公元一○○一年，人類對物理學的認識尚停留在希臘時代；到了公元一九○○年，古典物理學幾乎已臻完備，即將孕育出近代物理的兩大支柱：量子物理與相對論。這段歷時九百年的物理學發展史，有數以百計的重大發明發現穿插其間，結合而成古典物理的四大基石：力學、電磁學、光學以及熱學。不過對一般人而言，想對古典物理有個粗淺瞭解其實不難，需要認識的或許就是站在最高處的兩位巨人：

牛頓（Sir Isaac Newton，1643-1727） 與馬克士威（James Clark Maxwell，1831-1879）。

繼往開來的牛頓

古希臘的物理學在歷史洪流中險遭淹沒，直到十五世紀興起了文藝復興運動，當時稱為「自然哲學」的物理學才重獲新生。經過科學先知如哥白尼（N. Copernicus，1473-1543）、第谷（Tycho Brahe，1546-1601）、克卜勒（J. Kepler，1571-1630）、加利略（Galileo Galilei，1564-1642）、笛卡兒（R. Descartes，1596-1650）、達文西（L. da Vinci，1452-1519）等人的努力，一場科學革命蓄勢待發。在歷史千呼萬喚之下，終於出現牛頓這位不世出的物理奇才。

•生平

公元一六四三年一月四日（舊曆1642/12/25），牛頓這個遺腹子生於英格蘭林肯郡的一個農家。他自幼沉默寡言、個性倔強，最喜歡自己動手做小玩意，例如風箏、日晷、磨坊模型等。年紀稍長後，他對書本愈來愈有興趣，並且常愛沉思，以及做許多科學實驗。

牛頓於一六六一年進入劍橋大學三一學院，一六六五年獲得學士學位。同年由於倫敦發生瘟疫，遂於六月間返回故鄉。在一六六五、六六這兩年間，隱居鄉間的牛頓作出科學史上前所未有的重大貢獻，包括發明微積分及發現重力定律。

一六六七年牛頓重返劍橋，六九年起擔任劍橋大學的盧卡斯教席教授（目前該教席由著名的殘障物理學家霍金擔任）。後來由於厭倦教授生涯，遂於一六九六年謀得造幣廠監督之職，並於三年後升任廠長，因而在一七○一年辭去劍橋大學教職。由於他改革幣制有功，於一七○五年受封為爵士，但一般人都誤以為這個爵士頭銜來自其科學成就。早在一六七二年，牛頓便成為皇家科學院成員，一七○三年起直至一七二七年逝世為止，他一直擔任該學院的主席。

除了科學與政治的關注之外，牛頓中年時期曾醉心煉金術，晚年則投注許多心力研究宗教，甚至還出過專書。

•力學

古典物理中的力學可說是牛頓一手開創的，他繼承了許多前輩科學家的成果，匯集成一個完整的體系。

牛頓將自己的力學研究結晶，以拉丁文寫成《自然哲學之數學原理》一書三卷。該書第一版於一六八七年問世，其中最重要的理論便是「牛頓三大運動定律」與「重力定律」。其中三大運動定律的內容是（一）慣性定律：物體若不受力，則始終保持原有的運動狀態，即靜止或作等速度運動。（二）運動定律：物體受力必做加速度運動，其加速度正比於作用力，反比於物體的質量。（三）作用與反作用定律：甲物體對乙物體施力之同時，乙物體會對甲物體施以大小相等、方向相反的另一個力。

在三大運動定律的架構下，古典力學正式成為科學體系，其後又經達朗伯（J.L.R. d'Alembert，1717-1783）、拉格朗日（J.L. Lagrange，1736-1813）、哈密頓（W.R. Hamilton，1805-1865）等人的努力，終於演變成博大精深、兼容並包的「理論力學」。直到目前為止，理論力學仍是物理學中最嚴謹、最完善的一門，亦是許多新興物理學門的模範與榜樣。

