ruccy对《19世纪物理学概念的发展》的笔记(7)

——力学的核心地位： “麦克斯韦在19世纪70年代出版的《不列颠百百科全书》第九版的一个题为物理科学的条目中，明确规定了能用力学纲领解释的科学为物理学” ——1. 物理理论的核心 用数学来研究力学现象，关于原子和力的性质没有清晰认识，于是热和电的解释无法统一。 拉普拉斯：适用于力学热学和光学现象的关于粒子间的力的普遍的数学理论。 （1825年后被新的现象证明是错误的……伟大而霸气的拉普拉斯，科学的重要推动者，但因目前我们关于世界的认识理论中没有直接来源于拉普拉斯的，而被中学科普教育所忽视） 傅里叶和汤姆孙：关于热的数学理论 菲涅尔：光的波动说和光以太的机械论 能量守恒定律：统一热光电磁现象 ——2. 能量物理和力学解释 “热和机械功的关系是19世纪物理学研究中头等重要的问题” （高中教科书中一下子就把体系给出来了，只给了一个结论，没有任何推理过程，没有诸多细节和层次，没有给学生任何机会来思考热的本质这类困扰了历史上诸多伟大科学家的问题，实在是遗憾。） ——3. 以太和场论 （以太难道不是科学发展历程中最著名和持久的谬误么） ——4. 分子物理学问题 克劳修斯和麦克斯韦的气体运动理论 “热力学第二定律本质上是一个统计定律，只适用于大量分子，不适用于个别分子的行为”。 （因此从中尺度的天气系统的发生发展来看，能量在一个小范围的迅速积聚当然是合理的咯！此时适用热二的尺度就不是大量分子了……而是大量天气系统了是吗?） 波尔兹曼：熵和分子运动的统计分析之间的联系。但是被普朗克批判了…… （波尔兹曼想弥合力学体系域热二之间的关系，却被打击了，于是后来郁郁而终了是吗？） ——5. 力学解释的地位问题 进行力学解释的三种方法： 第一是关于物理组成，粒子，粒子间作用力 第二是力学模型，模仿物理实在的机械元件如弹簧、轮子等 第三是要避免强加其它的物理结构的假设，只采用诸如拉格朗日分析动力学的抽象形式。 物理模型和数学模型的对应关系是准确和严格的。 但…… “19世纪很多物理学家都知道理论和客观实在间的差异，他们也注意到力学解释纲领的局限性和客观真实性问题” ——6. 物理学的编年史 基本上来讲18世纪和19世纪的物理学还是经典的，还是因果性和决定论的。 和20世纪相对论和量子力学的非决定论相比是范式上的改变哦。 但是和“牛顿”的物理学差异甚大： 第一：牛顿的自然哲学的数学假设和力学假设对不上啊 第二：18世纪以来开始研究流体了，牛顿从不研究这个啊

