這一次，搞懂99%的物理學（上）

08-11

Vol.020

這一次，搞懂99%的物理學（上）

丨為物志丨

--摘要--

小編學習物理將近十年，書本上，論文中學習過不少理論。由於物理學的新理論、新定理、新結論都會用發現它的物理學家的名字來命名，所以今天心血來潮，把印象中學習過相關知識的物理學家列出來，不列不知道，一列直接懵逼，居然有180人之多！這當中還不包括實際上作出了很多物理學貢獻的偉大的數學家。

這下來勁了，小編根據每個人的理論內容、對於物理學的貢獻以及加上整體的社會知名度，把這180位物理學家分成了五個層次，分別是「突出貢獻」、「小範圍扛把子」、「劃時代大扛把子」、「啟迪全人類超級扛把子」以及「神」。（不知為何用這五種顏色來作區分的朋友，可以度娘「光譜」二字，便知其中玄機）

「突出貢獻」就是不管這個人終身成就如何，只要做出任何一個被人們記住的貢獻就可以了，比方說歐姆、赫茲、安培、伏特這些，其實貢獻不是那麼卓著，但是有個東西用他們的名字命名就可以算是突出貢獻。「小範圍扛把子」，至少是在他這個領域的貢獻已經比較卓著了，可能好幾個大的成果都是他做的。「劃時代大扛把子」就已經是全世界極為少數的物理學家了，具有對整個領域的推動作用。「啟迪全人類超級扛把子」是超越領域從根本上要改變人們對領域的認識的人物，比方霍金，他的理論如果被驗證了，他就可以從綠色升級到藍色，甚至可以升級到紫色。「神」的話就是領域的開創者締造者，當然是藍色還是紫色，還有很重要的因素就整體知名度的高低，波爾和薛定諤就差在了知名度上，誰讓薛定諤有隻聞名天下的貓呢。

下面的篇幅，我們會以「神」們作為分界點，因為基本每一位「神」都直接統治著一整個領域，然後把剩下四個等級的物理學家們都劃分到每個領域裡。之後再對每個物理學家的成果貢獻，作一定的描述。由於在下才疏學淺，描述多憑當年學習之知識以及自身體會，如有不當之處多多包涵。當然在量子力學這個領域「神」似乎多了一些，有一點擁擠，這也不奇怪，量子力學還沒被完全研究透呢，還沒有出現一位終極大神，所以「神」們多一點也正常。而且很多「神」們是跨領域的，這裡就他最主要貢獻的領域安放他們。

當然，在物理學家等級的劃分上，一定會有很多粉絲們或黑粉們表示不贊同，但是這個東西嘛，所謂「文無第一、武無第二」。有一些成就接近的科學家們，誰更牛逼純屬個人喜好了。比方說普朗克和海森堡你們覺得誰更厲害？當然這裡不存在這個問題，因為小編把這倆都劃入了「神」的範疇，是不是「神」當然不單純看物理貢獻，還要看社會知名度、人格魅力等等。

接下來在下便獻醜了，黑粉們請輕黑，么么噠。

-- 啟蒙科學家--

阿基米德（Archimedes，287-212 BC）

阿基米德幾乎可以說是物理學的鼻祖了，生活在當時屬於古希臘殖民地的現在屬於義大利南部的西西里島上的敘拉古（Syracuse），美國紐約上州也有個Syracuse，中文名叫做「雪城」。阿基米德的故事幾乎是大家耳熟能祥的。最著名的貢獻是所謂的阿基米德定律，也就是「浮力定律」，物體感受到的液體或氣體的浮力等於它排出液體或氣體的密度乘以質量乘以重力加速度。但是阿基米德那個年代還沒有所謂的重力加速度的概念，這個公式屬於後人的總結。以及相關的故事是他幫助當時的敘拉古王判斷出了金銀匠在打造皇冠的時候參了假，用王冠的重量排出水的體積去除王冠的重量得出王冠的密度小於純金的密度。

