物理學的歷程：從亞里士多德到薛定諤（簡體書）

本書以物理學演化歷史為敘述順序，注重從觀察、實驗、理論和應用這一科學發展的內在邏輯角度，講述物理學知識體係是如何一步步建立起來的，內容涉及經典力學、熱力學與統計力學、電磁學、相對論、量子力學、原子與分子物理學以及天體物理學等。科學家生平故事穿插其中，鮮活展現了重大物理學進展中的人。可以說，物理學的歷程正是一代代物理學家探索自然界的好奇之旅。

相信讀者從本書可以更加容易、更加清晰地發現科學是怎樣從簡單的開始，又是如何發展成為今天這宏偉而復雜的精神大廈的。

安東尼斯·莫迪諾斯（Antonis Modinos）

希臘雅典國家技術大學物理學名譽教授。曾在英國索爾福德大學教授多門物理和數學課程，包括電磁學、物理電子學以及面向工程師和物理學家的數學方法。發表論文80餘篇，撰有《物質的量子論》（Quantum Theory Of Matter - A Novel Introduction），《場、熱電子和二次電子發射光譜》（Field, Thermionic and Secondary Electron Emission Spectroscopy）等著作。

閱讀本書，您只需具備一個條件：對科學富有好奇心！

本書探討了物理學從古希臘到現代的發展歷程，介紹了經典力學、熱力學和統計力學、電磁學、相對論、量子力學、原子及分子物理以及天體物理學，另附有形式多樣的練習題。翻開這本書，您不僅可以了解物理學中的原理，還可以看到許多科學家鮮為人知甚至令人咋舌的一面。許多書在講述物理學的故事時一點數學公式也不用，這會讓物理學的故事至少損失一半，因為沒有數學的物理學就不是嚴格的科學。本書既利用了數學符號的描述性功能又沒有過多的計算，在敘述故事的同時原汁原味地保留了物理學的公式之美。這既是一部有血有肉的物理科學史話，同時也可作為本科物理教輔。

科斯蒂斯·帕拉馬斯（Kostis Palamas）物理學的歷程——從亞里士多德到薛定諤前言前言出生於1772年的浪漫詩人塞繆爾·泰勒·柯爾律治（Samuel Taylor Coleridge）是一位業餘化學家，他對所有科學都很感興趣。他認為： 科學富有詩意，在進行研究時必須懷有熱切的希望。人類希望運用理性來理解和描述自然的運作方式，一代又一代人為此付出了卓絕的努力；認識到這一點，我們有理由宣稱科學是絕無僅有的史詩鉅作，它的確是詩篇！但我們還必須承認，講述這部史詩絕非易事。

有許多書在講述物理學（或物理學的某個分支）的故事時根本就不用數學公式，儘管這些書很棒，但這麼做讓物理學的故事至少損失了一半。這些書不適於了解物理學的學生和教師，因為他們知道少了數學的物理學就不是嚴格的科學。本書的主要對像是具有高中以上數學程度的學生和教師，書中不僅介紹了“誰做了什麼”，還幫助讀者更好地理解物理學以及它是怎樣發展起來的。由於我知道過多的數學會成為許多讀者的閱讀障礙，因此進行了折中： 在正文中盡可能少地涉及數學，即只利用數學符號的描述性功能而不進行過多的計算；複雜些的計算只在練習中出現。此外在進行講述時，會一道介紹所需的數學概念，它們也是故事的一部分。我不打算介紹完整的物理學史，羅列從過去到現在的每一項成就，這超出了我的能力範圍。我試圖沿著歷史的脈絡，從亞里士多德到薛定諤（Schrdinger），將一些主要的事件（觀念和事實）串成一個有意思的故事。儘管本書的重點是物理學，包括觀測、實驗、理論和某些應用，但是也用一定的篇幅簡單地介紹了一些主要人物的生平和他們的時代。我們的故事在第13章結束，其中介紹了量子力學的發展；第14章介紹了量子力學在原子、分子和固體中的重要應用；最後在第15章“非常小和非常大”中，我們簡短地介紹了近50年左右核粒子物理學和宇宙學的發展（相關的詳盡描述超出了本書的範疇）。每章的末尾都設有一些練習，其中有些可以直接應用文中的公式，而有些則涉及文中提到的物理規律的應用。

