伽利略高明的地方，不光是他動(dòng)腦，他還動(dòng)手。1609年，他自己制作了一架望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡一開始可以放大八到九倍，后來可以放大到二十倍。他用望遠(yuǎn)鏡看天上的星星，發(fā)現(xiàn)了很多東西。首先，他發(fā)現(xiàn)月亮的表面并不是很光滑的，而是有高有低，毛毛糙糙的。第二，他發(fā)現(xiàn)有很多地方肉眼看上去沒有星星，但是用望遠(yuǎn)鏡看這些地方仍然有很多星星，然后他發(fā)現(xiàn)銀河是由很多星星構(gòu)成的。第三，他發(fā)現(xiàn)了天上的行星，像金星、水星、火星、土星、木星，這些也都是圓的。第四，他還發(fā)現(xiàn)木星竟然有四顆衛(wèi)星，就像地球有衛(wèi)星月亮一樣。伽利略的這些發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是對(duì)“地心說”的否定，而對(duì)“日心說”是一個(gè)很大的支持。所以，他的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是支持了哥白尼當(dāng)時(shí)“地球繞太陽轉(zhuǎn)”的學(xué)說。1610年9月，伽利略還發(fā)現(xiàn)了金星還有各種位相，這進(jìn)一步證明了“地心說”的錯(cuò)誤，而“日心說”正確。

當(dāng)然，伽利略不光是做了天文觀測，他還做了很多實(shí)驗(yàn)，比如傳說中他在比薩斜塔上面扔下兩個(gè)物體，一個(gè)重、一個(gè)輕，看到底它們下墜的速度是不是一樣的。所以，伽利略首先把實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合起來，用實(shí)驗(yàn)去證明一個(gè)理論或假說的對(duì)錯(cuò)，這是經(jīng)典物理或者說現(xiàn)代科學(xué)的開始。現(xiàn)代科學(xué)有一點(diǎn)很重要的，就是通過提出很多理論、假設(shè)，然后再做各種實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些理論、假說的對(duì)錯(cuò)。理論和實(shí)驗(yàn)符合，至少這兩者暫時(shí)是一致的，表明這個(gè)理論是對(duì)的。如果以后發(fā)現(xiàn)有新的實(shí)驗(yàn)跟它不符了，這時(shí)就要修改理論、假設(shè)。這是一個(gè)科學(xué)的方法，這個(gè)科學(xué)方法實(shí)際上是從伽利略開始的。

經(jīng)典物理的幾個(gè)最主要的物理學(xué)家代表，除了伽利略，還有哪些呢？一個(gè)是哥白尼，哥白尼提出地球是繞太陽轉(zhuǎn)的，而不是太陽繞地球轉(zhuǎn)的，這在當(dāng)時(shí)是離經(jīng)叛道的，是一個(gè)很重大的革命。還有一個(gè)是開普勒，開普勒是做天文觀測的，他提出了開普勒定律。

經(jīng)典物理學(xué)中最重要的一位科學(xué)家是牛頓，牛頓總結(jié)了力學(xué)的三大定律，叫牛頓三大定律。牛頓第一定律是慣性定律，是說一個(gè)物體如果不受外力作用，應(yīng)該保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是靜止的會(huì)繼續(xù)靜止，原來在做運(yùn)動(dòng)的會(huì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓第二定律的常見表述是：在加速度和質(zhì)量一定的情況下，物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成正比。牛頓第三定律就是作用力等于反作用力，這個(gè)大家也都知道。

牛頓不光是有三大定律，他還發(fā)現(xiàn)了萬有引力。一個(gè)重物為什么會(huì)掉在地上？實(shí)際上是地球?qū)λ奈?，使得這個(gè)物體掉下來。然后再進(jìn)一步，他知道了太陽、地球、月亮的作用力都是萬有引力。所以，牛頓奠定了經(jīng)典物理的基礎(chǔ)，這是牛頓對(duì)物理學(xué)的一個(gè)很重要的貢獻(xiàn)。

牛頓還有一個(gè)很重要的貢獻(xiàn)，就是他發(fā)明了微積分。我剛才說過，經(jīng)典物理有兩個(gè)標(biāo)志，一個(gè)是理論跟實(shí)驗(yàn)結(jié)合，一個(gè)是用定量的方法，用數(shù)學(xué)的方法來研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，而微積分就是里面很重要的一步，這是牛頓跟萊布尼茲分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的。所以，17世紀(jì)時(shí)，以上這一系列的輝煌成績，奠定了經(jīng)典物理的開始。

有位叫蒲柏的詩人曾經(jīng)有這么一首詩：“自然和自然律隱沒在黑暗中：上帝說，讓牛頓去吧！萬物遂成光明。”也就是說，原來我們對(duì)萬物的道理是不理解、不了解的，然后牛頓出來把這些東西都解釋清楚了。

經(jīng)典物理進(jìn)一步發(fā)展，又有了很多新的發(fā)現(xiàn)，比如熱力學(xué)第一定律，其推廣和本質(zhì)就是著名的能量守恒定律。熱力學(xué)的第二定律，如果把一杯冷水跟熱水倒在一起，最后兩杯水的溫度就會(huì)變得一樣，但是你不可能把這杯混合過的水分離成熱水和冷水。熱力學(xué)引進(jìn)了一個(gè)熵的概念，也就是說它是從商增加的。再進(jìn)一步，很多統(tǒng)計(jì)力學(xué)的概念也是經(jīng)典物理發(fā)展的一部分。

