物理学的初步形成到现在的近代物理经过什么发展，各个时期的代表人物是谁？
物理学概况及发展史
研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的一门学科。实验手段和思维方法是物理学中不可或缺和极其重要的内容，后者如相对性原理、隔离体(包括系统)法、理想模型法、微扰法、量纲分析法等，在古典和现代物理学中都有重要应用。物理学一词，源自希腊文physikos，很长时期内，它和自然哲学(naturalphilosophy)同义，探究物质世界最基本的变化规律。随着生产的发展。社会的进步和文化知识的扩展、深化，物理学以纯思辨的哲学演变到以实验为基础的科学。研究内容从较简单的机械运动扩及到较复杂的光、热、电磁等的变化，从宏观的现象剖析深入到微观的本质探讨，从低速的较稳定的物体运动进展到高速的迅变的粒子运动。新的研究领域不断开辟，而发展成熟的分支又往往分离出去，成为工程技术或应用物理学的一个分支，因此物理学的研究领域并非是一成不变的，研究方法不论是逻辑推理、数学分析和实验手段，也因不断精密化而有所创新，也难以用一个固定模式来概括。在19世纪发行的《不列颠百科全书》中，早已陆续地把力学、光学、热学理论和电学、磁学，列为专条，而物理学这一条却要到1971～1973年发行的第十四版上才首次出现。为了全面、系统地理解物理学整体，与其从定义来推敲，不如循历史源流，从物理学的发生和发展的过程来探索。
发展史西方的先哲一般都认为宇宙万物由几个简单的基本元素构成；千姿百态的各种运动也只是这些元素的量和质的变化。这些先进思想和他们的严谨的思辨方式，为后世的自然科学所继承和发扬。但由于他们的观察比较粗糙，又缺乏严格的数学论证，不免带有不少的空想和臆测的成分。例如亚里士多德在所著的《物理学》中就认为大地或月下区域内的物体是由土、水、气、火四元素构成，它们在宇宙中的“天然位置”是土位于最底层（即地球或宇宙中心），其上顺次为水、气、火，任一物体的运动取决于该物体中占最大数量的元素，在该元素的天然位置的上下作直线运动；月球以上的天体则由截然不同的第五元素即由纯净的以太（ether，希腊文的原意是燃烧或发光）构成的，它们的天然运动是圆周运动。前一运动是有生有灭、永远变化的，后一运动则是无始无终、永远不变的。这样，天、地及其运动之间就存在不可逾越的鸿沟，这观点对后来的科学发展起了负面作用。在中国，以物理为书名的，见之于三国、西晋时代会稽郡(今绍兴)处士杨泉的《物理论》，他认为气是“自然之体”，天是回旋运转的“元气”，万物是阴阳二气的“陶化、播流、气积”而成。不少中国的先哲认为气或元气是构成万物的原始物质，阴阳二气的消长是事物运动变化的原因。也有将“道”视为宇宙的本原及其普遍规律。这些和西方的观点颇多相似之处。也都认为天、地遵循不同的运动规律，如《淮南子·天文训》就说：“道始于虚霩，虚霩生宇宙，宇宙生气，气有涯垠，清阳者薄靡而为天，重浊者凝滞而为地。”清者上浮，浊者下沉，形成天地之别。
经典物理学的发展古希腊时代的阿基米德已经在流体静力学和固体的平衡方面取得辉煌成就，但当时将这些归入应用数学，并没有将他的成果特别是他的精确实验和严格的数学论证方法汲入物理学中。从希腊、罗马到漫长的中世纪，自然哲学始终是亚里士多德的一统天下。到了文艺复兴时期，哥白尼、布鲁诺、开普勒和伽利略不顾宗教的迫害，向旧传统挑战，其中伽利略把物理理论和定律建立在严格的实验和科学的论证上，因此被尊称为物理学或科学之父。
伽利略的成就是多方面的，仅就力学而言，他以物体从光滑斜面下滑将在另一斜面上升到同一高度，推论出如另一斜面的倾角极小，为达到同一高度，物体将以匀速运动趋于无限远，从而得出如无外力作用，物体将运动不息的结论。他精确地测定不同重量的物体以同一加速度沿光滑斜面下滑，并推论出物体自由下落时的加速度及其运动方程，驳倒了亚里士多德重物下落比轻物快的结论，并综合水平方向的匀速运动和垂直地面方向的匀加速运动得出抛物线轨迹和45°的最大射程角，伽利略还分析“地常动移而人不知”，提出著名的“伽利略相对性原理”（中国的成书于1800年前的《尚书考灵曜》有类似结论）。但他对力和运动变化关系的分析仍是错误的。全面、正确地概括力和运动关系的是牛顿的三条运动定律，牛顿还把地面上的重力外推到月球和整个太阳系，建立了万有引力定律。牛顿以上述的四条定律并运用他创造的“流数法”(即今微积分初步)，解决了太阳系中的二体问题，推导出开普勒三定律，从理论上解决了地球上的潮汐问题。史称牛顿是第一个综合天上和地上的机械运动并取得伟大成就的物理学家。与此同时，几何光学也有很大发展，在16世纪末或17世纪初，先后发明了显微镜和望远镜，开普勒、伽利略和牛顿都对望远镜作很大的改进。
法国在大革命的前后，人才辈出，以P.S.M.拉普拉斯为首的法国科学家(史称拉普拉斯学派)将牛顿的力学理论发扬光大，把偏微分方程运用于天体力学，求出了太阳系内三体和多体问题的近似解，初步探讨并解决了太阳系的起源和稳定性问题，使天体力学达到相当完善的境界。在牛顿和拉普拉斯的太阳系内，主宰天体运动的已经不是造物主，而是万有引力，难怪拿破仑在听完拉普拉斯的太阳系介绍后就问：你把上帝放在什么地位？无神论者拉普拉斯则直率地回答：我不需要这个假设。
拉普拉斯学派还将力学规律广泛用于刚体、流体和固体，加上W.R.哈密顿、G.G.斯托克斯等的共同努力，完善了分析力学，把经典力学推进到更高阶段。该学派还将各种物理现象如热、光、电、磁甚至化学作用都归于粒子间的吸引和排斥，例如用光子受物质的排斥解释反射，光微粒受物质的吸引解释折射和衍射，用光子具有不同的外形以解释偏振，以及用热质粒子相互排斥来解释热膨胀、蒸发等等，都一度取得成功，从而使机械的唯物世界观统治了数十年。正当这学派声势煊赫、如日中天时，受到英国物理学家T.杨和这个学派的后院法兰西科学院及科学界的挑战，J.B.V.傅里叶从热传导方面，T.杨、D.F.J.阿拉戈、A.-J.菲涅耳从光学方面，特别是光的波动说和粒子说（见光的二象性）的论争在物理史上是一个重大的事件。为了驳倒微粒说，年轻的土木工程师菲涅耳在阿拉戈的支持下，制成了多种后以他的姓命名的干涉和衍射设备，并将光波的干涉性引入惠更斯的波阵面在介质中传播的理论，形成惠更斯-菲涅耳原理，还大胆地提出光是横波的假设，并用以研究各种光的偏振及偏振光的干涉，他创造了“菲涅耳波带”法，完满地说明了球面波的衍射，并假设光是以太的机械横波解决了光在不同介质界面上反射、折射的强度和偏振问题，从而完成了经典的波动光学理论。菲涅耳还提出地球自转使表面上的部分以太漂移的假设并给出曳引系数。也在阿拉戈的支持下，J.B.L.傅科和A.H.L.菲佐测定光速在水中确比空气中为小，从而确定了波动说的胜利，史称这个实验为光的判决性实验。此后，光的波动说及以太论统治了19世纪的后半世纪，著名物理学家如法拉第、麦克斯韦、开尔文等都对以太论坚信不疑。另一方面，利用干涉仪内干涉条纹的移动，可以精确地测定长度、速度、曲率的极微细的变化；利用棱镜和衍射光栅产生的光谱，可以确定地上和天上的物质的成分及原子内部的变化。因此这些光学仪器已成为物理学、分析化学、物理化学和天体物理学中的重要实验手段。
蒸汽机的发明推动了热学的发展，18世纪60年代在J.瓦特改进蒸汽机的同时，他的挚友J.布莱克区分了温度和热量，建立了比热容和潜热概念，发展了量温学和量热学，所形成的热质说和热质守恒概念统治了80多年。在此期间，尽管发现了气体定律，度量了不同物质的比热容和各类潜热，但对蒸汽机的改进帮助不大，蒸汽机始终以很低的效率运行。1755年法国科学院坚定地否决了永动机。1807年T.杨以“能”代替莱布尼兹的“活力”，1826年J.V.彭赛列创造了“功”这个词。1798年和1799年，朗福德和H.戴维分析了摩擦生热，向热质说挑战；J.P.焦耳从19世纪40年代起到1878年，花了近40年时间，用电热和机械功等各种方法精确地测定了热功当量；生理学家J.R.迈尔和H.von亥姆霍兹，更从机械能、电能、化学能、生物能和热的转换，全面地说明能量既不能产生也不会消失，确立了热力学第一定律即能量守恒定律。在此前后，1824年，S.卡诺根据他对蒸汽机效率的调查，据热质说推导出理想热机效率由热源和冷却源的温度确定的定律。文章发表后并未引起注意。后经R.克劳修斯和开尔文分别提出两种表述后，才确认为热力学第二定律。克劳修斯还引入新的态函数熵；以后，焓、亥姆霍兹函数、吉布斯函数等态函数相继引入，开创了物理化学中的重要分支——热化学。热力学指明了发明新热机、提高热机效率等的方向，开创了热工学；而且在物理学、化学、机械工程、化学工程、冶金学等方面也有广泛的指向和推动作用。这些使物理化学开创人之一W.[[奥斯特瓦尔德]]曾一度否认原子和分子的存在，而宣扬“唯能论”，视能量为世界的最终存在。但另一方面，J.C.麦克斯韦的分子速度分布率（见麦克斯韦分布）和L.玻耳兹曼的[[能量均分定理]]把热学和力学综合起来，并将概率规律引入物理学，用以研究大量分子的运动，创建了气体分子动力论（现称气体动理论），确立了气体的压强、内能、比热容等的统计性质，得到了与热力学协调一致的结论。玻耳兹曼还进一步认为热力学第二定律是统计规律，把熵同状态的概率联系起来，建立了统计热力学。任何实际物理现象都不可避免地涉及能量的转换和热量的传递，热力学定律就成为综合一切物理现象的基本规律。经过20世纪的物理学革命，这些定律仍然成立。而且平衡和不平衡、可逆和不可逆、有序和无序乃至涨落和混沌等概念，已经从有关的自然科学分支中移植到社会科学中。
在19世纪20年代以前，电和磁始终认为是两种不同的物质，因此，尽管1600年W.吉伯发表《论磁性》，对磁和地磁现象有较深入的分析，1747年B.富兰克林提出电的单流质理论，阐明了正电和负电，但电学和磁学的发展是缓慢的，1800年A.伏打发明伏打电堆，人类才有能长期供电的电源，电开始用于通信；但要使用一个电弧灯，就需联接2千个伏打电池，所以电的应用并不普及。1920年H.C.奥斯特的电流磁效应实验，开始了电和磁的综合，电磁学就迅猛发展，几个月内，通过实验A.-M.安培建立平行电流间的安培定律，并提出磁分子学说，J.-B.毕奥和F.萨伐尔建立载流导线对磁极的作用力（后称毕-萨-拉定律），阿拉戈发明电磁铁并发现磁阻尼效应，这些成就奠定了电磁学的基础。1831年M.法拉第发现电磁感应现象，磁的变化在闭合回路中产生了电流，完成了电和磁的综合，并使人类获得新的电源。1867年W.von西门子发明自激发电机，又用变压器完成长距离输电，这些基于电磁感应的设备，改变了世界面貌，创建了新的学科——电工学和电机工程。法拉第还把场的概念引入电磁学；1864年麦克斯韦进一步把场的概念数学化，提出位移电流和有旋电场等假设，建立了麦克斯韦方程组，完善了电磁理论，并预言了存在以光速传播的电磁波。但他的成就并没有即时被理解，直到H.R.赫兹完成这组方程的微分形式，并用实验证明麦克斯韦预言的电磁波，具有光波的传播速度和反射、折射干涉、衍射、偏振等一切性质，从而完成了电磁学和光学的综合，并使人类掌握了最快速的传递各种信息的工具，开创了电子学这门新学科。