阿基米德在羅馬征服敘拉古的時候被一名羅馬士兵誤殺，儘管當時羅馬方面頒布了條例說千萬不能殺阿基米德。最後這名士兵不知道是內疚自殺還是被當局處死，反正是沒活著。

小編曾經在西西里旅遊的時候去過阿基米德的墓。旅遊小貼士是，阿基米德的墓直接在馬路邊就能看見，千萬不要買10歐元的票進到公園裡反而啥都看不到。而且你也看不到墓碑，全部都是石頭窟窿，意思一下就得了，千萬別花冤枉錢。

伽利略（Galileo Galilei，1564 -1642）

如果說阿基米德是物理學的鼻祖，那麼伽利略在我心目中就是物理學的高祖，伽利略是第一個系統地把物理學當做一門科學來研究的人。阿基米德那個年代還不存在非常明顯的分科，亞里士多德柏拉圖這幫人其實只要是問題都會思考，總得來說就是「解決問題的人」或者說「思想者」，當然我們有個專門的辭彙來形容他們就所謂的「哲學家」。

而且在古希臘，大部分哲學家解決問題的方式主要是坐而論道，基本靠嘴。伽利略是一個真正意義上的實驗物理學家。大家都知道的他的故事是從比薩斜塔上同時扔木球和鐵球，結果是兩個球同時著地，當然最後這個故事被證明是捏造的。

伽利略的研究範圍很廣泛，因為那個時候那麼多學科根本就還沒有被發現，界限不明顯，所以也不太分物理學家、數學家，大家都是「研究者」。所以說評價伽利略，我認為主要也不是說他做出過什麼具體貢獻。而是在思考問題的方式上，用實證的方法，甚至定量的方法來研究自然現象，是首次有了物理學家的樣子。所以毫不誇張地說，伽利略開啟了一個真正物理學家應該所具有的研究方法的時代。所以叫伽利略是「物理學之父」也是不過分的。

伽利略的研究內容很多，有動力學、天文學。同時他是日心說的堅定支持者，只是他認為地球和各大行星讓太陽飛行的軌道是正圓形因為圓形是最完美的形狀，而上帝造萬物都應該是完美的，但是很可惜他錯了，這些軌道其實是橢圓形。

開普勒（Johannes Kepler，1571 - 1630）

開普勒的主要貢獻是通過長年累月的望遠鏡觀察，總結出了行星運動的規律，總結來說，在牛頓用萬有引力算出來行星運動的軌跡是個橢圓以前，人家開普勒就用「大數據」暴力地總結出了這個結論。他還總結出了行星單位時間划過的與旋轉中心連線的面積是恆定的，這個其實就是最早版本的「角動量」守恆。從這個意義上來說，開普勒在毫無數學理論支持的情況下還能發現這倆定律，也真不是一般人，不僅是個腦力活，這也是個體力活，那個年代來微積分都沒有發明出來，還要總結出這個划過的面積一樣，是很困難的。難以想像他用了什麼方法。

-- 力學&流體力學&空氣動力學--

牛頓（Sir Isaac Newton，1642 -1726）

如果說上面的伽利略是「物理學之父」，那麼牛頓就是「定量物理學之父」。什麼意思呢？就是在牛頓之前，伽利略那個年代，研究自然現象，基本都是用語言進行定性描述，你只能說某某東西具有某某性質，但是你沒有辦法用數字、用數學進行定量化地描述，說白了就是不夠精確。

但是現代物理，定性描述問題基本上等於什麼都沒說，定量的描述是極為重要的。牛頓同時也是微積分的發明人，當然也有說法微積分的發明人是德國的萊布尼茲，當然也有可能是兩人分別獨立地發明了微積分，那個年代的通信又不發達，所以貌似他倆都在撕誰是微積分的發明人。但是我更傾向於是牛頓，因為要定量地研究物理學，勢必是需要一種在當時來說是一種新的數學語言的，在這樣的一種情況下，牛頓的研究似乎是對微積分的需求更加多，所以他貌似確實是更有積極性和必要性去發明一個微積分玩玩。

