物理在16世界至21世纪的发展





















早期的物理
1.1：印度贡献
－印度的科学
－印度物理学家早期贡献
－印度的科计
1.2：中国贡献
－中国物理学家早期贡献
－中国的科计
－中国的科学
1.3：希腊和希腊文化的贡献（Greek and Hellenistic ）
－希腊物理学家早期贡献
-亞裡斯多德 (Aristotle)
- 柏拉圖 (Plato)
-毕达哥拉斯 (Pythagoras)
- 赫拉克利特 (Heraclitus)
-泰勒斯 (Thales)
-阿基米德 (Archimedes)
－希腊的科学
－希腊的科技
1.4：波欺贡献（Persian and Islamic ）
-波欺的科学和贡献
1.5：中世纪欧洲贡献(Medieval Europe)

科学革命
2.1： 18世纪
2.2：19世纪
2.3：20世纪
－量子力学
－相对论
21世纪：现代物理黎明 (The Dawn of Modern Physics)
3.1：M-理论
3.2：-弦理論

4.1：总结
预测未来物理学的发展

1.1 印度共献
重要的方程：

Baudhayana‘s formula for the square root of two
    
 

Babylonian approximation of the square root of 2



Combinatorial identity
















1.2 中国 物理 贡献

1。中国古代力学的研究
力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。
　　在中国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看，大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。
（1）春秋战国时期（公元前770～前221年）
（2）两汉到五代时期（前206～960）
（2）两汉到五代时期（前206～960）

2。中国古代的热学知
3。中国古代在声学上的贡献
（1）乐器制作与乐律理论
（2）声的传播与发声原理的探讨
（3）古代建筑中的声学效应

4。中国古代对电现象的认识
5。中国古代对磁的认识
1.磁石的吸铁性及其应用
2.磁石的指向性及其应用
3.其他与磁有关的自然现象



　　力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。
　　在中国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看，大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。
　　（1）春秋战国时期（公元前770～前221年）
　　公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排沙”，其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流，说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平，成都平原二千多年来始终受益。
　　传为齐人著的《考工记》，是记录中国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著，现存版本中如《裘氏》、《筐氏》、《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指车辕）犹能一取焉”］，车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡一样费劲），箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强则扬，羽丰则迟”），检验木料强度的经验方法[如“置而摇之，以视其蜎（yuān，蠕动程度）]，“横两墙间，以视其桡之均”，“横而摇之，以视其劲”），以及堤坝设计的经验尺寸等，都反映了中国当时的生产技术水平和经验知识水平。
　　与《考工记》几乎同时的《墨经》，则进一步得出一些初步的力学哲理（如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等），给力下了比较科学的定义：“力，刑（形）之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。
　　这一时期是以记录与积累生产经验为主，也形成了初步哲理。
　　（2）两汉到五代时期（前206～960）
　　简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械，如张衡的水运浑天仪、候风地动仪，西汉未巧工丁缓（公元1世纪）的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架，祖冲之（429～500年）的水磨等等。
　　隋代造船业已很发达，如隋炀帝的龙舟已高40尺，宽50尺，长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥（公元595～605年），跨度最大（37.02米），弧度最浅（拱矢高7。23米），至今1300多年，下沉水平差只有5厘米，说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多，如：浮桥的建造[唐李吉甫：“以船为脚，竹篾亘（gèn，横贯。）之”，“架黄河为之”]；东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具：“取铜叶制器，状如莲花，置盆水之上，孔底漏水，半之则沉”，即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉，“每一昼夜十二沉”，非常巧妙。还有著名的曹冲称象故事，在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。
　　上述种种成就，集之于书的不多，北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”，但已散失。
　　这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的《论衡》，在他的著作中对于运动的疾舒（快慢）、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。其次是运动的相对性概念，晋天文学家束皙（261～303年）说过：“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（《隋书·天文志》）；晋葛洪（283～363年），号抱朴子，在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说：“游云西行，而谓月之东驰。”《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行：“天旁转如推磨而左行，日月右行，随天左转，故日月实东行，而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上，磨左旋而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》（著者不详，收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》），该书在提出“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣”的同时，提出了著名论断：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点，《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明中国古代物理思想达到过的高度。
　　这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃，但时物理现象很少作定量叙述。
　　（3）宋元明时期（960～1644）
　　中国古代技术成就极为丰富，但往往著述不详或流散失传，只知其名而不知其详，因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器，“虚则攲，中则正，满则覆”（《苟子·宥坐》），是由于重心由高变低而又变高而致的，晋人杜预、南北朝祖冲之，魏、隋、唐、宋都有多人试制，指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造，郭未成但妒嫉，见马岳垂成，便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时，出门“见车驰门动而得其法”（宋陈师道《后山丛谈卷一》），这也是从机械原理中悟出的。可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记里鼓车也是利用传动，使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明中国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟，但直到宋代才记载较详。
　　苏颂（1020～1101）和韩公廉1092年建成了中国古代最大型的先进天文钟楼“水运仪象台”，其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中，它涉及天文、力学、机械制造，其中有相当于钟表擒纵器的“天衡”，是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬（1231～1316）在天文仪器制造的种类（简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种）、结构和精度方面达到很高水平。
　　宋代曾公亮（997～1087）在《武经总要》这一军事著作中除记载兵工机械、枪炮、军用油泵（“猛火油柜”）等外，还在《寻水泉法》中详载了虹吸管（“渴乌”），它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载，包括“取大竹去节”，“油灰黄蜡固封”竹首插入水中五尺”，烧火使“火气潜通”入水，“则水自中逆上”等。
　　河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋，人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动，这实际上是动量矩原理的应用。
　　宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。该书在中国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本。
总的来说，中国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失，缺乏系统整理，一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能等待西方传入。
中国古代的热学知识
　中国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。
　　火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。中国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。
　　对冷热的认识。约在公元前2000年，中国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。中国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。
　　温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析，不同物质有不同的汽化点，因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质，从而判断温度的高低。对同一种物质，随着温度的升高，其颜色也先后有所变化。“火候”（包括火色）成了中国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。
　　除制陶和冶炼金属之外，中国古代还在农业中采用了控温技术。据《汉书·召信巨传》记载，西汉末年，中国己利用冬季栽培蔬菜，其方法是“覆以屋庑，昼夜蕴火，待温气乃生。”北魏时期，还利用熏烟的方法防止霜冻。
　　对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作《论衡·寒温篇》中写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是中国“元气说”的一种应用。
　　对热是什么这一问题，中国古代也已注意到，南北朝成书的《关尹子》中认为：“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的《刘子·崇学篇》，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。
　　热胀冷缩是重要的热现象之一，在中国古代对它已有所研究和利用。汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。据《华阳国志》记载，李冰父子修建都江堰时，发现用火烧巨石，然后浇水其上，就容易凿开山石。这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验，在中国历代水利工程中不断为人们采用。
　　“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨对水的物态变化，在中国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。《论衡》中对此有明确的表述，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。
　　中国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识；据《淮南子》记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。关于走马灯中国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代《武林旧事》在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞……”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。
在中国古代，很早就出现了对热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理，属热动力的应用，它是近代火箭的始祖，被世界所公认。
中国古代在声学上的贡献
在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，有特别加以记述的必要。
　　（1）乐器制作与乐律理论
