近现代物理学的发展史

2024年4月11日发(作者：中考数学试卷考纲考点分析)

对学科的发展脉络进行梳理有助于了解其现状，展望其未来。物理学的历史很长，不

能样样都谈到，仅从牛顿开始，牛顿以前的很多先驱性的工作只好从略了。

20世纪前物理学的三大综合

17世纪至19世纪，物理学经历了三次大的综合。牛顿力学体系的建立标志着物理学的

首次综合，第二次综合是麦克斯韦的电磁理论的建立，第三次则是以热力学两大定律确

立并发展出相应的统计理论为标志。

第一次综合——牛顿力学

17世纪，牛顿力学构成了完整的体系。可以说，这是物理学第一次伟大的综合。牛顿

将天上行星的运动与地球上苹果下坠等现象概括到一个规律里面去了，建立了所谓的经

典力学。至于苹果下坠启发了牛顿的故事究竟有无历史根据，那是另一回事，但它说明

了人们对于形象思维的偏爱。

牛顿力学的建立

牛顿实际上建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律。运动定律描述

在力作用下物体是怎么运动的；万有引力定律则描述物体之间的基本相互作用。牛顿将

两个定律结合起来运用，因为行星的运动或者地球上的抛物体运动都受到万有引力的影

响。牛顿从物理上把这两个重要的力学规律总结出来的同时，也发展了数学，成为微积

分的发明人。他用微积分、微分方程来解决力学问题。

由运动定律建立的运动方程，可以用数学方法把它具体解出来，这体现了牛顿力学的

威力——能够解决实际问题。比如，如果要计算行星运行的轨道，可以按照牛顿所给出

的物理思想和数学方法，求解运动方程就行了。

根据现在轨道上行星的位置，可以倒推千百年前或预计千百年后的位置。海王星的发

现就充分体现了这一点。当时，人们发现天王星的轨道偏离了牛顿定律的预期，问题出

在哪里呢？后来发现，在天王星轨道外面还有一颗行星，它对天王星产生影响，导致天

王星的轨道偏离了预期的轨道。进而人们用牛顿力学估计出这个行星的位置，并在预计

的位置附近发现了这颗行星——海王星。这表明，牛顿定律是很成功的。

按照牛顿定律写出运动方程，若已知初始条件——物体的位置和速度，就可以求出以

后任何时刻物体的位置和速度。这一想法经拉普拉斯推广，表述为一种普适的确定论：

既然组成世界的全部粒子在某一瞬间各自具有特定的位置与速度，而且都遵从确定的定

律，因而随后世界上任何情况都将毫无例外地完全确定。这就是拉普拉斯确定论。它和

宿命论的思想不谋而合，但与我们日常生活的感受不同（日常生活中经常碰到不确定、

不可预知的情况）。这个内涵丰富的问题到20世纪才解决。

牛顿力学的新表述

19世纪，经典力学的发展表现为科学家用新的、更简洁的形式重新表述牛顿定律，如

拉格朗日方程组、哈密顿方程组等。这些表述形式不一，实质并没有改变。这是19世

纪牛顿力学发展的一个方面。另一方面，就是将牛顿定律推广到连续介质的力学问题中

去，出现了弹性力学、流体力学等。在这一方面，20世纪有更大的发展，特别是流体

力学，最终导致航空甚至航天的出现。因此，牛顿定律到现在还是非常重要的，牛顿定

律还是大学课程中不可缺少的一个组成部分。当然，其表达方法应随时代发展而有所不

同。

牛顿关于力学研究的成果，写在一本叫《自然哲学的数学原理》的巨著中。只要稍微

翻一下这本书，就会发现它非常难懂。牛顿的一个重要贡献是从万有引力定律和运动定

律把行星运动的轨道推导出来。现在，在学习理论力学时，行星运动的椭圆轨道问题是

不太难的，解微分方程就可以求出来。但牛顿在《自然哲学的数学原理》里没有用微积

分，更没有用解微分方程的方法，而纯粹是用几何方法把椭圆轨道推出来的。

现代科学家就不一定能看懂他这一套东西。理论物理学家费恩曼曾说他对现代数学比

牛顿强得多，但对17世纪牛顿熟悉的几何学他就不一定能全部掌握。他花了好些时间

，想用牛顿的思路把行星的椭圆轨道全部证明出来，结果还是有些环节证不出来。最后