直到19世纪后半叶，电荷的本质是什么，仍没有搞清楚，盛极一时的以太论，认为电荷不过是以太海洋中的涡元。H.A.洛伦兹首先把光的电磁理论与物质的分子论结合起来，认为分子是带电的谐振子，1892年起，他陆续发表“电子论”的文章，认为1859年J.普吕克尔发现的阴极射线就是电子束；1895年提出洛伦兹力公式，它和麦克斯韦方程相结合，构成了经典电动力学的基础；并用电子论解释了正常色散、反常色散（见光的色散）和塞曼效应。1897年J.J.汤姆孙对不同稀薄气体、不同材料电极制成的阴极射线管施加电场和磁场，精确测定构成阴极射线的粒子有同一的荷质比，为电子论提供了确切的实验根据。电子就成了最先发现的亚原子粒子。1895年W.K.伦琴发现X射线，延伸了电磁波谱，它对物质的强穿透力，使它很快就成为诊断疾病和发现金属内部缺陷的工具。1896年A.-H.贝可勒尔发现铀的放射性，1898年居里夫妇发现了放射性更强的新元素——钋和镭，但这些发现一时尚未引起物理学界的广泛注意。
20世纪的物理学到19世纪末期，经典物理学已经发展到很完满的阶段，许多物理学家认为物理学已接近尽头，以后的工作只是增加有效数字的位数。开尔文在19世纪最后一个除夕夜的新年祝词中说：“物理大厦已经落成，……动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空出现两朵乌云，一朵出现在光的波动理论，另一朵出现在麦克斯韦和玻耳兹曼的能量均分理论。”前者指的是以太漂移和迈克耳孙-莫雷测量地球对（绝对静止的）以太速度的实验，后者指用能量均分原理不能解释黑体辐射谱和低温下固体的比热。恰恰是这两个基本问题和开尔文所忽略的放射性，孕育了20世纪的物理学革命。
1905年A.爱因斯坦为了解决电动力学应用于动体的不对称(后称为电动力学与伽利略相对性原理的不协调)，创建了狭义相对论，即适用于一切惯性参考系的相对论。他从真空光速不变性出发，即在一切惯性系中，运动光源所射出的光的速度都是同一值，推出了同时的相对性和动系中尺缩、钟慢的结论，完满地解释了洛伦兹为说明迈克耳孙-莫雷实验提出的洛伦兹变换公式，从而完成了力学和电动力学的综合。另一方面，狭义相对论还否定了绝对的空间和时间，把时间和空间结合起来，提出统一的相对的时空观构成了四度时空；并彻底否定以太的存在，从根本上动摇了经典力学和经典电磁学的哲学基础，而把伽利略的相对性原理提高到新的阶段，适用于一切动体的力学和电磁学现象。但在动体或动系的速度远小于光速时，相对论力学就和经典力学相一致了。经典力学中的质量、能量和动量在相对论中也有新的定义，所导出的质能关系为核能的释放和利用提供了理论准备。1915年，爱因斯坦又创建广义相对论，把相对论推广到非惯性系，认为引力场同具有相当加速度的非惯性系在物理上是完全等价的，而且在引力场中时空是弯曲的，其曲率取决于引力场的强度，革新了宇宙空间都是平直的欧几里得空间的旧概念。但对于范围和强度都不很大的引力场如地球引力场，可以完全不考虑空间的曲率，而对引力场较强的空间如太阳等恒星的周围和范围很大的空间如整个可观测的宇宙空间，就必须考虑空间曲率。因此广义相对论解释了用牛顿引力理论不能解释的一些天文现象，如水星近日点反常进动、光线的引力偏析等。以广义相对论为基础的宇宙学已成为天文学的发展最快的一个分支。
另一方面，1900年M.普朗克提出了符合全波长范围的黑体辐射公式，并用能量量子化假设从理论上导出，首次提出物理量的不连续性。1905年爱因斯坦发表光量子假设，以光的波粒二象性，解释了光电效应；1906年又发表固体热容的量子理论；1913年N.玻尔（见玻尔父子）发表玻尔氢原子理论，用量子概念准确地地计算出氢原子光谱的巴耳末公式，并预言氢原子存在其他线光谱，后获证实。1918年玻尔又提出对应原理，建立了经典理论通向量子理论的桥梁；1924年L.V.德布罗意提出微观粒子具有波粒二象性的假设，预言电子束的衍射作用；1925年W.泡利发表泡利不相容原理，W.K.海森伯在M.玻恩和数学家E.P.约旦的帮助下创立矩阵力学，P.A.M.狄拉克提出非对易代数理论；1926年E.薛定谔根据波粒二象性发表波动力学的一系列论文，建立了波函数，并证明波动力学和矩阵力学是等价的，遂即统称为量子力学。同年6月玻恩提出了波函数的统计解释，表明单个粒子所遵循的是统计性规律而非经典的确定性规律；1927年海森伯发表不确定性关系；1928年发表相对论电子波动方程，奠定了相对论性量子理论的基础。由于一切微观粒子的运动都遵循量子力学规律，因此它成了研究粒子物理学、原子核物理学、原子物理学、分子物理学和固体物理学的理论基础，也是研究分子结构的重要手段，从而发展了量子化学这个化学新分支。
差不多同时，研究由大量粒子组成的粒子系统的量子统计法也发展起来了，包括1924年建立的玻色-爱因斯坦分布和1926年建立的费米-狄拉克分布，它们分别适应于自旋为整数和半整数的粒子系统。稍后，量子场论也逐渐发展起来了。1927年，狄拉克首先提出将电磁场作为一个具有无穷维自由度的系统进行量子化的方案，以处理原子中光的自发辐射和吸收问题。1929年海森伯和泡利建立了量子场论的普遍形式，奠定了量子电动力学的基础。通过重正化解决了发散困难，并计算各阶的辐射修正，所得的电子磁矩数值与实验值只相差2.5×10-10，其准确度在物理学中是空前的。量子场论还正向统一场论的方向发展，即把电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用统一在一个规范理论中，已取得若干成就的有电弱统一理论、量子色动力学和大统一理论等。
物理学实验与理论相互推进，并广泛应用于各部门，成为技术革命的重要动力，也是20世纪物理学的一个显著特征。其中开展得最迅速的领域则是原子核物理学和粒子物理学。1905年E.卢瑟福等发表元素的嬗变理论说明放射性元素因放射a和β粒子转变为另一元素，打破元素万古不变的旧观念；1911年卢瑟福又利用a粒子的大角度散射，确立了原子核的概念；1919年，卢瑟福用a粒子实现人工核反应。鉴于天然核反应不受外界条件的控制，当时人工核反应所消耗的能量又远大于所获得的核能，因此卢瑟福曾断言核能的利用是不可能的。1932年2月，J.查德威克在约里奥·居里夫妇（1932年1月）和W.博特的实验基础上发现了中子，既解决构成原子核的一个基本粒子（和质子并称为核子），又因它对原子核只有引力而无库仑斥力，中子特别是慢中子成为诱发核反应、产生人工放射性核素的重要工具。1938年发现核裂变反应，1942年建成第一座裂变反应堆，完成裂变链式反应，1945年爆炸了第一颗原子弹，1954年建成了第一个原子能发电站，至今核裂变能已成为重要的能源。物理学家还从核聚变方向探索新能源：1938年H.A.贝特提出碳氮循环假说以氢聚变解释太阳的能源，成为分析太阳内部结构和恒星演化的重要理论依据；1952年爆炸了第一颗氢弹。许多国家都在惯性约束聚变和磁约束聚变等不同方面，探索自控核聚变反应，以解决日趋匮乏的能源问题。
对基本粒子的研究，最初是和研究原子和原子核结构在一起的，先后发现了电子、质子和中子。1931年泡利为了解释β衰变的能量守恒，提出中微子假设，于1956年证实。1932年C.D.安德森发现第一个反粒子即正电子，证实了狄拉克于1928年作出的一切粒子都存在反粒子的预言。在研究核内部结构时，发现核子间普遍存在强相互作用，以克服质子间的电磁相互作用，还了解核内存在数值比电磁作用小的弱相互作用，它是引起β衰变的主要作用。1934年汤川秀树用介子交换的假设解释强相互作用，但当时所用的粒子加速器的能量不足以产生介子，因此要在宇宙射线中寻找。1937年C.D.安德森在宇宙线内果然找到了一种质量介乎电子和质子间的粒子(后称μ子)，一度被认为介子，但以后发现它并无强作用。1947年C.F.鲍威尔在高山顶上利用核乳胶发现π介子。从50年代起，各国都把高频、微波和自动控制技术引入加速器，制成大型高能加速器及对撞机等，成为粒子物理学的主要实验手段，发现了几百种粒子：将参与电磁、强、弱相互作用的粒子称为强子，如核子、介子和质量超过核子的重子；只参与电磁和弱相互作用的粒子如电子、μ子、τ子称轻子，并开始按对称性分类。1955年发现当时称为θ介子和τ介子的两种粒子，它们的质量、寿命相同应属一种粒子，但在弱相互作用下却有两种不同衰变方式，一种衰变成偶宇称，一种为奇宇称，究竟是一种或两种粒子，被称为θ-τ之谜。李政道和杨振宁仔细检查了以往的弱作用实验，确认这些实验并未证实弱作用中宇称守恒，从而以弱作用中宇称不守恒，确定θ和τ是一种粒子，合称K粒子。这是首次发现的对称性破缺。对粒子间相互作用的研究还促进了量子电动力学的发展。60年代中期起，进一步研究强子结构，提出带色的夸克假设，并用对称性及其破缺来分析夸克和粒子的各种性质及各种相互作用；建立了电弱统一理论和量子色动力学，并正在探索将电磁、弱、强三种相互作用统一起来的大统一理论。
此外，基于19世纪末热电子发射现象，1906年发明了具有放大作用的三极电子管，各种电子管纷纷出现，并和基于阴极射线的摄像管相结合，使电子工业，电子技术和电子学都迅速发展。1912年M.von劳厄发现X射线通过晶体时的衍射现象，后布拉格父子发展了研究固体的X射线衍射技术，在发现电子和离子的衍射现象后，鉴于它们的波长可以较X射线更短，发展了各种电子显微镜，其中扫描透射电镜的分辨本领达到3，可以观察到轻元素支持膜上的重原子，这些都成为研究固体结构及其表面状态的重要实验工具。在引入量子理论后固体物理学及所属的表面物理学迅速开展起来了。在固体的能带理论指导下，对半导体的研究取得很大成功，1947年制成了具有放大作用的晶体三极管，以后又发明其他类型晶体管和集成电路等半导体器件，使电子设备小型化，促进了电子计算机的发展，并开创了半导体物理学新学科。此外，以爱因斯坦的受激辐射理论为基础，发展了激光技术，由于激光的高定向性、高单色性、高相干性和高亮度，得到了广泛的应用；在低温物理学方面，H.卡默林-昂内斯于1906和1908年相继液化了氢气和氦气，1911年发现金属在温度4K左右时的超导电性，以后超导物质有所增加，超导温度也渐提高。现已证实，超导转变温度可提高到100余开，并已开始应用于超导加速器等。