　　中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器时代的遗物，这是迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期，见于《诗经》记载的乐器就有29种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、（革兆）（摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有箫、管、埙、笙等。《汉书·律历志》已将当时的乐器品种按质料分为八种：“土曰埙，鲍（木瓜）曰笙，皮日鼓，竹曰管，石日馨，金日钟，木日祝，丝曰瑟。”从众多出土的古乐器中，引人注目的是编馨和编钟。编馨是用特殊石头（如玉石）制成的具有若干固定音列的组合馨。1950年在安阳武官村出土的殷代大理石馨，82厘米×42厘米×2.5厘米，音色浑厚如铜；1970年在湖北江陵出土的楚国编馨25只，其形状已颇为规则，音域达三个八度。编钟是由一系列铜制的钟挂在木架上的组合钟。1978年在陕西扶风曾出土了西周的青铜编钟，1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟，一套共65件，总重2500余斤，总音域跨五个八度，12个半音齐全，音色优美，效果极佳，充分显示了中国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。
　　由于重视“礼、乐、术、数”，中国古代研究乐音数学规律的律学相当发达，《二十四史》有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声，西周编钟已刻有十二律（由于对乐音成组的认识，而产生十二律，其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟，黄钟为十二律中的第一律）中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的乐律计算法见于《管子·地员篇》中的“三分损益法”，约产生于公元前7～3世纪间，即将主音律的弦（或管）长三等分，取其两份（全管长的2／3，为损一），或增加一份（全管长的4／3，为益一），依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法，与欧洲当时以频率为准的“五度相生法”是成倒数关系的。16世纪末，朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是中国对音乐声学的重大贡献。
　　（2）声的传播与发声原理的探讨
　　据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载：陈遵在造江陵金堤（公元512～518）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。
　　对于发声原理，东汉王充在《论衡·论死篇》中先说明人的语言是由于“气括口喉之中，动摇其舌，张合其口”而生的，然后推广到“箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也”。宋代张载（1020～1077）及明代王夫之（1619～1692）进一步形成“形”（物体）与“气”相冲突而发声的观点：“声者，形气相轧而成”。可以是“两气”相碰，如“谷响雷声之类”，“两形”相碰，“桴鼓所击之类”，“形轧气，羽扇敲矢（指羽扇生风、飞矢鸣镝）之类……气轧形，人声笙箫之类”（《张子正蒙注》）。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况：“冲”（“飞矢”），“界”（“跃鞭”），“振”（“弹弦”），“辟”（“裂缯”，即撕丝织品），“合”（鼓掌），“击”（挥椎）。他认为发声第一必须有气：“气而后有声”，“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自生”；第二必须是“以形破气”，“气之一动”，“急冲急破，其声方起”，例如“击物”就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉”（《论气·气声》）。
　　关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在《论衡·变虚篇》中将鱼“动于水中，振旁侧之水”与人的“操行”（行动）引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”（《论气·气声七》）。他们明确指出：“气”被“冲”如同“水”被“激”，“荡气”与水的“文浪”相似，可从“一拳”依次“开”至“纵横寻（古8尺）丈”犹未止，只是“荡气”微小到听不见而已，这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟，在中国古代物理学中是很突出的。
　　关于共鸣现象的趣闻，庄子调瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验，喷水鱼洗的研究等，文献记载相当丰富。
　　（3）古代建筑中的声学效应
　　利用声学效应的建筑在中国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”（《墨子·备穴篇》）等，用陶瓮口向内砌墙可以隔音，在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。
　　近年来深入研究了山西永济县普救寺莺莺塔的蛙声。《西厢记》中“日午当庭塔影圆”，就是指此塔。该塔初建于隋唐，现存的塔重修于1564年明嘉靖年间，是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔，高36.7米，建于陡坡的高处，周围空旷，整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射系数达0.95～0.98，是声音的良反射体。塔身成空筒形，对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合，对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用，因而“于地击石，有声如吠蛙”。同样，远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近，使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声，犹如塔内有戏台。
中国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合，这也是中国古代物理学发展的根本特点之一。
中国古代对电现象的认识
中国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。
　　王充在《论衡·雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明代张居正（1525～1582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致入微的观察的基础上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了可靠而宝贵的文字资料。
　　在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基（1311～1375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。可见，当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。
　　尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，而矛、戟锋刃尖利，常常可导致尖端放电发生，因这一现象多有记述。如《汉书·西域记》中就有“元始中（公元3年）……矛端生火”，晋代《搜神记》中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用，中国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑，顶部设计十分精巧。除脊饰之外，曲率均不太大，这样的脊饰就起到了避雷针作用。每当雷雨时节，云层与金殿之间存在巨大电势差，通过脊饰放电产生电弧，电弧使空气急剧膨胀，电弧变形如硕大火球。其时雷声惊天动地，闪电激绕如金蛇狂舞，硕大火球在金殿顶部激跃翻滚，蔚为壮观。雷雨过后，金殿经过水与火的洗炼，变得更为金光灿灿。如此巧妙的避雷措施，令人叹为观止。
　　中国古人还通过仔细观察，准确地记述了雷电对不同物质的作用。《南齐书》中有对雷击的详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜，全属被融化。而窗户为木制，仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对类似现象叙述更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢（刚），就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也。”其实，只因漆器、刀室是绝缘体，宝刀、银扣是导体，才有这一现象发生。
　　在中国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉，《春秋纬》中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。《论衡》中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻，少年时曾听说“虎魄不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。琥珀价格昂贵，常有人鱼目混珠。南朝陶弘景则知道“惟以手心摩热拾芥为真”，以此作为识别真假琥珀的标准。南北朝时的雷敩在《炮炙论》中有“琥珀如血色，以布拭热，吸得芥子者真也”。他一改别人以手摩擦为用布摩擦，静电吸引力大大增加。西晋张华（232～300）记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电：“猫黑者，暗中逆循其毛，即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）。“皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。
近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，中国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。
1.磁石的吸铁性及其应用
　　中国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的《管子》中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的《吕氏春秋》中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。
　　中国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅书》说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而《椎南万毕术》（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512～518年）的《水经注》（郦道元）和另一本《三辅黄图》都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃人门”者就会被查出的记载。《晋书·马隆传》的故事可供参考：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败（“夹道累磁石，贼负铁镗，行不得前，隆卒悉被犀甲，无所溜碍”）。
　　古代，还常常将磁石用于医疗。《史记》中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。
　　磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其他金属，也早为中国古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。
　　2.磁石的指向性及其应用
　　在中国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器司南。《鬼谷子》中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的《韩非子》中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在《论衡》中记有“司南之杓（勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。
　　不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（990～1053）编撰的《武经总要》（1044年）在前集卷十五记载了指南鱼的使用及其制作方法：“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向……出指南车或指南鱼，以辨所向……鱼法，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。需要特别指出的是，这里极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时，温度超过居里点，磁畴瓦解，这时成为顺磁体。再用水冷却，磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴排列具有方向性，因而被磁化。还应注意到，“钤鱼首出火”时“没尾数分”，鱼呈倾斜状，此举使鱼体更接近地磁场方向，磁化效果会更好。从司南到指南鱼，无疑是一个重大进步，但在使用上仍多有不便。
　　中国古籍中，关于指南针的最早记载，始见于沈括的《梦溪笔谈》。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”。
　　南宋时，陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。
　　指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧（yù）的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A.Neckam，1157～1217）的《论器具》中。
　　3.其他与磁有关的自然现象
　　极光源于宇宙中的高能荷电粒子，它们在地磁场作用下折向南北极地区，与高空中的气体分子、原子碰撞，使分子、原子激发而发光。中国研究人员在历代古籍中业已发现，自公元前2000年到公元1751年，有关极光记载达474次。在公元1～10世纪的180余次记载中，有确切日期的达140次之多。在西方最早记载极光的，当推亚里士多德，他称极光为“天上的裂缝”。“极光”这一名称，始于法国哲学家伽桑迪。
　　太阳黑子，也是一种磁现象。在欧洲人还一直认为太阳是完美无缺的天体时，中国先人早已发现了太阳黑子。根据中国研究人员搜集与整理，自前165年～1643年（明崇祯十六年）史书中观测黑子记录为127次。这些古代观测资料为今人研究太阳活动提供了极为珍贵、翔实可靠的资料。
遗憾的是，关于磁的认识尽管极为丰富，而关于磁现象的本质及解释，往往又是含糊的，缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括，对磁现象也认为，“莫可原其理”，“未深考耳”，致使在中国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特《论磁》比美的著作。