牛頓最著名的貢獻當屬牛頓的力學三定律，以及萬有引力定律，他大大小小的貢獻還有很多，比方說光的折射、再比方說超越方程的牛頓解法等等。

簡單講一下牛頓三定律以及萬有引力定律。第一定律是：一個物體如果不受力，只能是靜止狀態或者勻速直線運動狀態，第二定律是：一個物體的加速度正比於所受的力，也就是F=ma，F是力，m是質量，a是加速度。第三定律是：作用力等於反作用。

其實第一定律和第三定律是多餘的，因為第一定律和第三定律可以由第二定律推出來。因為當F=0的，時候，由於F=ma，經典物體一定具有質量，所以a一定等於0，a等於0意味著一個物體沒有加速度，沒有加速度就是處在速度恆定的狀態，則一定是勻速直線運動或者是靜止。第三定律可以由兩個靠在一起的物體，在一個總的外力推動下，兩個物體的加速度一定相等從而推出兩個物體之間的相互作用力一定互相相等而得出。

萬有引力的公式是：

也就是兩個物體之間的引力正比於他們質量的乘積並反比於他們距離的平方，比例係數是G=6.67*10^(-11)。由這個萬有引力公式，我們可以推出來一個行星繞太陽運動的軌跡一定是一個橢圓或者一個正圓，而一個正圓恰恰只是一個特殊的橢圓，當一個橢圓的長軸與短軸一樣長的時候，一個橢圓就是一個圓。

平民出身的牛頓最後因為才華還成為爵士，所以他是「Sir」。其實牛頓還擔任過造幣廠的廠長，這可是一個非常重要的職位。他終身未婚，似乎也沒什麼朋友，脾氣古怪，大家都不喜歡他，不知道他是沒空談戀愛還是其實是個gay。

傅里葉（Joseph Fourier，1768 -1830）

傅里葉最重要的貢獻就是所謂的「傅里葉變換」，我認為這個東西重要性簡直是多麼被強調都不過分。我大學學了40幾門課，學下來感覺就學到兩個東西，一個是數學分析，一個就是傅里葉變換推廣的Vector Space。

傅里葉變換說起來就是：任何一個周期性函數都可以分解成不同周期的正弦函數以及餘弦函數的疊加。再推廣一下，其實任何函數，不必要是周期性的，都可以分解為周期性函數的疊加。大概這麼個意思：

拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736 - 1813）

其實按說拉格朗日是個數學家，他其實是義大利的都靈人，但是後來一直在法國發展，還是超級大富二代。他在物理上的主要領域是分析力學。

牛頓力學用來解一個系統的運動的方法其實很不適用，雖然牛頓三定律是對的，但是並不一定有多強的計算能力。拉格朗日研究多年，發現所有的力學系統都應該遵循一個所謂的「最小作用量原理」，也就是一個系統的動力學演變，遵循的規律應該是整個過程作用量最小，所謂的作用量，簡單來說就是動能減去勢能。其實你這麼理解就簡單了，一個物理過程應該是刨去必須要花費的能量，剩下來的有效能量必須是最小的，這也是一個變相的能量最低原理了。大概是這麼個東西：

龐加萊（Henri Poincare，1854 - 1912）

龐加萊也是最最偉大的數學家之一，龐加萊猜想是28個希爾伯特問題當中的一個，而且在28個當中也是屬於比較難的問題。光是要把這個猜想描述清楚也非常不容易。

龐加萊對物理的貢獻主要是對三體問題的研究，他是第一個發現三體問題的混沌特性的，也為今後的對混沌系統的研究打下了堅實的基礎。

哈密爾頓（William Rowan Hamilton，1805 - 1865）

這也是一位物理和數學雙牛逼的大牛，劃時代的大師級人物。在很年輕的時候就展露出極為高超的數理天賦。他在物理方面的主要成就是重新闡釋推廣了牛頓力學，用自己的一套東西建立了哈密頓動力學。牛頓力學是研究單體力學系統或者離散力學系統的方法，哈密頓力學更加適合處理多體問題，或者說經典場論問題。像經典力學場合經典的電磁場都適合用哈密頓力學來處理。