学科特点物理学是实验科学，“实践是真理的唯一标准”，物理学也同样遵循这一标准。一切假说都必须以实验为基础，必须经受住实验的验证。但物理学也是思辨性很强的科学，从诞生之日起就和哲学建立了不解之缘。无论是伽利略的相对性原理、牛顿运动定律、动量和能量守恒定律、麦克斯韦方程乃至相对论、量子力学，无不带有强烈的、科学的思辨性。有些科学家例如在19世纪中主编《物理学与化学》杂志的J.C.波根多夫曾经想把思辨性逐出物理学，先后两次以具有思辨性内容为由，拒绝刊登迈尔和亥姆霍兹的论能量守恒的文章，终为后世所诟病。要发现隐藏在实验事实后面的规律，需要深刻的洞察力和丰富的想像力。多少物理学家关注θ-τ之谜，唯有华裔美国物理学家李政道和杨振宁，经过缜密的思辨，检查大量文献，发现谜后隐藏着未经实验鉴定的弱相互作用的宇称守恒的假设。而从物理学发展史来看，每一次大综合都促使物理学本身和有关学科的很大发展，而每一次综合既以建立在大量精确的观察、实验事实为基础，也有深刻的思辨内容。因此一般的物理工作者和物理教师，为了更好地应用和传授物理知识，也应从物理学的整个体系出发，理解其中的重要概念和规律。
应用物理学是广泛应用于生产各部门的一门科学，有人曾经说过，优秀的工程师应是一位好物理学家。物理学某些方面的发展，确实是由生产和生活的需要推动的。在前几个世纪中，卡诺因提高蒸汽机的效率而发现热力学第二定律，阿贝为了改进显微镜而建立光学系统理论，开尔文为了更有效地使用大西洋电缆发明了许多灵敏电学仪器；在20世纪内，核物理学、电子学和半导体物理、等离子体物理乃至超声学、水声学、建筑声学、噪声研究等的迅速发展，显然和生产、生活的需要有关。因此，大力开展应用物理学的研究是十分必要的。另一方面，许多推动社会进步，大大促进生产的物理学成就却肇始于基本理论的探求，例如：法拉第从电的磁效应得到启发而研究磁的电效应，促进电的时代的诞生；麦克斯韦为了完善电磁场理论，预言了电磁波，带来了电子学世纪；X射线、放射性乃至电子、中子的发现，都来自对物质的基本结构的研究。从重视知识、重视人才考虑，尤应注重基础理论的研究。因此为使科学技术达到世界前列，基础理论研究是绝不能忽视的。
展望21世纪的前夕，科学家将从本学科出发考虑百年前景。物理学是否将如前两三个世纪那样，处于领先地位，会有一番争议，但不会再有一位科学家像开尔文那样，断言物理学已接近发展的终端了。能源和矿藏的日渐匮乏，环境的日渐恶化，向物理学提出解决新能源、新的材料加工、新的测试手段的物理原理和技术。对粒子的深层次探索，解决物质的最基本的结构和相互作用，将为人类提供新的认识和改造世界的手段，这需要有新的粒子加速原理，更高能量的加速器和更灵敏、更可靠的探测器。实现受控热核聚变，需要综合等离子体物理、激光物理、超导物理、表面物理、中子物理等方面知识，以解决有关的一系列理论技术问题。总之，随着新的技术革命的深入发展，物理学也将无限延伸。
R.Curtis（英）、J.Lund（美）、B.Sanner（德）、L.Rybach（瑞士）、G.Hellström（瑞典）
徐巍（译）郑克棪（校）
摘要：1995年在意大利佛罗伦萨举行的世界地热大会上，一篇论文引起了世界地热界对地热热泵增长状况的广泛关注。随着降低建筑能耗压力的增加，以及减少建筑物二氧化碳排放指标的提高，安装地热热泵的趋势正在逐渐兴起。应用地热热泵的国家数量也不断上升，其中一些国家并没有传统意义上的地热资源，但现在他们有了生气勃勃的地热热泵项目。另外，还有一些国家正在探索其应用潜力。从小的家庭安装到大功率的系统安装，各种型号的地热热泵都在增加。这篇文章主要对近10年这些高效率、长寿命、低污染的可再生能源系统的发展和安装进行评价。
1 介绍
地热热泵是世界上发展最快的可再生能源利用技术之一，在过去的10年里，大约30个国家平均增长速率达到10%。它主要的优点是可以利用平常的地温或地下水的温度（5～30℃）就可以运行，而这些资源全世界各个国家都可以获得。在1995年的佛罗伦萨世界地热大会上，人们尝试着总结了当时的这项技术状况和发展水平，到2005年，地热热泵已经进一步提升为新能源和可替代能源的重要角色。它们尤其已经被作为一种高效的可再生供热装置，而且更重要的是它们在减少二氧化碳方面得到认可。来自加拿大的一篇文章中提到：“当前在市场上不可能有任何其他的单项技术比地热热泵在减少温室气体排放和导致全球变暖效应方面的潜力更大。”这句话同当前流行的一种认识相一致：热泵作为供热装置可以减少全球6%以上的二氧化碳排放量，它是目前市场上可获得的减少二氧化碳排放量最大的单项技术之一。这样的说法正好适合当前提倡的把更多的注意转移到可再生热能的利用上来，就像现在提倡可再生电能一样。2005年9个欧洲组织和贸易协会共同提倡采用可再生能源进行供热和制冷的行动。三个主要的技术被提到：生物能、太阳能和地热能。过去10年已经进行的工作，说明正确设计的热泵系统，无论是对单孔安装还是多孔安装，都可以确保从地下汲取的热能是真正可再生和永久可持续的。最近，世界能源组织公布了多种可再生技术的生命周期分析，对于加热技术，地热热泵的生命期二氧化碳排放量是第二低，仅次于木屑。
在这篇文章里，我们简短介绍了地热热泵技术，提出当前流行的一些综合信息。读者会发现2005年世界地热大会论文集第14章收集了比以前大会论文集更多的关于地热热泵的论文，反映了它在世界范围内的快速增长。尽管地热热泵有比较高的应用潜力，但在一个国家或地区的优势条件取决于当地的经济生存能力、应用能力和增长率。我们介绍了几个不同地理区域和国家的发展情况。一些地区已经安装了很多的地热热泵，而且显示了不断增长的趋势，有些地区才刚刚开始。开发利用较好的国家有美国、北欧、瑞士、德国，尤其是瑞典。刚开始开发利用的国家包括英国和挪威。其他有大量装机的国家还有加拿大和奥地利，法国、荷兰也显示了比较快的增长速度。中国、日本、俄罗斯、英国、挪威、丹麦、爱尔兰、澳大利亚、波兰、罗马尼亚、土耳其、韩国、意大利、阿根廷、智利、伊朗等国开始意识到地热热泵技术。论文集第一部分里许多国家介绍了他们的开发利用状况。
2 装机
尽管许多国家都开始对热泵产生兴趣，但热泵的增长主要还是发生在美国和欧洲。据不完全统计，目前全世界范围内的装机容量可能接近10100MWt，年均利用的能量大约59000TJ（16470GWh）。实际安装的机组数量大约900000个。表1列举了地热热泵利用率最高的几个国家。
表1 利用地热热泵领先的国家
3 地热热泵系统
热泵系统利用相对不变的地下温度来为家庭、学校、政府和公共建筑供热、制冷和提供生活热水。输入少量的电能驱动压缩机后，可以产生相当于输入能量4倍的能量。这样的机器使热能从低温区流向高温区，实际上是一台能倒流的制冷机。“泵”说明已经做功，温差称为“抬升”，抬升越大，输入的能量越多。该项技术并不是一项新技术，1852年Lord Kelvin提出了这个概念，20世纪40年代Rober Webber修改成地热热泵，60、70年代获得商业推广。图1是典型的水-气型热泵系统。这样的热泵在北美应用很广泛，但在北欧家庭供暖市场主要利用水-水热泵。
热泵有两种基本的配置：土壤偶极系统（闭路系统）和地下水系统（开路系统），地下系统可以水平或垂直安装，取用井水或湖水。系统的选择依赖安装地点的土壤和岩石类型，能否经济施工水井或现场已有水井，还需场地条件。图2是这些系统的示意图。如前面的水-气型热泵所示，对于热水加热系统，家用热水交换器可以在夏天利用回灌的热量，冬天利用输出的热量来加热生活用水，水-水型热泵一般只能通过转换供热模式到生活热水模式，将输出温度提高到最大来加热生活热水。
图1a 制冷循环中的水-气型地热热泵
图1b 供暖循环中的水-气型地热热泵
图2a 密闭环路热泵系统
图2b 开放环路热泵系统
在土壤偶极系统里，一条封闭的管路被水平的或者垂直的埋在地下，防冻液通过塑料管循环，或者在冬天从地下获得热量，或者在夏天将热量灌入地下。开放环路系统利用地下水或湖水直接通过热交换器后灌入另一眼井（或者河渠、湖里，或者直接用于灌溉），主要按照当地法规执行。
其他种类的热泵系统正在兴起，如竖井和本次大会上提到的一种新类型。这些系统效率很高，但大多需要更加精细的水文地质信息和比闭路系统更加专业的设计。
热泵机组的效率在供暖模式通过运行系数COP来表示，在制冷模式下用能量效率比（EER）来表示，它是输出能量与输入能量（电能）之比，目前的设备基本在3和6之间变化。这样COP为4意味着输入每个单位的电能可以产生4个单位的热能。经过对比，空气源热泵的COP大约为2，取决于高峰供暖和制冷需要的备用电能。在欧洲，这个比率有时候作为“季节性运行参数”，即供暖季和制冷季的平均COP，同时要考虑系统特性。
4 地热热泵的可再生讨论
随着热泵装机的稳定增加，使人认识到它们对可再生能源利用的贡献。这只是部分的认识，因为它们只涉及了供暖和制冷的表面，所以没有可再生电能的考虑。然而，这里面有两个其他的因素——一个是关于地下能源的可持续问题，一个是基于空气源热泵的问题，在能量输出时没有纯能量的增加，所以它们仅仅是一种能量效率技术。
20世纪50、60年代，当空气源热泵风靡的时候，在城市里的化石燃料电厂发电的效率接近30%。当时空气源热泵的COP一般在1.5～2.5之间变化。表2显示了在建筑物里能量释放的情况，60%的能量来自于空气，而用来发电的原生能量只有75%作为有用的热能得到利用。这样，从空气中提取的可再生能量已经高效地释放了热能，但没有剩余能量。表2的第二列是当前的数据。新型的组合或联合循环发电厂发电效率已超过40%。土壤源热泵的SPF已超过3.5。这导致了140%的效率，其中最终能量的71%来自地下。更重要的是，超过40%的剩余量已高于发电消耗的原始能量。
表2 能量和效率对比表
水源热泵和新型发电效率的联合才构成剩余可再生能源的释放。
如果从一开始就用可再生能源发电，则所有传递的能量就都是可再生的。为了释放可再生的能量最多，建议应该尽快使可再生电能变得经济，并与地源热泵结合起来。
能量讨论可能是有争议的，但二氧化碳排放量的减少却很容易证实。举个例子，当前英国电网和地热热泵联合供暖相对于传统的化石燃料供暖技术可以减少50%的二氧化碳排放量。这归功于当前英国电网的联合。由于目前发电所排放的二氧化碳在减少，所以通过利用地热热泵而排放的二氧化碳会更少。随着利用可再生能源发电，建筑供暖将不再需要排放二氧化碳。
如果要计算一下世界范围内可节约的石油当量和当前地热热泵装机容量所能减少的二氧化碳排放量，则需要有几个假设条件。如果每年地热能被利用28000TJ（7800GWh），将此量与30%效率的燃油发电相比，则会节约15.4百万桶石油，或者2.3百万吨石油当量，减少700万吨二氧化碳的排放量。如果我们假想每年同样长时间的制冷，则这个数字会翻倍。