　　力学知识起源于古代人对自然现象的观察和生产劳动中的实践经验，并逐步发展为生产技术和初步的自然哲理，这在东西方古代都是如此。
　　在中国古代，手工工艺技术成果远比经验性的理论总结突出得多，这是中国古代对力学研究的主要特点。从时间来看，大体可分为春秋战国、两汉、宋明三个高潮。
　　（1）春秋战国时期（公元前770～前221年）
　　公元前316年，蜀守李冰修建都江堰，“正面取水，侧面排沙”，其飞沙堰工程巧妙地利用了弯道环流，说明当时测河水流量、了解泥沙规律等水力学知识及水利工程已有相当的水平，成都平原二千多年来始终受益。
　　传为齐人著的《考工记》，是记录中国古代农具、兵器、乐器、炊具、酒具、水利、建筑等古代手工艺规范的专著，现存版本中如《裘氏》、《筐氏》、《雕氏》等篇内容已散佚。其中惯性现象的记述[“马力既竭，輈（zhōu，指车辕）犹能一取焉”］，车轮大小与拉力的关系（轮太低，马总是像上坡一样费劲），箭羽影响箭飞行速度的关系（“后弱则翔，中强则扬，羽丰则迟”），检验木料强度的经验方法[如“置而摇之，以视其蜎（yuān，蠕动程度）]，“横两墙间，以视其桡之均”，“横而摇之，以视其劲”），以及堤坝设计的经验尺寸等，都反映了中国当时的生产技术水平和经验知识水平。
　　与《考工记》几乎同时的《墨经》，则进一步得出一些初步的力学哲理（如“奋”、“衡”、“本”、“标”、“重”、“权”等），给力下了比较科学的定义：“力，刑（形）之所以奋也。”可惜这一形成科学的抽象思维进程在后世没有顺利继续下去。
　　这一时期是以记录与积累生产经验为主，也形成了初步哲理。
　　（2）两汉到五代时期（前206～960）
　　简单机械逐渐发展为精巧的或大型的联合机械，如张衡的水运浑天仪、候风地动仪，西汉未巧工丁缓（公元1世纪）的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架，祖冲之（429～500年）的水磨等等。
　　隋代造船业已很发达，如隋炀帝的龙舟已高40尺，宽50尺，长200尺。李春主持建造的河北洨河赵县安济桥（公元595～605年），跨度最大（37.02米），弧度最浅（拱矢高7。23米），至今1300多年，下沉水平差只有5厘米，说明实用结构力学发展的水平。浮力的利用甚多，如：浮桥的建造[唐李吉甫：“以船为脚，竹篾亘（gèn，横贯。）之”，“架黄河为之”]；东晋僧人惠远在庐山造莲花漏作为记时工具：“取铜叶制器，状如莲花，置盆水之上，孔底漏水，半之则沉”，即莲花漏由孔底进水到一半时就逐渐下沉，“每一昼夜十二沉”，非常巧妙。还有著名的曹冲称象故事，在陈寿著《三国志》卷二十及《江表传》中均有记载。
　　上述种种成就，集之于书的不多，北齐信都芳曾“集浑天、地动、攲器、漏刻诸巧事并画图名曰器准”，但已散失。
　　这一时期带有直觉经验型的物理哲理性著作是王充的《论衡》，在他的著作中对于运动的疾舒（快慢）、力与运动、物与运动、内力与外力的关系等作了叙述。其次是运动的相对性概念，晋天文学家束皙（261～303年）说过：“乘船以涉水，水去而船不徙矣”（《隋书·天文志》）；晋葛洪（283～363年），号抱朴子，在其著作《抱朴子·内篇·塞难》中说：“游云西行，而谓月之东驰。”《晋书卷十一天文志》更将这一相对运动的思想用于解释天体运行：“天旁转如推磨而左行，日月右行，随天左转，故日月实东行，而天牵之以西没。譬之蚁行磨石之上，磨左旋而蚁右去，磨疾而蚁迟，故不得不随磨以左回焉。”有极大价值的是至少成书于东汉时代的《尚书纬·考灵曜》（著者不详，收入明代孙毅编纂的《古微书》卷一《尚书纬》），该书在提出“地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋二分是其中矣”的同时，提出了著名论断：“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也。”这种对运动相对性的观点，《考灵曜》比伽利略的《对话》至少早约1500年。此观点说明中国古代物理思想达到过的高度。
　　这一时期在机械、水力等技术发展基础上物理思想活跃，但时物理现象很少作定量叙述。
　　（3）宋元明时期（960～1644）
　　中国古代技术成就极为丰富，但往往著述不详或流散失传，只知其名而不知其详，因而许多“巧器”历代都有人重新“创制”。如由仰韶文化时期尖底陶罐发展而成的攲器，“虚则攲，中则正，满则覆”（《苟子·宥坐》），是由于重心由高变低而又变高而致的，晋人杜预、南北朝祖冲之，魏、隋、唐、宋都有多人试制，指南车也有东汉张衡、三国马钧、祖冲之、宋燕肃、吴德仁等多人多次制成或未成。后魏时有郭善明与马岳同时研造，郭未成但妒嫉，见马岳垂成，便用毒酒杀之。而燕肃造这种凭靠齿轮传动使木人手指方向不变的指南车遇困难时，出门“见车驰门动而得其法”（宋陈师道《后山丛谈卷一》），这也是从机械原理中悟出的。可惜的是往往因古代人悟而未述或述而失传。记里鼓车也是利用传动，使车轮走满一里时有一齿轮转满圈并拨动小人打鼓一次。这说明中国手工制造中齿轮构造等工艺相当娴熟，但直到宋代才记载较详。
　　苏颂（1020～1101）和韩公廉1092年建成了中国古代最大型的先进天文钟楼“水运仪象台”，其结构详细载于苏颂《新仪象法要》中，它涉及天文、力学、机械制造，其中有相当于钟表擒纵器的“天衡”，是保证等时性的杠杆装置。元代郭守敬（1231～1316）在天文仪器制造的种类（简仪、仰仪、定时仪、日月食仪等十几种）、结构和精度方面达到很高水平。
　　宋代曾公亮（997～1087）在《武经总要》这一军事著作中除记载兵工机械、枪炮、军用油泵（“猛火油柜”）等外，还在《寻水泉法》中详载了虹吸管（“渴乌”），它在《后汉书·张让传》及唐代《通典》中都有记载，包括“取大竹去节”，“油灰黄蜡固封”竹首插入水中五尺”，烧火使“火气潜通”入水，“则水自中逆上”等。
　　河北石家庄隆兴寺的转轮藏建于北宋，人在台上绕轴走动时轮藏会缓慢地反向转动，这实际上是动量矩原理的应用。
　　宋应星（1587～1644（？））的《天工开物》是明代农业和手工业生产技术的百科全书，在卷十五《佳兵篇》中记述了测试弓弦弹力大小的方法：“凡试弓力，以足踏弦就地，秤钩搭挂弓腰，弦满之时，推移秤锤所压，则知多少”，方法十分巧妙。该书在中国失传300年，于1926年才由日本找回翻印本。
总的来说，中国古代力学知识与古代精湛的工艺技术往往密不可分，但各时期对技术知识的整理汇集、研究提高、保存流传都未受到重视，致使技术特别是科技理论不能代替人力形成明显的生产力，科举八股把教育与知识分子的注意力引到文字游戏或仕途官场上。一方面是大量生产知识与技术积累而又散失，缺乏系统整理，一方面是经验性的定性的力学概念始终带有思辨色彩（如“气”、“道”、“理”），缺乏数学的定量引用和系统实验的基础，因此经典力学理论只能等待西方传入。
中国古代的热学知识
　中国古代的热学知识大部分是生活和生产经验的总结。至今所知的古籍中对热的研究记载较少，还有待于进一步发掘。
　　火的利用和控制，使人类第一次支配了自然力，使人类文明大大前进了一步，同时，它也是古人对热现象认识的开端。中国山西省芮城西侯度旧石器的遗址，说明大约180万年前人类已经开始使用火。
　　对冷热的认识。约在公元前2000年，中国已有气温反常的记载，在两周初期，人们开始掌握降温术和高温术。据《周礼》记载，当时已设专人司贮冰事，冬季凿冰加以贮藏，到春、夏季用以冷藏食物和保存尸体。说明当时已利用天然冰来降温。中国冶炼业的发展较早，高温技术也很早被人们掌握。江苏省曾出土春秋晚期的一块铁，经科学分析，它是一块生铁，生铁的冶炼温度比熟铁高，需达摄氏千度以上。生铁的出土，说明在那时的高温技术已达到一定水平。
　　温度计还没有发明以前，古人在冶炼金属的实践中，创造了通过观察火候和火色来判别温度高低的方法。据《考工记》记载，在铸铜与锡时，随温度的升高，火焰的颜色先后变为暗红色、橙色、黄色、白色、青色，然后才可以浇铸。这种方法同样也应用于制陶工业。从现代科学分析，不同物质有不同的汽化点，因此从火焰的颜色可以判断所汽化的物质，从而判断温度的高低。对同一种物质，随着温度的升高，其颜色也先后有所变化。“火候”（包括火色）成了中国古代热工艺中一个内容丰富的特有概念。
　　除制陶和冶炼金属之外，中国古代还在农业中采用了控温技术。据《汉书·召信巨传》记载，西汉末年，中国己利用冬季栽培蔬菜，其方法是“覆以屋庑，昼夜蕴火，待温气乃生。”北魏时期，还利用熏烟的方法防止霜冻。
　　对冷热问题，东汉王充还曾从理论上加以探讨，在他的著作《论衡·寒温篇》中写道：“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”他把“气”作为物体之间进行“温”“寒”传递的物质承担者，还指出距离变远，“气”的作用渐小。这里已涉及热传递的理论问题，但它只是思辩性的，是中国“元气说”的一种应用。
　　对热是什么这一问题，中国古代也已注意到，南北朝成书的《关尹子》中认为：“外物”的来去是使瓦石一类物体发生寒热温凉之变的原因。而另一种说法见于据传可能为北齐刘昼著的《刘子·崇学篇》，则从“五行”观念出发，猜想物体寒、热、温、凉的变化是一种“内物”在起作用。这种所谓的“外物”或“内物”都是把热设想为一种实体物质，它类似于18世纪“燃素”和“热素”的观念。
　　热胀冷缩是重要的热现象之一，在中国古代对它已有所研究和利用。汉代《淮南万毕术》记述了这样一个现象：把盛水铜瓮加热，直到水沸腾时密闭其口，急沉人井中，铜瓮发出雷鸣般响声。这现象可能是发热物体在急速冷却时发生了内破裂，破裂声由井内传出，这是一个典型的热胀冷缩现象。元代陶宗仪曾亲自作热胀冷缩实验，他把带孔的物体加热以后，使另一个物体进入孔洞，从而这两个物体如“辘轳旋转，无分毫缝罅”。他明确指出，这是前一物体“煮之胖胀”的缘故。据《华阳国志》记载，李冰父子修建都江堰时，发现用火烧巨石，然后浇水其上，就容易凿开山石。这种利用岩石热胀冷缩不均从而易于崩裂的施工经验，在中国历代水利工程中不断为人们采用。
