人类之光——物理学史群星剪影


这个世界上有无数魔法,但其中一种是真的
Among all kinds of magics in this world, one is real

1583年,伽利略(Galileo Galilei,1564—1642)发现摆的等时性。


1609年,开普勒(J. Kepler, 1571—1630)著《新天文学》,提出开普勒第一、第二定律。1619年,开普勒著《宇宙谐和论》,提出开普勒第三定律。


1620年,斯涅耳(W. Snell,1580—1626)从实验归纳出光的反射和折射定律。


1632年,伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》出版,支持地动说,首先阐明了运动的相对性原理。

1638年,伽利略的《两门新科学的对话》出版,讨论了阻力、惯性、自由落体、斜面上物体的运动、抛体运动等问题,给出了匀速运动和匀加速运动的定义。

1666年,牛顿(Isaac Newton,1642—1727)用三棱镜作色散实验。


Nature and nature's laws lay hid in night;
真理隐没在长夜;
God said "Let Newton be" and all was light.
神说:“要有光。”于是牛顿燃起炬火。

1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》中,阐述了牛顿运动定律和万有引力定律。


Let mortals rejoice
That there has existed such and so great
An Ornament of Human Nature.
欢呼吧,
为曾经存在过这样一位
伟大的人类之光。

1690年,惠更斯(C. Huygens, 1629—1695)出版《光论》,提出光的波动说,导出光的直线传播和反射、折射定律,并解释了双折射现象。


1752年,富兰克林(Benjamin Franklin, 1706—1790)作风筝实验,引天电到地面。

1788年,拉格朗日(J. L. Lagrange, 1736—1813)的《分析力学》出版。

1798年,卡文迪许(H. Cavendish, 1731—1810)用扭秤实验测定万有引力常数G。


You have written this huge book on the system of the world without once mentioning the author of the universe.
你写了这本关于世界系统的巨著,却一次也没有提到宇宙的作者。
Sire, I had no need of that hypothesis.
陛下,我们的假设中没有上帝。

1807年,杨(T. Young, 1773—1829)杨氏双缝干涉实验。


1820年,奥斯特(H. C. Oersted, 1771—1851)发现导线通电产生磁效应。毕奥(J. B. Biot, 1774—1862)和萨伐尔(F. Savart, 1791—1841)由实验归纳出电流元的磁场定律。安培(A. M. Ampère, 1775—1836)由实验发现电流之间的相互作用力
1822年进一步研究电流之间的相互作用,提出安培作用力定律。

1824年,卡诺(S. Carnot, 1796—1832)提出卡诺循环。

1826年,欧姆(G. S. Ohm, 1789—1854)确立欧姆定律。


1831年,法拉第(M. Faraday, 1791—1867)发现电磁感应现象。


What is the use of it?
这有什么用呢?
What is the use of a new-born baby?
新生的婴儿又有什么用呢?

1834年,哈密顿(W. R. Hamilton, 1805—1865)提出正则方程和哈密顿原理。

1842年,迈尔(R. Mayer, 1814—1878)提出能量守恒与转化的基本思想。

1846年,瓦特斯顿(J. J. Waterston, 1811—1883)根据分子运动论假说,导出了理想气体状态方程,并提出能量均分定理。

1849年,斐索(A. H. Fizeau, 1819—1896)首次在地面上测光速。

1859年,麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831—1879)提出气体分子的速度分布律。


As god said:
神说:

And there was light.
于是便有了光。

1864年,麦克斯韦提出电磁场的基本方程组(后称麦克斯韦方程组),并推断电磁波的存在,预测光是一种电磁波,为光的电磁理论奠定了基础。

From a long view of the history of mankind, seen from, say, ten thousand years from now, there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell's discovery of the laws of electrodynamics. The American Civil War will pale into provincial insignificance in comparison with this important scientific event of the same decade.
从人类历史的长远观点来看,麦克斯韦方程组的发现将被评价为19世纪最重大的事件。美国内战较同十年的这一重大科学事件而言则不值一提。
——Richard P. Feynman


1872年,玻尔兹曼(L. Boltzmann, 1844—1906)提出熵的统计解释。

1881年,迈克耳孙(A. A. Michelson, 1852—1931)首次做以太漂移实验,得零结果。1887年,迈克耳孙与莫雷(E. W. Morley, 1838—1923)再次做以太漂移实验,又得零结果。

1895年,洛伦兹(H. A. Lorentz, 1853—1928)发表电磁场对运动电荷作用力的公式,后称该力为洛伦兹力。

1900年4月27日,英国著名物理学家威廉.汤姆逊(开尔文男爵)在英国皇家学会发表了题为《在热和光动力理论上空的 19 世纪乌云》的演讲。他在回顾物理学所取得的伟大成就时称,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,“第一朵乌云出现在光的波动理论上”,“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上”。


1900年,瑞利(J.W.S.Rayleigh, 1842—1919)发表适用于长波范围的黑体辐射公式。普朗克(M. Planck, 1858—1947)提出了符合整个波长范围的黑体辐射公式,并用能量量子化假设从理论上导出了这个公式。


1905年,爱因斯坦(Albert Einstein, 1879—1955)发表关于布朗运动的论文,并发表光量子假说,解释了光电效应等现象。

爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文,首次提出狭义相对论的基本原理,发现质能之间的相当性。

