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經典力學的發展

力學是物理學的壹個早期分支。古希臘著名哲學家亞裏士多德曾提出過許多關於“力與運動”的觀點,如“力是維持物體運動狀態的原因”、“兩個重物,較重者下落較快”等。

他的著作曾被視為古代世界的百科全書,在西方影響很大,以至於2000年來他的很多錯誤觀點都被大多數人接受。人們開始通過科學實驗準確地研究力學現象。哥白尼、布魯諾、伽利略、開普勒等許多物理學家和天文學家做了大量艱苦卓絕的工作,經典力學逐漸擺脫了傳統概念的束縛,取得了巨大的進步。

英國科學家牛頓在前人研究和實踐的基礎上,經過長期的實驗觀察、數學計算和深入思考,提出了力學三定律和萬有引力定律,將天體力學與地球上物體的力學統壹起來,建立了系統的經典力學理論。總的來說,經典力學是由伽利略和他那個時代的傑出物理學家奠定的,由牛頓正式確立。所以牛頓曾經說過,他站在巨人的肩膀上。伽利略和牛頓發展的力學著重於分析位移、速度、加速度、力等矢量之間的關系,也叫矢量力學。它是工程和日常生活中最常用的表達式,但不是唯壹的表達式:拉格朗日、漢密爾頓和卡爾·雅可比發展了經典力學的壹種新的表達式,即所謂的分析力學。分析力學建立的框架是現代物理學的基礎,如量子場論、廣義相對論、量子引力等。

微分幾何的發展為經典力學註入了蒸的活力,是研究現代經典力學的主要數學工具。現代力學顛覆了絕對空間的概念:即不同空間的事件是絕對不同的。比如掛在運動的火車車廂裏的鐘表,對於站在車廂外的觀察者來說,是處於運動狀態的。然而,經典力學仍然確認時間是絕對不變的。

在日常經驗範圍內,利用經典力學可以計算出準確的結果。但在接近光速的高速或強引力場體系中,經典力學已經被相對論力學所取代;在小距離尺度系統中它被量子力學所取代;在具有上述兩個特征的系統中,取而代之的是相對論量子場論。盡管如此,經典力學仍然非常有用。因為它比上面的理論更簡單,更容易應用。

雖然經典力學與其他“經典”理論(如經典電磁學和熱力學)大體兼容,但在十九世紀末,發現了壹些只能用現代物理學解釋的不壹致。特別是經典非相對論電動力學預言了光速在以太中是常數,這是經典力學無法解釋的,導致了狹義相對論的發展。經典力學和經典熱力學的結合導致了吉布斯佯謬(熵未定義)和紫外災難(黑體發出無限能量)。解決這些問題的努力導致了量子力學的發展。

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