　　“云雾，雨之微也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨对水的物态变化，在中国古代也早有认识，例如对雨和雪形成的探讨，认为是由于“积水上腾”而造成。《论衡》中对此有明确的表述，寒则为雪。雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”此文说明露、霜、雨、雪是因为不同的温度由水冻凝而成，它们都是水由地面蒸发而产生的。汉代以后的古籍中，对雨、露、雪、霜成因的讨论更多，说明当时对物态变化的知识有了新的认识。汉代董仲舒从“气”的观念出发，解释雨、露、雪、霜成因的道理是：水受日光照射，蒸发成水汽，再在不同条件下形成雨、霰、雪等。从现在看来，这些分析也基本上是正确的。
　　中国古代，在生产和生活实践中，创制了利用热的各种器具。如宋代曾发明一种“省油灯”，在“灯盏一端作小窍，注清冷水于其中”，据说这种灯能“省油几半”。现在分析，文中所说加入冷水，目的是降低温度，避免油被灯火加热后急速蒸发，其中包含了对油的汽化和温度的关系的认识；据《淮南子》记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞”。这是关于“热气球”的最早设想，也是空气受热上升的具体应用。五代时期，据说还利用这一原理制成信号灯，所谓“孔明灯”也是应用了这一道理。关于走马灯中国古代有较多记载，有的古籍把它称作“马骑灯”、“影灯”。宋代《武林旧事》在记述各种元宵彩灯时写道：“若沙戏影灯、马骑人物、旋转如飞……”，这表明当时已利用了冷热空气的对流制造出各种各样的走马灯。
在中国古代，很早就出现了对热动力的认识和利用，唐代出现了烟火玩物，“烟火起轮，走绒流星”。宋代制成了用火药的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龙出水”的火箭，这些都是利用燃烧时向后喷射产生反作用力使火箭前进的道理，属热动力的应用，它是近代火箭的始祖，被世界所公认。
中国古代在声学上的贡献
在中国古代物理学中，声学的成就可以说是一技独秀，有特别加以记述的必要。
　　（1）乐器制作与乐律理论
　　中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器时代的遗物，这是迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期，见于《诗经》记载的乐器就有29种，其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、（革兆）（摇鼓）等，调频弹拨乐器有琴、瑟，管类乐器有箫、管、埙、笙等。《汉书·律历志》已将当时的乐器品种按质料分为八种：“土曰埙，鲍（木瓜）曰笙，皮日鼓，竹曰管，石日馨，金日钟，木日祝，丝曰瑟。”从众多出土的古乐器中，引人注目的是编馨和编钟。编馨是用特殊石头（如玉石）制成的具有若干固定音列的组合馨。1950年在安阳武官村出土的殷代大理石馨，82厘米×42厘米×2.5厘米，音色浑厚如铜；1970年在湖北江陵出土的楚国编馨25只，其形状已颇为规则，音域达三个八度。编钟是由一系列铜制的钟挂在木架上的组合钟。1978年在陕西扶风曾出土了西周的青铜编钟，1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟，一套共65件，总重2500余斤，总音域跨五个八度，12个半音齐全，音色优美，效果极佳，充分显示了中国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。
　　由于重视“礼、乐、术、数”，中国古代研究乐音数学规律的律学相当发达，《二十四史》有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声，西周编钟已刻有十二律（由于对乐音成组的认识，而产生十二律，其名称为：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟，黄钟为十二律中的第一律）中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的乐律计算法见于《管子·地员篇》中的“三分损益法”，约产生于公元前7～3世纪间，即将主音律的弦（或管）长三等分，取其两份（全管长的2／3，为损一），或增加一份（全管长的4／3，为益一），依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法，与欧洲当时以频率为准的“五度相生法”是成倒数关系的。16世纪末，朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是中国对音乐声学的重大贡献。
　　（2）声的传播与发声原理的探讨
　　据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载：陈遵在造江陵金堤（公元512～518）时，曾利用鼓声推算高地的高度，可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。
　　对于发声原理，东汉王充在《论衡·论死篇》中先说明人的语言是由于“气括口喉之中，动摇其舌，张合其口”而生的，然后推广到“箫笙之管，犹人之口喉也，手弄其孔，犹人之动舌也”。宋代张载（1020～1077）及明代王夫之（1619～1692）进一步形成“形”（物体）与“气”相冲突而发声的观点：“声者，形气相轧而成”。可以是“两气”相碰，如“谷响雷声之类”，“两形”相碰，“桴鼓所击之类”，“形轧气，羽扇敲矢（指羽扇生风、飞矢鸣镝）之类……气轧形，人声笙箫之类”（《张子正蒙注》）。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况：“冲”（“飞矢”），“界”（“跃鞭”），“振”（“弹弦”），“辟”（“裂缯”，即撕丝织品），“合”（鼓掌），“击”（挥椎）。他认为发声第一必须有气：“气而后有声”，“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自生”；第二必须是“以形破气”，“气之一动”，“急冲急破，其声方起”，例如“击物”就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉”（《论气·气声》）。
　　关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在《论衡·变虚篇》中将鱼“动于水中，振旁侧之水”与人的“操行”（行动）引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也，如其激水然。气与水，同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次而开，至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉，特微渺而不得闻耳。”（《论气·气声七》）。他们明确指出：“气”被“冲”如同“水”被“激”，“荡气”与水的“文浪”相似，可从“一拳”依次“开”至“纵横寻（古8尺）丈”犹未止，只是“荡气”微小到听不见而已，这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟，在中国古代物理学中是很突出的。
　　关于共鸣现象的趣闻，庄子调瑟时发现共振现象，沈括在弦共振时作纸人试验，喷水鱼洗的研究等，文献记载相当丰富。
　　（3）古代建筑中的声学效应
　　利用声学效应的建筑在中国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”（《墨子·备穴篇》）等，用陶瓮口向内砌墙可以隔音，在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔，四川潼南县大佛寺的石琴等。
　　近年来深入研究了山西永济县普救寺莺莺塔的蛙声。《西厢记》中“日午当庭塔影圆”，就是指此塔。该塔初建于隋唐，现存的塔重修于1564年明嘉靖年间，是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔，高36.7米，建于陡坡的高处，周围空旷，整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成，这些青砖的声反射系数达0.95～0.98，是声音的良反射体。塔身成空筒形，对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合，对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用，因而“于地击石，有声如吠蛙”。同样，远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近，使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声，犹如塔内有戏台。