其實不僅僅是經典範疇，量子力學範疇哈密頓動力學也具有很重要的地位。量子系統的第一件事情，尤其是凝聚態的理論當中，就是要寫出系統的哈密頓量。比方薛定諤方程里的H，就是這個量子系統的哈密頓量。這個哈密頓量在量子的框架下變成了所謂的「作用子」，用來求解系統的能量。

萊布尼茲（Gottfried Wihelm Leibniz，1646 - 1716）

這畢竟是曾經跟牛頓大撕逼過的男子，當然他主要還是一個數學家。除了微積分以外，他對邏輯學的貢獻也挺大，著名的充分條件，必要條件，充要條件什麼的似乎就是他的研究成果。要說物理方面的話，雖然說牛頓搞定了三定律。但是萊布尼茲的貢獻似乎更加常用，也就是所謂的動能的概念，一個物體的動能通過微積分其實可以很容易地得到是等於：

胡克（Robert Hooke，1635 - 1703）

胡克最著名的就是所謂的胡克定律，大家高中都要學，彈簧的力正比於彈簧的形變，而且可以被推廣到很多別的情況，不一定就是一個彈簧，其實隨便什麼物質發生微小的形變都可以寫成胡克定律的形式：

帕斯卡（Blasie Pascal，1623 - 1663）

大家還記得壓強的概念嗎，就是帕斯卡提出的。一帕斯卡等於一牛頓壓在一平方米的面積上。真空的概念也是帕斯卡提出的，帕斯卡也對流體力學進行過比較深入的研究。

泊松（Simeon Denis Poisson，1781 - 1840）

泊松按說其實也是個數學家，有泊松比、泊松過程等等研究成果。他是光的波動說的堅決反對者，認為光就是粒子，他曾經為了反對菲涅爾的光的波動說，曾經說如果光是波的話，那麼根據光的衍射定理，你拿一束光找一個圓蓋子，印在牆上，那麼這個中心應該是亮的，但是根據生活經驗明顯這個是扯淡，所以光不是波。可但是，結果還真的發現有這麼一個亮斑，最後不知道是不是為了諷刺他，這個亮斑被命名為「泊松亮斑」，時時刻刻都在提醒泊松打臉。

伯努利（Daniel Bernoulli, 1700 - 1782）

無粘滯阻力的理想流體方程，由伯努利方程描述：

科里奧利（Gaspard-Gustave Coriolis，1792 - 1843）

轉動參考系的非慣性力，也就是所謂的「地轉偏向力」，洋流的成因。也是南北半球沖馬桶水下流旋轉方向不同的根本原因。

達朗貝爾（Jean Le Rond d"Alembert，1717 - 1783）

發現了波動方程的通解。

多普勒（Christian Doppler，1803 - 1853）

多普勒效應，聲源靠近的時候頻率升高，原理的時候頻率降低，光波亦然。

諾伊瑟（Emmy Noether，1882 - 1935）

最著名的女數學家，發現了對稱性與守恆率之間的關係。

雷諾爾德（Osborne Reynolds，1842 - 1912）

對流體力學作出過突出貢獻，雷諾爾德數用來計算不同情況流體的流動圖樣。

斯托克斯（Sir George Stokes，1819 - 1903）

Navier-Stokes Equation，用來描述黏滯流體的行為。

托馬斯·楊(Thomas Young，1773 - 1829)

用來表徵物體力學強度的量，楊氏模量，是胡克定律的擴展。

-- 熱學&統計力學--

玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann，1844 - 1906）

熱學和統計領域沒有找到我認為可以成為「神」的人。熱力學裡的最重要的定律就是熱力學第二定律，也就是所謂的「熵增原理」。「熵」是用來表示系統混亂程度的物理量。

玻爾茲曼的巨大貢獻是第一次用系統的微觀態數這一概念建立了統計力學的理論基礎。但是他在世的時候這個理論一直沒有獲得承認，後來他精神很抑鬱還自殺了。這個世界算是欠他一個諾貝爾獎。只能說當時他的理論太超前，超前到當時的物理學界沒有辦法及時理解。