5 美国的经验
在美国，大多数系统都是根据高峰制冷负荷设计的，它高于供暖负荷（主要是北方地区），这样，估计平均每年有1000个小时满负荷供暖。在欧洲，绝大多数系统是根据供暖负荷设计的，所以经常据基础荷载设计，另加化石燃料调峰。结果，欧洲的系统每年可以满负荷运行2000到6000个小时，平均每年2300个小时。尽管制冷模式将热量灌入地下，它不是地热，但它仍然节省能量，有利于清洁环境。在美国，地热热泵装机容量能稳定在12%，大多数安装在中西部地区和从北达科他州到佛罗里达州的东部地区。目前，每年接近安装50000个热泵机组，其中46%是垂直闭路循环系统，38%是水平闭路循环系统，15%是开路系统。超过600个学校安装了热泵系统进行供暖和制冷，尤其在得克萨斯州。应该注意到这一点，热泵按照吨（1吨冰产生的制冷量）来分等级，这个吨相当于12000Btu/hr或3.51kW(Kavanaugh和Rafferty，1997)。一个典型的家庭需要的热泵机组应该是3吨或者是105kW的装机容量。
美国装机容量最大的热泵是在肯塔基州路易斯维尔市的一个宾馆。通过热泵为600个宾馆房间、100个公寓和89000ｍ2的办公区（整个宾馆161650ｍ2）提供冷热空调服务。热泵利用出水量177l/s、出水温度14℃的4口水井，提供15.8MW的冷负荷和196MW的热负荷。消耗的能量是没有热泵系统附近相似建筑的53%，每月节约25000美元。
6 欧洲的状况
地热热泵实际上可在任何地方既供热又制冷，可以满足任何的需求，具有很大的灵活性。在西欧和中欧，直接利用地热能对众多客户进行区域供暖受限于区域的地质条件。在这种情况下，通过分散的热泵系统采集到处都有的浅层地热是一个明智的选择。相应的，在欧洲各个国家，热泵正在快速增长和发展起来。热泵系统的市场正在蔓延，从事该项工作的商业公司也在增长，他们的产品已经进入“黄页”。
欧洲超过20年对热泵的研究开发为该项技术的可持续性建立了一个完善的概念，还解决了噪音问题，制定了安装标准。图3是一个典型的井下热交换器型热泵（BHE）。这个系统每输出1kWh的热或冷需要0.22～0.35kWh的电能，它比季节性利用大气做热源的空气源热泵少需要30%～50%的能量。
图3 中欧家庭中BHE热泵系统的典型应用，典型的BHE长度大于100m
根据欧洲许多国家的天气条件来看，目前大多数的需求是供暖，空调很少需要。所以热泵通常只是用于供暖模式。然而随着大型商业利用数量的增加，制冷的需要以及这项技术推广到南欧，将来供暖和制冷双重功效就会越来越重要。
在欧洲统计热泵安装的可靠数量是相当困难的，尤其是个人的利用。图4是欧洲主要利用热泵的几个国家安装热泵的数量。2001年瑞典大幅增加的热泵主要是空气源热泵，然而瑞典在欧洲也是安装地热热泵最多的国家（见表1）。总的情况，除了瑞典和瑞士，地热热泵的市场扩展在整个欧洲还不太大。
7 德国的经验
1996年之后，根据热泵的销售统计，德国各种热源的热泵销售情况各不相同（图5）。在经过1991年销售量小于2000台的低迷后，热泵的销售量呈现稳定的增长。地热热泵的份额从80年代少于30%上升到1996年的78%，2002年达到82%。而且从2001年到2002年，当德国的房地产由于经济萧条正在缩水的时候，地热热泵的销售量仍然有所增长。将来它在市场上仍然有增长的机会，因为有较好技术前景做保证。
图4 一些欧洲国家热泵机组的安装数量对比图
图5 每年德国热泵的销售数量对比图
德国地热热泵在住宅利用的数量是巨大的，许多小型系统安装在独立的房子里，而较大系统用于一些需要供暖和制冷的办公楼等商业区域。德国的大部分地区夏季的湿度允许制冷不带除湿，例如冷却顶棚。热泵系统就很适合直接利用地下的冷能，不需要冷却器，它们显示了非常高的制冷效率，COP能达到20以上。第一个利用井下热交换器和直接制冷的系统在1987年安装的，同时该项技术成为一个标准设计选择。一些最新的德国地热热泵的例子Sanner和Kohlsch有文章介绍。
在德国，地热热泵已经走过了研究、开发和开发现状阶段，当前的重点是选型和质量安全性。像技术准则VDI4640、合同规范以及质量认证等工作正开始被强制执行来保护工业和消费者，避免质量不合格和地热热泵系统无法长期运行等问题。
8 瑞士地热热泵的繁荣
地热热泵系统在瑞士已经以每年15%的速度快速增长。目前，有超过25000台热泵系统在运行。来自地下有三种热能供应系统：浅层水平管（占所有安装热泵的比例小于5%）、井下换热器系统（100～400m深，占65%）、地下水水源热泵（占30%）。仅仅在2002年，就施工钻孔600000m，并安装了井下换热器系统。
地热热泵系统非常适于开发到处都有的浅层地热资源。热泵系统长期运行的可靠性现在已经通过理论和实践研究以及通过在几个供暖季的测试得到证明。季节运行因素已大于3.5。
各种测试和模型模拟证明这种系统可以持续性的吸取热量。长期运行的可靠性保证了系统可以无故障应用。热泵系统所配备井下换热器的合理尺寸也有利于广泛的应用和选择。实际上，热泵系统的安装在1980年从零开始，经过快速发展，现在是瑞士地热直接利用里最大的部分。
地热热泵系统的安装自从20世纪70年代末期开始认识以来发展很快，这种印象深刻的增长可见图6和图7。
图6 1980～2001年瑞士地热热泵安装的发展趋势图
图7 1980～2001年瑞士井下换热装置和地下水的地热热泵系统装机容量发展趋势图
每年的增长非常显著：新安装系统的数量以每年大于10%的速度增长。小型系统（＜20kW）显示了最高的增长速度（大于15%，见图1）。2001年地热热泵系统的装机容量是440MWt，产生的能量为660GWh。2002年施工了大量的钻孔（几千个），并安装了双U型管的井下热交换器。井下换热器的平均深度大约150～200m；超过300m深度的钻孔也越来越多。平均每米的造价是45美元左右，包括钻井、下入U型管和回填。2002年，井下换热器的进尺达到600000m。
热泵快速进入瑞士市场的原因
热泵系统在瑞士市场上快速发展的原因主要是那里除了这种到处都有的地热以外，在地壳浅层没有其他地热能资源。另外，也有许多其他的原因，包括技术上的、环境上的以及经济上的原因。
技术原因
大多数人口居住的瑞士高原合适的天气条件：大气温度在0℃附近，冬天日照很少，
地下浅层温度在10～12℃之间，长供暖期。
恒定的地下温度通过正确选型尺寸，可以提供热泵最好的季节运行因素和长期使用寿命。
地热热泵以分散方式进行安装，适合于独立用户需要，避免了如同区域供暖系统的昂贵的热分配。
安装位置在建筑物附近（或建筑物地下），相对自由，在建筑物内对空间的要求也不高。
至少对小型系统来说，不需要进行回灌，因为在系统闲置期（夏天）地下的热能可以自动恢复。
环境原因
没有交通运输、储藏和运行的危险（与石油相比）；
没有地下水污染的危险（与石油相比）；
系统运行可以减少温室气体二氧化碳的排放。
经济原因
环境友好的地源热泵安装成本比得上传统（燃油）系统的安装（赖贝奇，2001）；
比较低的运行成本（与利用化石燃料供暖进行比较，不需购买石油或天然气，和燃烧器控制）；
对环境友好的热泵，当地给予对用电费用优惠。
二氧化碳的排放税预计要实施。
进一步快速推广地热热泵的刺激因素是公用事业的“能量合同”。它暗示了利用热泵的公司以自己的成本设计、安装、运行和维护地热热泵，同时以合同价格卖热能或冷能给合适的用户。
尽管绝大多数地热热泵是为单独住宅供暖（生活热水），但一些新的利用方式正在出现（包括各种井下换热器系统，联合太阳能进行热量采集和储存、地热供暖和制冷，“能量堆”）。对于每2km2一台机组，它们的地区密度是世界上最高的。这保证了瑞士在地热直接利用方面是有优势的（在世界上前五个国家中人均装机容量）。相信瑞士的地热热泵在相当长的一段时间内会兴盛下去。
9 英国的地热热泵
在英国，路特·开尔文努力发展了热泵理论，但利用热泵进行供暖却进展缓慢。第一个安装地热热泵的记载要追溯到1976年夏天。小型闭路系统的先锋设置是在90年代初期苏格兰的住宅进行安装的。英国花了很长时间发现为什么到目前为止在英国该项技术要落后于北美和北欧。首要的原因是相对温暖的天气、房屋材料的保温性较差、缺少适合的热泵机组和与天然气庞大管网的竞争。
在20世纪90年代中期，通过吸取加拿大、美国和北欧地区利用热泵的经验教训，英国的地热热泵开始缓慢发展。他们利用很长时间确定合理的技术来适用于本国的住宅材料，以及克服英国特有的各种问题。另外的一个难题就是英国的地质条件复杂。
过去的两年时间里，热泵已经被公认在几个英国政策里扮演着重要的角色，例如供热保障程序、可再生能源以及能源效率目标。
在英国，很少人知道其实热泵系统比起传统的那些系统可以大量减少二氧化碳的排放。利用英国电网的地热热泵系统将会立刻减少40%～60%的二氧化碳排放量。随着英国电网在将来几年变得越来越清洁，长寿热泵的排放量也会进一步下降。建筑师和发展商发现新的建筑评价标准正开始考虑二氧化碳这个新参数。
从非常小的起步，目前地热热泵系统已经出现在整个英国，从苏格兰到Cornwall。私人建筑家、房地产商和建筑协会现都成为这些系统的消费者。室内安装热泵系统一般在25kW到2.5kW之间，主要选择各种水对水和水对空气的热泵，安装在几种不同地质条件的地区。
最近宣称有拨款计划（清洁天空项目）会帮助建立该项技术的部门鉴定，会建立可信的安装队伍、技术标准以及适用于英国室内的热泵。随着去年英国主要的用户发起了热泵安装发展到1000家的活动，希望对于该项技术的兴趣能够快速增长，同时希望在将来几年能够大量涌现出室内地热热泵安装的成功案例。
另一个利用地热热泵的重要领域就是供暖和制冷都需要的商业和公共建筑。2002年国际能源协会热泵中心安排了首批国家级研究，对热泵可能减少二氧化碳的排放量进行研究（IEA，2002）。其中第一个就是在英国展开的，研究结论是热泵系统应用于办公室和小商店效果最好。第一个不在室内安装的热泵仅25kW，是在Scilly的Isles的健康中心。这个系统在接下来的2000年到今天得到迅速发展，设备尺寸和型号目前已经达到300kW。
热泵的利用已经发展到学校、单层或者多层的办公楼和展览中心。显著的一个例子就是Derbyshire的国家森林展览中心、Chesterfield、Nottingham、Croydon地区的办公楼以及Cornwall的Tolvaddon能源公园。一个大型的系统已经在Peterborough地区的新宜家销售中心进行安装。这些系统的安装采用了各种各样的类型，有简单利用地板供暖的，反循环热泵供暖和制冷的，也有复杂的整合机组同时进行供暖和制冷的。单独的或者是混合的配置都已经被采用，包括利用大型地下水平循环和其他相互联系的钻孔网。
