物理學(xué)歷史發(fā)展的四個(gè)階段
1. 自然哲學(xué)與早期物理學(xué)(公元前3000年 - 16世紀(jì))
2. 經(jīng)典物理學(xué)體系的建立(17世紀(jì) - 19世紀(jì)末)
3. 近代物理學(xué)革命(20世紀(jì)初 - 20世紀(jì)中葉)
4. 現(xiàn)代物理學(xué)的擴(kuò)展與交叉(20世紀(jì)中葉至今)
第一階段:自然哲學(xué)與早期物理學(xué)(公元前3000年 – 16世紀(jì))
子階段1:古代自然哲學(xué)(公元前3000年 – 公元5世紀(jì))
約公元前3000年 – 古埃及與美索不達(dá)米亞的天文觀測(cè)
埃及人建立太陽(yáng)歷(365天),巴比倫人記錄行星運(yùn)動(dòng)并發(fā)明六十進(jìn)制。來(lái)源: James Evans, The History and Practice of Ancient Astronomy (Oxford, 1998), 第1章。
約公元前600年 – 泰勒斯提出“水為萬(wàn)物本源”
首個(gè)嘗試用自然元素(非神話)解釋世界起源的希臘哲學(xué)家。來(lái)源: G.E.R. Lloyd, Early Greek Science (Norton, 1970), 第2章。
公元前5世紀(jì) – 德謨克利特提出原子論
主張物質(zhì)由不可分割的原子構(gòu)成,虛空為運(yùn)動(dòng)空間。可疑信息源: 網(wǎng)絡(luò)資料常混淆其理論與現(xiàn)代原子論,需參考亞里士多德《形而上學(xué)》的批判。
公元前4世紀(jì) – 亞里士多德《物理學(xué)》
提出“四因說(shuō)”“自然位置”理論,錯(cuò)誤但統(tǒng)治科學(xué)思想千年。來(lái)源: Aristotle, Physics (Book II), 牛津古典文本版。
公元前3世紀(jì) – 阿基米德浮力與杠桿原理
發(fā)現(xiàn)浮力定律(《論浮體》)、杠桿公式(“給我一個(gè)支點(diǎn)…”)。來(lái)源: Archimedes, The Works of Archimedes (劍橋大學(xué)出版社, 1897)。
公元前3世紀(jì) – 中國(guó)《墨經(jīng)》光學(xué)研究
記載小孔成像、平面鏡反射規(guī)律,首次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)記錄。來(lái)源: 李約瑟《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》第4卷(劍橋, 1962)。
公元2世紀(jì) – 托勒密《天文學(xué)大成》
地心說(shuō)數(shù)學(xué)模型(均輪-本輪),預(yù)測(cè)行星位置精度達(dá)千年。來(lái)源: Ptolemy, Almagest (Dover, 1952), 第3卷。
子階段2:中世紀(jì)經(jīng)驗(yàn)科學(xué)(5世紀(jì) – 14世紀(jì))
9世紀(jì) – 海什木(Alhazen)《光學(xué)之書(shū)》
實(shí)驗(yàn)證明視覺(jué)由光線進(jìn)入眼睛引起,推翻古希臘發(fā)射說(shuō)。來(lái)源: David C. Lindberg, Theories of Vision from Al-Kindi to Kepler (Chicago, 1976)。
1021年 – 比魯尼測(cè)量地球周長(zhǎng)
通過(guò)三角函數(shù)測(cè)得地球周長(zhǎng)誤差僅4%,早于歐洲航海時(shí)代。可疑信息源: 阿拉伯手稿需對(duì)照George Saliba著作驗(yàn)證。
11世紀(jì) – 沈括《夢(mèng)溪筆談》
記載地磁偏角、聲學(xué)共振、化石成因等實(shí)驗(yàn)觀察。來(lái)源: 李約瑟《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史》第3卷(劍橋, 1959)。
13世紀(jì) – 羅吉爾·培根提倡實(shí)驗(yàn)方法
在《大著作》中強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合,預(yù)示科學(xué)革命方法論。來(lái)源: David C. Lindberg, The Beginnings of Western Science (2007), 第10章。
14世紀(jì) – 牛津計(jì)算者研究勻加速運(yùn)動(dòng)
使用幾何法分析速度-時(shí)間關(guān)系,為伽利略運(yùn)動(dòng)學(xué)奠基。來(lái)源: Edith Sylla, The Oxford Calculators (Brill, 1991)。
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第二階段:經(jīng)典物理學(xué)體系的建立(17世紀(jì) - 19世紀(jì)末)
按時(shí)間順序分述各子階段重要事件:
子階段1:力學(xué)革命(17世紀(jì) - 18世紀(jì))
1609-1619年 開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律
開(kāi)普勒基于第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù),提出行星軌道橢圓模型(《新天文學(xué)》,1609)與面積定律(1618),徹底取代托勒密本輪體系。來(lái)源:Johannes Kepler, Astronomia Nova(1609),序言部分。
1632年 伽利略《關(guān)于兩大世界體系的對(duì)話》
