物理学的历程–从亚里士多德到薛定谔

阅读本书，您只需具备一个条件：对科学富有好奇心！
本书探讨了物理学从古希腊到现代的发展历程，介绍了经典力学、热力学和统计力学、电磁学、相对论、量子力学、原子及分子物理以及天体物理学，另附有形式多样的练习题。翻开这本书，您不仅可以了解物理学中的原理，还可以看到许多科学家鲜为人知甚至令人咋舌的一面。许多书在讲述物理学的故事时一点数学公式也不用，这会让物理学的故事至少损失一半，因为没有数学的物理学就不是严格的科学。本书既利用了数学符号的描述性功能又没有过多的计算，在叙述故事的同时原汁原味地保留了物理学的公式之美。这既是一部有血有肉的物理科学史话，同时也可作为本科物理教辅。

本书以物理学演化历史为叙述顺序，注重从观察、实验、理论和应用这一科学发展的内在逻辑角度，讲述物理学知识体系是如何一步步建立起来的，内容涉及经典力学、热力学与统计力学、电磁学、相对论、量子力学、原子与分子物理学以及天体物理学等。科学家生平故事穿插其中，鲜活展现了重大物理学进展中的人。可以说，物理学的历程正是一代代物理学家探索自然界的好奇之旅。
相信读者从本书可以更加容易、更加清晰地发现科学是怎样从简单的开始，又是如何发展成为今天这宏伟而复杂的精神大厦的。

安东尼斯·莫迪诺斯（Antonis Modinos），希腊雅典国家技术大学物理学名誉教授。曾在英国索尔福德大学教授多门物理和数学课程，包括电磁学、物理电子学以及面向工程师和物理学家的数学方法。发表论文80余篇，撰有《物质的量子论》（Quantum Theory Of Matter – A Novel Introduction），《场、热电子和二次电子发射光谱》（Field, Thermionic and Secondary Electron Emission Spectroscopy）等著作。