10 瑞典的地热热泵
20世纪80年代初期，地热热泵在瑞典开始盛行。到1985年，已有50000台热泵机组被安装。随后较低的能源价格和技术质量问题使热泵市场萎缩，在接下来的10年里，平均每年安装2000个热泵机组。1995年，由于瑞典政府的支持和补贴，公众对地热热泵的兴趣开始增强。根据占住宅销售市场约90%的瑞典热泵机构（SVEP）统计的销售数据显示，2001年和2002年大约有27000个热泵机组被安装（见图8）。因此，安装的机组数量估计达到200000台。
目前，热泵是瑞典小型住宅区最流行的采用液体循环的供暖方式，由于当前的油价，它替代了烧油；由于电费高昂，它又替代了电；由于方便而替代了木炭火炉。直接利用电加热的发展速度已相当减慢。除了住宅方面，还有一些大型的系统安装（包括闭路和开路循环）用于区域供暖网。所有热泵机组平均输出的热能估计大约10kW。
瑞典地热热泵的安装通常建议占标称负荷的60%，即每年大约3500～4000个小时满负荷运行。整合在热泵里的电加热器提供剩余的负荷，有将热泵负荷增加到80%～90%的趋势。大约80%的热泵采用的是垂直类型（钻孔类型）。在住宅里，钻孔的平均深度大约125m，水平类型平均循环长度大约350m。开式、充满地下水的单U型管（树脂管，直径40mm，压力正常6.3bar）几乎用于所有的热泵安装。当热量需要被回灌入地下时，双U型管有时候被采用。热反应测试已经显示自然对流在充满地下水的钻孔中比填满砂（砾石）的钻孔热交换更强烈。地源热泵的盛行已经使人们逐渐关注相邻钻孔之间长期热影响的问题。
图8 每年瑞典热泵销售数量对比图
用于客户住所的大型系统正在变得越来越流行。用来制冷的垂直式安装正在占据市场，但在住宅方面仍然没有引起人们的兴趣。在商业和工业上制冷的需求为地热热泵打开了一个崭新的市场。
热泵技术上的发展有由涡轮式压缩机逐渐代替活塞式压缩机的趋势，它的优点是运行平稳、设计简洁。另外人们对各种容量控制也产生了兴趣，例如在同一个机组里分别安装一个小型压缩机和一个大型压缩机，夏天，生活热水可以通过小型压缩机来供给。绝大多数进口的热泵利用的工质是R410A。瑞典生产商仍然利用的是R407C，但有向R410A转变的趋势，还有的对丙烷也感兴趣。目前正在研究利用极少量的工质来组建热泵。一些生产商通过利用废气和土壤作为热源的热泵抢占市场。废气可以被用来预加热从钻孔开采出来的热运移流体，或者热泵闲置时灌入地下。
在大型钻孔型热泵系统里，为了确保系统长期运行，不得不考虑地下热能的平衡。如果主要是满足热负荷，则在夏天必须向地下回灌热能。自然界的可再生能源，如室外空气、地表水和太阳能都应该被考虑。在Nasby公园，在建筑物下面安装了一套系统，施工了48个200m深的钻孔，利用400kW的一个热泵基本提供热负荷，每年运行6000个小时。夏天，从附近的湖引来的地表温水（15～20℃）通过钻孔灌入地下。
11 挪威的例子
在奥斯陆的Nydalen，180个基岩井将会是给一个接近20万m2的建筑进行供热和制冷的关键。这是欧洲这种类型的系统里最大的项目。
一个能量供应站将为Nydalen的这个建筑供暖和制冷。通过利用热泵和地热井，热能既可以从地下采集，也可以将能量储存地下。夏天，但有制冷需要时，热能可以灌入地下。基岩的温度可以从平常的8℃上升到25℃。在冬天，热能可以用来供暖。供暖的输出功率是9MW，而制冷是7.5MW。与电、石油和天然气供暖相比，每年供暖的成本可以减少60%～70%。供暖和制冷的联合调用确保了能量站的高效利用。
这个项目最独特的地方是地热能量储藏。这里的180个井，每个都深200m，可以提供4～10kW能量。整个储热基岩的体积是180万m3，主要在建筑物的下面。塑料管形成封闭环路，用来传递热能。
该项目总投资是6千万挪威克朗（相当于750万欧元）。这比起传统方式（即没有能量井和收集装置）多投资1700万挪威克朗。然而，每年购买的能量减少约400万挪威克朗，项目还是有利润的。这个项目由政府实体Enova SF和奥斯陆能源基金拨款支持了1100万挪威克朗。
能量站按计划在2003年4月开始建设，包括施工一半的基岩井。剩下的井可能安排在2004年的建设中。
该项目的细节可以在项目组www.avantor.no和热能储存www.geoenergi.no两个网站上查询。
结论
地热热泵是一个刚兴起的技术，有能力利用地下巨大的可再生贮存能量，提供高效率的供暖和制冷。它们正逐渐被认为是替代化石燃料的一种选择，在许多国家，它们在对建筑进行供暖和制冷时可以极大地减少二氧化碳的总排放量。相信安装热泵系统的数量和国家都会快速增长起来。
参考文献（略）
另一个是由非物质性客观实体构成的宇宙信息或宇宙规律世界，如数学和逻辑、世界规律和定律等等。
物质世界的万物（包括我们人类或人体）是一个不断处于运动变化之中的世界，而非物质世界或形而上学的世界的宇宙信息却是一个永恒不变、不动的世界。数学完全属于非物质或超物质的宇宙信息世界，所以数学属于不变的形而上学哲学的范畴。物理量纲却属于物质世界的范畴，所以会跟随物质条件的变化而发生变化。
至于物理世界的存在而又不存在正好说明物质世界变化的属性，因为凡物质的，都是会运动的，凡运动的都是会有生有灭的，而生与灭就是存在与不存在的表现。
不过存在与不存在并不是指物质质量的灭亡（根据物质不灭定律），而仅仅是指物质存在的形体或物质存在的形式的改变而已。
摘要：工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。而传热学是研究热量传递规律，研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。在机件的冷、热加工过程中包含有大量复杂的热传递过程。
Abstract: Engineering thermodynamics is one of the earliest development branch of thermodynamics, It mainly studies the heat energy and mechanical energy and other energy between the rule of their conversion to each other and their applications, is one of the important basic subject of mechanical engineering. And heat transfer is a subject which studys of heat transfer law, and the heat transfer law between the object with different temperature or different parts of the same one. In parts of the cold and hot working process contains a large number of complex heat transfer process. 关键词：工程热力学 传热学 应用 发展
1、什么是工程热力学和传热学
工程热力学是热力学的工程分支，也是热力学最先发展的一个分支，它主要研究能量转换，特别是热能转化成能的规律和方法，以及提高转化效率的途径。传热学是研究热量传递规律的科学，它和工程热力学一起组成热工理论的基础。
2、工程热力学和传热学的应用
2.1工程热力学在机械设计制造中的应用
18世纪，英国开始了产业革命，产生了对热机的巨大需求，各种蒸汽机应运而生。在蒸汽机的众多发明和改进者中，最有名的是英国人瓦特，他在1763-1784年间，主要凭借经验摸索对当时只能用于抽水和灌溉的纽克曼蒸汽机作了重大改进，且研制成功了应用高于大气压的蒸汽和配有独立凝汽器的单位缸蒸汽机，使蒸汽机能耗了75%；1782年，制造了联协式蒸汽机，1784年，发明了调速器并对蒸汽机进一步改进，使其能适用于各种机械运动的原动机。此后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业、陶瓷业等工业部门，都先后以蒸汽机作为原动机获得迅速的发展阶段。
活塞式内燃机起源于荷兰物理学家惠更斯用火药爆炸获取动力的研究，但因火药燃烧难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。19世纪中期，科学家完善了通过燃烧煤气，汽油和柴油等产生的热转化机械动力的理论。这为内燃机的发明奠定了基础。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构，设计制造出第一台实用的煤气机。自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。 2.2工程传热学在机械设计制造中的应用
工程热力学和传热学在机械制造中的应用主要体现在对机械工程材料的影响上。材料在加热和冷却的时候都会在微观上产生组织变化，从而引起宏观上的物理性质变化，而这些变化，都会给机械带来非常大的危害，因此，在机械加工制造的过程中，我们就要充分考虑到这些问题，在问题未产生
之前通过一些方式方法来避免问题的产生。
对于很多在高温下工作的零件，只考虑室温下的力学性能是不够的，因为热会自动由高温向低温传递，而随着零件温度的上升，零件材料的组织发生变化，从而引起材料的力学性质的改变。因此高温下材料的强度随温度升高和时间的延长而降低。评定材料高温力学性能指标有：蠕变极限和持久强度。建于某些在高温下时不考虑变形量的大小，只考虑在给定应力下使用寿命的零件，如锅炉管道等，持久强度应作为设计的主要依据。对于在高温下对塑性变形要求严格的零件，如燃气机叶片等，在长期工作中只能许有一定量的变形，设计时则必有用蠕变极限作主要依据。高温下零件的失效和室温下零件的失效相似，主要有过量塑性变形、断裂、磨损等。由于温度和应力的同时作用，更加速了塑性变形、裂纹形成和扩展过程，有时同一零件可同时产生几种失效形式。
另外一方面，空调，制冷机，北方供热系统等都是基于传热学的原理设计制造而成的。分别是制冷以及制热。以空调为例