中国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合，这也是中国古代物理学发展的根本特点之一。
中国古代对电现象的认识
中国古代对电的认识，是从雷电及摩擦起电现象开始的。早在3000多年前的殷商时期，甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。西周初期，在青铜器上就已经出现加雨字偏旁的“電”字。
　　王充在《论衡·雷虚篇》中写道：“云雨至则雷电击”，明确地提出云与雷电之间的关系。在其后的古代典籍中，关于雷电及其灾害的记述十分丰富，其中尤以明代张居正（1525～1582）关于球形闪电的记载最为精彩，他在细致入微的观察的基础上，详细地记述了闪电火球大小、形状、颜色、出现的时间等，留下了可靠而宝贵的文字资料。
　　在细致观察的同时，人们也在探讨雷电的成因。《淮南子·坠形训》认为，“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即雷电是阴阳两气对立的产物。王充也持类似看法。明代刘基（1311～1375）说得更为明确：“雷者，天气之郁而激而发也。阳气困于阴，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。可见，当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现。
　　尖端放电也是一种常见的电现象。古代兵器多为长矛、剑、戟，而矛、戟锋刃尖利，常常可导致尖端放电发生，因这一现象多有记述。如《汉书·西域记》中就有“元始中（公元3年）……矛端生火”，晋代《搜神记》中也有相同记述：“戟锋皆有火光，遥望如悬烛”。避雷针是尖端放电的具体应用，中国古代地采用各种措施防雷。古塔的尖顶多涂金属膜或鎏金，高大建筑物的瓦饰制成动物形状且冲天装设，都起到了避雷作用。如武当山主峰峰顶矗立着一座金殿，至今已有500多年历史，虽高耸于峰巅却从没有受过雷击。金殿是一座全铜建筑，顶部设计十分精巧。除脊饰之外，曲率均不太大，这样的脊饰就起到了避雷针作用。每当雷雨时节，云层与金殿之间存在巨大电势差，通过脊饰放电产生电弧，电弧使空气急剧膨胀，电弧变形如硕大火球。其时雷声惊天动地，闪电激绕如金蛇狂舞，硕大火球在金殿顶部激跃翻滚，蔚为壮观。雷雨过后，金殿经过水与火的洗炼，变得更为金光灿灿。如此巧妙的避雷措施，令人叹为观止。
　　中国古人还通过仔细观察，准确地记述了雷电对不同物质的作用。《南齐书》中有对雷击的详细记述：“雷震会稽山阴恒山保林寺，刹上四破，电火烧塔下佛面，而窗户不异也”。即强大的放电电流通过佛面的金属膜，全属被融化。而窗户为木制，仍保持原样。沈括在《梦溪笔谈》中对类似现象叙述更为详尽：“内侍李舜举家，曾为暴雷所震。其堂之西室，雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，共舍宛然。墙壁窗纸皆黔。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢（刚），就刀室中熔为汁，而室亦俨然。人必谓火当先焚草木，然后流金石。今乃金石皆铄，而草木无一毁者，非人情所测也。”其实，只因漆器、刀室是绝缘体，宝刀、银扣是导体，才有这一现象发生。
　　在中国，摩擦起电现象的记述颇丰，其常用材料早期多为琥珀及玳瑁。早在西汉，《春秋纬》中就载有“瑇瑁（玳瑁）吸衤若（细小物体）”。《论衡》中也有“顿牟掇芥”，这里的顿牟也是指玳瑁。三国时的虞翻，少年时曾听说“虎魄不取腐芥”。腐芥因含水分，已成为导体，所以不被带电琥珀吸引。琥珀价格昂贵，常有人鱼目混珠。南朝陶弘景则知道“惟以手心摩热拾芥为真”，以此作为识别真假琥珀的标准。南北朝时的雷敩在《炮炙论》中有“琥珀如血色，以布拭热，吸得芥子者真也”。他一改别人以手摩擦为用布摩擦，静电吸引力大大增加。西晋张华（232～300）记述了梳子与丝绸摩擦起电引起的放电及发声现象：“今人梳头，脱著衣时，有随梳、解结有光者，亦有咤声”。唐代段成式描述了黑暗中摩擦黑猫皮起电：“猫黑者，暗中逆循其毛，即若火星”。摩擦起电也有具体应用。据宋代的张邦基《墨庄漫录》记载：孔雀毛扎成的翠羽帚可以吸引龙脑（可制香料的有机化合物碎屑）。“皇宫中每幸诸阁，掷龙脑以辟（避）秽。过则以翠羽扫之，皆聚，无有遗者”。关于摩擦起电的记载还很多。
近代电学正是在对雷电及摩擦起电的大量记载和认识的基础上发展起来的，中国古代学者对电的研究，大大地丰富了人们对电的认识。
1.磁石的吸铁性及其应用
　　中国是对磁现象认识最早的国家之一，公元前4世纪左右成书的《管子》中就有“上有慈石者，其下有铜金”的记载，这是关于磁的最早记载。类似的记载，在其后的《吕氏春秋》中也可以找到：“慈石召铁，或引之也”。东汉高诱在《吕氏春秋注》中谈到：“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。在东汉以前的古籍中，一直将磁写作慈。相映成趣的是磁石在许多国家的语言中都含有慈爱之意。
　　中国古代典籍中也记载了一些磁石吸铁和同性相斥的应用事例。例如《史记·封禅书》说汉武帝命方士栾大用磁石做成的棋子“自相触击”；而《椎南万毕术》（西汉刘安）还有“取鸡血与针磨捣之，以和磁石，用涂棋头，曝干之，置局上则相拒不休”的详细记载。南北朝（512～518年）的《水经注》（郦道元）和另一本《三辅黄图》都有秦始皇用磁石建造阿房宫北阙门，“有隐甲怀刃人门”者就会被查出的记载。《晋书·马隆传》的故事可供参考：相传3世纪时智勇双全的马隆在一次战役中，命士兵将大批磁石堆垒在一条狭窄的小路上。身穿铁甲的敌军个个都被磁石吸住，而马隆的兵将身穿犀甲，行动如常。敌军以为马隆的兵是神兵，故而大败（“夹道累磁石，贼负铁镗，行不得前，隆卒悉被犀甲，无所溜碍”）。
　　古代，还常常将磁石用于医疗。《史记》中有用“五石散”内服治病的记载，磁石就是五石之一。晋代有用磁石吸出体内铁针的病案。到了宋代，有人把磁石放在耳内，口含铁块，因而治愈耳聋。
　　磁石只能吸铁，而不能吸金、银、铜等其他金属，也早为中国古人所知。《淮南子》中有“慈石能吸铁，及其于铜则不通矣”，“慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”。
　　2.磁石的指向性及其应用
　　在中国很早就发现了磁石的指向性，并制出了指向仪器司南。《鬼谷子》中有“郑子取玉，必载司南，为其不惑也”的记载。稍后的《韩非子》中有“故先王立司南，以端朝夕”的记载。东汉王充在《论衡》中记有“司南之杓（勺子），投之于地（中央光滑的地盘），其柢（勺的长柄）指南”。
　　不言而喻，司南的指向性较差。北宋时曾公亮与丁度（990～1053）编撰的《武经总要》（1044年）在前集卷十五记载了指南鱼的使用及其制作方法：“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向……出指南车或指南鱼，以辨所向……鱼法，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也”。需要特别指出的是，这里极为清晰地论述了热退磁现象的应用。当烧至通赤时，温度超过居里点，磁畴瓦解，这时成为顺磁体。再用水冷却，磁畴又重新恢复。这时鱼尾正对子位（北方），在地磁场作用下，磁畴排列具有方向性，因而被磁化。还应注意到，“钤鱼首出火”时“没尾数分”，鱼呈倾斜状，此举使鱼体更接近地磁场方向，磁化效果会更好。从司南到指南鱼，无疑是一个重大进步，但在使用上仍多有不便。
　　中国古籍中，关于指南针的最早记载，始见于沈括的《梦溪笔谈》。该书介绍了指南针的四种用法：水法，用指南针穿过灯芯草而浮于水面；指法，将指南针搁在指甲上；碗法，将指南针放在碗沿；丝悬法，将独股蚕丝用蜡粘于针腰处，在无风处悬挂。磁针的制作，采用了人工磁化方法。正是由于指南针的出现，沈括最先发现了磁偏现象，“常微偏东，不全南也”。
　　南宋时，陈元靓在《事林广记》中记述了将指南龟支在钉尖上。由水浮改为支撑，对于指南仪器这是在结构上的一次较大改进，为将指南针用于航海提供了方便条件。
　　指南针用于航海的记录，最早见于宋代朱彧（yù）的《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针”。以后，关于指南针的记载极丰。到了明代，遂有郑和下西洋，远洋航行到非洲东海岸之壮举。西方“关于指南针航海的记载，是在1207年英国纳肯（A.Neckam，1157～1217）的《论器具》中。
　　3.其他与磁有关的自然现象
　　极光源于宇宙中的高能荷电粒子，它们在地磁场作用下折向南北极地区，与高空中的气体分子、原子碰撞，使分子、原子激发而发光。中国研究人员在历代古籍中业已发现，自公元前2000年到公元1751年，有关极光记载达474次。在公元1～10世纪的180余次记载中，有确切日期的达140次之多。在西方最早记载极光的，当推亚里士多德，他称极光为“天上的裂缝”。“极光”这一名称，始于法国哲学家伽桑迪。
　　太阳黑子，也是一种磁现象。在欧洲人还一直认为太阳是完美无缺的天体时，中国先人早已发现了太阳黑子。根据中国研究人员搜集与整理，自前165年～1643年（明崇祯十六年）史书中观测黑子记录为127次。这些古代观测资料为今人研究太阳活动提供了极为珍贵、翔实可靠的资料。
遗憾的是，关于磁的认识尽管极为丰富，而关于磁现象的本质及解释，往往又是含糊的，缺乏深入细致的研究。就连被称作“中国科学史上的坐标”的沈括，对磁现象也认为，“莫可原其理”，“未深考耳”，致使在中国历史上，一直未能产生可与英国吉尔伯特《论磁》比美的著作。

