愛因斯坦之前的物理學

1. 牛頓的經典力學
艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1643-1727）被認為是經典力學的奠基人。牛頓在1687年發表的《自然哲學的數學原理》（Principia Mathematica）中，提出了三大運動定律和萬有引力定律，這些理論成為了物理學的基石。 運動定律：牛頓的三大運動定律描述了物體在力的作用下如何運動，為理解日常生活中的物體運動提供了基本框架。 萬有引力定律：這一定律指出，任何兩個物體之間的引力與它們的質量乘積成正比，與它們之間距離的平方成反比。萬有引力定律成功解釋了天體運動、潮汐現象等。 牛頓的理論提供了一個穩定的框架，用於理解從地球上的運動到天體運行等各種現象。在18世紀和19世紀，牛頓力學被廣泛應用，並取得了大量成功。
2. 經典電磁學
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831-1879）在19世紀中期統一了電學和磁學，發展出麥克斯韋方程組，這是一組描述電磁場如何相互作用的方程。 電磁波理論：麥克斯韋預測，電磁場變化可以產生電磁波，並指出光是一種電磁波，這一理論將光學與電磁學聯繫在一起。 光速不變性：麥克斯韋方程組暗示，光速應該是恆定的，並不依賴於觀察者的運動狀態。這一特性與牛頓力學中的相對性原理產生了衝突。 麥克斯韋的理論成功解釋了許多電磁現象，並預測了無線電波的存在，這些理論在19世紀末和20世紀初得到了實驗的廣泛驗證。
3. 熱力學與統計力學
19世紀的物理學家還發展了熱力學和統計力學，這些理論主要研究能量、熱以及分子運動的規律。 熱力學定律：熱力學的三大基本定律描述了能量轉換的基本規律，包括能量守恆（第一定律）、熵的增大（第二定律）以及絕對零度的不可達性（第三定律）。 統計力學：統計力學通過概率方法解釋了大量粒子系統的行為，將微觀粒子的運動與宏觀現象聯繫起來。 這些理論成功解釋了氣體行為、熱機效率以及熱力學平衡等現象，並且是當時物理學的一個重要組成部分。
4. 光的性質
在19世紀初，對光的研究也有了重大進展。這一時期的物理學家們主要研究光的波動性質。 干涉與繞射：托馬斯·楊（Thomas Young）和奧古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）的實驗證實了光具有波動性，通過干涉和繞射現象解釋了光的行為。 光的波動學說：菲涅耳進一步發展了光的波動理論，這一理論成功解釋了許多光學現象，並在19世紀中期成為主流。 但是，光的波動性質與一些現象（如光電效應）難以解釋，這為後來量子論的提出埋下了伏筆。
5. 物理學的困境與愛因斯坦的出現
到19世紀末，物理學家認為他們已經掌握了宇宙的大部分規律。然而，一些實驗結果挑戰了經典物理學的理論： 以太理論的失敗：麥克斯韋的理論預測光速不變，但根據當時的理論，光應該在一種叫做「以太」的介質中傳播。然而，邁克耳遜-莫雷實驗未能檢測到以太的存在，這使得經典物理學無法解釋光速不變的現象。 黑體輻射和紫外災難：根據經典物理學的理論，黑體輻射的光譜應該隨著波長減少而無限增大（所謂的「紫外災難」），但實驗觀察到的結果與此預測不符。 光電效應：經典波動理論無法解釋為何增加光的強度並不總是增加從金屬表面釋放出的電子數量。 這些問題促使科學家們尋求新的理論來解釋現象。愛因斯坦的相對論和量子論的提出標誌著物理學的新時代的到來，徹底改變了我們對宇宙的理解。