通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)和慣性原理否定亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀,奠定經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。來(lái)源:Galileo Galilei, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo(1632),第三天對(duì)話。
1687年 牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》
提出三大運(yùn)動(dòng)定律與萬(wàn)有引力定律,統(tǒng)一天體與地面運(yùn)動(dòng),建立經(jīng)典力學(xué)體系。來(lái)源:Isaac Newton, Philosophi? Naturalis Principia Mathematica(1687),Book III "System of the World"。
1743年 達(dá)朗貝爾原理與剛體力學(xué)
達(dá)朗貝爾將動(dòng)力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題,推動(dòng)分析力學(xué)發(fā)展。來(lái)源:Jean le Rond d'Alembert, Traité de Dynamique(1743),第2章。
1788年 拉格朗日《分析力學(xué)》
用變分原理和廣義坐標(biāo)重新表述牛頓力學(xué),奠定分析力學(xué)框架。來(lái)源:Joseph-Louis Lagrange, Mécanique Analytique(1788),導(dǎo)論部分。
子階段2:熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)(18世紀(jì)末 - 19世紀(jì)末)
1798年 倫福德伯爵的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)
通過(guò)鉆炮筒實(shí)驗(yàn)證明熱與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換,質(zhì)疑熱質(zhì)說(shuō)。來(lái)源:Benjamin Thompson (Count Rumford), An Experimental Enquiry Concerning the Source of Heat(1798)。
1824年 卡諾熱機(jī)理論
卡諾提出理想熱機(jī)循環(huán)模型,揭示熱效率上限,為熱力學(xué)第二定律奠基。來(lái)源:Sadi Carnot, Réflexions sur la puissance motrice du feu(1824),第2章。
1843-1850年 焦耳能量守恒實(shí)驗(yàn)
焦耳通過(guò)電磁機(jī)、水摩擦等實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定熱功當(dāng)量,驗(yàn)證能量守恒。來(lái)源:James Prescott Joule, On the Mechanical Equivalent of Heat(1850),Philosophical Transactions of the Royal Society。
1850-1865年 克勞修斯與開(kāi)爾文的熱力學(xué)定律
克勞修斯提出熵概念(1865),開(kāi)爾文表述第二定律(1851),完成熱力學(xué)理論體系。來(lái)源:Rudolf Clausius, The Mechanical Theory of Heat(1865),第9章。
1872-1877年 玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)力學(xué)
玻爾茲曼建立熵的統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)℉定理)和分子運(yùn)動(dòng)論,連接宏觀與微觀世界。來(lái)源:Ludwig Boltzmann, Lectures on Gas Theory(1896),第1章。
子階段3:電磁學(xué)與光學(xué)(18世紀(jì) - 19世紀(jì)末)
1785年 庫(kù)侖定律
庫(kù)侖通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)定量測(cè)定電荷間作用力,確立靜電學(xué)基礎(chǔ)。來(lái)源:Charles-Augustin de Coulomb, Mémoires sur l'électricité et le magnétisme(1785)。
1820年 奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)
首次揭示電與磁的聯(lián)系,推動(dòng)電磁學(xué)研究熱潮。來(lái)源:Hans Christian ?rsted, Experiments on the Effect of a Current of Electricity on the Magnetic Needle(1820)。
1831年 法拉第電磁感應(yīng)定律
發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電流,奠定發(fā)電機(jī)原理與場(chǎng)論思想。來(lái)源:Michael Faraday, Experimental Researches in Electricity(1839),Series I。
1864年 麥克斯韋方程組
統(tǒng)一電、磁、光現(xiàn)象,預(yù)言電磁波存在(《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》)。來(lái)源:James Clerk Maxwell, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field(1864),Part III。
