新学期第一课：一文读完百年物理学史
1921年，在爱因斯坦 （Albert Einstein）的协助下，卡鲁扎 （Theodor Kaluza）的论文终于发表。这是一篇关于物理学统一的论文。
卡鲁扎的想法非常吸引人。当时，已知有四维时空，即三维空间和一维时间，他设想如果宇宙中还存在第五个维度，那么他就可以将爱因斯坦新提出的引力理论——广义相对论 和麦克斯韦 （James Clerk Maxwell）的电磁理论统一起来。换句话说，他尝试将两种基本力——引力 和电磁力 统一在一起！
统一， 是物理学的主要目标。在过去的几个世纪里，物理学家一直在努力将各种不同的自然现象统一到单一的理论框架中。每当物理学家发现两种看似完全不同的事物，其实只是同一事物的两面时，都会带来巨大的科学飞跃。这样惊动人心的时刻，在卡鲁扎的尝试之前已经发生过几次。
物理学的第一次伟大的统一要回到1687年，牛顿 （Isaac Newton）在经历多年的思考之后，终于出版了巨著《自然哲学的数学原理》。他在书中提出了运动定律 、万有引力定律 ，以及从这些定律推导出的各种各样的结果。牛顿深刻地意识到，使苹果或其他物体落到地面的物理定律和支配行星绕着太阳旋转的定律是一样的，从而实现了天与地的统一 。
到了19世纪，物理学界其实发生了两次惊人的统一。
第一次鲜为人知，它发生在1830年代。当时，哈密顿 （William Rowan Hamilton）通过在费马原理和莫佩尔蒂原理之间建立数学等价，统一了光学和力学 。在那个时代，这看起来并没有什么。但50年后，哈密顿的思想为统计力学 奠定了基础；近100年后，它成了量子力学 的核心。
第二次伟大的统一众所周知，它来自麦克斯韦。1860年代，麦克斯韦统一了物理学的三个领域——电、磁和光 。此外，他还在统计力学的发展中发挥了关键作用，为未来量子力学的发展铺平了道路。麦克斯韦对物理学所作出的贡献通常被认为仅次于牛顿和爱因斯坦[1]
19世纪末，是经典物理学 的黄金年代。一些物理学家甚至认为当时已知的所有物理现象，都可以被现有理论解释。
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然而，这种自满并没有维持多久，物理学就迎来了天翻地覆的革命。
牛顿力学对自然进行了极好的描述，但它并不是普遍有效的，尤其是当我们谈论极快和极小的世界时。可以说，牛顿力学很好地概括了我们对世界的通常认知，但跨入20世纪的物理学，却在不断地打破常识。例如，当物体的运动得非常快，甚至接近光的速度时，牛顿力学就不再适用，取而代之的理论是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论 。
到了1907年，爱因斯坦的老师闵可夫斯基 （Hermann Minkowski）重写了狭义相对论。他在传统的三维欧几里得空间中，加上了第4个维度——时间。也就是说，他将过去独立的空间和时间统一成“时空” 。这又是一次美妙的统一！
狭义相对论适用于没有引力时的所有物理现象。1907年开始，爱因斯坦开始重新思考引力。他首先提出了等效原理 ，该原理指出加速度和引力是等价的 。爱因斯坦认为这是他“最幸福的想法”。几年后，他意识到等效原理意味着引力和几何之间存在着一种特殊的联系。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们引力是时空弯曲产生的结果。两年后，爱因斯坦将广义相对论应用于宇宙学研究上，开启了宇宙学的新篇章。