“无论从风格还是内容上看，1850年的物理学理都同1800年盛行的理论形成了鲜明的对照。1850年时，物理学的学科范围以及学科内容的协调性都极为美妙，物理学作为一门完整的学科，已经打到了概念准确、逻辑统一的新阶段。” 牛顿提出的以太概念，及其在解释引力、电子的引力和斥力中的应用。 关于热电磁的研究，在19世纪由定性转向定量。 ——1. 拉普拉斯的物理学 粒子间的短程相互作用力理论 (拉普拉斯以为他的短程力理论会像牛顿的万有引力解释天体运动一样，完美地解释光的折射、固体附着力、毛细管的作用和化学反应~~) 不可称量流体（以太）理论 “拉普拉斯学派强调统一性，使力学和热学、光学、电学等现象互相沟通” “他的热理论和气体理论都是建立在推想的基础上的，热作为一种不可称量的流体，渗透在物质粒子中午诶，拉瓦锡和他的同事把这种流体称为热素，热素的性质随着它同普通物质混合时的状况的改变而改变。气体的弹性要比液体、固体好，是因为气体粒子间渗透近了比液体、固体粒子间更多的热素之故。普通物质粒子间的吸引力和热素粒子间的排斥力之间的关系是气体性质的决定性因素。” （我就说拉普拉斯这家伙，非黑即白的死脑筋，一厢情愿的邪能量，想统一一切科学的过度热情……非常熟悉呢……果然生于1749年3月23日……白羊……每当有一个人想统一一切科学的时候，都会搞出来点很扯淡的东西……看热素那一大段……看起来蛮像那么回事儿吧……） 化学亲和力理论 （拉普拉斯以为分子之间的作用力和万有引力是一样滴，后来遭到了道尔顿的反驳。道尔顿！根正苗红的教课书人物出现了！原来每个教科书人物后面都有N个不靠谱的炮灰……根正苗红们是怎么完胜炮灰们的呢，这都是科学史中的好故事啊……） ——2. 不可称量流体受到英国物理学的冲击 热流体理论不能解释摩擦生热； 电流体理论不能解释水的电解； 光流体理论不能解释双缝干涉； 不可称量流体理论统统不好用啊。 ——3. 发光以太和力学解释 菲涅尔首创了以太动力学~ORZ （还曾一度取代不可称量流体理论，成为统一物理学的基础哩） 柯西（cauchy）格林（green）:以太是具有弹性的固体介质，符合机械论力学的原理。 麦克考拉夫：以太的弹性模量并不是由以太的畸变和压缩所决定的，而是取决于以太元素的转动位移。 斯托克斯：(力学胶水模型) 对于穿越以太的固体而言，以太的行为像流体，对于光的震动而言，它的行为像弹性固体，所以他应该是一种类似果冻的含有胶质的混合物，哦也^^ ——4. 傅里叶和数学物理方法 傅里叶也研究热，1822年出版《热的分析理论》。 但是他不问本质，研究热效应，而不建立在对热的假设基础上，只从现象入手，重点放在求解热扩散的微分方程上。证明两个分子之间的热传递正比于他们间的温度差，并且是距离的函数，得出和热流和温度梯度有关的“连续性方程”。 后来发现，和汤普孙的静电学理论很相似啊。 “从方法学上讲，傅里叶对热理论的处理方式完全类似于牛顿对引力数学的理论分析。” “基础理论原则可以从极少数的原始事实出发，再通过数学分析，这种方法的分析过程很像理性力学。” “现象之间的一致性由连续性方程所表示，这是数学的一致性，而不是物理的一致性，是几何形式的统一，而不是热学和电学的物理统一。” （看来诉诸数学还是要比诉诸物理靠谱一些啊） ——5. 电以太 电的物理本质是什么？ “电大气”的概念：电力在电以太中传播。（等于没说一样……） “活性球”的概念：电作用为以太介质所产生的应力。 奥斯特发现电流对磁场的影响之后，人们意识到电和磁是统一的。 “于是人们坚信：电和磁和热和光都是同一种力的不同表述而已。这是十八世纪后期物理学的共同理念。” 关于电磁相互作用的空间分布，人们提出了很多种假设： 安培：用光波传播的类比去解释电磁作用的传播。以太是由正负两种电流体组成，无限小电流元之间的吸引力和排斥力，产生电磁现象，流体震荡则产生光。 法拉第：电磁感应现象。他认为是电波的传播，使得初级线路闭合时，次级线路产生瞬间电流。他将磁力扩散和光和声波在周围介质中的传播进行比较。 ——6. 转化过程和自然界的统一性 “到了1850年左右，随着能量守恒定律的建立，自然力的统一性和互相转化性已经成了相当清晰的思路。” 这个思路伴随着对以太概念的修正，现在人们认为以太是放光的哦，是多功能的哦，是电磁作用和光作用的共同载体。 法拉第的大量实验都是围绕各种转化开展的：电磁、电化学、光磁啥啥，甚至还包括电和引力哦。“力转化的概念是法拉第物理世界观的核心，这种观念使他很容易理解自己的发现，也使他实验研究的目标非常明确”（恩恩这是一位致力于和稀泥的处女座~） ——7. 自然界的统一性：热和机械功 18世纪时物理学家就已经开始有能量守恒概念啦，只不过当时他们还没有搞清楚到底是哪个量守恒。 莱布尼茨：“活力”（质量乘以速度的平方即动能）在力学过程中守恒，自然界是机械钟，不需要上帝来上发条。 伯努利1720s：非弹性体压缩后会有能量损耗，但是去哪里了呢我也说不清楚。 卡文迪许1760s：热交换也符合活力守恒。但是热学系统和力学系统虽然相似毕竟不同。 （看得真是急死个人……A=C,B=C,但是A咋就和B搭不上啊……） 19世纪，换了一个概念来表述“活力”，就是“功”。 厄瓦尔1820s：算出了烧煤产生的热量能够对应多少机械功。 焦耳1850s：建立了热功等当量关系。算出了一磅水温度上升华氏一度需要的机械功等于772磅物体下降一英尺的机械功。（太牛掰了……当时想发这篇文章时还被法拉第弊稿，他还是认为功和热不能够变来变去……） “能量守恒理论建立的同时，也证明了热的机械论，即热是由物体粒子振动产生的理论。” ——8. 亥姆霍兹和能量守恒 亥姆霍兹是柏林学派的生理学家啊，他研究能量理论是想根据物理学原理和化学原理建立基础生理学。食物氧化来说明动物肌肉运动产生的体热…… （好可怕！把人当什么了……但食物氧化什么的还是有道理……好吧我其实觉得生化也很可怕，所以才喜欢学生化……） 亥姆霍兹的术语“活力”、“张力”相当于“动能”、“势能”。他得到了能量守恒的一个普遍形式。 （为什么把他单独列成一篇？） “亥姆霍兹关于能量守恒工作的重要性，不仅在于提出了能量原理的数学公式，而且在于强调了能量概念——与运动物质的本体论与力学解释纲领有关——的统一功能。”