儘管本書的主要對像是鑽研物理學的學生和教師，但我希望某些科學家或科學史學家也會感興趣；此外對那些不同年齡、不同職業，富有好奇心的人來說，他們能在書中發現科學是怎樣從一個比較簡單的開始，發展到當今宏大高深的模樣。

我要感謝安德烈亞斯·基里察基斯（Andreas Kyritsakis），他為本書的繪圖提供了有價值的幫助。

安東尼斯·莫迪諾斯

第1章物理學的語言 / 1

1.1無窮級數和數列： 從芝諾到魏爾斯特拉斯 / 1

1.2幾何和數 / 5

練習 / 10

第2章科學的黎明 / 11

2.1亞里士多德 / 11

2.2空間、時間和物質 / 12

2.3宇宙 / 14

2.4自然的行為有目的嗎 / 18

練習 / 20

第3章天文學鋪就道路 / 21

3.1亞歷山大的天文學家 / 21

3.2哥白尼和他的日心說 / 26

3.3開普勒及其對天文學的貢獻 / 30

練習 / 34

第4章伽利略的生平 / 35

練習 / 45

第5章17世紀： 科學萌芽 / 47

5.1數的連續性；函數；笛卡兒解析幾何 / 47

5.2重要的實驗和發明 / 55

5.2.1托里拆利氣壓計和玻意耳氣體定律 / 55

5.2.2斯涅耳折射定律和光的本性 / 58

5.3微積分的發明 / 61

練習 / 69

第6章艾薩克·牛頓 / 72

6.1不快樂的童年和他在劍橋的生活 / 72

6.2原理 / 76

6.2.1運動定律簡介 / 76

6.2.2運動舉例 / 81

6.2.3引力 / 86

6.2.4伽利略相對性原理 / 88

6.3牛頓發表《原理》之後的生活 / 89

練習 / 90

第7章經典力學 / 94

7.1牛頓之後的力學 / 94

7.1.1角動量 / 95

7.1.2固體圍繞固定軸的旋轉 / 96

7.1.3單擺 / 98

7.2振動的弦；偏微分方程和傅里葉級數 / 100

7.3分析力學中的重要概念 / 105

7.4流體力學 / 110

練習 / 114

第8章化學發軔 / 119

8.1化學與煉金術的關係 / 119

8.2氣動化學家 / 120

8.3道爾頓和物質的原子論 / 124

8.4阿伏伽德羅理論和理想氣體定律 / 128

練習 / 131

第9章熱力學和統計力學 / 132

9.1熱力學 / 132

9.1.1熱 / 132

9.1.2能量守恆和熱力學第一定律 / 133

9.1.3熱力學函數，狀態方程和相圖 / 136

9.1.4熱力學第二定律；熵 / 139

9.2統計力學 / 147

9.2.1氣體分子運動論 / 147

9.2.2麥克斯韋玻爾茲曼分佈 / 148

9.2.3吉布斯統計物理 / 155

9.2.4均分定理 / 158

9.2.5波動 / 159

9.2.6擴散 / 162

練習 / 163

第10章電磁學 / 170

10.1早期歷史 / 170

10.2靜電學，穩態電流和磁性 / 171

10.2.1靜電學 / 171

10.2.2電池的發現 / 173

10.2.3電流和磁性 / 175

10.2.4電磁單位 / 179

10.2.5歐姆定律 / 180

10.2.6電與化學 / 182

10.3法拉第電磁感應 / 184

10.4電磁波 / 189

10.4.1光的波動性得以證實 / 189

10.4.2關於矢量場的兩條重要定理 / 192

10.4.3麥克斯韋和他的方程 / 197

10.4.4材料介質中的電磁場 / 208

練習 / 213

第11章陰極射線和X射線 / 219

11.1陰極射線 / 219

11.2X射線的發現 / 220

11.3電子的發現 / 223

11.4X射線衍射 / 224

11.5電子發射和電子閥 / 228

11.5.1熱電子發射 / 228

11.5.2場發射 / 231

練習 / 231

第12章愛因斯坦相對論 / 234

