然界懼怕真空，以及後人用「衝力」解釋物體的持續運動的種種似是而非的論點，看起來卻與經驗沒有明顯的矛盾，所以長期沒有人懷疑。再就是長期形成的思想枷鎖抑制了人們的創造力，科學被當成是教會恭順的奴婢。只有在以達文西（Leonard da Vinci, 1452-1519；大陸用「達‧芬奇」）為代表的文藝復興運動的衝擊下，思想得到了解放，才有可能出現伽利略和牛頓這樣的科學先驅，而伽利略和牛頓的功績，就是把科學思維和實驗研究緊密結合到了一起，為力學的發展找到了一條正確的道路。
1.2　天文學的新進展揭開了科學革命的序幕
1.2.1　哥白尼的日心說
在自然科學的發展史中，以哥白尼（Nicolaus Copernicus, 1473-1543）為代表的一場關於宇宙觀的革命，對近代科學的興起，起了開路先鋒的偉大作用。人們往往把這場革命稱為哥白尼革命。
哥白尼主張的日心說，推翻了自古希臘時代即占統治地位的地心說，地心說認為地球是不動的宇宙中心，這種宇宙觀實際上是古人從局限的觀察和樸素的思維中得到的一種對宇宙的看法。這一看法，不僅在西方，而且在東方，都起著主導的作用。古人對宇宙的看法有一共同的特點，就是認為宇宙是不變的。這是因為古人對天象的認識，無非都是靠肉眼直接觀察所得的印象，結果難免會很粗淺。對宇宙生成的看法更缺乏長期觀測積累的證據，因此難以對當時天體的實際運行情況作出具體解釋，後來就逐步形成了宇宙不變的觀點。
持宇宙不變觀點的人，把星空旋轉之類的變化，看成是某種星空的自然運動，而天的本質則是永不改變的。人站在地球上看天象，很自然地就會認為日月星辰都是圍繞著大地旋轉。地心說因此產生，成為主宰天文學界千餘年的天體理想模型。較為完整的地心說宇宙模型，是托勒密（Ptolemy，約90-168）在西元2世紀提出的。這個模型繼承了古希臘的所謂圓球美滿觀念，把宇宙設計成為大球套小球，小球邊上甚至還要穿插小小球的複雜圓球體系：這個圓球的球心就是地球的球心，而恆星、太陽和月亮分布在大小不同的球面上圍繞地球作圓運動；諸行星（水星、金星、火星、木星和土星）既要在各自的小球上圍繞地球作圓運動，又要圍繞各自的小小球的球心作圓運動，這樣才能解釋為什麼表觀上看到的它們既有順行運動又有逆行運動的現象。托勒密地心說在長達一千多年的時期內，被人們廣泛接受，其原因主要是因為目視天文觀測的精度很低，按地心說預報的行星位置，又與實際位置相差不多，再有就是這一學說與《聖經》的內容相符，因而得到教會的大力保護。
在中世紀的長期黑暗之後，由於生產的發展和商品經濟的興盛導致海洋航行的發達，天文學在歐洲以意想不到的速度發展了起來。為此，人們迫切需要天文儀器，需要精密的恆星、行星的星表，當然也需要發明測定經緯度的方法。這就為天文學的發展提供了動力。而冶金、機械製造等生產部門的發展，印刷術的傳播，則為天文學的發展提供了物質條件。隨著天文觀測精度的提高，地心說用圓上加圓的軌道試圖擬合行星運動的做法，顯得既繁瑣又欠精確，因此日益遭受到尊重事實的學者的反對。
進入14-15世紀，隨著生產的發展，在歐洲封建社會內部資本主義生產關係逐漸形成。與資產階級的經濟、政治利益相適應，歐洲文化也出現了新的運動。它的主要內容就是反對中世紀的神學世界觀，擺脫教會對人們的思想束縛，衝破各種神學的和經院哲學的傳統教條。這個以文藝復興命名的運動開創了歐洲文化和思想發展的一個重要時期。
由於亞里斯多德—托勒密的地心說理論成為中世紀神學世界觀的重要精神支柱，而天文學的發展卻越來越多地揭示了這個理論的荒謬，於是天文學就成為衝破神學束縛的一個突破口。文藝復興的思想解放運動為打破地心說理論提供了思想動力和精神基礎，而這個理論體系的打破又給予宗教神學以沉重的打擊，使文藝復興運動更具有實際內容。天文學也因此首先進入近代科學的大門。
應該說，早在文藝復興時期就已有許多進步思想家和天文學家對破綻百出的地心體系表示懷疑。但是，真正打破這個體系的第一人是16世紀偉大的波蘭天文學家哥白尼。他分析了托勒密的地心體系，經過幾十年的研究，建立了一個嶄新的宇宙體系，這就是日心體系。他認識到地球也是一顆行星，和別的行星一樣，都以同心圓圍繞太陽運行。行星排列的次序是水星在最小的圓周上，依次往外是金星、地球、火星、木星，最後是土星，土星在最大的圓周上。而月球並不是行星，它圍繞地球旋轉，同時也被地球帶著圍繞太陽運行，眾恆星則固定在遙遠的空間裡，並沒有繞大地晝夜旋轉。星空的旋轉是地球自轉的視覺效應；而在地球上看到的其他行星的順行和逆行，則是所有行星繞日公轉的結果。
這個既簡單而又基本的發現，使人們對於宇宙的看法從主觀的見解改造為客觀的認識，把原始而又神秘的宇宙觀提高為簡潔又合理的科學觀念。它的提出不是隨意的猜想和主觀的推論，而是建立在理性上的科學認識。哥白尼提出新的思想，本來應該很順利地得到世人的歡迎。然而，事情不像想像的那樣簡單。中世紀黑暗時代的陰影還遠未消失，幾千年的舊勢力仍然占有統治地位，新思想的提出必然要遇到阻力。這是一場鬥爭，只有對陳舊的思想進行批判才能取得公眾的承認，所以這也是一場思想上的革命。經由這場革命，人們擺脫了對神學和古代經典的權威的迷信，以事實作為知識的來源，靠實踐判斷理論的真偽。因此，哥白尼論述日心體系的代表作《天體運行論》（De revolutionibus orbium coelestium，英譯On the Revolutions of the Heavenly Spheres，另譯《天球運行論》），就成了「自然科學的獨立宣言」。
從中世紀以來，教會的反動統治形成了一道無形的枷鎖，凡是不符合教會思想而另有主張的人，都會遭到迫害。到了16世紀，這一鬥爭變本加厲，義大利思想家布魯諾（Giordano Bruno, 1548-1600）就是一位信奉和宣揚哥白尼體系而英勇獻身的科學殉道士。他堅持透過經驗和理性來獲得科學真理，提出「懷疑原則」來反對教會權威和神學教條。他拋棄了太陽是宇宙中心的觀點，認為宇宙是無限的，在太陽系之外還有無數的世界。這些觀點比哥白尼學說更為有力地衝擊了教會的教義，因而成了反動勢力的眼中釘，被處火刑，活活燒死。