而重力定律就是俗稱的萬有引力定律，認為宇宙間一切的物體都會互相吸引，這股力量正比於兩者質量的乘積，反比於兩者距離的平方（此即所謂平方反比律）。其後兩百多年，牛頓重力定律僅在數學式上有所推廣，物理意義則從未更動絲毫。一直要等到一九一五年，才由另一位不世出的天才愛因斯坦，在牛頓的基礎上發展出廣義相對論，利用彎曲的時空結構，為重力提供一個更深遂的物理意義。

牛頓曾謙稱：自己看得遠是因為站在巨人的肩膀上。在這個疊羅漢過程中，舉其大者，就有下列數位大科學家曾經為牛頓奠基。

☆哥白尼、第谷與克卜勒：十六世紀的丹麥天文學家第谷，曾對行星運動做了數十年的觀測，身後留下豐富的天文觀測數據。後來克卜勒藉由分析這些數據，才得以提出天文學上著名的「克卜勒三大定律」。其中第三定律說：對太陽系所有的行星而言，行星繞日周期的平方正比於繞日半徑的立方。雖然牛頓重力定律的靈感來自蘋果只是個傳說，但牛頓曾以克卜勒第三定律為階梯，則是個千真萬確的史實。

此外，若想對這些天文學線索追本溯源，就不能不提到日心說的首倡者哥白尼。

☆達文西與加利略：加利略於一六三八年出版《關於兩門新科學的對話暨數學證明對話集》，為文藝復興時代的物理學揭開序幕。支配西方物理思想兩千多年的亞里斯多德哲學，至此終結於加利略手中。加利略以實驗方法研究（自由）落體、慣性及加速度，等於為牛頓三大運動定律披荊斬棘。

至於加利略自己，則可說是站在達文西的肩上。達文西不但是一位藝術家與工程師，也做過包括落體在內的許多物理實驗。

☆笛卡兒：加利略對慣性的認識並不完全正確，正確的慣性定律首次出現於笛卡兒於一六四四年發表的《哲學原理》一書。至於牛頓對慣性定律的貢獻，則是將這個定律正確定位為力學的基本原理。

•光學

在牛頓之前，光學所累積的成就包括反射定律、折射定律、顯微鏡與折射式望遠鏡。牛頓對光學的貢獻則包括：發明沒有色散的反射式望遠鏡，發現白光由七彩色光組成，以及撰寫集大成的《光學》一書。此外牛頓以「粒子說」詮釋光的微觀結構，雖然遭到「波動說」數百年的圍剿，卻成了量子物理中「光子」的濫觴。

承先啟後的馬克士威

•生平

馬克士威於一八三一年六月十三日生於英國愛丁堡，從小聰慧過人。他十六歲便進入愛丁堡大學，三年後轉到劍橋大學，一八五四年以優異的成績自三一學院數學系畢業。數學長才加上敏銳的物理直覺，使他很快成為一位卓越的物理學家。自一八六○至六五年，馬克士威擔任倫敦國王學院的自然哲學與天文學教授。其後，他於一八七一年受聘為劍橋大學物理學教授，並負責籌建該校第一所物理實驗室─卡文迪西實驗室，且於七四開始擔任第一任主任。可惜天嫉英才，馬克士威享年僅四十八歲，於一八七九年逝世於劍橋。

•電磁學

身為物理學家，馬克士威最重要的貢獻，是他所提出的一組電磁學方程組「馬克士威方程組」。它由四個偏微分方程式組成（亦可轉換成積分方程式），每個方程式對應一個重要的電磁學定律，弔詭的是各定律皆非他所發現。當然，除了將四個定律放在一起，並寫成形式統一的數學式，馬克士威還做了些別的，才能在電磁學發展史上享有牛頓般的聲譽。在討論他真正的貢獻之前，必須先對馬克士威方程組有個基本的認識。

在馬克士威著手研究電磁學時，早已有許多物理學家在這個領域取得豐碩的成果。其中的重要人物包括吉伯（W. Gilbert，1544-1603）、富蘭克林（B. Franklin，1706-1790）、伽伐尼（L. Galvani，1737-1798）、伏打（A. Volta，1745-1827）、庫侖（C.A. de Coulomb，1736-1806）、奧斯特（H.C. Oersted，1777-1851）、安培（A.M. Ampere，1775-1836）、法拉第（M. Faraday，1791-1867）、歐姆（G.S. Ohm，1787-1854）、高斯（C.F. Gauss，1777-1855）等人。