玻爾茲曼葬在維也納的公墓，這個墓邊上就是貝多芬、勃拉姆斯等一眾音樂大師。他的墓志銘什麼都沒有寫，只有他生前沒有得到完全承認的研究，也就是熵的公式：

S就是熵，k是玻爾茲曼常數等於1.38*10^(-23)，Omega就是所謂的微觀態數。

克拉伯龍（Benoit Paul Emile Claperon，1799 - 1864）

研究氣體的一個最重要的方程就是所謂的克拉伯龍方程，是這麼寫的：

在這之前其實有過很多關於理想氣體的方程，什麼道爾頓分壓定律啊，玻意耳定律啊等等，但是其實都只是克拉伯龍方程的一個特殊表現形式。所以最終把理想氣體的關係寫出來的就是這個克拉伯龍方程，是最好用的。

克拉伯龍還有重要的貢獻是明確了什麼叫可逆過程，這個是對卡諾熱機的一個重要的描述，直接催生了熱力學第二定律的熱力學表述。另外一個表述是熵增原理，但是這兩個表述可以被證明為是等價的，當然還有所謂的「克勞修斯」表述。

赫姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821 - 1894）

赫姆霍茲自由能，是整個熱力學的核心之一，基本所有的熱力學系統的穩態的求解方法都是要去把赫姆霍茲自由能進行最小化。在非統計系統當中被最小化的是能量、或者說哈密頓量以及作用量。對應的是最小能量原理和最小作用量原理。但是在熱力學系統當中，有了溫度的熱能基礎，必須計入與熵有關的「無用」的能量，所謂有用的能量就是赫姆霍茲自由能：

卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796 - 1832）

卡諾的主要貢獻是所謂的卡諾熱機。所謂熱機就是在一個熱源和冷源當中架設一套機制，讓熱量從熱源傳遞到冷源的過程中能夠做工。卡諾通過研究所謂的卡諾熱機，證明了一個熱機的效率最高不能高過這個值：

這個工作在卡諾的時代沒有被太過多的重視，但是後來被詳細研究，引出了熱力學熵的概念以及熱力學第二定律的熱力學表述。

吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839 - 1903）

吉布斯同時是一個化學家，他在物理學的研究方向主要是熱力學，通過他的努力，把化學從一個經驗科學更加地嚴格化了，計算化了。對熱力學研究，他的「系宗」研究方法被確立為熱力學研究的正統方法，同時他的重要貢獻還有還有最為著名的熱力學概念之一的，吉布斯自由能：

昂薩格（Lars Onsager，1903 - 1976）

昂薩格也是一個化學家，曾經還是布朗大學的教員，但是在大蕭條時期由於布朗大學沒辦法養得起只研究不教學的人就把他辭退了。據說昂薩格講課就是個渣，幾乎沒人能聽懂。唯一能聽懂的一個人最後跟隨他去了耶魯大學當教員。昂薩格在物理方面幫他獲得諾貝爾獎的貢獻是對二維Ising模型的嚴格解。所謂的Ising模型是一個以正方形矩陣排布的自旋晶格，相鄰的自旋有一個相互的作用，就好像這樣：

