第一章：“宏观”物理学的探索史，是你无法想象的美！
我相信每一个了解过物理学探索过程的人，都是会觉得这是一首晦涩的诗歌，这是一幅抽象的图，这是一场没有结局的战争，这是一个让无数青年才俊沸腾的天堂。
今天我带大家来走进宏观物理学的殿堂，来认识一下有哪些人在这个殿堂里留下了名字？ 他们说了什么？ 他们还有什么难言之隐？
我们知道物理学主要是研究物质、能量及它们彼此之间的关系。它是最早形成的自然科学学科之一。最早的物理学著作是古希腊科学家亚里士多德的《物理学》。形成物理学的元素主要来自对天文学、光学和力学的研究，而这些研究通过几何学的方法统合在一起形成了物理学。
自希腊远古时期 (公元前 650–480 年)，前苏格拉底哲学家逐渐理性地认识自然。 其中米利都的哲学家泰勒斯因为他拒绝以各种超自然，宗教或神话的方式解释自然现象，所以人们称他为科学之祖。此外，泰勒斯宣称每个事件皆有仅需诉诸自然的原因。
公元前 580 年，泰勒斯贡献良多，他推测水是万物之源，作磁铁与琥珀的吸引实验，并且形式化史上第一笔的天文学知识。作为史上首位提出演化思想而闻名的人，阿那克西曼德，并不同意泰勒斯的“水是万物之源”观点。他主张无穷才是万物的基石。
大家注意，无论是泰勒斯还是阿那克西曼德的观点，都是具有朴素的唯物主义观点的。水是万物之源的观点，类似中国的五行说。而无穷是万物基石的感念，和中国老子的道如出一辙。但老子的学说更形象化。所以古往今来，至今不衰。
大约于公元前 500 年，赫拉克利特主张只有少数几个掌控宇宙的基本定律才是万物变化的原理，并且，任何事物随时都在变化；没有事物能永恒地维持在相同状态中。这个观点在当时来说很前卫。
早期的哲学家，留基伯坚决反对神、上帝借由天意来影响自然现象，并主张任何自然现象都是必然的。留基伯与他的学生，德谟克利特，为史上首先提出原子论的人，主张任何一切物质皆由各种不可分割、不灭的称作原子的元素所组成。
在经典希腊时期以及希腊化时代，亚里士多德写下史上第一本被称作物理学的书，日后成为著名的亚里士多德物理学，他企图借由四元素解释物体的运动（以及落体现象）。亚里士多德相信，所有物质都由以太，或另外的四元素所组成：土、水、风、火。
根据亚里士多德，这四个陆地上的元素能够相互转换，并且朝向它们各自的自然位置移动。因此，石头往宇宙中心【即地球中心】坠落，但火总是往地球外围靠近。
虽然亚里士多德的很多理论在现在人看来是错误的，但我们不能否认人类的认识就是从他的基础上，不断深化，否定又肯定，否定又肯定，才有了我们现在的物理学体系。
先是经典物理学迅速发展起来，经典物理学指的是不涉及到量子力学或相对论的物理学，例如，牛顿力学、热力学、麦克斯韦电磁学等等。
而经典物理学，绕不开谈力学。力学是最原始的物理学分支之一，而最原始的力学则是静力学。静力学源于人类文明初期生产劳动中所使用的简单机械，如杠杆、滑轮、斜面等:。
古希腊人从大量的经验中了解到一些与静力学相关的基本概念和原理，如杠杆原理和阿基米德定律，这是我们初中学习的内容。
从1609至1619年期间，天文学家约翰内斯·开普勒先后发现开普勒行星运动三大定律，准确估算出从天文观测获得的行星绕着太阳的公转数据，总结了他的老师第谷·布拉赫毕生的观测数据。他的贡献为人类进一步研究天体物理，和后来的牛顿万有引力打下了良好的基础。
到了17世纪，自然哲学家逐渐展开了一场针对中世纪经院哲学的进攻，他们持有的观点是，从力学和天文学研究抽象出的数学模型将适用于描述整个宇宙中的运动。被誉为“现代自然科学之父”的意大利物理学家、数学家、天文学家伽利略·伽利莱就是这场转变中的领军人物。
伽利略所处的时代正值思想活跃的文艺复兴之后，在此之前列奥纳多·达芬奇所进行的物理实验、尼古拉斯·哥白尼的日心说以及弗朗西斯·培根提出的注重实验经验的科学方法论都是促使伽利略深入研究自然科学的重要因素，哥白尼的日心说更是直接推动了伽利略试图用数学对宇宙中天体的运动进行描述。
伽利略意识到这种数学性描述的哲学价值，他注意到哥白尼对太阳、地球、月球和其他行星的运动所作的研究工作，并认为这些在当时看来相当激进的分析，将有可能被用来证明经院哲学家们对自然界的描述与实际情形不符。
伽利略进行了一系列力学实验阐述了他关于运动的一系列观点，包括借助斜面实验和自由落体实验批驳了亚里士多德认为落体速度和重量成正比的观点，还总结出了自由落体的距离与时间平方成正比的关系，以及著名的斜面理想实验来思考运动的问题。他在1632年出版的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中提到：“只要斜面延伸下去，球将无限地继续运动，而且不断加速，因为此乃运动着的重物的本质。”。伽利略在天文学上最著名的贡献是于1609年改良了折射望远镜，并借此发现了木星的四颗卫星、太阳黑子以及金星类似于月球的相。
