近代物理学产生的背景
在学习了力学、热力学、电磁学和光学等经典物理的内容后，有必要复习一下经典物理的知识体系。在此基础上，我们将从历史的角度考察现代物理学的背景。
1.1 19世纪科学概述
现代自然科学出现在文艺复兴后期(15世纪)，伴随着资本主义，并成为其强大的支柱。16和17世纪是现代科学建立的时期，它开创了科学知识、科学思想和科学方法的新时代。尤其是物理学和天文学在17世纪达到了顶峰。此外，随着微积分的建立、血液循环的发现、显微镜的发明和化学元素概念的确立，数学、生物学和化学也取得了重大进展。
18世纪，科学发展缓慢。然而，18世纪随着英国工业革命(第一次技术革命)和法国*革命而载入史册。这两次伟大的革命显示了科学对社会的巨大影响，也为科学的进一步发展提供了强大的物质基础和强大的社会保障。《*宣言》说:“资产阶级在不到一百年的阶级统治中所创造的生产力，比以往任何时候所创造的生产力都要多，也要大。”法国大革命起源于启蒙运动，是人类历史上最彻底的反对封建专制的思想解放运动。其核心内容是科学和*。
经过18世纪的各种准备，19世纪成为科学技术全面发展的时期。在文化史上，19世纪被称为“科学世纪”，主要表现在以下几个方面:科学开始在生产中发挥指导作用，导致了第二次技术革命；许多科学部门开始从经验描述上升到理论概括，逐渐形成自己统一的整体。新的学科相继建立。各种科学之间的差距逐渐被填补。科学精神、科学思想和科学方法深入人心。
现代科学进入19世纪后半叶，出现了两个高峰:生物进化理论(1859年)和电磁理论(1864年)。每一个都显示了生命现象和物理现象的内在统一，显示了科学理论的巨大综合能力。这些成就使许多科学家认为科学的发展已经基本完成，特别是在理论相对成熟的物理学领域，这种情绪已经普遍出现。
在物理学发展史上，物理学理论有三个主要的综合。英国物理学家牛顿根据伽利略、开普勒、笛卡尔等人的工作，首次将物体的运动定律简化为三个基本运动定律和一个万有引力定律，从而建立了一个完整的力学理论体系。这样，他在一个严格统一的理论中总结了地球上物体(世俗的)和天体(天上的)的运动规律，这些规律过去是完全不相关的。这是物理科学，也可以说是人类认识自然历史上第一个理论综合。这一伟大成就使机械唯物主义自然观占据了主导地位。200多年来，它一直主导着整个自然科学领域。到19世纪中叶，牛顿力学已经显示出强大的力量。1846年海地星的发现完全证实了根据牛顿理论做出的预测。20世纪40年代能量守恒定律的发现揭示了各种形式的物质运动不仅可以相互转化，而且在数量上也有确定的关系。这样，力学、热学、化学甚至生物学都联系在一起，使牛顿力学成为各种物理科学的理论基础。这是物理学的第二次伟大综合。分子运动理论是这一伟大合成的产物。分子运动理论使用牛顿理论来研究大量的分子运动。这是人类首次进入微观领域进行定量描述。结果，从太阳、月亮、星星到分子原子的一切都被牛顿的理论体系所覆盖。法拉第和麦克斯韦电磁理论的建立结合了电、磁和光，完成了物理学的第三次大综合，为现代人类文明开辟了道路。尽管法拉第的一些思想已经超越了牛顿的框架，但它们在本质上仍然属于经典理论体系。
物理学的巨大成功使当时的许多物理学家相信，物理理论已经接近其最终完成，并且只能在未来进行详细的补充和发展。物理学已经达到了顶峰。
1.2 19世纪末的物理危机
正当人们欢呼经典物理学的全面胜利时，它的系统本身开始出现危机。不久之后，这些危机发展成了一场翻天覆地的革命风暴。
危机始于难以捉摸的媒介“以太”。1887年，孙鹤芝-莫雷发现“以太”的实验否定了以太的存在，这与震惊物理学家的理论预测相反。当时，一位著名的英国实验物理学家曾大声疾呼:“我们仍然期待第二个牛顿给我们一个关于以太的理论，它不仅包括电和磁的事实，光辐射的事实，而且还包括重力的事实。”为了告别旧世纪，英国最有影响力的科学家开尔文勋爵(原名威廉·汤姆孙)于1900年4月27日发表了题为《19世纪的云与热和光的动力学》的长篇演讲。这位保守的“元老”认为，在本世纪末的经典物理理论中出现了两种云。第一个是“以太网漂移问题”；然而，第二个云是一个与比热相关的能量均分定理。