在爱因斯坦发展相对论的同时，物理学也在酝酿着另一场或许更加深刻的革命：
1900年，普朗克 （Max Planck）推导出黑体辐射公式；
1905年，爱因斯坦用光子的概念解释了光电效应；
1913年，玻尔 （Niels Bohr）提出了全新的原子模型；
1925年，海森堡 （Werner Heisenberg）等人创建了矩阵力学，也就是量子力学的第一个版本；
1926年，薛定谔 （Erwin Schrödinger）提出波动力学，这是量子力学的第二个版本。之后，狄拉克 （Paul Dirac）展示了矩阵力学和波动力学其实是等价的 ；
1927年，海森堡提出不确定性原理；
1928年，狄拉克将量子力学和狭义相对论相结合 来描述电子，他也奠定了量子场论 的基础。
1925年至1928年，一系列的发现建立了量子力学的基础。
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回到开头的故事，卡鲁扎成功了吗？虽然卡鲁扎的五维理论很诱人，但一个显而易见的问题是这第五个维度究竟在哪？1926年，克莱因 （Oskar Klein）给出了答案，这个维度卷曲成了非常小的圈，以至于我们根本看不到。他计算出，这个圈的直径只有10⁻³⁰厘米，这是比最小的原子还要小20个数量级以上的尺度。尽管克鲁扎和克莱因的理论最终没有成功， 但他们的思想却一直流传到今天。
到了上个世纪六十年代，物理学家发现了除引力和电磁力外的另外两种基本力——强力 和弱力 。很快，物理学家格拉肖 （Sheldon Glashow）、萨拉姆 （Abdus Salam）和温伯格 （Steven Weinberg）就成功地展示了电磁力和弱力其实只是电弱力的两面 。
之后，物理学家试图在更高的能量下，将电磁力、弱力和强力统一 。这样的理论被称为大统一理论 ，只是大统一理论的预言至今没有被验证。当然，物理学家的最终目标是统一所有四种基本力 ，换句话说，他们想要找到一个统一广义相对论和量子场论的“万有理论 ”。
除了这一终极目标外，今天物理学的上空充满了乌云，有许多的大问题都等待着被解决。
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在过去的100年中，相对论和量子力学的建立为物理学带来了全新的活力。
从理论成就上来说，物理学家发展了描述光和物质如何相互作用的量子电动力学 （QED），提出了解释常规超导体的BCS理论 ，发展了描述夸克和胶子间的强相互作用的量子色动力学 （QCD）……
在实验方面，物理学家在加速器中产生出了大量的新粒子并将它们归类，发现了整数和分数量子霍尔效应 ，创造出了玻色-爱因斯坦凝聚 ，捕捉到了广义相对论预言的引力波 ……
从观测角度上看，天文学家发现了宇宙正在膨胀 ，弥漫在宇宙中的微波背景辐射 ，恒星在死亡时演变成的白矮星 、中子星 和黑洞 ，来自太阳的中微子 ，太阳系之外的系外行星 ……
在技术上，物理学家发明了晶体管 、激光器 、发光二极管 、电荷耦合器件 、原子钟电子显微镜 ......