可以夸不夸张的说，很多现代物理学大咖们都是受伽利略的影响最深。他的实验方法，他的理论都是经典物理的基础，基石。牛顿据此建立了牛顿三大定律；爱因斯坦通过深刻了解惯性，惯性系和运动的关系，建立了狭义相对论。
1687年，英格兰物理学家艾萨克·牛顿出版了《自然哲学的数学原理》一书，这部里程碑式的著作标志着经典力学体系的正式建立。牛顿在人类历史上首次用一组普适性的基础数学原理——牛顿三大运动定律和万有引力定律——来描述宇宙间所有物体的运动。
牛顿放弃了物体的运动轨迹是自然本性的观点（例如开普勒认为行星运动轨道本性就是椭圆的），相反，他指出，任何现在可观测到的运动、以及任何未来将发生的运动，都能够通过它们已知的运动状态、物体质量和外加作用力并使用相应原理进行数学推导计算得出。
伽利略、笛卡尔的动力学研究（“地上的”力学），以及开普勒和法国天文学家伊斯梅尔·布里阿德在天文学领域的研究（“天上的”力学）都影响着牛顿对自然科学的研究。（布里阿德曾特别指出从太阳发出到行星的作用力应当与距离成平方反比关系，虽然他本人并不认为这种力真的存在）。
1673年惠更斯独立提出了圆周运动的离心力公式（牛顿在1665年曾用数学手段得到类似公式），这使得在当时科学家能够普遍从开普勒第三定律推导出平方反比律。
罗伯特·胡克、爱德蒙·哈雷等人由此考虑了在平方反比力场中物体运动轨道的形状，1684年哈雷向牛顿请教了这个问题，牛顿随后在一篇9页的论文中做了解答。在这篇论文中牛顿讨论了在有心平方反比力场中物体的运动，并推导出了开普勒行星运动三定律。
其后牛顿发表了他的第二篇论文《论物体的运动》，在这篇论文中他阐述了惯性定律，并详细讨论了引力与质量成正比、与距离平方成反比的性质以及引力在全宇宙中的普遍性。这些理论最终都汇总到牛顿在1687年出版的《原理》一书中，牛顿在书中列出了公理形式的三大运动定律和导出的六个推论（推论1、2描述了力的合成和分解、运动叠加原理；推论3、4描述了动量守恒定律；推论5、6描述了伽利略相对性原理）。由此，牛顿统一了“天上的”和“地上的”力学，建立了基于三大运动定律的力学体系。
所以大家可以看到，一个伟大的理论的诞生，往往不是一个人可以的。每个人的理论都是在他人的理论之上创新的。
牛顿的原理引起了欧洲大陆哲学家们的争议，他们认为牛顿的理论对物体运动和引力缺乏一个形而上学的解释，从而是不可接受的。
从1700年左右开始，大陆哲学和英国传统哲学之间产生的矛盾开始升级，裂痕开始增大，这主要是根源于牛顿与莱布尼兹各自的追随者就谁最先发展了微积分所展开的唇枪舌战，在此不作详细说明。
牛顿的理论体系是建立在他的绝对时间和绝对空间的假设之上的，牛顿对时间和空间有着如下的理解：
1、绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何外界事物无关地流逝着。
2、绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。
牛顿从绝对时空的假设进一步定义了“绝对运动”和“绝对静止”的概念，为了证明绝对运动的存在性，牛顿还在1689年构思了一个理想实验，即著名的水桶实验。
在水桶实验中，一个注水的水桶起初保持静止。当它开始发生转动时，水桶中的水最初仍保持静止，但随后也会随着水桶一起转动，于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状，直到最后和水桶的转速一致，水面相对静止。牛顿认为水面的升高显示了水脱离转轴的倾向，这种倾向不依赖于水相对周围物体的任何移动。牛顿的绝对时空观作为他理论体系的基础假设，却在其后的两百年间倍受质疑。特别是到了十九世纪末，奥地利物理学家恩斯特·马赫在他的《力学史评》中对牛顿的绝对时空观做出了尖锐的批判。而爱因斯坦从马赫原理收到启发，在狭义相对论的基础上，创立了广义相对论。
在此期间，热力学的发展也非常迅速。我们知道热学起源于人们对热现象的概念和本性的研究，热和温度的概念是在伽利略发明了温度计之后逐渐理清的。
而人们最初对热的本性的认知可以用所谓“热质说”来概括，即热是一种会从高温物体流向低温物体的物质，同时根据实验结果，热这种物质没有质量，它被称作“卡路里”。
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