我们选择中学物理中三个有代表性的物理观念，对它们的演进做简要梳理。分别是机械观念的演进、光的波动与微粒观念的演进、以及运动守恒观和能量守恒观念的演进

一、机械观念

宏观物体在空间的位置变动称为机械运动。在物质的各种运动中，机械运动是最常见的，也是人们最早认识的。关于机械运动的认识，是最早上升到理性，最早被系统化。

所谓机械观，即以机械运动的特点和规律来说明物质世界的所有其他运动的观念，显然，机械观的物理基础就是牛顿力学。20世纪近代物理学发展以后，机械观由于新实验事实的冲击逐渐衰败，但即使是现代，牛顿力学在现代工程技术中仍然正常发挥着它的作用。

在20世纪以前，机械观至少流传了200多年。20世纪以前的机械观具有几个主要特点：1物质的粒子性，牛顿的原子模型长期影响着人们的物理观念，即认为原子具有不可分性、不可入性、不可变性；2运动决定性，即已知运动的初始条件和动力条件，就可以精确的预言粒子今后的运动；这种决定论，常称为机械决定论；3时空的绝对性，按照传统时空观，空间是绝对静止的，时间的测量与观测者的运动状态无关；4作用的泛力性，在牛顿力学的影响下，力的概念融入进方方面面，例如聚合力，发酵力，几乎所有的作用都泛滥力的概念。

众所周知，牛顿在前人基础上所总结出的三条运动定律，是机械运动最根本的定律，他们是经典力学的逻辑起点，由此可演绎出一系列的力学定理。机械观以牛顿力学体系为基础，因此从伽利略运动理论到牛顿力学的形成过程可以看做是机械观的形成过程。

很久以前，人们首先将“力”联系于物体的机械运动，力学最早来自简单机械的应用及各种静力学的知识。尽管很久以前就掌握了如何省力、施力以及平衡力的技巧，却长期不了解力的真正效果。古希腊的权威思想家亚里士多德就认为力是维持物体运动的原因，这使得西方约2000年没有获得力的正确的概念。

定量地得出力与运动之间普遍关系的是牛顿，而牛顿力学是在巨人的肩膀上建立起来的。这些前辈至少有四位：欧几里得，古希腊数学家，他的《几何原本》著称于世。牛顿的《原理》一书既用到了它的几何知识，也效仿了它的体系和风格；伽利略，意大利科学家，他发现了摆的周期性、运动的叠加性、及惯性、重力加速度是恒定的等重要规律，并提出了著名的伽利略相对性原理，奠定了动力学的基础，使力学走向精密的科学；开普勒，德国天文学家，他利用第谷积累了20多年的天象资料及自己的观察结果，发现了行星运动三定律，从而促成了牛顿的万有引力定律；笛卡尔，法国学者，他正确表述了惯性定律，首次提出动量守恒定律，他对牛顿的影响是多方面的，牛顿力学三定律可以说是对笛卡尔的修正。

此后机械观流行了200多年，到了20世纪近代物理学发展起来，在近代物理学里，物质的波粒二象性及由此产生的量子力学对机械观的冲击是最彻底的。量子力学放弃了轨道观念，因此也就放弃了机械决定论。现在机械观已经发展为新的机械观，新的机械观指的是生物里的机械观。这种观点认为生物学可以最终还原成物理学和化学。生物力学等学科也正在发展。

二、光的波动观念和微粒观念的历史演进

光学起源于视觉，其发展经历了微粒观念、波动观念、光子观念三大阶段；相应的，光学的研究范围从几何光学、物理光学，最后进入到量子光学。

柏拉图曾经说：器官之中，上帝首先创造了发光的眼睛。在古希腊和古埃及，不少人喜欢将眼睛与太阳类比，以为眼睛也是发光的，而视觉是由眼睛发出的视线所触发的感觉。这种思想长期影响着欧洲人，发射视线说虽然是无稽之谈，在历史上还是起过积极作用；西方的几何光学，就是依据视线及光线的直进特点，逐步发展起来的。

后来，光是由微粒组成还是某种介质中的波动，在西方曾经长期争论不休，声的理论和光的理论是相互促进彼此影响的，如果将18世纪以前有关声、光的知识作粗浅的比较，不难发现，对比的结果更有利于光的微粒说。

顿曾说过：难道光线不是发光物质放射出来的非常小的物体吗？因为，这样一类物体可以直线通过均匀的媒介，而这正是光线不会弯曲成影的本质。

微粒说不但轻易的说明了光的直进、反射，甚至还能够导出光折射时所满足的正弦比定律，并由此构成几何光学的基础，当时光学的应用，如放大镜、望远镜、显微镜以及绘画中的透视原理，无不隶属于几何光学。光的微粒观念一时之间深入人心。

再看光的波动观念。实际上，在17世纪60年代，已经有人发现了光的衍射现象，胡可还发现了薄膜颜色。1675年，牛顿自己也发现了薄膜干涉——牛顿环，但他认为光的微弱弯曲只在射线与物体非常接近时才有，是射线微粒与该物体相互作用的结果，不同于声波的衍射。由于牛顿学术上的声望，以及他在光的色散、颜色方面的出色研究，使得他对光的本性的看法，影响到微粒说在整个18世纪占有明显的优势。

一般认为，波动说是由惠更斯在1678年正式提出的，认为在波的传递过程中，每一个质点周围，都兴起了以该质点为中心的波，并且光同声一样是以球形波面传播的，并用来说明光的反射、折射和双折射现象。