1887年 赫茲驗(yàn)證電磁波
通過(guò)振蕩電路實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生并檢測(cè)電磁波,證實(shí)麥克斯韋預(yù)言。來(lái)源:Heinrich Hertz, On Electromagnetic Waves in Air and Their Reflection(1888),Annalen der Physik。
子階段4:原子論的初步探索(18世紀(jì) - 19世紀(jì)末)
1808年 道爾頓原子理論
提出化學(xué)元素由原子構(gòu)成,原子量決定化合物比例(《化學(xué)哲學(xué)新體系》)。來(lái)源:John Dalton, A New System of Chemical Philosophy(1808),Part I。
1811年 阿伏伽德羅分子假說(shuō)
提出氣體體積與分子數(shù)成正比,區(qū)分原子與分子概念。來(lái)源:Amedeo Avogadro, Essay on a Manner of Determining the Relative Masses of the Elementary Molecules of Bodies(1811)。
1827年 布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)
布朗觀察到花粉微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng),成為原子論的早期間接證據(jù)。來(lái)源:Robert Brown, A Brief Account of Microscopical Observations(1828),Edinburgh Journal of Science。
1869年 門(mén)捷列夫周期表
通過(guò)元素周期性排列預(yù)言未知元素,強(qiáng)化原子量作為基本參數(shù)的地位。來(lái)源:Dmitri Mendeleev, On the Relationship of the Properties of the Elements to their Atomic Weights(1869),Zeitschrift für Chemie。
1897年 湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子
通過(guò)陰極射線實(shí)驗(yàn)證明電子存在,打破原子不可分觀念。來(lái)源:J.J. Thomson, Cathode Rays(1897),Philosophical Magazine。
關(guān)鍵邏輯鏈總結(jié)
力學(xué):從伽利略實(shí)驗(yàn)到牛頓綜合,最終由拉格朗日數(shù)學(xué)化,形成普適性理論。
熱力學(xué):從熱質(zhì)說(shuō)破滅到能量守恒與統(tǒng)計(jì)解釋?zhuān)沂咀匀贿^(guò)程的不可逆性。
電磁學(xué):由現(xiàn)象學(xué)規(guī)律(庫(kù)侖、奧斯特)到場(chǎng)論統(tǒng)一(麥克斯韋),實(shí)驗(yàn)與理論協(xié)同突破。
原子論:從化學(xué)原子假設(shè)到電子發(fā)現(xiàn),逐步逼近物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。
補(bǔ)充說(shuō)明:以上事件均選擇對(duì)學(xué)科范式轉(zhuǎn)變具有決定性影響的里程碑,時(shí)間跨度覆蓋子階段全過(guò)程。如需進(jìn)一步細(xì)化(如流體力學(xué)、聲學(xué)分支),可補(bǔ)充伯努利方程(1738)或亥姆霍茲共振理論(1863)等事件。
第三階段:近代物理學(xué)革命(20世紀(jì)初 - 20世紀(jì)中葉)
子階段1:相對(duì)論的誕生
1905年狹義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦發(fā)表《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》,提出狹義相對(duì)論的兩個(gè)公設(shè):光速不變?cè)砼c相對(duì)性原理,推導(dǎo)出質(zhì)能方程 ( E=mc^2 )。來(lái)源:A. Einstein, Annalen der Physik 17, 891 (1905)
1907-1915年廣義相對(duì)論
愛(ài)因斯坦提出等效原理,建立引力場(chǎng)方程(1915),預(yù)言光線彎曲、引力時(shí)間膨脹和解釋水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。驗(yàn)證:1919年愛(ài)丁頓團(tuán)隊(duì)通過(guò)日食觀測(cè)證實(shí)光線偏折。來(lái)源:A. Einstein, Preussische Akademie der Wissenschaften (1915)
1922年弗里德曼宇宙模型
亞歷山大·弗里德曼基于廣義相對(duì)論提出動(dòng)態(tài)宇宙解,為膨脹宇宙理論奠基。來(lái)源:A. Friedmann, Zeitschrift für Physik 10, 377 (1922)
子階段2:量子力學(xué)的基礎(chǔ)建立
1900年普朗克量子假說(shuō)
普朗克提出能量量子化公式 ( E=h
u ),解釋黑體輻射問(wèn)題。來(lái)源:M. Planck, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 2, 237 (1900)
1905年愛(ài)因斯坦光量子理論