19世纪以前的物理是经典物理，主要包括力、热、声、光、电磁等内容。
20世纪物理学进入近代物理，主要是进入了微观世界，新增加了原子核物理、半导体物理、凝聚态物理、等离子体物理、粒子物理、原子分子物理、激光,微光学等新兴学科。
现代物理应该是20 世纪末21世纪的物理学，是最近的物理学，应包括经典物理和近代物理的最新发展。
数学与物理学发展的历史渊源

　　物理学与数学关系密切，源远流长，在整个物理学和数学的历史中，它们之间的相互影响促进了许多发现和发明，数学提供了用来表达物理学的语言，而物理观测中有条理的认识有推动了表达这些认识的数学的发展。历史上许多著名的科学家，或者本身数学造诣甚高，或者对数学和物理学都作出了重要贡献。许多知名的数学家，也大多精通物理，数学家与物理学家、力学、天文学等科学家的完美结合，共同登上了一个又一个高峰。

　　让我们从三次科学革命历史中领略数学与物理学的渊源。

　　（一）第一次科学革命时期的数学与物理学

　　打开近代自然科学大门的科学家是波兰天文学家哥白尼。哥白尼18岁进入波兰克拉克夫大学学习天文，这所大学以天文学和数学著名于当时的欧洲。他在大学对天文学和数学有深入的研究。1946年，他留学文艺复兴的中心意大利，最初也以大小与顺序以托勒密地心体系为基础来修订天文学。但哥白尼对托勒密地心说产生了怀疑，开始考虑地球的运动。于是，他从地球运动的假定出发，经过长期的、反复的观测，终于发现：“如果其他行星的运动同地球运动联系起来考虑，并按每一行星的轨道比例来做计算，那么，不仅会得出各种观测现象，而且一切星体轨道和天球大小与顺序以及天穹本身，以至不能变动任何一部分而不在众星和宇宙中引起混乱。”
　　　　1503年，哥白尼从意大利回到波兰当牧师。为了验证他的新假定，他在教会的角楼上布置了一个简单的天文台，用自制的各种天文仪器，对月蚀、日食、日掩食、行星及其背景的位置变化作了长期的观测。并对观测的资料进行分析、整理，作了大量的数学计算，就这样，哥白尼在教会统治的黑暗中孜孜不倦的寻求光明。他三十年如一日，送走了无数个满天星斗的黑夜，迎来了多少黎明的曙光。他头发熬白了，眼睛也昏花了，但他辛勤的劳动换来了丰硕的劳动成果。他推算了太阳、月亮和五大行星的运行情况，重新测算了许多重要的天文数据。他观测后计算得出的数值的精确程度是相当惊人的。例如，他观测得出的恒星年的长度，也就是地球饶太阳公转一周所经历的时间是365天6小时9分40秒，比现代观测的精确值多30秒左右，误差百万分之一。他求出月亮到地球的平均距离是地球的60.3倍，现代观测的精确值是60.27 倍，误差只有万分之五。他计算得出行星到太阳和地球的距离的比值，误差不到千分之六，误差稍大的土星也不到百分之四。哥白尼所用的观测仪器都是自制的，十分简陋，再加上他观测天象的地理位置也不太好，纬度高、行星位置低，又近海边，雾气大，星象模糊，观测很困难。他是做了长期艰苦细致的观测，运用了高深的数学知识才得到这样精确得数据 ，使他的“日心地动说”建立在实践基础之上。通过这样细致的观测和精确得计算，哥白尼明确指出：地球不是宇宙的中心，它和别的行星一样，是一颗一面自转一面公转的普通行星。这个结论，显然与神权的理论基础“地心说”背道而驰。1543年，哥白尼出版了在科学史上具有历史意义的六卷巨著《天体运动论》，引起了人们在宇宙论上的重大变革。恩格斯对“天体运动论”给予高度评价，称它为自然科学的“独立宣言”。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　第一次科学革命以哥白尼的天文学革命开始，以伽利略、牛顿为代表的经典力学体系的建立为标志。经典力学是物理学史上第一次大综合，它不仅带动了当时和以后自然科学的发展，而且还促使近代机械自然观的产生。而这个大综合，首先是物理和数学的综合。牛顿，这个历史上最伟大的科学家之一，当时既是英国的物理学家，又是数学家、天文学家。在数学方面，他首先提出了“流数法”（即今微分学），并和莱布尼兹同时创立了微积分学，开创了数学上的一个新纪元。1687年出版了科学名著《自然哲学的数学原理》，用数学解释了哥白尼学说和天体运动的现象，阐明了运动三定律和万有引力定律等。继牛顿之后，集物理学家数学家天文学家于一身，其丰硕成果在科学史上产生重大影响的科学家是瑞士的欧拉（L.Euler 1707--1783 ）。欧拉在1733年被选为彼得堡科学院院士。在力学方面欧拉是理论流体力学的创始人；在光学方面，他研究光通过各种介质的现象和分色效应，提出了复杂的物镜原理，解决了像的最大亮度等计算问题；在数学方面，他是变分法的奠基人和复变函数的先驱者；在天文学方面也发表了许多论文。

　　欧拉之后，另一个在科学史上产生重大影响的科学家是法国的高斯（Gauss 1777--1855）。在物理学方面，高斯奠定了在平衡状态下液体理论的基础，他与法国物理学家韦泊一道建立了电磁学的高斯单位制。他发明了电磁铁电报机，研究了地磁场强度，并绘制出了地球磁场图。他在数学和天文学方面也有很大贡献。为纪念他的功绩，高斯单位制中磁感应强度单位就以他的姓氏命名。
正是由于物理学发展的先导作用，17世纪至19世纪中叶，物理引导数学前进，那时的数学还并不十分严谨，人们用数学结论在物理上的正确性来保证它在数学上似的正确性并时常提供一些物理意义上的论据以补数学论证之不足。除牛顿、欧拉、高斯外，在数学史上占有重要地位的伯努里、达朗贝尔、拉普拉斯、拉格朗日、傅立叶同时都在物理学天文学方面作出过重大贡献。继微分之后，微分方程、变分法、微分几何等数学分支也得到了蓬勃发展。18世纪出现的偏微分方程的研究，就是和物理问题融合在一起的。由于物理问题的需要，二阶偏微分方程先于一阶偏微分方程受到注意。

　　（二）第二次科学革命时期的数学与物理

　　18世纪下半叶到19世纪初，在第一次科学革命的基础上发生了第一次技术革命，它是以纺织机、蒸汽机的发明和应用开始的，蒸汽机的广泛应用，改变了整个工业的面貌。反之，生产技术的变革又推动了近代科学的发展，引发了19世纪中叶的第二次工业革命。这次工业革命以物理、化学、生物学为代表，其规模远元朝过第一次。近代物理学、数学、化学、生物学等等都是在这个世纪发展起来的。19世纪在物理学领域中出现了两个统一理论，一个是能量守恒与转化定律，另一个是统一的电磁场理论，这是继伽利略、牛顿的经典力学之后的自然科学史上第二次理论大综合。统一的电磁场理论又是物理与数学完美结合的一个硕果。

　　在电磁现象的研究中，英国物理学家和化学家法拉第是带路人。1831年，他通过多次实验，发现了电磁感应现象，并确立了电磁感应定律。1837年他引入电场和磁场的概念，反对“超距”作用并发现磁致旋光效应（法拉第效应）。1852年他又引入了电力线和磁力线概念。他在磁学上的贡献，得到了全世界的尊敬。

　　把法拉第场的概念引向深化的是英国的物理学家和数学家麦克斯维。如果说法拉第在发现电磁现象的实验中是一个杰出的能工巧匠，那么，麦克斯维则根据法拉第所结示出来的自然界的事实，给他配上了严密的理论框架。
在法拉第看来，电场和磁场都是物质，都是实际存在的、真实的、能感觉到的某种东西。法拉第摆脱了从牛顿以来超距作用的概念，但是，法拉第不是一个数学家，而麦克斯韦，有相当好的数学基础。

　　麦克斯韦的功绩归根到底在于他利用19世纪20年代和30年代数学家在理论力学方面的研究成果,从数学上详细研究了法拉第的关于磁和电的思想，把法拉第的力线模型转换成数学形式，使它更加准确和扩大，使之成为臻于完善的电动力学理论。1864年，麦克斯韦发表了《电磁场动力论》一文，在这篇文章中，他统一了电磁场，建立了电磁场的基本方程式，从理论上推断出电磁波的存在。

　　1871年，麦克斯韦又断定光波、热波都是电磁波的一种，本质上是一样的。就这样，麦克斯韦从法拉第的力线概念出发，经过坚持不懈的研究，得到一套完美的物理方程。这一理论概括了当时已发现的所有电磁现象和光现象的规律，从而奠定了电磁学的理论基础，使经典物理学里原来是分科别类的电学、磁学、光学，在麦克斯韦的统一电磁场理论下，构成了一座的，宏伟的大厦。著名的物理学家玻尔兹曼在谈到麦克斯韦方程时，重复浮士德的话说：“这种符号难道不是出自上帝之手吗？” 麦克斯韦电磁方程的创立，可以看盛典是从牛顿的引力场到爱因斯坦相对论这段时间里物理学史上最重要的理论成就，也是19世纪后半叶自然科学出现的两大高峰之一（另一座高峰是达尔文的进化论）。

　　（三）第三次科学革命以来的数学与物理学

　　19世纪末，由于X-射线（1895），放射线（1896），电子（1897）以及镭（1898）的发现，对经典物理理论产生了极大的冲击，促使物理学学发生了一次从20世纪开始，当时的一些大数学家如庞加莱、克来因、希尔伯特等，尽管学术倾向不尽相同，但都精通物理。爱因斯坦在创立狭义相对论与广义相对论的过程中就得到了数学家的有力支持。

