1.3　经典物理学和量子力学

什么是经典物理学？这是我们经常会提到的，我们也会经常地把经典物理学的结果与量子力学的结果做对比。所以，让我们稍稍详细地解释一下什么是经典物理学。

经典物理学主要由伽利略（1564—1642年）和牛顿（1642—1727年）等人于17世纪创立，经过18世纪在各个方向上的拓展，到19世纪得到了全面和系统的发展而达到了它辉煌的顶点。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电学等学科在内的宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱——经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学——已非常成熟和完善，理论的表述和结构也已十分严谨和完美，对人类的科学认识产生了深远的影响。

经典物理学的发展离不开一个伟大的人物，那就是牛顿。他的运动定律描述了万物是如何运动的，他的万有引力定律把行星的运动和地球表面上物体的运动统一了起来。他还发明了微积分，这是一个强有力的数学工具，在物理学的各个分支都大量运用了微积分。虽然微积分成为了数学的一个分支，但是数学对物理的重要性却是不言而喻的。牛顿在光学领域也作出了巨大贡献。

经典物理学的各个主要分支包括以下几个方面。

（1）经典力学。它包含牛顿的三个定律，但主要是以牛顿第二定律的运动方程为基础的。在宏观世界和低速状态下，牛顿的定律可以很好地描述物体是如何运动的，可以说明当物体连接在一起的时候会发生什么，比如建筑或桥梁。经典力学在自然科学和工程技术中有着极其广泛和重要的应用。

（2）经典电磁学。它主要研究电磁力，是研究磁场和电场的学科。麦克斯韦对电磁理论有里程碑式的贡献，他提出了描述电磁场的麦克斯韦方程组，并发现了光其实就是电磁波。当量子效应可以忽略时，麦克斯韦理论能够非常完美地描述电磁现象。电磁学对人类文明史的贡献是巨大的。

（3）经典热力学和统计物理。热力学是研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科。以热力学三个定律为基础，研究平衡系统各宏观性质之间的相互关系，揭示变化过程的方向和限度，它不涉及粒子的微观性质。热力学包含了熵的概念，描述了系统的有序和无序，以及告诉我们不同能量类型有多有用。统计物理学根据对物质微观结构及微观粒子相互作用的认识，用概率统计的方法，对由大量粒子组成的宏观物体的物理性质及宏观规律作出微观解释。

（4）光学。它主要研究光的现象、性质与应用，例如解释光的反射、折射和衍射的原理等。光在棱镜中的折射以及透镜是如何聚焦光线的，这对于望远镜、显微镜和照相机的制作都很重要。望远镜的发明使我们能够观测宇宙中不同的天体，这促使了宇宙学和天体物理学的诞生。光不需要通过任何介质，可以在真空中传播。

（5）流体力学。它是研究流体（包括液体、气体和等离子体）是如何流动的学科。利用流体力学可以计算出飞机机翼产生的升力是多少，以及汽车的空气动力学是怎么运作的。流体力学在初学者中是出了名的难，因为在微观尺度，分子的运动是非常复杂和快速的，而这就需要混沌理论等基础。

以上这些就是经典物理学的主要内容了。一直到19世纪末，我们对宇宙的理解都是基于这些物理学的分支。在这个时期，物理学家认为宇宙中所有东西的运作就像时钟那般准确，取得某一时刻宇宙的完整信息原则上（哲学意义上）就能够得到宇宙在未来和过去任意时刻的情况，这就是所谓的拉普拉斯决定性。

什么是量子力学？回答这个问题是我们这一整本书的任务。在总论中，我们已经指出，量子力学的研究对象涉及原子、分子、凝聚态物质，还包括原子核和基本粒子等，它研究的是微观世界物质粒子的运动规律。至此，我们对量子力学的认识暂且就到此为止。