12.1愛因斯坦早期的生活和研究 / 234

12.2狹義相對論 / 236

12.2.1預備知識 / 236

12.2.2洛倫茲變換的由來 / 241

12.2.3長度縮短和時間膨脹 / 243

12.2.4狹義相對論的運動定律 / 244

12.3物理定律的不變性 / 246

12.3.1閔可夫斯基四維時空 / 246

12.3.2張量和相對論不變性 / 249

12.4廣義相對論 / 255

12.4.1廣義相對性原理 / 255

12.4.2曲線張量 / 258

12.4.3愛因斯坦方程 / 260

12.5著名的科學家 / 264

練習 / 267

第13章量子力學 / 270

13.1光的量子化 / 270

13.1.1黑體輻射和普朗克定律 / 270

13.1.2光電效應 / 276

13.1.3愛因斯坦係數 / 278

13.1.4激光 / 280

13.2原子結構 / 281

13.2.1湯姆孫靜態原子模型 / 281

13.2.2盧瑟福原子模型 / 282

13.2.3玻爾模型 / 284

13.2.4自旋的發現 / 289

13.3波粒二相性 / 290

13.4形式化的量子力學 / 292

13.4.1薛定諤方程 / 292

13.4.2束縛粒子的定態 / 297

13.4.3海森堡不確定性原理 / 301

13.4.4散射態和隧穿現象 / 306

13.4.5躍遷 / 311

13.4.6經典力學與量子力學的聯繫 / 312

練習 / 313

第14章原子、分子和固體 / 324

14.1單電子原子 / 324

14.1.1軌道角動量 / 324

14.1.2中心場中粒子的定態 / 329

14.1.3氫原子定態 / 331

14.2電子自旋 / 335

14.2.1氫原子能級的精細結構 / 335

14.2.2電子自旋的形式化描述 / 336

14.3輻射場及其和物質的相互作用 / 340

14.3.1線性諧振子 / 340

14.3.2對輻射場的量子力學描述 / 342

14.3.3輻射場和物質的相互作用 / 343

14.4全同粒子的不可區分性和量子統計 / 345

14.4.1全同粒子的不可區分性 / 345

14.4.2玻色子 / 347

14.4.3費米子 / 350

14.5多電子原子 / 353

14.5.1元素週期表 / 353

14.5.2自洽場 / 357

14.5.3多電子原子的能級 / 361

14.6分子 / 363

14.6.1玻恩奧本海默近似 / 363

14.6.2雙原子分子： 電子項 / 364

14.6.3雙原子分子的原子核運動 / 367

14.6.4多原子分子 / 370

14.7固體 / 370

14.7.1正格子和倒格子的對稱單元 / 370

14.7.2晶體的單電子態 / 372

14.7.3金屬 / 374

14.7.4鐵磁性金屬 / 381

14.7.5半導體 / 382

14.7.6pn結和晶體管 / 385

14.7.7晶格振動 / 387

14.7.8超導性 / 391

練習 / 394

第15章非常小和非常大 / 402

15.1核物理 / 402

15.1.1放射性 / 402

15.1.2核反應以及中子的發現 / 406

15.1.3核裂變以及首次核反應 / 409

15.1.4核模型 / 411

15.1.5基本粒子和標準模型 / 411

15.2狄拉克電子理論和量子電動力學 / 416

15.2.1狄拉克電子理論 / 416

15.2.2量子電動力學 / 424

15.3宇宙學 / 439

15.3.1星系 / 439

15.3.2恆星的創生和死亡 / 440

15.3.3地球 / 443

15.3.4宇宙： 膨脹的宇宙 / 443

練習 / 445

附錄數學筆記 / 447

主題詞索引 / 457

人名索引 / 464