制冷原理：压缩机将气态的氟利昂压缩为高温高压的气态氟利昂，然后送到冷凝器（室外机）散热后成为中温中压的液态氟利昂，所以室外机吹出来的是热风。 液态的氟利昂经 毛细管，进入蒸发器（室内机），空间突然增大，压力减小，液态的氟利昂就会汽化，（从液态到气态是个吸热的过程），吸收大量的热量，蒸发器就会变冷，室内机的风扇将室内的空气从蒸发器中吹过，所以室内机吹出来的就是冷风；空气中的水蒸汽遇到冷的蒸发器后就会凝结成水滴，顺着水管流出去，这就是空调会出水的原因。 然后气态的氟利昂回到压缩机继续压缩，继续循环。 制热的时候有一个叫四通阀的部件，使氟利昂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，所以制热的时候室外吹的是冷风，室内机吹的是热风。 其实就是用的初中物理里学到的液化（由气体变为液态）时要排出热量和汽化（由液体变为气体）时要吸收热量的原理，同时蒸发热量。
制热原理：热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝器来加热室内空气。空调器在制冷工作时，低压制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热而高温高压制冷剂在冷凝器内放热冷凝。热泵制热是通过电磁换向，将制冷系统的吸排气管位置对换。原来制冷工作蒸发器的室内盘管变成制热时的冷凝器，这样制冷系统在室外吸热向室内放热，实现制热的目的。 3、工程热力学和传热学的发展和趋势 3.1热力学的发展史
古代人类早就学会了取火和用火，不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末，人们还不能正确区分温度和热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下，人们误认为物体的温度高是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标和1742～1745年摄氏温标的建立，才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术，为科学地观测热现象提供了测试手段，使热学走上了近代实验科学的道路。
1798年，朗福德观察到用钻头钻炮筒时，消耗机械功的结果使钻头和筒身都升温。1799年，英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化，这显然无法由“热质说”得到解释。1842年，迈尔提出了能量守恒理论，认定热是能的一种形式，可与机械能互相转化，并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。
英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念，1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年，焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就是以他的名字命名的。
热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年，法国人卡诺提出著名的卡诺定理，指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限，这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响，他的证明方法还有错误。1848年，英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年和1851年，德国的克劳修斯和开尔文先后提出了热力学第二定律，并在此基础上重新证明了卡诺定理。
1850～1854年，克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律和第二定律的确认，对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论，正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学，它成为研究热机工作原理的理论基础，使内燃机、汽轮机、燃气轮机和喷气推进机等相继取得迅速进展。
与此同时，在应用热力学理论研究物质性质的过程中，还发展了热力学的数学理论，找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数，研究了物质在相变、化学反应和溶液特性方面所遵循的各种规律 。1906年，德国的能斯脱在观察低温现象和化学反应中发现热定理；1912年，这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。
二十世纪初以来，对超高压、超高温水蒸汽等物性，和极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视，人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。 近20多年，现代技术的进步，特别是高参数大容量发电机组的发展，原子能、太阳能、地热能等新能源的开发利用，航天技术的飞速发展，超导、大规模集成电路、机械和生物工程等一系列现代科学技术的进步，推动了传热学科学的迅速发展，其理论体系日趋完善，已经成为现代科学技术中充满活力的基础学科之一。 3.2热力学的发展趋势
如今，人们将发展看作人的基本需求逐步得到满足、人的能力发展和人性自我实现的过程，形成了可持续发展观念并在便于取得共识。人类当今的发展需求，向热力学得出了能量发生，能量利用及能量回收诸多领域的新课题。热力学理论将在不断解决诸如确保自然资源可持续利用、相变传热、物体对外部能量选择性吸收、洁净能源利用技术等级新课题中不断充实、完善和发展。
参考文献：李长友 钱东平《工程热力学与传热学》
北京 中国农业大学出版社
相瑜才 孙维连 《工程材料及机械制造基础》 北京 机械工业出版社
德国的科学家称，他们创造了一个新的超导里程碑。由马克斯·普朗克化学研究所的物理学家，米哈伊尔·埃雷米茨领导的研究小组在最高温度下获得了无电阻电流——250开尔文（相对于绝对零度-273摄氏度的温度单位），即-23摄氏度。要知道，在2015年，他们创下的最高温超导记录是203开尔文，即-70摄氏度，三年的时间内提高了接近50开尔文！
在1911年，物理学家们首次发现的超导电性这种一种奇怪的现象。通常，电流的流动会遇到某种程度的阻力——即电阻。导体材料的导电性越高，其电阻越小，电流在传输过程中的消耗越小。
但是，某一些材料在温度足够低的条件下，电阻会降到零，电流消耗为零，同时伴随着迈斯纳效应（超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象）的出现，这个时候我们就可以称这种材料为超导体。
所谓的常温超导，就是一种材料能在高于0摄氏度的条件下，把电阻降到零。如果能够实现常温超导，我们将能彻底改变电传输效率，大大改善电网、高速数据传输和电动机的工作效能，在节能环保上也能更进一步。因此，世界上许多实验室一直在研究常温超导的课题，不断有人声称创造了新的高温超导，但随后却无法通过重现性测试。
此前埃雷米茨和他的研究小组在150千兆帕的压力下，在2015年用硫化氢创造了203开尔文的高温超导记录。这一次，埃雷米茨和他的研究小组使用了一种叫做氢化镧的材料，在大约170千兆帕的压力下进行高温超导实验。今年早些时候，研究小组用这种材料获得了215开尔文（-58.15C°）的超导性，仅仅几个月后，他们改进了这一结果——250开尔文（-23C°），摄氏度几乎是北极冬季平均气温的一半！
研究人员在他们的论文中写道：“这一飞跃，比之前的203开尔文临界温度记录高出接近50开尔文，表明了在不久的将来在高压下实现室温超导电性（即273开尔文，零摄氏度）的真正可能性，以及超导电性在常规环境压力下的前景。”
埃雷米茨研究小组的这一结果尚未得到科学界的验证，论文正等待同行科学家的评议。麻省理工学院技术综述报告指出，有三个试验被认为是超导性的指标，埃雷米茨研究小组的结果只完成了其中两个，即完全导电性和通量量子化。而完全抗磁性（即迈斯纳效应）的相关试验还没有完成，该小组尚未观察到这种现象，因为他们的样品非常小，远远低于他们的磁力计的检测能力。
探索的道路是崎岖而曲折的，不管埃雷米茨研究小组的高温超导研究中的完全抗磁性试验最终能否成功，他们的成果终究是一次飞跃。希望科学家们更进一步，早日实现常规环境压力下的常温超导，大幅度降低电力传输消耗，有效减缓地球的能源消耗。
人物简介折叠编辑本段
1856年7月10日，尼古拉·特斯拉出生在克罗地亚斯米湾村一个塞族家庭，父母都是塞尔维亚人，他是五个孩子中的老四。尼古拉·特斯拉他父亲是一所教堂里的牧师，自小就在基督教的家庭里长大。1880年毕业于布拉格大学后，于1884年移民美国成为美国公民，并获取耶鲁大学及哥伦比亚大学名誉博士学位。
他一生的发明多不胜数：1882年，他继爱迪生发明直流电（DC）后不久，即发明了交流电（AC），并制造出世界上第一台交流电发电机，并始创多相传电技术。 1895年，他替美国尼加拉瓜发电站制造发电机组，致使该发电站至今仍是世界著名水电站之一。 1897年，他使马可尼的无线传讯理论成为现实。 1898年，他又发明无线电摇控技术并取得专利（美国专利号码#613.809）。 1899年，他发现了X光（X-Ray）摄影技术。其他发明包括：收音机、雷达、传真机、真空管、霓虹光管……等甚至以他名字而命名的磁力线密度单位（1 Tesla = 10,000 Gause）更表明他在磁力学上的贡献。
生平经历折叠编辑本段
奇才诞生折叠
特斯拉出生于一个名叫斯米连村庄的塞尔维亚人家庭中。这个村庄位于奥地利帝国（今克罗地亚共和国）的利卡区戈斯皮奇附近。他的受洗纪录证明他出生于1856年6月28日（格里历7月10日）。其父亲名为米卢廷·特斯拉（Rev. Milutin Tesla），是一位在斯雷姆斯基卡尔洛夫奇教区的塞尔维亚东正教教堂里的神父。其母亲名为久卡（?uka）就是一位塞尔维亚东正教神父的女儿，并且非常擅长于制作家庭手工工具。她能背许多塞尔维亚史诗，但从未学过认字。他的教父，Jovan Drenovac，是保卫军事边疆的陆军上尉。特斯拉为家中五个孩子之一，有一个兄弟（Dane，在尼古拉五岁时死于骑马意外）和三个姊妹。1862年时他的家庭移居到戈斯皮奇。
学生时代折叠