提出光由離散的量子(光子)組成,解釋光電效應(yīng)。來(lái)源:A. Einstein, Annalen der Physik 17, 132 (1905)
1913年玻爾原子模型
玻爾提出量子化軌道理論,解釋氫原子光譜。來(lái)源:N. Bohr, Philosophical Magazine 26, 1 (1913)
1924年德布羅意物質(zhì)波
提出粒子具有波動(dòng)性(( \lambda = h/p )),奠定波粒二象性基礎(chǔ)。來(lái)源:L. de Broglie, Annales de Physique 3, 22 (1925)
1925-1926年矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)
海森堡創(chuàng)立矩陣力學(xué)(1925),薛定諤提出波動(dòng)力學(xué)方程(1926)。統(tǒng)一:狄拉克證明兩種表述的等價(jià)性(1926)。來(lái)源:W. Heisenberg, Zeitschrift für Physik 33, 879 (1925); E. Schr?dinger, Annalen der Physik 79, 361 (1926)
1927年不確定性原理與哥本哈根詮釋
海森堡提出不確定性原理,玻爾完善互補(bǔ)性原理。來(lái)源:W. Heisenberg, Zeitschrift für Physik 43, 172 (1927)
子階段3:核物理與粒子物理的早期發(fā)展
1911年盧瑟福原子核模型
通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原子核,推翻湯姆遜“葡萄干布丁模型”。來(lái)源:E. Rutherford, Philosophical Magazine 21, 669 (1911)
1919年首次人工核反應(yīng)
盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核,實(shí)現(xiàn)核嬗變(發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)。來(lái)源:E. Rutherford, Philosophical Magazine 37, 581 (1919)
1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子
實(shí)驗(yàn)證實(shí)中子的存在,完善原子核結(jié)構(gòu)模型。來(lái)源:J. Chadwick, Nature 129, 312 (1932)
1934年費(fèi)米β衰變理論
提出弱相互作用理論,預(yù)言中微子存在。來(lái)源:E. Fermi, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934)
1938-1939年核裂變發(fā)現(xiàn)
哈恩、斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)鈾核裂變,邁特納與弗里施解釋其機(jī)制。來(lái)源:O. Hahn & F. Strassmann, Naturwissenschaften 27, 11 (1939)
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子階段4:宇宙學(xué)的觀測(cè)突破
1925年哈勃確認(rèn)河外星系
通過(guò)仙女座星云造父變星觀測(cè),證明銀河系外存在獨(dú)立星系。來(lái)源:E. Hubble, The Astrophysical Journal 63, 236 (1926)
1927年勒梅特膨脹宇宙模型
提出原始原子假說(shuō)(后稱(chēng)“大爆炸理論”)。來(lái)源:G. Lema?tre, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 47A, 49 (1927)
1929年哈勃定律
發(fā)現(xiàn)星系退行速度與距離成正比(( v=H_0 d )),證實(shí)宇宙膨脹。來(lái)源:E. Hubble, Proceedings of the National Academy of Sciences 15, 168 (1929)
1948年αβγ理論
伽莫夫、阿爾弗與赫爾曼提出大爆炸核合成理論,預(yù)言宇宙微波背景輻射。來(lái)源:R. Alpher et al., Physical Review 73, 803 (1948)
第四階段:現(xiàn)代物理學(xué)的擴(kuò)展與交叉(20世紀(jì)中葉至今)
子階段1:標(biāo)準(zhǔn)模型與高能物理
1947年:π介子發(fā)現(xiàn)
鮑威爾團(tuán)隊(duì)通過(guò)核乳膠實(shí)驗(yàn)確認(rèn)湯川秀樹(shù)預(yù)言的介子存在,開(kāi)啟粒子物理新紀(jì)元
1954年:楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)論
楊振寧與米爾斯提出非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)論,為標(biāo)準(zhǔn)模型奠定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
1961年:弱電統(tǒng)一理論提出
格拉肖將弱力與電磁力統(tǒng)一,后經(jīng)溫伯格、薩拉姆完善(1967)
1964年:夸克模型建立
蓋爾曼與茨威格獨(dú)立提出夸克模型,解釋強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1973年:量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)確立
格羅斯、波利策和威爾切克發(fā)現(xiàn)漸進(jìn)自由現(xiàn)象,驗(yàn)證QCD理論
