《19世纪物理学概念的发展——能量,力和物质》（[英]彼得·迈克尔·哈曼著,龚少明译,复旦大学出版社出版）是《剑桥科学史》系列丛书中的一本.作者哈恩教授简洁地为我们说明了19世纪物理学的理论框架,着重讲述了当时的物理学家在机械论基础上千方百计地建立他们的理论的过程.虽然就我目前的物理学知识而言,对整本书的理解只能是一个大而化之的粗浅印象,可是,我觉得,当我们对两大物理学“支柱”虔诚地膜拜,耗尽心力的学习和研究其理论知识,钻研于其中的大量习题的同时,常识性地了解19世纪物理学——这一完善和孕育着两大物理学支柱的关键时期的知识,不仅必要,而且必须.至少对我而言,感觉收益非浅.

　　全书多的是较为平直枯燥的理论解释,很多涉及到了我们还未接触过的物理知识.比如以太,分子物理学等等,可是总有一种意念使我坚持看完了此书.因为真正吸引我的已经不止是这些理论、公式,更重要的是这些物理学家们在这个物理学从“经典”走向“近代”的过渡时期的思考的痕迹,我渴望了19世纪物理学概念究竟发展到了一个什么样的高度,贯穿与19世纪物理学的核心问题又到底是什么呢?

　　19世纪的物理——物理与数学的完美结合

　　起初在读这本书的时候,我常常惊奇地发现,为什么在这本物理学读物中,出现了这么多的耳熟能详的数学家的名字——这些名字是我们正在学习的高等数学书中的常客——拉普拉斯、傅里叶、拉格朗日……他们演算的一系列数学公式我们都要花上好长的时间才能消化领会其中的凤毛麟角,没想到他们还到物理学领域“插一脚”.随着内容的深入,我的认识才逐渐丰满起来：19世纪,“物理学”这个术语的含义发生了新的重大变化.尽管这个术语从传统意义上有时仍被用来泛指自然科学,但在19世纪的早期,“物理学”已以近代的更加专门的意义,用来表示采用数学方法和实验方法来研究力学、电学和光学的科学.而当时的物理研究方法,也主要是采用定量描述,以寻求数学规律为普遍目标,以建立能量守恒定律为统一原理,以力学解释纲领作为物理理论的支柱.

　　[i]在19世纪的物理理论中,力学现象就是在数学基础上加以分析研究的.可以说物理现象的数学处理在力学研究中达到了登峰造极的地步.主要体现在下述四方面的进展.它们为建立统一的物理学奠定了可靠的基础：

　　1.P.S德.拉普拉斯(P.S.deLaplace)及其追随者,建立了一种既适用于力学又适用于热学和光学现象的关于粒子之间的力的普遍的数学理论.尽管在1815-1825年的10年间,随着热学和光学的最新进展,这一理论已经被抛弃了,但是拉普拉斯的数学化和公式化对统一的物理世界观,乃至对以后物理学理论的发展都产生了深刻的影响.

　　2.1822年的约瑟夫.傅里叶（JosephFourier）关于热的数学理论的发表1,把原先只适用于力学问题的数学分析方法,应用到热学的研究之中.在磨合这种概念上的传统差别及强调数学表述和物理表述的差别时,傅里叶的工作对建立统一的物理学产生了深远和广泛的影响.正是在这种影响下,19世纪40年代,威廉.汤姆孙（William.Thomson）受到了其热理论和静电学理论两者数学类似的启发,一方面,研究出了热学定律和电学定律两者间的数学类似性和物理类似性,另一方面又探索了质点力学同流体力学及弹性力学之间的数学相似性.汤姆孙通过这种物理比较方法,亦通过同一数学形式所反映不同现象之间的概念联系方法,加深了人们对物理现象的统一性的认识.

　　3.A.J.菲涅耳(A.J.Fresnel)关于光的波动说,假定光是依靠力学以太的振动实现传播的,因而光学又纳入到力学自然观的范畴之中了.大约19世纪30年代,光的波动说已被普遍接受,物理学家试图寻找一种合乎逻辑的光学机械论,为此探索了多种多样的物理理论和数学理论.光学以太的机械论又为力学解释提供了一个典型的普遍性事例.

　　4.19世纪40年代,能量守恒定律的建立又加强了物理学的统一性,使热、光、电、磁的现象都归并到力学原理框架之中.赫尔曼.冯.亥姆霍兹(HermannvonHelmholtz)在1847年发表的一篇极有创意的论文中2,把这些现象表示为能量的不同形式,从而说明了力学、热学、光学、电学和磁学之间的关系.他还强调指出,能量的概念是力学自然观的另一种表述方式,他所建立的能量守恒定律也是数学和力学的一个定理.

　　尽管有不少物理学家曾采取了各种尝试,试图从数学上解决一些问题并没有取得成功,可是,总的来说,19世纪物理发展是物理学和数学完美结合.正是数学和物理学双管齐下的完美结合,才使的“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,不仅外延和内涵有了进一步的补充和完善,而且已经达到了概念准确、逻辑统一的新阶段.

　　19世纪的物理学——力学世界观的衰落

　　回顾19世纪的物理学,在1850年左右,当时物理学的最重大的根基已经明确了：物理现象都可以用一种统一的框架来解释,即以力学解释为原理的出发点,通过数学描述对物理现象作模拟并导出描述现象的数学方程式,再冠之以普遍的定律——能量守恒定律.有了经典力学的支持,加之能量守恒定律的建立,人们对力和能量的认识已经达到了一个较高的高度.可是,当物理学家们试图完善这种以力学为主体的物理体系,并期望依赖这种体系解释自然规律的时候,困难和矛盾出人意料的发生了.一切的一切就好比W.汤姆孙在1900年的一次题为‘漂浮在热和光学的动力学上空的19世纪乌云’的演讲中所指出的：力学自然观面临着两大难题,一是不能解释地球穿过以太的运动机制；二是能量均分概念提不出分子模型的构造.汤姆孙强调指出,正是这两朵‘乌云’妨碍他对物理现象提出力学模型.但是由于这两大难题所涉及的范围比较广泛,留给物理学家围绕力学自然观的概念基础所能现象的空间也比较大.

　　其实我觉得传统的力学解释纲领在19世纪80年代和90年代就已引起了物理学家的多种多样的反响.可是在解释过程中又不可避免的捉襟见肘或困难重重.这似乎成了当时物理研究的瓶颈.比如汤姆孙的以太模型3和波尔兹曼关于场论的演讲,都是尽量把物理现象的模型精雕细琢,千方百计的维护力学纲领.波尔兹曼尽心尽力地对他的电磁场的力学模型的结构和运动做出了及其细致的描述；而汤姆孙指出,现象的力学模型结构如何是关系到对该现象易于理解的重要判据；但是与力学模型相关的概念困难已被深刻理解4.赫兹也相信力学解释纲领,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的,但由于他把电磁学的形式同由力学模型小心的区别开来,这就促使他产生了电磁场不具有力学性质的观点.在他的关于电子论的首次描述中,他把电磁场想像为动力学系统,可他最后还是放弃了与解析动力学相关的形式,朝着非力学原理范畴建立电子和电磁以太本体论的反方向前进,而他的电磁以太理论不是建立在力学纲领的基础上.洛伦兹从自己的电磁学自然观出发,解释了地球通过以太的运动,这也是回避弹性以太的力学理论所面临的困难的一种表述方式.围绕场论机制的争论于围绕热力学的争论如出一辙.波尔兹曼竭尽全力