古典物理學

古典物理學 (Classical Physics)
國立臺灣大學電機工程學系 李晏如

物理學的理論會隨著時代的演進，這一切的推手很大一部分是實驗儀器的進步，這使人們可以量測得更加精準，或者是量測到過去所無法量測的現象。在十九和二十世紀的交界，一些新出現的實驗結果使得物理學界掀起了天翻地覆的波瀾。以此為界，大致上可以將物理分為古典物理 (classical physics) 和近代物理 (modern physics)。

若要將古典物理定義清楚，將近代物理一起討論也是必須的。但在此我們先敘述一些古典物理的豐功偉績，在力學 (mechanics) 方面最為人所津津樂道應是牛頓 (Isaac Newton, 1642-1727) 的力學定律，其以向量方程式優美的描述物理的運動方式，被後人稱為牛頓力學 (Newtonian mechanics)；接著在拉格朗日 (Joseph Louis Lagrange, 1736-1813) 的時代，那時物理學界流行著一種想法，相信自然界有著極小化某些特定物理量的傾向，拉格朗日受到這樣思想的起發，將原先的牛頓力學以簡潔的最小作用量呈現，把座標的概念變得更加廣義，被後世稱為拉格朗日力學 (Lagrangian mechanics)；其後哈密頓 (William Rowan Hamilton, 1805–1865) 將拉格朗日想法更進一步推廣，他將（廣義的）位置以及（廣義的）動量視為是彼此獨立的，成功的將力學的表示式以更加洗鍊的方式呈現，是為哈密頓力學 (Hamiltonian mechanics)。

在電磁學 (electromagnetics) 方面，馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831–1879) 成功的整合了過去在此領域的種種成果，以優雅但不失去一般性的方式陳列出他的四條電磁學方程式，現稱為馬克士威方程式 (Maxwell’s equations)。這四條方程式其中一個偉大的貢獻是成功的以純粹理論的方式計算出電磁波 (electromagnetic wave) 的傳播速度，很恰巧的，這個速度不偏不倚的是光速，這個巧合提供物理學家一個契機，將原先自立門戶的光學 (optics) 整合進電磁學中，從此光在物理學家眼中就是電磁波。

在熱力學 (thermodynamics) 方面，從種種實驗的結果歸納，最終純粹以現象學的方式，將自然界的熱性質以四條熱力學定律 (laws of thermodynamics) 加以描述，但是科學家對此並沒有感到滿足，在更加理論的基礎的企求下，以機率與統計的想法誕生出了統計力學 (statistical mechanics)，這個理論可以視為是在系統內部自由度極大時，所展現出了的一種巨觀集體表現。在這樣的架構下，原本的熱力學得到了充分的理論基礎，不再只是實驗觀察的累積。

以上算是以極短的篇幅，蜻蜓點水式的將古典物理世界中的成就稍加表述。這些理論在當時獲得各方實驗的支持，直到人們的實驗能力發掘出自然界的另一面。基本上上述這些古典物理的理論，在以下兩種情形下會漸漸失效，第一個是在運動速度變快，快到接近光速時；第二是在尺度變小，小到原子分子等級時。這時另外的兩種理論就得加入才行，狹義相對論 (special relativity) 和量子力學 (quantum mechanics)，以此二者衍生出來的種種物理是為近代物理，而所謂古典物理泛指不包含此二者的物理。

參考文獻

1. Classical physics – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Classical_physics
2. Newton’s laws of motion – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_laws_of_motion
3. Lagrangian – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Lagrangian
4. Hamiltonian mechanics – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Hamiltonian_mechanics
5. Marion, J. B., Thornton, S. T. (2003), Classical dynamics of particles and systems, Chapter 7, Academic Press.
6. Classical electromagnetism – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Classical_electromagnetism
7. Griffiths, D. J. (2012), Introduction to Electrodynamics Fourth Edition, Pearson.
8. Thermodynamics – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamics
9. Statistical mechanics – Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Statistical_mechanics