那么在接下来的100年，物理学又会带来哪些惊喜呢？我们或许可以预期核聚变迎来重大进展，有更多的探测器前往太阳系的各大行星（尤其是火星），量子计算机开始被用来解决一些最棘手的问题，以及更多与医学相关的重大进展等等。当然，更重要的是，我们希望能够实现更多的统一[2]！
附录
创作团队
策划：大大
文字：二宗主
设计：岳岳
排版：Takeko
参考来源
1. https://physicsworld.com/a/physics-past-present-future/
2. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3137
3. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/11075#t=toc
原标题：百年物理
来源：新原理研究所
编辑：观山不易、yrLewis
意大利40年物理学史
2021年，意大利物理和天文学史学会 （SISFA）一同庆祝它们的40岁生日，该协会成员如今已是ESHS 的机构成员，在1981年的4月和10月，在帕维亚的吉斯利里学院举行的两次会议上成立了国家历史协会，后来在1999年成为意大利天文学家协会。
该学会的一个重要特点是它在意大利大学物理系 中的诞生和发展，自1981年以来，SISFA的历史学家广泛发表文章，并在全国年度代表大会的会议记录中发表了1500多篇文章，并且这些会议记录还在不间断地继续下去。
正值40周年之际，我们在此简要叙述物理学史的科学、文化和制度经验是如何在意大利诞生和发展的，并简要讨论历史与意大利物理学家社区的关系。
意大利物理学家 对物理学史做出了开创性的专业贡献，1839年，第一届意大利科学家大会开幕，对这段历史进行了概述。1861年 国家统一后，在物理科学制度化的框架内，意大利科学进步学会 （SIPS）成立于1862年，意大利物理学会成立于1897年，出现了许多具有历史视角的书目作品，包括1881年关于意大利对电力贡献的3000篇论文。
伽利略和沃尔特 作品集的出版在很大程度上归功于具有科学背景的历史学家，1929年，物理学家安东尼奥·加尔巴索 （Antonio Garbasso）在佛罗伦萨 组织了第一次全国科学史展览，来自80个城市的9000多件展品提交。
然后在1930年，今天的伽利略博物馆 在佛罗伦萨成立，此后不久在帕维亚 建立了大学历史博物馆，瓦斯科·朗奇 （Vasco Ronchi）是加巴索 的助手，也是国家光学研究所的创始人和主任，也是有趣的《光彩故事》 的作者，他是1953年至1970年间国际科学史联盟的主席，并于1959年成为意大利科学史杂志《物理学》的第一任主任，该杂志旨在以奥尔多·米利 的工作为基础。
1941年，意大利科学史研究所在比萨成立，第一任导演是物理学家塞巴斯蒂亚诺·廷帕纳罗 ，物理学家和历史学家乔瓦尼·波尔瓦尼 （Giovanni Polvani）于1955年至1970年担任总统，并在意大利物理学史家的专业化中发挥了重要作用。
事实上，波尔瓦尼 一直强调物理学和物理学史 之间的联系，并努力克服人文和科学两种文化之间的差距，他是一位重要的意大利学者，也致力于历史研究，其中我们提到了亚历山德罗·沃尔塔 （Alessandro Volta）的完整科学传记和1948年关于奥塔维亚诺·莫索蒂 （Ottaviano Mossotti）的两卷，是波尔瓦尼与路易吉·加巴合著的。
波尔瓦尼 担任过许多机构职务，成为意大利物理学会 和国家研究委员会 的主席，后者他进行了改革，包括人文学科。
波尔瓦尼组织了伽利略诞辰400周年的庆祝活动，并在1966年至1967年期间组织了两次关于科学史学的相关会议，1961年批准了物理学位的新教学大纲，规定意大利仍然进行课程的统一和集中化，当然，物理学史和认识论的引入当然要归功于波尔瓦尼，虽然不是必修课，但对意大利物理学史的发展仍然有重要作用，官方声明断言：“物理学史的教学大纲显然必须包括物理思想和物理理论的演变，而不仅仅是事实和发现的连续性。”
根据合格讲师的形成，可以逐步引入，为了实现这一目标， 多莫斯伽利略图书馆 开始了一项开创性的培训活动，这要归功于卢多维科·杰莫纳特 ，他是意大利第一任科学哲学主席，也是建立科学史第一任主席（在人文学科）方面发挥了重要作用。