第1章物理学的语言 / 1
1.1无穷级数和数列： 从芝诺到魏尔斯特拉斯 / 1
1.2几何和数 / 5
练习 / 10
第2章科学的黎明 / 11
2.1亚里士多德 / 11
2.2空间、时间和物质 / 12
2.3宇宙 / 14
2.4自然的行为有目的吗 / 18
练习 / 20
第3章天文学铺就道路 / 21
3.1亚历山大的天文学家 / 21
3.2哥白尼和他的日心说 / 26
3.3开普勒及其对天文学的贡献 / 30
练习 / 34
第4章伽利略的生平 / 35
练习 / 45
第5章17世纪： 科学萌芽 / 47
5.1数的连续性；函数；笛卡儿解析几何 / 47
5.2重要的实验和发明 / 55
5.2.1托里拆利气压计和玻意耳气体定律 / 55
5.2.2斯涅耳折射定律和光的本性 / 58
5.3微积分的发明 / 61
练习 / 69
第6章艾萨克·牛顿 / 72
6.1不快乐的童年和他在剑桥的生活 / 72
6.2原理 / 76
6.2.1运动定律简介 / 76
6.2.2运动举例 / 81
6.2.3引力 / 86
6.2.4伽利略相对性原理 / 88
6.3牛顿发表《原理》之后的生活 / 89
练习 / 90
第7章经典力学 / 94
7.1牛顿之后的力学 / 94
7.1.1角动量 / 95
7.1.2固体围绕固定轴的旋转 / 96
7.1.3单摆 / 98
7.2振动的弦；偏微分方程和傅里叶级数 / 100
7.3分析力学中的重要概念 / 105
7.4流体力学 / 110
练习 / 114
第8章化学发轫 / 119
8.1化学与炼金术的关系 / 119
8.2气动化学家 / 120
8.3道尔顿和物质的原子论 / 124
8.4阿伏伽德罗理论和理想气体定律 / 128
练习 / 131
第9章热力学和统计力学 / 132
9.1热力学 / 132
9.1.1热 / 132
9.1.2能量守恒和热力学定律 / 133
9.1.3热力学函数，状态方程和相图 / 136
9.1.4热力学第二定律；熵 / 139
9.2统计力学 / 147
9.2.1气体分子运动论 / 147
9.2.2麦克斯韦玻尔兹曼分布 / 148
9.2.3吉布斯统计物理 / 155
9.2.4均分定理 / 158
9.2.5波动 / 159
9.2.6扩散 / 162
练习 / 163
第10章电磁学 / 170
10.1早期历史 / 170
10.2静电学，稳态电流和磁性 / 171
10.2.1静电学 / 171
10.2.2电池的发现 / 173
10.2.3电流和磁性 / 175
10.2.4电磁单位 / 179
10.2.5欧姆定律 / 180
10.2.6电与化学 / 182
10.3法拉第电磁感应 / 184
10.4电磁波 / 189
10.4.1光的波动性得以证实 / 189
10.4.2关于矢量场的两条重要定理 / 192
10.4.3麦克斯韦和他的方程 / 197
10.4.4材料介质中的电磁场 / 208
练习 / 213
第11章阴极射线和X射线 / 219
11.1阴极射线 / 219
11.2X射线的发现 / 220
11.3电子的发现 / 223
11.4X射线衍射 / 224
11.5电子发射和电子阀 / 228
11.5.1热电子发射 / 228
11.5.2场发射 / 231
练习 / 231
第12章爱因斯坦相对论 / 234
12.1爱因斯坦早期的生活和研究 / 234
12.2狭义相对论 / 236
12.2.1预备知识 / 236
12.2.2洛伦兹变换的由来 / 241
12.2.3长度缩短和时间膨胀 / 243
12.2.4狭义相对论的运动定律 / 244
12.3物理定律的不变性 / 246
12.3.1闵可夫斯基四维时空 / 246
12.3.2张量和相对论不变性 / 249
12.4广义相对论 / 255
12.4.1广义相对性原理 / 255
12.4.2曲线张量 / 258
12.4.3爱因斯坦方程 / 260
12.5著名的科学家 / 264
练习 / 267
第13章量子力学 / 270
13.1光的量子化 / 270
13.1.1黑体辐射和普朗克定律 / 270
13.1.2光电效应 / 276
13.1.3爱因斯坦系数 / 278
13.1.4激光 / 280
13.2原子结构 / 281
13.2.1汤姆孙静态原子模型 / 281
13.2.2卢瑟福原子模型 / 282
13.2.3玻尔模型 / 284
13.2.4自旋的发现 / 289
13.3波粒二相性 / 290
13.4形式化的量子力学 / 292
13.4.1薛定谔方程 / 292
13.4.2束缚粒子的定态 / 297
13.4.3海森堡不确定性原理 / 301
13.4.4散射态和隧穿现象 / 306
13.4.5跃迁 / 311
13.4.6经典力学与量子力学的联系 / 312
练习 / 313
第14章原子、分子和固体 / 324
14.1单电子原子 / 324
14.1.1轨道角动量 / 324
14.1.2中心场中粒子的定态 / 329
14.1.3氢原子定态 / 331
14.2电子自旋 / 335
14.2.1氢原子能级的精细结构 / 335
14.2.2电子自旋的形式化描述 / 336
14.3辐射场及其和物质的相互作用 / 340
14.3.1线性谐振子 / 340
14.3.2对辐射场的量子力学描述 / 342
14.3.3辐射场和物质的相互作用 / 343
14.4全同粒子的不可区分性和量子统计 / 345
14.4.1全同粒子的不可区分性 / 345
14.4.2玻色子 / 347
14.4.3费米子 / 350
14.5多电子原子 / 353
14.5.1元素周期表 / 353
14.5.2自洽场 / 357
14.5.3多电子原子的能级 / 361
14.6分子 / 363
14.6.1玻恩奥本海默近似 / 363
14.6.2双原子分子： 电子项 / 364
14.6.3双原子分子的原子核运动 / 367
14.6.4多原子分子 / 370
14.7固体 / 370
14.7.1正格子和倒格子的对称单元 / 370
14.7.2晶体的单电子态 / 372
14.7.3金属 / 374
14.7.4铁磁性金属 / 381
14.7.5半导体 / 382
14.7.6pn结和晶体管 / 385
14.7.7晶格振动 / 387
14.7.8超导性 / 391
练习 / 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核反应以及中子的发现 / 406
15.1.3核裂变以及首次核反应 / 409
15.1.4核模型 / 411
15.1.5基本粒子和标准模型 / 411
15.2狄拉克电子理论和量子电动力学 / 416
15.2.1狄拉克电子理论 / 416
15.2.2量子电动力学 / 424
15.3宇宙学 / 439
15.3.1星系 / 439
15.3.2恒星的创生和死亡 / 440
15.3.3地球 / 443
15.3.4宇宙： 膨胀的宇宙 / 443
练习 / 445
附录数学笔记 / 447