這個東西很難解，當年難道不少物理學家，這個東西被解出來了一個對於理解晶體的量子性質是有非常大的幫助的，所以解個題也是可以得諾貝爾獎的哦。

瓦特（James Watt, 1736 - 1819）

瓦特按說是個工程學家，最大的貢獻就是發明了蒸汽機，從此歐洲進入了工業革命時代，所以雖然不是什麼高深的理論，但是他的發明卻推動了全人類的進步。

玻意耳（Robert Boyle, 1627 - 1691）

玻意耳定律，理想氣體的氣壓與氣體的體積成反比：

卡文迪許（Henry Cavendish，1731 - 1810）

第一個發現氫元素的人。

克勞修斯（Rudolf Clausius，1822 - 1888）

熱力學熵概念的發明人，熱力學第二定律的克勞修斯表述，熵增原理。

道爾頓（John Dalton，1766 -1844）

道爾頓分壓定律，混合氣體的氣壓等於不同純氣體的分氣壓之和。

飛輪海（Daniel Gabriel Fahrenheit，1686 - 1736）

華氏度的發明人。

朗之萬（Paul Langevin，1872 - 1946）

居里夫人守寡後的情人，把隨機過程融入統計學，創造了著名的朗之萬方程：

斯忒藩（Josef Stefan，1835 - 1893）

黑體輻射的強度和溫度的四次方成正比，正比於斯忒藩常數。

-- 電磁學--

麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）

麥克斯韋是蘇格蘭物理學家，也是數學家。他的最偉大的貢獻是把電場和磁場進行了統一，把所有的電磁現象全部融合到了他總結的四個麥克斯韋方程組裡。

麥克斯韋從小聰明過人，據說9歲就開始跟著他爹進出皇家科學會聽學術報告。19世紀對電學的研究是非常流行非常昌盛的。之前有人搞了個票選世界上最偉大的十個公式。麥克斯韋方程組得票是最高的，排名第一，愛因斯坦的質能方程排在第五位。

這四個方程是這樣的，左邊是積分形式，右邊是微分形式。

第一個方程說的是電荷與電場的關係，第二個方程說的是磁通量的變化會產生渦旋電場，第三個方程說的是磁單極與磁場的關係，但是由於我們知道目前看來還沒有任何發現磁單極的跡象，所以這裡磁場在封閉曲面上的總通量必須為0。第四個方程說的是磁場和電流以及變化的電場的關係。

別看是四個方程，所有的電學現象，我是說所有的，都可以用這四個方程組去解釋，去計算，去預言。這四個方程組聯合起來計算就直接推導出了電磁波的存在，並且可以算出電磁波是以光速傳播的，從而把電磁波和光統一了起來，於是我們就知道了光也是一種電磁波。從而為用無線電波來傳遞信息打下了基礎。

這四個方程是電磁學、電動力學的收山之作，有了這四個方程，電學就達到了一個頂峰，就是所謂的「被研究完了」，之後跟電磁學有關的研究幾乎是圍繞電磁的應用展開的工程學問題了。

特斯拉（Nikola Tesla，1856 - 1943）

特斯拉是個具有神秘色彩的人，他一個奧地利科學家，其實他其實不是嚴格意義的純物理學家，更像一個工程師。之前在愛迪生手下工作，後來跳出來做了自己的公司。他最大的貢獻其實都是應用方面的，沒有什麼太決定性的新理論。最著名的就是交流電，因為高壓的交流電會讓電能在運輸過程中的消耗在導線上的能量相對很低。但是當時愛迪生是他的競爭對手，是推行直流電的，為了搞商業競爭愛迪生用交流電電死了一頭大象還拍成了節目，由此來詆毀交流電。這個也是愛迪生一生的污點。特斯拉還醉心於無線輸電的研究，但是這個他終身沒有攻克，無線輸電在現代也是極難的課題。當然有說他其實成功了，通古斯都大爆炸就是他的無線輸電搞出來的，我表示嚴重懷疑。

法拉第（Michael Faraday，1791 - 1867）

法拉第是個英國科學家，他的化學成就也很高。物理上的主要成就在電磁學上，主要是發現了電磁感應的現象。所謂的電磁感應，一個重要的現象是，一根通電的導線會在磁場中受到磁場的力。電磁感應是我們很多現代電器的基石。比方說電動馬達，本質上就是基於這個電磁感應。所以特斯拉這個汽車吧，應該叫法拉第汽車。當然後來也確實出來了法拉第牌汽車。

不過法拉第是窮苦出身，從小沒有受到很嚴格的數學的教育，所以他沒有辦法把他發現的物理現象很好地像麥克斯韋那樣總結成非常漂亮的方程。法拉第在電化學上的成就非常高。所以其實法拉第也跟特斯拉有點像，是個聰明才智更多在於動手和發現應用方面的科學家。更偏向於是一個實驗物理學家。

洛倫茲（Hendrik Lorentz，1853 - 1928）