1995年:頂夸克發(fā)現(xiàn)
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron對(duì)撞機(jī)確認(rèn)最后一種標(biāo)準(zhǔn)模型夸克
2012年:希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)
CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)觀測(cè)到質(zhì)量為125GeV的希格斯粒子
信息來(lái)源
希格斯發(fā)現(xiàn):CERN新聞稿(2012.7.4)鏈接
楊-米爾斯理論:C.N.Yang & R.L.Mills, Physical Review 96, 191(1954)
子階段2:凝聚態(tài)物理與新材料
1957年:BCS超導(dǎo)理論
巴丁、庫(kù)珀和施里弗提出電子-聲子耦合超導(dǎo)機(jī)制
1959年:約瑟夫森效應(yīng)預(yù)言
約瑟夫森預(yù)言超導(dǎo)體量子隧穿效應(yīng),奠定超導(dǎo)電子學(xué)基礎(chǔ)
1962年:半導(dǎo)體激光器發(fā)明
霍爾團(tuán)隊(duì)研制首個(gè)GaAs半導(dǎo)體激光器,推動(dòng)光通信革命
1980年:量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)
馮·克利青發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng),揭示拓?fù)淞孔蝇F(xiàn)象
1986年:高溫超導(dǎo)突破
貝德諾爾茨和米勒發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)體(臨界溫度>35K)
2004年:石墨烯分離成功
蓋姆團(tuán)隊(duì)用膠帶剝離法獲得單層石墨烯,開(kāi)啟二維材料研究
2016年:拓?fù)浣^緣體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
張首晟團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng),證實(shí)拓?fù)湮飸B(tài)理論
信息來(lái)源
BCS理論:J.Bardeen et al., Physical Review 108, 1175(1957)
石墨烯:Novoselov et al., Science 306, 666(2004)
子階段3:宇宙學(xué)與暗物質(zhì)/暗能量
1965年:宇宙微波背景(CMB)發(fā)現(xiàn)
彭齊亞斯和威爾遜意外探測(cè)到2.7K宇宙背景輻射
1970年:大爆炸核合成計(jì)算
霍伊爾團(tuán)隊(duì)精確計(jì)算輕元素豐度,驗(yàn)證大爆炸模型
1978年:暗物質(zhì)存在證據(jù)
魯賓團(tuán)隊(duì)通過(guò)星系旋轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)物質(zhì)不足
1998年:宇宙加速膨脹發(fā)現(xiàn)
超新星觀測(cè)顯示暗能量占宇宙總能量68%(珀?duì)栺R特等獲2011諾獎(jiǎng))
2003年:威爾金森微波各向異性探測(cè)器(WMAP)
精確測(cè)量CMB各向異性,確定宇宙年齡137億年
2013年:普朗克衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)布
測(cè)得哈勃常數(shù)67.8km/s/Mpc,暗能量占比提升至69%
2020年:史隆數(shù)字巡天(SDSS)新數(shù)據(jù)
發(fā)現(xiàn)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)存在"哈勃張力"矛盾
信息來(lái)源
CMB發(fā)現(xiàn):Penzias & Wilson, ApJ 142, 419(1965)
暗能量發(fā)現(xiàn):Perlmutter et al., Nature 391, 51(1998)
子階段4:量子信息與跨學(xué)科應(yīng)用
1980年:量子計(jì)算概念提出
費(fèi)曼指出量子系統(tǒng)模擬需量子計(jì)算機(jī)
1984年:BB84量子密鑰分發(fā)協(xié)議
本內(nèi)特和布拉薩德提出首個(gè)量子密碼方案
1993年:量子隱形傳態(tài)方案
貝內(nèi)特團(tuán)隊(duì)提出基于量子糾纏的信息傳輸協(xié)議
1994年:肖爾算法問(wèn)世
肖爾展示量子計(jì)算機(jī)可快速分解大數(shù),威脅RSA加密
2001年:量子計(jì)算機(jī)首次實(shí)現(xiàn)質(zhì)因數(shù)分解
IBM團(tuán)隊(duì)用量子算法分解15=3×5
2016年:量子衛(wèi)星"墨子號(hào)"發(fā)射
中國(guó)實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)(潘建偉團(tuán)隊(duì))
2019年:量子霸權(quán)演示
谷歌Sycamore處理器200秒完成經(jīng)典超算萬(wàn)年任務(wù)
2022年:量子生物傳感突破
哈佛團(tuán)隊(duì)利用NV色心實(shí)現(xiàn)單分子磁共振成像
物理學(xué)歷史發(fā)展的四個(gè)階段
1. 自然哲學(xué)與早期物理學(xué)(公元前3000年 - 16世紀(jì))
2. 經(jīng)典物理學(xué)體系的建立(17世紀(jì) - 19世紀(jì)末)
3. 近代物理學(xué)革命(20世紀(jì)初 - 20世紀(jì)中葉)
4. 現(xiàn)代物理學(xué)的擴(kuò)展與交叉(20世紀(jì)中葉至今)