經(jīng)典物理的另外一個(gè)發(fā)展就是電磁學(xué)，形成了麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動(dòng)光學(xué)的基本問題。

所以，物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。然而，經(jīng)典物理仍然有兩個(gè)問題沒法解決，被稱為“晴空上漂浮著的兩朵烏云”。“第一朵烏云”出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，主要是指邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和以太漂移說相矛盾；“第二朵烏云”出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。一開始人們覺得這是不起眼的兩個(gè)小問題，我們用經(jīng)典物理是可以解決的。但是后來發(fā)現(xiàn)不是這么回事，僅從經(jīng)典物理的框架來解釋黑體輻射里面的一些問題是無能為力的，你必須要假定它的能量是量子化的。所謂的量子化，就是一份一份的，不是連續(xù)的。在原來人們的概念里，吸收能量和發(fā)出能量時(shí)，能量都是連續(xù)改變的。而所謂的量子論就認(rèn)為，吸收能量和發(fā)射能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份就是一個(gè)最小的能量單位，即量子。這個(gè)理論是由普朗克最先提出來的。這是量子論的開始。

而愛因斯坦提出相對(duì)論的時(shí)候，就解決了一些高速運(yùn)動(dòng)的物體相關(guān)的很多問題。這里面最關(guān)鍵的是什么呢？他提出了一個(gè)基本假設(shè)：在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的；真空中的光速在不同慣性參考系中都是相同的。他根據(jù)這兩個(gè)假設(shè)，最后提出了狹義相對(duì)論。當(dāng)然，狹義相對(duì)論并不完全是愛因斯坦一個(gè)人的功勞，他前面還有洛侖茲、馬赫等人。愛因斯坦把洛侖茲和馬赫這兩個(gè)結(jié)合起來，然后提出了狹義相對(duì)論。所以，近代物理的開端是狹義相對(duì)論和量子論。愛因斯坦在量子論方面也做出過重要貢獻(xiàn)，他認(rèn)為光子在散射過程中，光子的能量也是量子化的，也就是說它是一份一份的。

1927年，第五屆索爾維會(huì)議召開，這也是最著名的一次索爾維會(huì)議，這上面是很多大科學(xué)家的合影（如上圖），這些人奠定了近代物理的基礎(chǔ)。照片上很多人都是赫赫有名的。這時(shí)候愛因斯的相對(duì)論已經(jīng)不光是狹義相對(duì)論，他還提出了廣義相對(duì)論，廣義相對(duì)論基本上是愛因斯坦一個(gè)人的發(fā)展。照片上還有居里夫人，她發(fā)現(xiàn)了具有放射性的元素鐳。還有一位是普朗克，1927年已經(jīng)從量子論進(jìn)到量子力學(xué)，量子力學(xué)基本已經(jīng)建立起來了。也就是說，近代物理的標(biāo)志：一個(gè)是量子力學(xué)，一個(gè)是狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論，到1927年，近代物理的基本框架已經(jīng)基本都完備了。

這張圖表明了近代物理與經(jīng)典物理之間的關(guān)系。有了近代物理，并不表明經(jīng)典物理是沒用了。經(jīng)典物理在什么時(shí)候有用呢？上圖長方形方框內(nèi)是物理學(xué)的幾個(gè)分支領(lǐng)域：經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論力學(xué)、量子力學(xué)、量子場論是。橫坐標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)速度，如果運(yùn)動(dòng)的速度比光速差得很遠(yuǎn)，比如騎自行車、開汽車、噴氣式飛機(jī)等，這個(gè)時(shí)候我們適用的是經(jīng)典力學(xué)?？v坐標(biāo)表示物體的大小，如果研究的物體的尺度小到納米尺度了，這時(shí)候經(jīng)典力學(xué)就不適用了，我們就要用量子力學(xué)。也就是說，通常在日常生活里面，我們平時(shí)能接觸最小的是微米。一米有一百萬微米，一個(gè)微米的大小我們實(shí)際上是感覺不到的，有些有經(jīng)驗(yàn)的人可以感覺到有幾十微米的差度。一般平時(shí)接觸的事物我們叫宏觀世界，所以一般在宏觀世界、低速世界里（當(dāng)然這個(gè)低速世界并不低了，包括每小時(shí)一千公里的噴氣式飛機(jī)），我們的經(jīng)典物理都還是非常準(zhǔn)確的。只有到接近光速的時(shí)候，我們要用到愛因斯坦的相對(duì)論。然后非常小的時(shí)候，我們要用量子力學(xué)，比如我們要研究氫原子里的電子怎么運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)氫原子跟一個(gè)氧原子怎么結(jié)合形成水分子，這時(shí)候我們要用量子力學(xué)才能算得清楚。而如果是很大的物體，比如我們要研究一塊晶體，這時(shí)候一般我們用經(jīng)典力學(xué)就可以研究得不錯(cuò)；但是如果你要研究一塊晶體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程，這時(shí)候我們就要用量子力學(xué)了。也就是說，我們的研究對(duì)象如果不是做構(gòu)象，我們用經(jīng)典物理就很好了。如果又是高速，又很小，那這時(shí)候要用量子場論了，比如說我們?cè)谝粋€(gè)大對(duì)撞機(jī)里，兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞，兩個(gè)電子對(duì)撞，它們之間的散射，這個(gè)時(shí)候我們就要用量子場論了。