经典物理学并不等同于牛顿的经典力学，经典物理学，是以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理体系。经典物理学的建立，标志着真正意义上的物理学诞生，物理研究进入系统后、理论化、实验化。在这之前物理研究都属于经验物理，也就是通过直觉观察与哲学的猜测性思辨。

经典力学： 人类对自然界认识史上第一次理论大综合

1564年2月15日，一个伟大的人物诞生了，那就是伽利略，他虽然是学医出身，但是却对数学、物理和仪器制造非常感兴趣，尤其以数学和物理见长。他在22岁的时候写出了论文《天平》。引起全国学术界的注意，人们称他为“当代的阿基米德”。而到了 25 岁的时候，因为一篇论固体的重心的论文，被比萨大学聘为教授，由此开始了自己的学术生涯。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律，不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法，当然，也遭到了残酷的迫害，所以说，伽利略在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献，由此被称为“近代科学之父”。

伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。伽利略还对物体在斜面上的运动，抛射体的运动等作过实验和观察。在这些研究基础上他提出了加速度的概念及其数学表达式。

可以说伽利略对16、17世纪的自然科学的发展起了重大作用 ，改变了人类对物质运动和宇宙的认识。尤其是他第一次提出了惯性概念，提出了惯性和加速度这个全新的概念（伽利略相对性原理），为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础，牛顿经典力学的核心伽利略变换就是在此基础上建立的。

伽利略相对性原理指出了惯性定律和物体在外力作用下运动的规律，力学定律在所有惯性系中都相同，也就是说，在一惯性系内部所作的任何力学实验都不能确定该惯性系相对于其他惯性系的运动。又称为力学相对性原理。伽利略最先说明了“在惯性系内部所作的任何力学实验都不可能发现该惯性系是静止的还是作匀速直线运动的”这个事实

在伽利略去世一年后也就是1643年，牛顿诞生了，牛顿的伟大无需多说，可以说是物理发展史乃至科学发展史都无法绕开的伟大人物。

1687年，《自然哲学的数学原理》发表，这本书被誉为物理学的圣经，它总结了近代天体力学和地面力学的成就，为经典力学规定了一套基本概念，提出了力学的三大定律和万有引力定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。该书意味着经典力学的成熟，其中所建立的经典力学的理论体系成为近代科学的标准尺度。

牛顿的经典力学的核心就是伽利略变换，伽利略变换是经典力学中用以在两个只以均速相对移动的参考系之间变换的方法，属于一种被动态变换。伽利略变换构建了经典力学的时空观。

伽利略变换认为，在同一参照系里，两个事件同时发生，在其他惯性系里，两个事件也一定同时发生，时间间隔的测量是绝对的，长度测量也具有绝对性，经典力学定律在任何惯性参考系中数学形式不变，换言之，所有惯性系都是等价的（相对性原理）。

所以我们才说，伽利略变换构建了经典力学中的绝对时空观，时间和空间均与参考系的运动状态无关、时间和空间是不相联系的，是绝对的。也就是说空间、时间与物体的运动状态无关！

简单来说，牛顿的经典力学时空观认为：时间、空间是绝对的，绝对是指时间、空间与物质运动无关，与参考系无关;空间和时间也是彼此独立的，空间的度量与时间无关， 时间的度量与空间无关，同时性也是绝对的。

牛顿的经典力学提出之后，立马带领物理学进入了一个新的时代，它完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合，使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度。

电磁场理论：带领人类进入电气化时代

到了1831年，这是一个人类历史上都值得永远铭记的时刻，法拉第在这一年发现了电磁感应理论，这个理论标志着一场重大的工业和技术革命的到来，人类由蒸汽时代正在向电气化时代迈进，历史似乎早已冥冥之中注定，在这一年，另外一个正式带领大家迈入电气化时代的人降生了！他的名字叫做麦克斯韦。

在大学期间，麦克斯韦在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。

在经过十几年的研究之后，麦克斯韦提出了系统的电磁理论，他还把电磁场理论由介质推广到空间，更是假设在空间存在一种动力学以太（科学家认为以太是传播光的媒介，引力甚至电、磁力是在以太中传播的，由此发展了“光以太”假说），它有一定的密度，具有能量和动量：它的动能体现磁的性质，势能体现电的性质，它的动量是电磁最基本的量，表示电磁场的运动性质和传力的特征。在1865年，他提出了一共包含20个变量的20个方程式，即著名的麦克斯韦方程组。他在1873年尝试用四元数来表达，但未成功！

四元数

1873年麦克斯韦出版了科学名著《电磁理论》。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。他还预言了电磁波的存在，电磁波的存在也正式敲开了现代无线通信的大门。

电磁波

在当时，麦克斯韦却的学说却并没有得到承认，正如当初大家把亚里士多德的著作奉为神典永无错漏一般，18、19世纪的科学家也将牛顿奉为神明。

麦克斯韦为了推广自己的电磁学理论，最终积劳成疾，在1879年不幸逝世，所以到去世也没有将自己构想的麦克斯韦方程组完美地表达出来。

直到1884年，奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表达，才有了现在我们所看到的麦克斯韦方程组！麦克斯韦方程组，准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷纭的现象归纳成为一种统一完整的学说。