1906—1913年,密立根(R. A. Millikan, 1868—1953)油滴实验测得单电子电荷值。


1909年,盖革(H.Geiger, 1882—1945)与马斯登(E. Marsden)在卢瑟福(E.Rutherford, 1871—1937)的指导下,从实验发现α粒子碰撞金属箔产生大角度散射,1911年卢瑟福提出有核原子模型的理论。这一理论于1913年为盖革和马斯登的实验所证实。

1911年,昂纳斯发现汞、铅、锡等金属在低温下的超导电性。

1912年,能斯特(W. Nernst, 1864—1941)提出热力学第三定律。


1913年,玻尔(N. Bohr, 1885—1962)发表氢原子结构理论,解释了氢原子光谱。


Devil said "Let Einstein be" and all returned to the dark.
爱因斯坦揭去光明的帘幕,人类又回到无尽的、真实的黑暗中

1915年,爱因斯坦建立了广义相对论。


“20世纪物理学的三大贡献中,两个半都是爱因斯坦的。”——杨振宁

1919年,爱丁顿(A. S. Eddington(adding-one), 1882—1944)等人在日食观测中证实了爱因斯坦关于引力使光线弯曲的预言。卢瑟福首次实现人工核反应。


1923年,康普顿(A. H. Compton, 1892—1962)用光子和电子相互碰撞解释X射线散射中波长变长的实验结果,称康普顿效应。

1924年,德布罗意(L.de Broglie, 1892—1987)提出微观粒子具有波粒二象性。


1925年,泡利(W. Pauli, 1900—1976)发表不相容原理。海森堡(W. K. Heisenberg, 1901—1976)创立矩阵力学。
乌伦贝克(G. E. Uhlenbeck, 1900—)和高斯密特(S. A. Goudsmit, 1902—1979)提出电子自旋假设。


1926年,薛定谔(E. Schrodinger, 1887—1961)发表波动力学,证明矩阵力学和波动力学的等价性。玻恩(M. Born, 1882—1970)发表波函数的统计诠释。海森堡发表不确定原理。


1927年,第五届索尔维会议。


God does not play dice
上帝不掷骰子
You can't know for certain the outcome of any experiment
不要教上帝做事


1928年,狄拉克(P. A. M. Dirac, 1902—1984)发表相对论电子波动方程,把电子的相对论性运动和自旋、磁矩联系了起来。


1931年,劳伦斯(E. O. Lawrence,1901—1958)等人建成第一台回旋加速器。查德威克(J. Chadwick, 1891—1974)发现中子。


1932年,安德森(C. D. Anderson, 1905—1991)发现正电子,证实狄拉克的预言。

1933年,泡利在索尔维会议上详细论证中微子假说,提出β衰变。费米(E. Fermi, 1901—1954)发表β衰变的中微子理论。

1935年,汤川秀树(湯川秀樹, 1907—1981)发表核力的介子场论,预言了介子的存在。

1939年,奥本海默(J. R. Oppenheimer,1904—1967)根据广义相对论预言了黑洞的存在。

1942年,在费米主持下美国建成世界上第一座裂变反应堆。

1954年,杨振宁(1922—)和米尔斯(R. L. Mills,1927—1999)发表非阿贝尔规范场理论。


1956年,李政道(1926—)、杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒。吴健雄(1912—1997)等人实验验证了李政道杨振宁提出的弱相互作用中宇称不守恒的理论。

1964年,盖耳曼(M. Gell-Mann,1929—2019)等提出强子结构的夸克模型。彼得·希格斯(Peter Higgs,1929—)等提出希格斯机制。
宇宙微波背景辐射被发现。


1967—1968年,温伯格(S. Weinberg,1933—2021)、萨拉姆(A. Salam,1926—1996)分别提出电弱统一理论标准模型。

1970年,薇拉·鲁宾(Vera Rubin,1928—2016)在ApJ上发表《从发射线区光谱巡天得到的仙女星云旋转》,暗物质从此走向天文研究舞台的中心,成为宇宙学中的基本的问题。

1974年,伯顿·里克特(Burton Richter,1931—2018)领导的史丹佛直线加速器中心与麻省理工学院丁肇中(Samuel C. C. Ting, 1936—)领导的布鲁克黑文国家实验室分别独立发现了J/ψ介子,由此引发粒子物理学的十一月革命。

1983年在欧洲核研究中心(CERN)的质子-反质子碰撞中发现W±和Z0粒子,印证了标准模型的预言。

1988年,梶田隆章(梶田 隆章,1959-)领导的超级神冈探测器团队,发现中微子震荡,并且因此证明中微子具有质量。

1994年4月25日美国费米实验的CDF实验组发表了顶夸克存在证据,在收集更多的事例后,1995年初CDF和DØ两个实验组分别宣布发现了顶夸克 ,这是粒子物理标准模型中最后一个被发现的夸克。

2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿表示,先前探测到的新粒子是希格斯粒子。

2016年2月11日,美国国家科学基金会宣布:人类首次直接探测到了引力波。


如好奇者引动真理的天雷,
鲜花广场十字架燃烧成灰。
愚蠢的虫豸立于侏儒之肩,
妄图用贝壳临摹海的雄伟。
帷幕下的底色捉摸不定,
实验否决了永恒的宿命。
左撇子欠下完美的债,
落幕的盛宴那年正开。
烟火的余烬、辰星的后裔,
于颠沛流离的漫漫黑夜里迁居,
以参数拼接起危如累卵的殿堂,
祝愿她像新生儿那样无用。
当你窥见不朽时,
请别忘记,
我们的假设中
没有上帝。
乌云密布的天空下,
她是千万个童话故事里
唯一真实的魔法。
我们的信仰,
是整个宇宙。