——1. 卡诺和热的动力 首先，卡诺是在热素说的前提下进行研究的。他想建立一个适用于包括蒸汽机在内的一切热机的普遍理论。热的动力只是热机温度差的函数，与热机工作性质无关。 卡诺循环1824：先绝热膨胀，再等温膨胀，再绝热收缩，再等温收缩，回到初始状态，整个过程是可逆滴。 克拉珀龙1834：画出了伟大的压强-体积图，形象地阐述了卡诺循环。挖掘出了卡诺循环在错误的前提下研究结论的巨大价值。

——2. 汤姆孙和热力学问题 汤姆孙的工作价值在于他发现了一个巨大的矛盾： 焦耳认为能量守恒，热功等当，热能转化成机械功。 卡诺认为热动力守恒，热膨胀对外做功，其能量并未损失。 汤姆孙觉得 焦耳的问题在于：热通过固体传导时没有观察到任何力学效应。 卡诺的问题在于：热素说（热是一种不可称量的物质）是扯淡。 ——3. 克劳修斯和热力学定律 克劳修斯1850《论热的动力》：

阐明了两个基本原理：热功等当原理和循环过程中由热作功原理。

这两个原理就是热力学第一、第二定律的原型。 但他并不明确认同热是由物体粒子运动产生的，以及热力学的力学本体论。 ——4. 汤姆孙：能量守恒和耗散 汤姆孙伟大了……他发现了关键是不可逆性的问题…… （好激动！物理学第一次处理这样的现象！经典物理学的完美平衡永恒终于迎来了叛逆者！）

兰金1850：分子漩涡，提出了热转变为物体粒子运动能量的力学模型。 ——5. 能量物理学的出现 1846年的时候汤姆孙演讲时还说物理学的基石是运动学定律，到了1851年，他已经转而认为能量是奠定物理学基石的最基本概念啦。 他把能量分成两类：静态的和动力学的，能量的所有形式都是机械能的形式。 后来兰金又做了分类：动能和势能。 于是他们发现，无需关于物质性质的假设，就能得到物理学的普遍原理了。新的纲领诞生！！ ——6. 转化和守恒：力和能量的概念 力守恒的概念太混乱，逐渐被抛弃了，还是能量守恒的概念好用。 ——7. 不可逆性：克劳修斯和熵 克劳修斯对不可逆性的表述： 1850：热流的方向性，即热量具有从高温物体流向低温物体的趋势 1854：转变为功的热量和从高温物体传向低温物体的热量是等价的 1865：用熵（希腊语意为传递）来代替等当值，宇宙的熵倾向于取极大值。 克劳修斯和麦克斯韦的争论： 麦克斯韦1871《热理论》：批判熵的概念，重视分子科学和热力学之间的差别，目前的热力学是从量大定律中演绎出来的，没有对物体的分子组成做任何假设。热力学第二定律是统计定律（这个貌似没有错啊……） 克劳修斯：曾经花大量笔墨探讨热学现象背后的分子过程，相信热力学定律可以由分子构型理论加以解释。 ——8. 不可逆性和宇宙学