特斯拉在克罗地亚的卡尔洛瓦茨上学，并在1875年奥地利的格拉茨科技大学修读电机工程。至少有两份资料说明他在格拉茨大学得到学士学位。然而他的学校却宣称他从来没有获得过学位，他在大学一年级只上了第一学期的课，并且在那期间已经不听课了。另一些人称他因交不起第一学期的学费而被迫退学了。据他大学室友所说，特斯拉没有毕业。在1878年，他离开格拉茨并且与家里断绝了所有的联系。他去了斯洛文尼亚的马里博尔，在那里他首次被聘为助理工程师持续了一年。在这期间他患上了神经衰弱。他的父亲一直劝他回到布拉格大学的查尔斯-费迪南德大学分校，于是他于1880年到那里读了夏季学期。然而当他父亲死后，只读完了一个学期，他就离开了大学。
爱迪生公司的工程师折叠
在1882年他去了法国巴黎，在爱迪生公司做一名工程师，设计改进电器。同年特斯拉发明了感应马达并开始开发各种用到旋转磁场的设备（于1888年取得了专利）。
不久以后，特斯拉因得知母亲病危而急匆匆地离开巴黎，刚到达不久后的几个小时母亲就死了，当时是1882年4月。她临终前的最后一句话是：“你终于来了，尼古拉，我的骄傲。”当她死后，特斯拉就病了。他在母亲的出生地查茨和戈斯皮奇休养了两三个星期。
离开爱迪生折叠
1884年，特斯拉第一次踏上美国国土，来到了纽约。除了前雇主查尔斯·巴奇勒所写的推荐函外，他几乎是一无所有。这封信是写给托马斯·爱迪生的，信中提到：“我知道有两个伟大的人，你是其中之一，另一个就是这个年轻人了。”爱迪生雇用了特斯拉，安排他在爱迪生机械公司工作。特斯拉开始为爱迪生进行简单的电器设计，他进步很快，不久以后解决了公司一些非常难的问题了。特斯拉完全负责了爱迪生公司直流电机的重新设计。
1919年，特斯拉写道：“如果他完成马达和发电机的改进工作，爱迪生将提供给他惊人的5万美元（如计入通货膨胀，相当于今天（2006年）的一百万美元）”。特斯拉说他的工作持续了将近一年，几乎将整个发电机重新设计了，使爱迪生公司从中获得巨大的利润和新的专利所有权。当特斯拉向爱迪生索取5万美元时，据传闻爱迪生回答他：“特斯拉，你不懂我们美国人的幽默”，就此违背了自己的诺言。这笔奖金的金额相当于公司创始资本，而以特斯拉当时每周18美元的薪水，他需要工作53年才能赚到。当特斯拉要求加薪至每周25美元遭到拒绝后，他辞职了。
特斯拉最后发现自己在爱迪生的公司仅仅是出卖体力，但在这段时间里，他开始关注于交流电系统的设计。
硕果累累的科学家折叠
在1886年，特斯拉创建了自己的公司，特斯拉电灯与电气制造公司（Tesla Electric Light & Manufacturing）。投资商不同意特斯拉关于交流电发电机的计划，并且最终罢免了他的职务。在1886到1887期间，特斯拉在纽约做一个普通的劳动者， 既是为了糊口，也是为他的下一个工程计划积累资金。在1887，他组装了最早的无电刷交流电感应马达（brushless alternating current induction motor）， 并在1888年为美国电气电子工程师学会作了演示。同年（1888），他发展了特斯拉线圈的原理，并且开始在西屋电器与制造公司（Westinghouse Electric & Manufacturing Company）位于匹兹堡的实验室与乔治·威斯汀豪斯一起工作。威斯汀豪斯听取了他的关于利用多相系统远程传输交流电的想法。
在早期的研究中，尼古拉·特斯拉特斯拉制定了许多实验来产生X射线。特斯拉认为用他的电路，“我的仪器可以产生的爱克斯光（即X射线）的能量比一般仪器可以产生的要大的多。”
他还谈到用他的电路和单节点X射线产生设备在工作时的危害。在他许多调查这种现象的记录中，他归结了导致皮肤损伤的许多原因。他认为早期的皮肤损伤并不是X射线所引起的，而是臭氧的产生与皮肤接触，和一些亚硝酸接触所致。特斯拉错误的认为X射线是纵波。
特斯拉完成了一些实验先于伦琴证实了他的发现（包括拍摄他的手的X射线照片，之后他将照片寄给了伦琴)，但没有使他的发现众所周知，他的大部分研究资料在1895年三月的第五大道一次实验室大火中给烧毁了。
特斯拉的发电机于1895年被其改进，改进中考虑到了液态空气。特斯拉知道，根据威廉·汤姆森（开尔文）的发现，液态空气重新液化时会吸收的并可以用来驱动东西的热量，要比理论上产生的要更多。
特斯拉早在1891年证实了无线能量传输，特斯拉效应（以此纪念特斯拉）是用来阐述这种类型的电导应用的术语（即能量穿过空间和物体的运动并不只是像穿过导体的电流一样）。
于1889年，特斯拉决定迁往有让他有做高频高压实验地方的科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯，并开始在那儿搞研究。到达后不久他向法国记者说，他正在做用无线传电将讯号从派克斯峰（他附近的一座山）送到巴黎的实验。特斯拉的日记有着他跟电离层及地下经纵波或横波传播的地电流相关的实验说明。在实验室中，特斯拉证明了大地是导电体及制造出人工闪电（放出的电有数百万伏，最长的有135英尺长）。特斯拉亦有研究大气层电力，观察他用接收器收到的闪电讯号。由复制品可见，特斯拉的接收器及金属检波器电路有着令人意想不到的复杂性（例如：分散式高Q螺旋共振管、无线电波反馈、原外差效应及再生技巧）。
特斯拉声称他这时观测到驻波。在科罗拉多实验室里，他“记录”到他相信是外太空电波讯号的讯号，不过他的宣称和数据都被科学社群给否决了。他提到从他接收器的数据中有着重覆的讯号，跟他已经提及过的雷电及土壤干扰上得到的讯号本质上很不同。他以后更明确地重提那些讯号是一组组地出现，一个、两个、三个及四个地合出一起的组。特斯拉的后半生都在尝试向火星发讯。1996年科拉姆发表了一篇木星上的等离子环形圆纹曲面讯号分析，当中指出了科罗拉多的火星沉落，和特斯拉仍在的1889年夏季的木星讯号中止一致。
特斯拉的晚年折叠
1900年，特斯拉拿着150,000美金 （51%来自于J.P. 摩根） 开始计划华登克里夫塔。于1902年7月，特斯拉的研究从休士顿街移到了华登克里夫塔。此塔最终在第一次世界大战期间被拆除而报废。当时的报纸称华登克里夫塔为“特斯拉的百万大建筑”。于1904年，美国专利局撤销了原本的判决，给了古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）无线电的专利权，之后特斯拉便开始他的无线电专利权之战。1906年，在他的50岁生日之际，特斯拉示范了他的200匹马力（约150千瓦），每分钟一千五百转的无叶片涡轮。1900年－1911年之间，在纽约的Waterside Power Station，他的一些无叶涡轮引擎被测试到100–5000匹马力（相当于73.5-3675kW）。
通古斯大爆炸
1908年6月30日，在俄罗斯帝国西伯利亚森林的通古斯河畔，突然爆发出一声巨响，巨大的蘑菇云腾空而起，天空出现了强烈的白光，气温瞬间灼热烤人，爆炸中心区草木烧焦，七十公里外的人也被严重灼伤，还有人被巨大的声响震聋了耳朵。不仅附近居民惊恐万状，而且还涉及到其它国家。英国伦敦的许多电灯骤然熄灭，一片黑暗；欧洲许多国家的人们在夜空中看到了白昼般的闪光；甚至远在大洋彼岸的美国，人们也感觉到大地在抖动……
有人推测说只是这位旷世奇才尼古拉·特斯拉尼古拉·特斯拉的一次交流电试运转。根据其树木的炭化程度及土地的磁化，可发现这并不是一般的线形闪电所造成，而更像球形闪电所释放的巨大能量。在此爆炸发生前期的夜晚，莫斯科等城市上空均出现极亮的闪电，那很可能就是特斯拉在进行远距离无线能量传输试验。并经过精准的运算后（误差不超过一度），准确将强大的交流电集中于通古斯这个杳无人烟之地。可以肯定的是，在爆炸发生时，特斯拉就在俄国伊尔库兹克州，该地也是能够看见大爆炸的地方之一 ，根据俄国当地史料记载 ，6月那日 特斯拉以电影之名召集当地数百群众见证了通古斯大爆炸，当时没有人相信该爆炸能够由人所为。但是，特斯拉曾说过类似的话：“我可以劈开世界，但我不会这么去做。”同时，直到如今种种的迹象仍旧表明，在那个时代，只有他才可以做到那种相当于广岛原子弹1000倍能量的释放。另有一个细节是，在通古斯大爆炸前，这位伟大的科学家还多次前往图书馆查阅西伯利亚的地图。[1]
1908年通古斯爆炸之后，特斯拉停止了沃登克里弗塔的无线电能传输实验，由于纽约市民关于沃登克里弗塔实验现象的描述和通古斯事件目击者观察到的征状相符，同时在通古斯大爆炸前前后后，特斯拉多次到图书馆查阅中西伯利亚地区的地图，故有科学家认为通古斯大爆炸和特斯拉利用沃登克里弗塔进行的无线电能传输实验有关。但是这一假说并不成立，因为在通古斯事件发生之时，沃登克里弗塔基本没有在运作，因为特斯拉从1903年就陷入财政危机。
伟人辞世折叠
1943年，尼古拉·特斯拉与世长辞，享年87岁。终生未娶。
荣誉记录折叠编辑本段
关于诺贝尔奖折叠
诺贝尔物理学奖自创立开始的三十年里，尼古拉·特斯拉一个人就被评选出九次，与爱迪生一起二次，而他把这十一次的诺贝尔奖全部让贤。拒绝1912年和爱迪生共享那次的理由是从好友马克吐温那里学来的：「娶一个老婆如何能两人共享，特别是与一位骗徒窃盗惯犯共享岂不危险？」虽然爱迪生后来通过各种渠道，年年以通用电气去争取诺贝尔奖，却从来都全面性的遭到否决，终身没有得诺贝尔奖。
纵观诺贝尔得奖历史，科学家研究尼古拉·特斯拉的作品，从而得到启发获得诺贝尔物理学奖的比率占了27%，间接得到启发的比率超过65%。比如帮他证明X光危害的伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen）随即成为1901年首届诺贝尔物理学奖得主。
尼古拉·特斯拉在1910年还推荐了居里夫人（Maria Sklodowska Curie）在放射性元素方面的成就，从而也让居里夫人获得了第二次的诺贝尔奖，且这次避开了物理学奖而得到化学奖，在当时，化学奖的成就比物理学奖高，而且她是女性，对全人类的意义非凡。
所以尼古拉特斯拉虽然一次都未接受诺贝尔奖，但在他1931年75岁生日的时候，收到八位诺贝尔物理学奖得主的感谢函。 1943年他的葬礼时，有三位诺贝尔物理学奖得主代表诺贝尔团队致词。
关于财富折叠
尼古拉·特斯拉一生独立开发并取得专利七百种，合作开发达一千种以上，帮忙开发的更是数不清，却分文未放入自己囊中。
尼古拉·特斯拉是一位完全开悟的智者，他了然爱迪生的赚钱原理，却从不效仿。他在晚年受不了财团的日日威胁，毅然将「交流电专利」撕毁，让其永远成为免费资源。如果交流电的发明专利不送给全人类免费使用，则每一马力交流电就将给他带来2.53美元的「专利费」，一年之内，他的现金就会超过世界首富。他一生的专利，以及科技成果带来的金钱，除了用于设备或生活开销，全部赞助给世界各国的贫苦政府，用以照顾老百姓。换言之，他坚持人人均富，世界大同。
尽管他的晚年穷困潦倒，尼古拉·特斯拉坚持拒绝美国政府的挽留打算回南斯拉夫安度晚年。不久之后，美国政府动用国力，拨了天文数字的款项给予南斯拉夫及其他国家在经济方面的支持，如此尼古拉·特斯拉才在美国住了下来。至今南斯拉夫和塞尔维亚的纸币上仍然印有尼古拉·特斯拉的头像。