事实上，到19世纪末，由于x光(1895)、放射性(1896)、电子(1897)和镭(1898)的发现，物理学的天空不再是两朵云，而是处于危险之中。这座建筑很有可能被雨水和山体填满。世纪之交，在经典物理学领域，几乎所有的原理和基本概念都受到了质疑和重新审视，如物质的惰性、能量守恒、原子的不可分割性和不变性、时间和空间的绝对性以及运动的连续性。第一个对当时的物理学危机进行全面深入分析的是法国数学家庞加莱。他在1905年出版的书《科学的价值》的第八章的标题是“当前数学物理的危机”。物理学正在酝酿一场伟大的革命。
1.3物理学革命的前奏
x光、放射性和电子的发现揭开了20世纪物理学革命的序幕。
x光的发现源于对阴极射线的研究。阴极射线是在真空放电的研究中发现的。这是当时广泛关注的一个中心话题。伦琴于1895年11月成为第一位诺贝尔物理学奖获得者，当时他发现了真空管发出的未知性质的辐射，而这是没有人发现的。但是他没有进一步了解x光的本质。
法国居里夫妇发现了放射性，揭开了原子物理学的大幕。新西兰物理学家卢瑟福根据用α粒子轰击原子的实验结果，提出了原子的核模型。辐射理论、核模型和元素的人工转换理论都来自他的开创性工作，他被尊为核物理之父。
x光的发现也促进了电子的发现，这是40年阴极射线研究的直接结果。它最终澄清了阴极射线的本质。英国物理学家汤姆森对阴极射线进行了定性和定量研究。他设计了一个巧妙的实验装置来证明阴极射线在电场和磁场中会发生偏转，并遵循与带负电粒子相同的路径。他测量的荷质比是氢+荷质比的1/1000。他无可辩驳地证实了阴极射线是由带负电的粒子组成的，所有物质的荷质比都是恒定的。因此，唐木孙得出结论，阴极射线粒子比原子小，是“构成所有化学元素的物质”。阴极射线粒子后来被重新命名为“电子”，由阴极射线粒子携带。
量子概念和相对论的建立是20世纪初物理学领域的一场革命。1.4量子概念的建立
黑体辐射研究开启了量子物理学的大门。德国的普朗克在1900年12月发表了他的论文“正常光谱辐射能量的分布理论”，给出了一个推测的黑体辐射定律及其理论基础:能量在辐射过程中不是连续的，而是“不可分割的”细流流被释放或吸收。
普朗克的量子理论是自牛顿以来自然哲学经历的最大和最深刻的变化。能量的量子思想奠定了现代微物理学的基础。
爱因斯坦在1905年提出了电磁能量的量子化，将光子引入物理学，建立了固体热容的量子理论，并解释了光电效应。爱因斯坦的量子化观点比普朗克的观点更进一步:辐射能在传播中也是离散的。基于普朗克的量子理论和爱因斯坦的光子概念，伟大的丹麦物理学家玻尔提出了原子能级和能级间电子跃迁的假说。1913年，弗兰克-赫兹实验用电子撞击原子，这直接证实了能级的存在。
德布罗意在1924年提出了波粒二象性假说，电子衍射实验证实了他的假说。薛定谔进一步扩展了德布罗意的概念，并在1926年提出了波动力学，后来与海森堡和玻恩的矩阵力学统一为量子力学。
因此，基于量子概念的量子力学在微观领域取代了经典的牛顿力学。
1.5狭义相对论的建立
本世纪初，除了普朗克的量子假说之外，物理学的另一个伟大成就是爱因斯坦的相对论。根据其深刻性和后果，物理学中相对论引起的世界观改革只能与哥白尼的宇宙理论引起的改革相提并论。
爱因斯坦在1905年德国科学杂志《物理年鉴》上发表了他的论文《论运动物体的电动力学》。本文对狭义相对论进行了相当全面的讨论。狭义相对论不是凭空出现的，而是在解决运动物体的电动力学问题的过程中形成的。
从19世纪中叶开始，物理学家们就想确认以太网的存在，这是电磁波传播的媒介。到19世纪末，被认为是最自我实现和最真实的是静态以太网模型，它填充了所有的空间，不参与物体的运动。静止的以太看起来像是一个绝对静止的参照系，而牛顿似乎在那些日子里研究物体相对于这个参照系的“真实”运动。
理论上，利用迈克尔逊和莫雷的实验，我们可以计算出地球相对于“以太”的“绝对”速度，但实际上我们得到了一个否定的结果:在任何过程中，地球相对于“以太”总是静止的。因此，绝对静态参照系的存在是被否认的。
运动物体的电动力学还有另一个方面。我们知道，牛顿力学方程的形式经过伽利略变换后保持不变，即牛顿力学方程相对于经典力学的变换形式是协变的。然而，麦克斯韦电磁场方程相对于经典力学的变换形式是非协变的，因此经典力学与电磁理论之间存在着差距。
爱因斯坦根据实验事实总结了两个假说:相对论原理和光速不变的原理。放弃以太的假设，得到洛伦兹变换，保持牛顿力学和麦克斯韦电磁场方程的协变性，从而建立狭义相对论。相对论主要是关于时间和空间的理论。牛顿力学是相对论力学的低速极限。