　　狭义相对论的核心是空间和时间的统一性。本来作为一切基本形式的空间和时间之间的对立统一关系，不少哲学家曾作过深刻的分析，但是在科学上通过给出定量的数学表达式精确地揭示了空间和时间的统一性，以及空间的时间同物质运动的联系的则是爱因斯坦。爱因斯坦的新时空观通过他大学时代的教师、德国著名数学家闵可夫斯基的工作得到了重大的发展。1907年，闵可夫斯基用自已精通的几何学知识给爱因斯坦理论一个美妙的表达形式。他在通常的空间三个坐标（x,y,z）之外，引进了第四个坐标，这上一个以虚数来表示，以光速乘时间的乘积为尺度的坐标，这样，就可以直接用数学上原来不过是一种抽象概念的四维空间中的几何图形来表示一个物理事件[用(x,y,z,t)的函数来表示].在牛顿力学中时间是绝对的，它同代表空间的三个坐标之间毫无关系。在相对论中时间失去了独立性，它取决于空间位置和运动状态，时间坐标和空间坐标就不可分割地结合在一起。在闵可夫斯基空间中，空间距离和时间间隔各自不变性不再存在了，但两者的结合体仍然是不变的。

　　相对论不但引起了时空观的革命，在20世纪的人类生活中产姓了深远的影响。其中最突出的是关于物质质量的能量相对性的推论，它成为不久后发展起来的原子核物理现象和粒子物理学的理论基础。并且在理论上预示着原子能时代的必然到来。

　　在相对论论文发表后两年（1907年），在探索加速运动的相对性性过程中，爱因斯坦抓住了一个伽利略早已发现的极其简单的古老实验事实：在引力场中，一切物体（不论由何种质料组成，也不管质量大小）都具有同一加速度，也就是贯性质量的引力质量相等。这一事实，几百年来，一直没有引丐物理学家的注意，一直把它当作一个当然的基本事实，可是，爱因斯坦偏偏透过这一最基本事实，提出了一个称之为等效原理的假说：“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。”发现等效原理，爱因斯坦认为这是他“一生最愉快的思想”。通过等效原理，爱因斯坦发现，关于引力有本质这个历史上几没有人认真思索过的问题，只能希望从推广相对性原理而得来合理的理论解决。但是，要建立引力场理论，爱因斯坦当时所掌握的数学工具是不够的，这使他在以后几年的探索中没有取得重大进展。1912年，他在苏黎工业大学数学教授、他以前的同班同学格罗斯曼的帮助下，找到了一种适用的数学工具，这就是半个多世纪前由德国数学家高斯和黎曼建立起来的曲面几何，以及随后由意大利数学家里奇和他的学生勒维发展起来的绝对微分学（也称张量分析，是一种用于曲面的微分运算）。经过三年艰苦的努力，直到1915年11月25日爱因斯坦才最后建成广义相对论，提出了对于任何坐标变换都是协变（即广义协变）的引力方程。1916年初，他写了一篇完整的总结性论文《广义相对论基础》。由于黎曼几何和张量分析成了爱因斯坦创立广义相对论的理想工具，反过来又激发人们对这两面门数学科学的兴趣，从而极大推动了微分几何的发展。

　　广义相对论实质是一种引力理论，它把几何学同物理学统一起来，用空间结构的几何性质来表达引力场，使19世纪20年代分别由俄国数学家罗巴契夫斯基和匈牙利数学家玻耶独立建立起来的非欧几何获得了实际的物理意义。爱因斯坦的广义相对论不断为以后的物理学家的实验所证实。一些国知名的科学家，如英国皇家学会会长J.J汤姆逊，物理学家逖拉克等，称赞爱因斯坦的理论是“人类思想史中最伟大的成就之一”，爱因斯坦的引力理论“大概是已经做出的最伟大的科学发现”。

　　当代杨振宁等的规范场和陈省身等的纤维丛理论推动了现代数学和物理学的新结合。
　　
　　20世纪前半段，数学与物理学有分道扬镳的趋势，双方之间的信息交流有所梗阻，虽还有不少有名的数学家如赫曼、外耳、冯.诺伊曼、柯尔莫果洛夫等还对理论物理甚至具体的物理问题感兴趣而做出贡献。但总的来说，抽象数学之风日益鼎盛，到本世纪中叶法国布尔巴基数学学派的问世而登峰造极。果然，数学家埋头致力于自身学科的建设，本来是无可非议的事，但是，在两门学科之间存在一条难以逾越的鸿沟，却是对于双方极为不利的。物理学家往往希望多懂一些数学，苦于不得其门而入；而数学家则过于关注论证的严密性，对丰富多采的物理世界视而不见，也难以理解。但是毕竟物理学与数学之间存在有深刻的内在联系，这种相互隔阂的情况不可能长期的持续下去。

　　转机果然出现了，一方面来自理论物理学的新发展。50年代初，杨振宁等人复活了赫曼、外耳早就提出的规范场论，并赋予了新的物理内容，引起了物理学界的广泛重视。他们惊奇的发现，在微分几何中，像纤维丛这一类相当抽象的概念也具有具体的物理内容。鉴于规范场这个粒子物理中重要的理论和纤维丛这个重要的微分几何理论在本质上的惊人的共性，杨-米尔斯理论的奠基人杨振宁博士曾对纤维丛理论的奠基人、当代大数学家陈省身说：“规范场的方程是物理学者从19世纪的电磁学方程推广来的；惊人的地方是这些方程式后来发现和数学家的纤维丛观念有密切关系，……至于为什么自然界的各种力都要建立在几何学的纤维观念上始终是不解之迷。” 陈省身则引用著名物理学家威格纳的话：“数学在物理中用超乎常理的有效性来表达自己的惊奇。”陈省身认为，数学中纤维丛理论之所以能够超前描述物理之中的规范场，而使这种抽象理论与实际惊人结合的理由在于“科学本身的整体性”。

　　20世纪后半叶，正是由于物理学家和数学家的共同努力，物理学上孤子理论、混沌理论等得以建立和发展，而与之相应的数学，不仅仅是应用数学，作为应用数学的基础的“纯数学”也得到了飞速发展，它的发展趋势的显著特点之一就是从线性到非线性，混沌、分形、动力系统等研究迅速发展。物理学和数学的共同成果已渗透到其它的科学领域。现在，孤子、混沌和分形已经构成了现代非线性科学中具有共性的基本概念，往往可以在不同的学科领域中找到它们的踪迹，显示了物理学与数学相互作用的重新意义和“科学本身的整体性”。

2.3 量子场论
量子场论是量子力学和经典场论相结合的物理理论，已被广泛的应用于粒子物理学和凝聚态物理学中。量子场论为描述多粒子系统，尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统，提供了有效的描述框架。非相对论性的量子场论主要被应用于凝聚态物理学，比如描述超导性的BCS理论. 而相对论性的量子场论则是粒子物理学不可或缺的组成部分。自然界目前人类所知的有四种基本相互作用：强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用，引力。除去引力，另三种相互作用都找到了合适满足特定对称性的量子场论来描述。强作用有量子色动力学；电磁相互作用有量子电动力学，理论框架建立于1920到1950年间，主要的贡献者为保罗·狄拉克，弗拉迪米尔·福克，沃尔夫冈·泡利，朝永振一郎，施格，理查德·费曼和戴森等；弱作用有费米点作用理论。后来弱作用和电磁相互作用实现了形式上的统一，通过希格斯机制产生质量，建立了弱电统一的量子规范理论，即GWS（Glashow, Weinberg, Salam）模型。量子场论成为现代理论物理学的主流方法和工具。
为什么需要量子场论
量子场论发轫于对量子跃迁所发出的光谱强度的计算。 1925年马克思·玻恩和帕斯卡·约当首先考虑了这个问题。1926年, 马克思·玻恩，沃纳·海森堡和帕斯卡·约当通过使用正则量子化的方法，获得了忽略极化和源项的自由电磁场的量子理论。1927年，保罗·狄拉克给出了这个问题的第一个自恰的解决方案。对当时人们唯一知道的经典场－电磁场－的量子化不可避免地导致了量子场论的出现，因为理论必须处理粒子数改变的情况，例如体系从只包含一个原子的初态变为包含一个原子和一个光子的终态。
显然，对电磁场的量子化需要符合狭义相对论的要求。1928年约当和泡利证明，场算符的对易关系是洛仑兹不变的。1933年，尼尔斯·玻尔和Leon Rosenfeld将这些对易关系与测量类空间隔下的场的限制联系起来。狄拉克方程和空穴理论的发展促使人们将相对论中的因果性关系应用到量子场论中，并在Vladimir Fock工作的基础上由Wendell Furry和罗伯特·奥本海默完成了这一工作。将量子力学和狭义相对论结合起来是促使量子场论发展的第二个动机。这条线索对于粒子物理及标准模型的发展很是关键。
1927年约当将对场的正则量子化方法推广到量子力学中的波函数，并称之为二次量子化。1928年约当和Eugene Wigner发现Pauli不相容原理要求对电子场的量子化需要采用反对易的产生和湮灭算符。一致而且方便地处理多粒子系统的统计，是促使量子场论发展的第三个动机。 这条线索进一步发展为量子多体理论，并对凝聚态物理和核物理产生了重要的影响。
量子化一个经典场
正则量子化
场的正则量子化方法是粒子力学中的正则量子化方法向无穷多自由度系统的推广。 正则量子化是针对经典场而言的。首先将经典场纳入正则形式（即哈密顿形式），并得到其共轭场。量子化就是将经典场及其共轭场看作希尔伯特空间中的算符，并假设其满足一定的对易或者反对易关系式。
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相对论
相对论是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦创立，依其研究对象的不同可分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论和的提出给物理学带来了革命性的变化，它们共同奠定了近代物理学的基础。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。不过近年来，人们对于物理理论的分类有了一种新的认识——以其理论是否是决定论的来划分经典与非经典的物理学，即“非经典的＝量子的”。在这个意义下，相对论仍然是一种经典的理论。
狭义与广义相对论的分野
传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分野的标志。随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论被认为不能更好的反映问题的本质。目前一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。
狭义相对论