19世纪50年代人们对宇宙论产生了极大的兴趣……每次范式改变的时候不都如此咩~

怎么扭转悲观情绪哩……一是如亥姆霍兹和兰金，认为宇宙是有边界的，扩展空间，拯救了时间。二是如汤姆孙、焦耳、法拉第、麦克斯韦，求助于神学，并把科学理论看作是伟大神性的重要论据。 ——9. 能量物理学和动力学解释 汤姆孙和泰特1867《论自然哲学》：

麦克斯韦1877《物质和运动》： 这种动力学也可以应用于对其深层力学构造并不清楚的电磁过程，因为它是建立在牢固的能量守能定律基础之上的。

——1. 法拉第的场论 ——2. 汤姆孙：以太和场 ——3. 麦克斯韦的场理论 ——4. 英国物理学的以太和场（1880-1900） ——5. 德国物理学的力和以太理论 ——6. 赫兹和电磁波 ——7. 通过以太的运动问题 ——8. 洛伦兹和电磁学的世界观

——1. 化学原子论 ——2. 分子物理学：气体运动论 气体的性质用气体粒子运动来加以解释，是18世纪之前已经研究的很多鸟。 牛顿：气体粒子都是静态的哦，彼此之间有排斥力，处在稳定的位置上。 伯努利1770s：气体粒子之间的排斥力是由于不可称量流体中存在的热流体，就是热素。 焦耳：热取决于物体粒子的运动。 克劳修斯1857《热的运动类型》：提出了一种全面的分子运动论解说，确定了气体理论与热力学基本问题之间关系的构架，也是热力学概念同物质结构的相互关系。

（几乎全是对的吧……）

麦克斯韦1860《气体动力学描述》 据说研究这个完全是受到克劳修斯的感染……他只关心粒子的运动和碰撞，在克劳修斯平均速度的基础上，考虑到可以采用速度分布的统计分析方法。

（好难的说……而且据说他写论文是以数学推导开头，然后引入物理现象……）

（19世纪50年代的数学家和物理学家都会概率论的数学地位和逻辑地位很感兴趣……麦克斯韦不是也坚称热二定律是统计定律么……） ——3. 分子结构问题 ——4. 分子物理学和热力学 P134 又有争论了~~麦克斯韦VS克劳修斯、波尔兹曼 麦克斯韦提出“妖”，只是想证明热二只具有统计的确定性，而不是一个动力学的定律。 波尔兹曼1866：想要证明热二的普遍性，然后找到一个和它相对应的一个力学定理，即熵的动力学对应物。 克劳修斯1871：无序化。 ——5. 化学热力学和唯能学论 P138

在19世纪，科学家们都在致力于完善力学解释纲领。 波尔兹曼：电磁场的力学模型的结构和运动，用力学本体论解释热二定律。 麦克斯韦：试图建立场的完整力学理论。 拉莫尔：建立了一种能将以太的电磁性质和力学性质完全统一起来的以太媒介理论（电子是在赋予动力学性质的以太中转动应力的中心，电子又是基本的电磁学实体） 赫兹：强调他的以太概念是建立在以太各局部之间由机械结构相连的模型之上（但他认为力学性质是建立在电磁性质之上的） 20世纪初，围绕着物理学大厦基本框架的争论越来越突出了……相对论和量子理论呼之欲出！！！ 普朗克：想要从纯热力学的观点来解释熵，从气体运动论对原子结构所加约束的推断中分离出来了量子论。辐射过程是不可逆滴，是因为能量子不是连续滴~ 爱因斯坦：目的很明确，就是要中和洛伦兹的电子论和力学世界观！洛伦兹你抛弃电子和以太的二元论吧，以太完全是多余的嘛！如果光也具有粒子性质，那么电动力学和力学不就能统一成更加基本的物理学理论了咩~

鼓掌！

国图有的几本： A history of European thought in the nineteenth century. 4 Volume / John Theodore Merz. A history of the ideas of theoretical physics : essays on the nineteenth and twentieth century physics 拉普拉斯物理学的崛起和衰落 1800-1840年物理学从法国到英国的转移 The kind of motion we call heat : a history of the kinetic theory of gases in the 19th century