波动说在18世纪内发展是缓慢的，一方面牛顿对光波的消极态度阻碍了波动说的研究，更主要的是，当时无法从波动说的观点来说明光的直进。

对光的微粒说第一个进行强有力的挑战的是英国学者托马斯杨，他从1800年后的三年内进行了有名的双缝干涉实验，明确提出波的叠加原理；严重挫败微粒说的则是菲涅尔，他通过实验和计算进一步指出衍射乃次波的干涉，他对惠更斯的补充形成的惠更斯-菲涅尔原理，用来说明光的直线传播；使微粒说一蹶不振的决定性实验是傅科在1850年分别测量了空气和水中的光速，结果表明他们的数值之比是4:3，即光在空气中的光速大于在水中的光速，有力的支持了光的波动说。

自从普朗克在处理黑体辐射问题时引入能量子概念后，爱因斯坦在1905年提出了光量子的概念：从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间中，而是有个数有限的、局限在空间个点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。光量子使光波又有了粒子性，这种粒子性既不能排除波动性也不能说明波动性，很多物理学家难以接受，为了使光量子的概念更具有说服力，1909年爱因斯坦进一步阐明光兼有经典意义的波动性和粒子性，即波粒二象性。

三、运动守恒观和能量守恒观的历史演进

物理学已经有了不少的守恒定律，一些是普遍有效的，甚至不限于物理过程，如质量守恒、能量守恒、电荷守恒等；另一些则只是在一定的范围内才成立，尽管各个守恒定律支配的领域有大有小，从根本上说，他们都在不同的程度上，从不同的角度反映了物质不灭或运动不灭。

所谓物质不灭，意味着物质在发生变化的过程中，物质的各个基本属性的不增不减。由于运动是物质存在的基本形式，运动不灭首先是物质不灭的逻辑结果。一般认为，质量守恒、原子数守恒、重子数守恒、轻子数守恒、电荷守恒等是物质不灭的主要标志，动量守恒、角动量守恒、能量守恒等被看做是运动不灭的重大表征。

那么运动到底怎样量度呢？运动的量度应该用质量与速度的乘积还是正比于质量与速度平方的乘积呢？在物理观念发展史上，这个问题一度形成很长时间的论战。

将运动守恒观念引入物理学的，首推笛卡尔，它的三条运动定律中，第三条讨论了两个物体之间的碰撞，他认为，一个物体“所丧失的运动与它传递给第二个物体的运动相等”，并且以质量和速度的乘积来表示“运动的量”，从而提出运动守恒原理（1644）。

莱布尼茨反对笛卡尔的上述观点，不同意在机械运动中“都用运动的量或物体质量及其速度的乘积来估量原动力的大小”（1686），他所谓的力或原动力，并不是今天大家所理解的力，而是“活力”，它正比于质量与速度平方的而乘积，相当于动能。这是因为，莱布尼茨主张用“产生速度的高度”来确定“力”，即物体从A点下落到B点以后，就在B点获得回升到A的力，由此，我们隐约能看到动能、重力势能以及他们相互转化等重要物理概念和物理观念的萌芽。

自此以后，关于（机械）运动量度的两种见解，展开了长达半世纪之久的论战。1743年达朗贝尔认为，这两种见解并不冲突，“在一物的运动中，我们能看清的只有两点：意识它通过了某一空间距离；另一是它通过该距离需要一定的时间”。这分别涉及了力的空间累计效应和时间累计效应。现在大家知道，动量定理联系于力的时间累计效应，动能定理联系于力的空间累计效应，它们从不同的侧面反映了运动的不灭性。

同样蕴含着守恒思想，与运动守恒观念的演进一脉相承的是能量守恒观念。1807年，英国托马斯杨，提出了能量观念，为能量守恒原理的建立奠定了基础。最初哲学上普遍存在那种把自然界割裂开的形而上学的观念。然而，从18世纪末到19世纪初，一些重大的发现都充分揭示了各种自然现象之间存在的普遍联系。例如，机械能和热能间的转化、温差产生电及其逆效应，电能产生温差、楞次定律建立电流的磁效应的发现、电解定律的建立等等。因此，到了19世纪中叶，欧洲，首先是法国，把各种自然现象看作为同一种力量的不同形式的哲学观念非常流行。到了19世纪40年代，至少5个国家、从事不同职业的十几位科学家几乎同时提出了能量守恒和转化定律。包括法国工程师卡诺；德国化学家李比希、物理学家霍尔兹曼；丹麦工程师科尔丁；英国物理学家、化学家法拉第，律师格罗夫等

能量守恒和转换定律的建立，主要在于自然界中物质的各种运动形态之间转化关系的认识及转化当量的确定，特别是热功之间的转化。所有这些转化中，热成为涉及最多的一个方面，诸如蒸汽机、热电偶以及电流热、化学热、动物热等，从而使热成为众多转化中的一个中心角色。热功大年的计算和测定也是重要的。卡诺、迈尔等人都分别测量过热功当量的大小，而精确的测定则主要归功于焦耳，“根据造物者的旨意，这些伟大的天然动力，都是不可毁灭的，而且无论在什么地方，只要使用机械力，就总能得到完全当量的热”。通过热功当量的计算和测量，人们逐渐形成了热与功在实质上的等当，它们都是被传递的能量这样的物理观念。正因为如此，能量守恒及转换定律又被称为热力学第一定律。运动不灭的思想及相应的守恒定律，即使在微观世界里仍然未得到丝毫违反。