爱因斯坦在他1905年的论文《论动体的电动力学》中介绍了其狭义相对论。
狭义相对论建立在如下的两个基本公设上：
· 狭义相对性原理（狭义协变性原理）：一切的惯性参考系都是平权的，即物理规律的形式在任何的惯性参考系中是相同的。这意味着物理规律对于一位静止在实验室里的观察者和一个相对于实验室高速匀速运动着的电子是相同的。
· 光速不变原理：真空中的光速在任何参考系下是恒定不变的,这用几何语言可以表为光子在时空中的世界线总是类光的。也正是由于光子有这样的实验性质，在国际单位制中使用了“光在真空中1/299,792,458秒内所走过的距离”来定义长度单位“米”。
在狭义相对论提出以前，人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在。而爱因斯坦的相对论首次提出了时空的概念，它认为时间和空间各自都不是绝对的，而绝对的是一个它们的整体——时空，在时空中运动的观者可以建立“自己的”参照系，可以定义“自己的”时间和空间（即对四维时空做“3＋1分解”），而不同的观者所定义的时间和空间可以是不同的。具体的来说，在闵氏时空中，而如果一个惯性观者（G）相对于另一个惯性观者（G'）在做匀速运动，则他们所定义的时间（t与t'）和空间({x,y,z}与{x',y',z'})之间满足洛仑变换。而在这一变换关系下就可以推导出“尺缩”、“钟慢”等效应，具体见狭义相对论词条。
在爱因斯坦以前，人们广泛的关注于麦克斯韦方程在伽利略变换下不协变的问题，也有人注意到过爱因斯坦提出狭义相对论所基于的实验（如光程差实验等），也有人推导出过与爱因斯坦类似的数学表达式（如洛仑兹变换），但只有爱因斯坦将这些因素与经典物理的时空观结合起来提出了狭义相对论，并极大的改变了我们的时空观。在这一点上，狭义相对论是革命性的。
广义相对论
在本质上，所有的物理学问题都涉及采用什么时空观的问题。在二十世纪以前的经典物理学里，人们采用的是牛顿的绝对时空观。而相对论的提出改变了这种时空观，这就导致人们必须依相对论的要求对经典物理学的公式进行改写，以使其具有相对论所要求的洛仑兹协变性而不是以往的伽利略协变性。在经典理论物理的三大领域中，电动力学本身就是洛仑兹协变的，无需改写；统计力学有一定的特殊性，但这一特殊性并不带来很多急需解决的原则上的困难；而经典力学的大部分都可以成功的改写为相对论形式，以使其可以用来更好的描述高速运动下的物体，但是唯独牛顿的引力理论无法在狭义相对论的框架体系下改写，这直接导致爱因斯坦扩展其狭义相对论，而得到了广义相对论。
爱因斯坦在1915年左右发表的一系列论文中给出了广义相对论最初的形式。他首先注意到了被称之为（弱）等效原理的实验事实：引力质量与惯性质量是相等的（目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别）。这一事实也可以理解为，当除了引力之外不受其他力时，所有质量足够小（即其本身的质量对引力场的影响可以忽略）的测验物体在同一引力场中以同样的方式运动。既然如此，则不妨认为引力其实并不是一种“力”，而是一种时空效应，即物体的质量（准确的说应当为非零的能动张量）能够产生时空的弯曲，引力源对于测验物体的引力正是这种时空弯曲所造成的一种几何效应。这时，所有的测验物体就在这个弯曲的时空中做惯性运动，其运动轨迹正是该弯曲时空的测地线，它们都遵守测地线方程。正是在这样的思路下，爱因斯坦得到了其广义相对论。
系统的说，广义相对论包括如下几条基本假设。：
· 广义相对性原理（广义协变性原理）：任何物理规律都应该用与参考系无关的物理量表示出来。用几何语言描述即为，任何在物理规律中出现的时空量都应当为该时空的度规或者由其导出的物理量。
· 爱因斯坦场方程（详见广义相对论词条）：它具体表达了时空中的物质（能动张量）对于时空几何（曲率张量的函数）的影响，其中对应能都张量的要求（其梯度为零）则包含了上面关于在其中做惯性运动的物体的运动方程的内容。
因为在现有的广义相对论的理论框架下，等效原理是可以由其他假设推出。具體來說，就是如果時空中有一觀者(G)，則可在其世界綫的一個鄰域內建立的侷域慣性參攷繫，而廣義相對性原理要求該繫中的尅氏符（Christoffel symbols）在觀者G的世界綫上的值為零。因而现代的相对论学家经常认为其不应列入广义相对论的基本假设，其中比较有代表性的如synge就认为：等效原理在相对论创立的初期起到了与以往经典物理的桥梁的作用，它可以被称之为“广义相对论的接生婆”，而现在“在广义相对论这个新生婴儿诞生后把她体面地埋葬掉”。
如果说到了二十世纪初狭义相对论因为经典物理原来固有的矛盾、大量的新实验以及广泛的关注而呼之欲出的话，那么广义相对论的提出则在某种意义下是“理论走在了实验前面”的一次实践。在次之前，虽然有一些后来用以支持广义相对论的实验现象（如水星轨道近日点的进动），但是它们并不总是物理学关注的焦点。而广义相对论的提出，在很大程度上是由于相对论理论自身发展的需要，而并非是出于有一些实验现象急待有理论去解释的现实需要，这在物理学的发展史上是并不多见的。因而在相对论提出之后的一段时间内其进展并不是很快，直到后来天文学上的一系列观测的出现，才使广义相对论有了比较大的发展。到了当代，在对于引力波的观测和对于一些高密度天体的研究中，广义相对论都成为了其理论基础之一。而另一方面，广义相对论的提出也为人们重新认识一些如宇宙学、时间旅行等古老的问题提供了新的工具和视角。
对相对论的批评
相对论的提出，同样受到很多的指责，有很多人认为它是错误的，并大大阻碍了社会的发展。虽然这种观点得到不少物理学家的支持，然而这种批评并不被社会大众所接受。
注释
1. ↑ Robert.M.Wald, General Relativity, The University of Chicago Press, 1984
2. ↑ Synge L. Relativity, the general theory. Amsterdam: North-Holland Publishing Company, 1960.

3.1： 21 世纪
在物理里， M- 理论 (也叫U-理论) 是个被提议的“Master理论” ，让五个superstring theory 成一体。拿了一些string theory (包括 Chris Hall, Paul Towas and Ashoke Sen, Michael Duff 和 John H. Schwarz, Edward Witten (Institute of Advanced Study) 提议他的存在在一个会议在USC在 1995 年，然后用M-理论来解议一些以前所看到的dualities, 便到很多新研究在string theory叫“第二个弦理论的革命”( The second superstring revolution).

Some important equations:


Newton's Law of Gravitation
Maxwell



Euler-Lagrange







Schrodinger
Einstein

Hubble's Law



4.1：未来的发展
物理为来的发展是在很多方面上，在可以看到的为来很有可能也是会一样。物理里存在很多还没被解决的问题，一些是实验性的。由于以下的问题不是全部都能翻译成华文，我就用他们的英文名。
Cosmology
Accelerating universe+ Cosmological constant
Baryon asymmetry
Dark matter
Entropy (arrow of time)
High energy physics
Electroweak symmetry breaking
Neutrino mass
Proton Spin Crisis
Quantum chromodynamics (QCD) in the non-perturbative regime
Strong CP problem and Axions
Astronomy
Accretion disc jets
Corona heating problem
Gamma ray bursts (short duration)
Hipparcos Anomaly
Pioneer anomaly
Ultra-high-energy cosmic ray
Condensed matter physics
Amorphous solids
High-temperature superconductors
Sonoluminescence
Turbulence
Quantum gravity and cosmology
Quantum gravity
Black holes, Black hole information, Black hole radiation and structure
Extra dimensions
Cosmic inflation
Multiple universes
High energy physics
Hierarchy problem
Island of stability
Proton decay and Unification
Supersymmetry
Emergent phenomena
Quantum mechanics in the correspondence limit
Physical information
Theory of everything