當時的電磁學說分成兩大派，一派以安培為代表，堅信「超距作用」，認為電力或磁力的作用可跨越空間，並不需要任何媒介；另一派則以法拉第為領袖，認為這兩種力是「接觸作用」，亦即需要力線作為媒介。

馬克士威繼承法拉第的基本思想，但以「場」來取代假想的「力線」。利用電場與磁場作為基本物理量，他著手整理當時的電磁理論，以數學式精煉出四個定律，分別是電的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律，以及經他修正過的安培定律。原則上，宇宙間任何的電磁現象，皆為這四個定律所涵蓋。

（一）電的高斯定律：大數學家高斯最先導出的方程式，描述電荷與周圍電場之間的關係。這個定律的前身即著名的庫侖定律，但它屬於超距學派的定律，描述兩個帶電質點之間的作用力。庫侖定律等於是電學中的牛頓重力定律，甚至連公式都很類似。

（二）磁的高斯定律：這個方程式指出孤立的磁極絕不存在，即磁南極與磁北極一定總是成對出現。

（三）法拉第定律：這個方程式描述的是變動的磁場如何產生電場──這個現象是法拉第最偉大的物理發現。

（四）安培定律修正版：安培定律原本是描述電流如何產生磁場，馬克士威卻發現變動的電場也可以產生磁場。因此這個方程式所描述的，是磁場如何由電流與變動的電場共同產生。

馬克士威於一八五五年開始研究電磁學，發表上述方程組則是一八六四年的事。這十年當中，他所做的都是理論工作，即嘗試利用自己超群的數學天份，將前人的結果寫成正確的數學式。他所以能發現安培定律有漏洞，也是根據數學中的線索，也就是說他用數學導出了「變動的電場可產生磁場」這個結論。這點與他的良師益友法拉第完全不同，法拉第數學程度相當差，倚仗的是豐富的想像力與苦幹實幹的毅力。

然而馬克士威的數學魔術還不止於此，在提出這組完美的方程組之後，他進一步在這些數學式中尋找新的物理現象，結果竟然以紙筆推算出電磁波的存在，甚至連波速都算了出來。巧合的是，這個理論中的波速竟然和當時已知的光速非常接近，因此他做出一個大膽的假設：電磁波是真正存在的物理實體，而可見光是電磁波的一個特例。

遺憾的是，在馬克士威有生之年，始終未能見證電磁波存在的客觀證據。直到一八八七年，赫茲（H.R. Hertz，1857-1894）才在實驗室中製造並測得電磁波，進而量到電磁波的波長與波速。當然，實驗數據與馬克士威的預測完全符合。

在赫茲宣布實驗結果後不久，義大利工程師馬可尼（G. Marconi，1874-1937 ）與俄國的波波夫（A.S. Popov，1859-1906）同於一八九五年分別實現了遠距離無線電傳播。進入二十世紀後，電磁波的每個波段（包括無線長波、無線短波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線）都找到了實用價值，成為人類不可一日或缺的夥伴。

•熱學

熱學在此為熱力學、分子運動論、統計力學的泛稱，三者所研究的皆為與溫度有關的物理現象。從歷史發展觀之，這三門熱學支系各有千秋卻又相輔相成。最先出現的是巨觀的熱力學，緊接著是微觀的分子運動論，在這兩個理論的充分互動下，最後終於導致統計力學的誕生。而在這環環相扣的漫長發展中，馬克士威曾對分子運動論作出不朽的貢獻。

一八五九年，他首次在分子運動論中引進機率觀點，導出氣體分子的速度分布定律，即著名的「馬克士威速度分佈」，此乃由分子運動論邁向統計力學的一個重要里程碑。

主要參考資料：
《中國大百科全書：物理學》，中國大百科全書出版社
《物理學史》，郭奕玲、沈慧君合著，清華大學出版社

 

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