人物成就折叠编辑本段
在美国，特斯拉在历史上或通俗文化上的名声可以媲美任何其他的发明家或科学家。1893年他展示了无线通讯并成为了电流之战的赢家之后，就成为了美国最伟大的电子工程师之一而备受尊敬。许多他早期的成果变成现代电子工程的先驱，而且他的许多发现极具开创性和重要性。在公元1943年，美国最高法院承认他为无线电的发明者。
特斯拉晚年被视为一个疯狂科学家并由于宣称可以创造怪异的科学发明而被注意。许多他的成就已伴随着一些争议被应用，去支持着许多的伪科学，如幽浮理论和新世纪神秘理论。特斯拉当代的钦佩者视他为“创造出二十世纪的人”。他是一个被世界遗忘的伟人。交流发电机就是他发明的，而爱迪生钟爱自己发明的直流发电机，因而与一些公司极力打压特斯拉。要不是特斯拉被强迫放弃了交流电的专利权供世人免费使用（每马力$2.53），那他会是世界上最富有的人。他的梦想就是给世界提供用之不竭的能源。特斯拉从不在意他的财务状况，于穷困且被遗忘的情况下病逝，享年86岁。虽然他是一个绝世天才，但是很遗憾没有多少人记得他。
特斯拉对机器人、弹道学、信息科学、核子物理学和理论物理学等各种领域上有贡献。除了以上这些，他本人有特异功能，同时跟特异功能、飞碟、粒子束武器之类的稀奇古怪的发明有关。连通古斯大爆炸也怀疑跟他有关。但在特斯拉的死被公开之后，隶属政府的外国人财产保管局仍取得了他的研究资料和专利。在他去世的时候，特斯拉仍然在继续他对teleforce武器和死亡射线的研究。尽管他没有成功向美国战争部推销出这些武器。他提出的死亡射线看起来与他有关球形闪电和等离子体的研究有关，被认为是一个粒子束武器。美国政府没有找到安全的原型装置。在战争部联系了FBI之后，他的研究被宣布为最高机密。受总统顾问的意见，他的所有个人物品都被查封；约翰·埃德加·胡佛宣布由于特斯拉得发明及专利的性质，他的所有研究都为绝密。
特斯拉继发明「交流电发电机」后，他便着手研究「免费能源」的可行性。
于1889年，他在美国科罗拉多泉（ColoradoSprings）建设实验室，专心研究『特斯拉线圈』的原理和反应。在1895年，当他的发明生涯正处于巅峰之际，一场离奇的火灾将整座实验室烧毁了，他半生所研究的心血、所有珍贵的研究设备和科学实验的资料，皆付之一炬，特斯拉的经济遭到严重损失。在这残酷的打击下，他茫然若失。
经过很久的的沉寂和恢复，于1901年，他再从痛苦中卷土重来，四出寻求合作伙伴，结果他得到世界富豪J.P.摩根 （J.PierpontMorgan）的投资15万美元及另外100万美元贷款，便在美国长岛（LongIsland）始建首座大型「特斯拉线圈」，以供给大西洋两岸「无线通讯」和「无线输电」之用。此项世界广播系统则被命名为「沃登克里弗计划」（WardendyffeProject）。
交流电的发明折叠
1888年，当时众多报章皆大肆报导：著名发明家爱迪生（Thomas Edison）宣称尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）是科学界一大“异端”，他所发明的交流电（AC）直接影响人类的性命安全，并屡次展示狗和猫如何通过交流电后瞬间死亡（“电椅”死刑亦因此被启发出来------据说爱迪生为了打击交流电，买通美国某些州政府官员，把当地死刑由绞刑改为交流电电刑。可交流电电不死人，把犯人都电成半死）。
但事实上，今天大家都知道，世界是何等需要交流电的存在。交流电的发明改善了人们的生活，增进了工业的发展并加促科学的进步。但为什么爱迪生三番四次攻击交流电和它的发明家——特斯拉呢？答案就是交流电的出现直接威胁了爱迪生所经营的直流电生意。因为使用直流电实在有太多的缺点和限制。如：直流电不利长途传输，每隔1公里则要增设发电站，但交流电却可利用变压器变压作为长途输电；使用直流电价钱较为昂贵，并且效能也远远不及交流电。基于利益上的冲突，爱迪生便极力打压特斯拉的发明。
在此之前特斯拉为伟大科学家爱迪生共发明了24项新产品，包括直流发电机和直流电动机的一系列重新设计，并由爱迪生取得专利，加以大量生产。爱迪生也从中赚到了很多钱，但爱迪生却拒绝给特斯拉已许诺好的奖金，甚至连薪水也不加，还说是“美式幽默”。结果，特斯拉心感忿怒并从此脱离爱迪生和他的公司。这就是历史上【电流之战】的序幕。
1888年，特斯拉得到西屋公司（Westing House）的企业家乔治威斯汀豪斯（Geovge Westing House）支持研发已构思了6年的交流电体系。半年后，他研制的交流电发电机取得专利，并应美国电机工程师学会（American Institute of Electrical Engineers）邀请讲解和示范交流电体系的研究成果。因为交流电的效能远比直流电优胜，因此交流电开始广泛采用，并慢慢取替传统直流电的位置。在利益的驱动下，爱迪生大力抨击特斯拉，并将其冠以“科学异端”之名，一场科学迫害应运而起。虽然今天交流电成为工业和社会供电的主流，成为我们日常生活的必需品，但尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）的名字却一直被人遗忘，甚至一直未受到应有的平反。这就是“正统”科学的杰作。
尼亚加拉水电站折叠
如果大家曾到过美国尼亚加拉大瀑布（Niagara Falls），相信大家都会为这幅壮丽的奇观而发出由衷的赞叹。 数以万吨的河水从四方八面汇流，以山崩地裂之势倾泻下来，河水猛然冲击的隆隆声响，令人生畏。在这条川流不息的河流里，蕴藏着意想不到的丰富资源。
1897年，举世知名的尼亚加拉水电站中，第一座10万匹马力的发电站建成，成为35公里外的纽约州水牛城（The City of Buffalo）的主要供电来源。其后十多座大大小小的发电站相继建成，每日所生产的电力足以供应美国纽约州和加拿大安大略省总需求的四分之一。至今，这项建成足足超过100年的电力建设仍然运作如常，从未间断地产出天然能源，可谓是人类近百年科学史上的一大奇迹。
这项科学上的百年奇迹，就是天才科学家特斯拉在三十多岁时的一项设计，当中共运用了他9项专利发明，包括特斯拉所发明的交流电发电机和交流电输电技术。
其实在当时的工商业、公共设置和家用电器，都使用着费用高昂的直流电。因为在电路上的损耗，使用直流电时必须每隔一公里便建设一套发电机组。所以在建造尼亚加拉水电站时，如将电力以直流电方式传送，输电至35公里以外的纽约州水牛城，是不可能的。所以建设尼亚加拉水电站时，美国人采用了特斯拉发明的交流电供、输电技术，用高压电来实现了远距离供电。这项划时代的发明，不仅解决了尼亚加拉水电站作远距离供电的难题，并且带给人们一个既方便又便宜的用电环境。
后来，人们在尼亚加拉瀑布的公园中树立了特斯拉的铜像，以纪念他在尼亚加拉水电站上的贡献。
免征专利税折叠
特斯拉一生的发明见证着他对社会无私的贡献。虽然他一生致力不断研究，并取得约 1000 个专利发明。但他晚年却是穷困潦倒，长年经济拮据。虽然，有不少企业家利用了这位天才科学家的爱心和才华，骗取了他的研究成果和荣誉，可是晚年的他依然为着人类的幸福而努力研究和发明。
在特斯拉众多的发明里，最惠及大众的莫过于交流电 （AC） 及交流电发电机了。在世界每一角落，经贸的发展、科学的进步和生活的享受都离不开交流电的帮助。2003 年年末的美国大停电和欧洲大停电，就曾陷社会和经济于大瘫痪。早于1882 年，特斯拉已经发明了世界第一台交流电发电机，更于1885 年发明多相电流和多相传电技术，就是现在全世界广泛应用的50-60Hz（ 赫兹 ） 传送电力的方法。
爱迪生发明直流电后，电器得到广泛应用，而电费同时却十分高昂，所以经营输出直流电成为了当时最赚钱的生意。到1884 年，特斯拉脱离爱迪生公司后，遇上西屋公司负责人乔治威斯汀豪斯 （George Westinghouse） ，并在其支持下于1888 年正式将交流电带给当时代的社会。在 1893 年 1 月位于芝加哥的一次世界博览会开幕礼中，特斯拉展示了交流电同时点亮了 90，000 盏灯泡的供电能力，震慑全场，因为直流电根本达不到这种效果。事后，特斯拉因此次展示取得了尼亚加拉水电站电力设计的承办权。
从此交流电咸鱼翻身，取代了直流电成为供电的主流。而特斯拉拥有着交流电的专利权，在当时每生产一匹交流电就必须向特斯拉缴纳1美元的版税。在强大的利益驱动下，当时一股财团势力要胁特斯拉放弃此项专利权，并意图独占牟利。经过多番交涉后，特斯拉决定放弃交流电的专利权，条件是交流电的专利将永久公开。从此他便撕掉了交流电的专利，损失了收取版税的权利。从此交流电再没有专利，成为一样免费的发明。
理论发明折叠
特斯拉开始推理关于用电和磁翘曲 （或仅是改变） 空间和时间的可能性，并且想使其能被人们所控制。在他临终之时，特斯拉深深着迷于波粒二象性，也就是电磁波既是波，也是粒子的理论，一个早已被量子物理所纳入的主张。特斯拉对此领域的研究使其有了一个想法，那便是操弄一定模式的电磁波去创造出“光之墙”。此神秘之墙能使时间、空间、重力和物质被意志所改变，并产生出一系列似乎只在科幻小说中出现的事物，包括反重力太空船、空间传送和时间旅行 （详细可看电影《致命魔术》）。
他最奇异的发明可能就属“意识摄像”机器。特斯拉设想，当一个意识在脑中形成，就会有一个相对应的图案在视网膜上出现，并且这段经由神经元传导的电子档案能被一个机器读出且记录下来。这段资讯能之后再被一个人工视神经处理，然后回放到银幕上 （详细可看电影《最终剪接》）
社会影响折叠编辑本段
在美国，特斯拉在历史上或通俗文化上的名声可以媲美任何其他的发明家或科学家。1893年他展示了无线通讯并成为了电流之战的赢家之后，就成为了美国最伟大的电子工程师之一而备受尊敬。许多他早期的成果变成现代电子工程的先驱，而且他的许多发现为开创性的重要。在公元1943年，美国最高法院承认他为无线电的发明者。特斯拉从不在意他的财务状况，死于穷困且被遗忘。
在使用电的现代世界上到处都可以看见特斯拉的遗产。撇开他在电磁学和工程上的成就，特斯拉也被认为对机器人、弹道学、资讯科学、核子物理学和理论物理学上等各种领域有贡献。特斯拉晚年被视为一个疯狂科学家并由于宣称可以创造怪异的科学发明而被注意。许多他的成就已伴随着一些争议被应用，去支持着许多的伪科学，如幽浮理论和新世纪神秘理论。特斯拉当代的钦佩者视他为“创造出二十世纪的人”。
1990年7月10日一次美国国会会议中，10多名美国参议员藉此纪念特斯拉134周年生辰之外，更表扬他在电力学上的贡献和他如何改变了人类对发电概念的认识。甚至在这次国会会议中，特斯拉更被称誉为比爱迪生 （ 直流电的发明者 ） 一生的贡献更伟大。