杰莫纳特 作品的成功和他的编辑活动对于改变该国的文化景观至关重要，许多成为新的意大利物理学史学家的人参加了杰莫纳特 在1973年至1975年在多莫斯的活动。
第二个相关趋势与1968-1969年的学生反抗密切相关 。在物理系，许多物理学家开始批评正在进行的研究，并对物理学持有社会和认识论的担忧，意大利物理学会 在1970年代初的国际会议讨论了这些新观点。
争论的问题是物理学的客观性与其历史性之间的关系。在意大利，1970年代初，内部主义者和外部主义者之间发生了一场文化战争：前者跟随卡尔·波普尔 （后来是伊姆雷·拉卡托斯），后者是托马斯·库恩 ，即使在十年末，物理学史课程也很少。
吉多·塔利亚费里 从1945年起担任波尔瓦尼 的助手，从1960年起在米兰担任实验物理学主席，1979年，他转任物理学史系主任，这是意大利第一个此类学科。
在1981年的两次帕维亚会议之后，1982年，塔利亚费里 （他是《有趣的数量统计的故事》的作者）成为新生的GNSF 的第一任主席（1982-1986），后来隶属于国家研究委员会 ，最终转变为SISFA。
该小组最初在博洛尼亚、热那亚、莱切、米兰、那不勒斯、巴勒莫、帕尔马、帕维亚和罗马 成立了分部，后来招募了更多的学者，1983年在都灵和帕多瓦 建立了新的部门，随后是佛罗伦萨和卡塔尼亚。
国家研究委员会的财政支持很小，尽管在1982年至1988年期间增加了三倍，此外，每个科室都可以依靠教育部 的财政支助，既在地方通过物理系提供，也在全国通过小组提供，后来，国家财政支持体系的重组虽然在物理学史引起动荡，但是也有利于研究小组的发展。
然而，从学术角度来看，物理学史在物理系逐渐成熟，从1980年代在罗马和热那亚 增加两个教席开始，到2000年左右达到约80名大学研究人员，尽管代际更替非常小。
大多数研究项目都集中在19世纪和20世纪的物理学史上，但有些项目也研究了早期，从1985年到1994年，该集团在意大利物理学会全国代表大会 期间举行了年度全国会议，值得注意的是与欧洲物理学会的关系：由于意大利的倡议，物理学史跨部门小组于1989年成立。意大利物理学史家也在DHST中发挥了作用。
不幸的是，在2000年代初期，SISFA的活动减少了，主要是由于几乎不存在代际更替和缺乏新的大学职位，然而，由于与意大利各大学出版社的合作，在重新燃起的热情、数字技术的新使用、新网站、在线讨论组、时事通讯、物理学史论文和论文奖以及论文集的快速出版的帮助下，2012年开始逐步改进。
同样重要的是学会的财务整合，以及与更强大的研究团体的合作：INFN（核物理），INAF（天体物理学）以及AIF（物理学校教师），SISM（数学史），SILFS（逻辑和科学哲学），SAIt（天文学）和SIA（考古天文学） 等社团。SISFA在欧洲科学史学会 （ESHS）中找到了理想的国际合作伙伴。
意大利物理学史家一直十分关注两个“应用”领域：文化科学传承和物理教育 ，在大学博物馆系统中修复、分析和展示了几处大学物理藏品，并保存和编目了古籍档案和藏品，国家研究委员会和教育部多年来提供了重要的财政支持。
在许多物理系和许多大学中，可以看到和研究这一承诺的结果，物理学史家在将这门学科应用于物理教育方面表现出了奉献精神。一方面，他们从理论上分析了这种方法的含义，从而建立了国家和国际组织、会议和期刊 。
另一方面，他们为教师开设课程，作为职前和在职教学大纲的一部分。无论是在机构层面还是在个别教师层面，结果都取得了惊人的积极成果，其中许多人重新组织了学校中旧乐器的收藏，并进行了受历史启发的教学重建。
40年后，我们可以说已经取得了大部分预期的结果，详细分析了18世纪以来的意大利物理学史，以及国际辩论的某些方面，为建立国际机构、期刊和研究中心 做出了贡献。
意大利的科学文化遗产得到了修复、分析和展示。物理学史已被应用于更新物理教育，并取得了相当大的成功，尽管目前可用的学术职位数量很少，但SISFA成员仍然非常活跃，在旨在克服两种文化鸿沟的工作中表现出热情和专业精神，同时强调文化遗产，他们继续表现出以高技术科学背景书写历史的能力，并就这些技术科学方面进行深入讨论。
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