主题词索引 / 457

人名索引 / 464

科斯蒂斯·帕拉马斯（Kostis Palamas）物理学的历程——从亚里士多德到薛定谔前言前言出生于1772年的浪漫诗人塞缪尔·泰勒·柯尔律治（Samuel Taylor Coleridge）是一位业余化学家，他对所有科学都很感兴趣。他认为： 科学富有诗意，在进行研究时必须怀有热切的希望。人类希望运用理性来理解和描述自然的运作方式，一代又一代人为此付出了卓绝的努力；认识到这一点，我们有理由宣称科学是的史诗巨作，它的确是诗篇！但我们还必须承认，讲述这部史诗绝非易事。
有许多书在讲述物理学（或物理学的某个分支）的故事时根本就不用数学公式，尽管这些书很棒，但这么做让物理学的故事至少损失了一半。这些书不适于了解物理学的学生和教师，因为他们知道少了数学的物理学就不是严格的科学。本书的主要对象是具有高中以上数学程度的学生和教师，书中不仅介绍了“谁做了什么”，还帮助读者更好地理解物理学以及它是怎样发展起来的。由于我知道过多的数学会成为许多读者的阅读障碍，因此进行了折中： 在正文中尽可能少地涉及数学，即只利用数学符号的描述性功能而不进行过多的计算；复杂些的计算只在练习中出现。此外在进行讲述时，会一道介绍所需的数学概念，它们也是故事的一部分。我不打算介绍完整的物理学史，罗列从过去到现在的每一项成就，这超出了我的能力范围。我试图沿着历史的脉络，从亚里士多德到薛定谔（Schrdinger），将一些主要的事件（观念和事实）串成一个有意思的故事。尽管本书的重点是物理学，包括观测、实验、理论和某些应用，但是也用一定的篇幅简单地介绍了一些主要人物的生平和他们的时代。我们的故事在第13章结束，其中介绍了量子力学的发展；第14章介绍了量子力学在原子、分子和固体中的重要应用；后在第15章“非常小和非常大”中，我们简短地介绍了近50年左右核粒子物理学和宇宙学的发展（相关的详尽描述超出了本书的范畴）。每章的末尾都设有一些练习，其中有些可以直接应用文中的公式，而有些则涉及文中提到的物理规律的应用。
尽管本书的主要对象是钻研物理学的学生和教师，但我希望某些科学家或科学史学家也会感兴趣；此外对那些不同年龄、不同职业，富有好奇心的人来说，他们能在书中发现科学是怎样从一个比较简单的开始，发展到当今宏大高深的模样。
我要感谢安德烈亚斯·基里察基斯（Andreas Kyritsakis），他为本书的绘图提供了有价值的帮助。

安东尼斯·莫迪诺斯