麦克斯韦电磁理论的诞生让经典物理学又向前迈进了一大步，也促进了新一次工业革命的诞生，预告了现代文明的到来。

热力学&经典统计力学：人类的眼光开始触及微观世界

虽然从远古时期人类早就学会了取火和用火，人们就注意探究热、冷现象本身。

但是热力学成为一门系统的学科却要到19世纪，在19世纪40年代前后，人们已经形成了这样的观念:自然界的各种现象间都是相互联系和转化的。人们对热的研究也不再是孤立地进行，而是在热与其他现象发生转化的过程中认识热，特别是在热与机械功的转比中认识热。

德国物理学家迈尔从1840年起就开始研究自然界各种现象间的转化和联系。在他的论文《与有机运动相联的新陈代谢)中，把热看作“力”(能量)的一一种形式，他指出"热是能够转比为运动的力“。他还根据当时的气体定压和定容比热的资料,计算出热的机械功当量值为367kgm/千k。

在论文中，迈尔详细考察了当时已知的几种自然现象的相互转化，提出了“力“不灭思想，迈尔是最早表述了能量守恒定律也就是热力学第一定律的科学家。

到了1847年，德国科学家亥姆霍兹发表了著作《论力的守恒》。提出了一切自然现象都应该用中心力相互作用的质点的运动来解释，这个时候热力学第一定律已经有了一个模糊的雏形。

1850年，克劳修斯发表了《论热的动力和能由此推出的关于热学本身的定律》的论文。他认为单一的原理即“在一切由热产生功的情况，有一个和产生功成正比的热量被消耗掉，反之，通过消耗同样数量的功也能产生这样数量的热”。

最后，克劳修斯最后得出热力学第一定律的解析式：dQ=dU-dW

到了后来，经过不断的完善，能量守恒原理表述为一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少。总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和。

而克劳修斯在提出了热力学第一定律之后，他和英国人开尔文又提出了热力学第二定律。热力学第二定律是指热永远都只能由热处转到冷处(在自然状态下)。它是关于在有限空间和时间内，一切和热运动有关的物理、化学过程具有不可逆性的经验总结。

由此热动说进一步发展成为较为完备的热力学理论，热力学正式成为了一门独立的分支。后来又慢慢发展出来了热力学第三定律，和热力学第零定律，共同构成了热力学的基础。

而到了玻尔兹曼的时候，他进一步发展了麦克斯韦速度分布律，麦克斯韦是最早开始探寻热力学系统的微观处理方法（表征为统计力学的特性）和唯象处理方法（表征为热力学特性）之间的联系，他在1859年用概率论证明了在平衡态下，理想气体分子的速度分布是有规律的，这个规律称为麦克斯韦速度分布律，并给出了它的分布函数表达式。1867年，麦克斯韦首次引入了“统计力学”这个术语，标志着统计力学的初步建立。

他把热力学中的熵和概率联系起来，直接沟通了热力学系统的宏观表象与散观表象之间的关联,并对热力学第二定串进行了微观解释，他指出,在热力学系统中,每个微观态都具有相同几率.但在宏观上,对于一定的初始条件而言，位子将从几率小的状态向最可几状态过渡。当系统达到平衡态之后，系统仍可以按照几率大小发生偏离平衡态的涨客。

这样,玻尔兹曼通过建立熵与几率的联系，不仅把熵与分子运动的无序程度联系起来，指出一切自发过程，总是从概率小的状态向概率大的状态变化，从有序向无序变化。而且使热力学第二定律只具有统计上的可靠性, 玻尔兹曼认为, 在理论上,热力学第二定律所禁止的过程并不是绝对不可能发生的，只是出现的几率极小而已,但仍然是非零的。

玻尔兹曼由此阐明了热力学第二定律的统计性质，并引出能量均分理论（麦克斯韦-玻尔兹曼定律)。1877年，玻尔兹曼又提出，用“熵”来量度一个系统中分子的无序程度，并给出熵S与无序度W（即某一个客观状态对应微观态数目，或者说是宏观态出现的概率）之间的关系为S=k㏒W。这就是著名的玻耳兹曼公式，其中常数 k=1.38×10^(-23) J/K 称为玻尔兹曼常数。

1898 年，玻尔兹曼《气体理论讲义》的发表标志着统计力学的完善，统计力学就是指研究大量粒子（原子、分子）集合的宏观运动规律的科学，因为热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用(包括能量传递和转换)的学科，所以统计力学的诞生才会和热力学有着千丝万缕的联系。

可以说，经典力学、电磁理论、热力学、统计力学的相继创立，标志着经典物理学体系的完善。 不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响，也同时推动了社会的大变革，促进了人类文明的大发展。