《物理學(xué)的進(jìn)化》讀書筆記

　　你可能聽過一句雞湯"10塊錢的電子表和100萬的勞力士，時(shí)間都是一樣的轉(zhuǎn)。"但這句話真的正確嗎?一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)家會反駁，理由有兩點(diǎn)1;機(jī)械表的誤差會稍大于電子表。2;根據(jù)相對論，任何物體的速度都無法超過真空中的光速，那么顯然，如果一個(gè)戴著勞力士的人以光速移動(dòng)，他的表就會停轉(zhuǎn)，不然秒針的速度一定會超過光速。

　　1589的一天，伽利略登上了比薩斜塔，完成了"比薩斜塔實(shí)驗(yàn)"。盡管不是第一個(gè)自由落體實(shí)驗(yàn)，但這是最有影響力的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)幫助伽利略沖破了亞里士多德思想的枷鎖，一腳踹開了物理學(xué)的大門。不久，經(jīng)典物理學(xué)舞臺上的主角—牛頓，登場了。他的登場伴隨著經(jīng)典物理學(xué)最重要也是最基礎(chǔ)的定律—慣性定律(總結(jié)了伽利略的成果)這幫助當(dāng)時(shí)人們理解了運(yùn)動(dòng)(至少是直線運(yùn)動(dòng))的本質(zhì)。P1(附圖1)

　　牛頓又通過實(shí)驗(yàn)揭示了其余兩大經(jīng)典物理學(xué)定律：

　　F=m.a→物體加速度，加速方向與受力方向相同

　　力的作用是相互的。

　　這便啟發(fā)了物理學(xué)家們?nèi)パ芯?quot;力"或者應(yīng)該叫"能"。能——無處不在。

　　球于等高線h處釋放，停在不同坡度的不同位置(停指速度為0)。球釋放后到達(dá)A點(diǎn)前的路程，將重力勢能轉(zhuǎn)化成為動(dòng)能。而到達(dá)A點(diǎn)后則反之，這個(gè)實(shí)驗(yàn)同樣可以推理出慣性定律。物體重力勢能、彈性勢能、動(dòng)能的總和被稱之為機(jī)械能。我們注意到圖中球停止后位置比等高線h要低，說明整個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程中，機(jī)械能有損耗，而損耗又去了哪兒?很簡單，摩擦阻礙了運(yùn)動(dòng)，而摩擦生熱，而熱......

　　能量的國際通用單位—焦耳，如果你說他是位偉大的(有杰出貢獻(xiàn)的)物理學(xué)家，那么你只對了一半，錯(cuò)因是焦耳—他只是一個(gè)釀啤酒的，對物理感興趣，所以偶爾研究。但是多虧了他，我們又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)物質(zhì)的性質(zhì)，并用它來揭穿"熱"的神秘面紗。"熱"可是經(jīng)典物理學(xué)道路上的一塊大巖石，焦耳用實(shí)驗(yàn)鑿開了這塊巨石，得出了"熱是一種能，熱不具有質(zhì)量"的這一結(jié)論。同時(shí)，我們還給這種能起了一個(gè)簡單的名字—"內(nèi)能"。由于內(nèi)能是分子間的作用力產(chǎn)生，所以一個(gè)物體一定具有內(nèi)能。

　　植物學(xué)家布朗的新發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，被總結(jié)成了"分子熱運(yùn)動(dòng)"理論，這也將機(jī)械觀推向了高潮，因?yàn)楫?dāng)時(shí)看似經(jīng)典物理學(xué)的一切都能用"分子熱運(yùn)動(dòng)"理論解釋。P2

　　物理學(xué)的概念是人類智力的自由創(chuàng)造，換句我自己的話，科學(xué)是主觀的。而當(dāng)時(shí)物理學(xué)家們普遍抱有的主觀就是"機(jī)械觀"。碰巧的是，前面P1我主要寫"質(zhì)"的故事，P2我主要寫"能"的故事。而機(jī)械觀便是認(rèn)為：質(zhì)、能分別守恒，而且如果知道某一時(shí)間點(diǎn)宇宙所有原子的位置及動(dòng)量，就可以順推及倒推整個(gè)宇宙一切質(zhì)與能。

　　P2最后一小節(jié)引入一個(gè)重要理論：分子熱運(yùn)動(dòng)。這個(gè)理論的確加速了物理學(xué)的進(jìn)化，但令人意想不到的是，這個(gè)理論加速物理學(xué)進(jìn)化的方式并非修補(bǔ)了機(jī)械觀，而是幫助物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些分子熱運(yùn)動(dòng)無法解釋的現(xiàn)象，加速了機(jī)械觀的衰落�？茖W(xué)家讀自然之書必須自己尋找答案，他們不能像某些沒有耐心的偵探小說讀者那樣，直接翻到末尾，尋找答案。

　　我們現(xiàn)在對亞里士多德世界觀的態(tài)度，說不定就和未來的科學(xué)家對我們現(xiàn)代物理學(xué)的態(tài)度一樣，正如胡明勇主任說的，"錯(cuò)誤是美麗的"，唯有吸取犯錯(cuò)的教訓(xùn)，保持"初心"，有批判精神，相信科學(xué)沒有永恒的理論，才是前進(jìn)在物理道路上最優(yōu)的策略。P3(附圖3)

　　當(dāng)兩個(gè)磁鐵靠近時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)，它們不是互相排斥就是互相吸引。很顯然，這兩個(gè)磁鐵在實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)場無法用"分子熱運(yùn)動(dòng)"理論來解釋。沒想到吧!機(jī)械觀主宰下的物理學(xué)家們試圖用"分子熱運(yùn)動(dòng)"理論解釋一切的美夢分分鐘破滅，取而代之的是在伽伐尼和伏打發(fā)現(xiàn)(實(shí)驗(yàn))下蓬勃發(fā)展的電學(xué)。

　　可是"打倒了機(jī)械觀"的明明是磁啊?這跟電學(xué)發(fā)展又有什么關(guān)系呢?這便是P4的核心：電磁不分家。物理學(xué)家們?yōu)榱顺晒�解釋磁現(xiàn)象，他們引入了一個(gè)叫"場"的概念。場從一個(gè)工具逐漸變得不可代替，其對于現(xiàn)代物理學(xué)的重要性不亞于火之于原始人，簡單點(diǎn)說，場為物理學(xué)家們照亮了電學(xué)和磁學(xué)甚至后面相對論的道路。場概念推廣的成功原因之一在于"場"的概念實(shí)際上十分好解釋：兩個(gè)(多個(gè))物體在連續(xù)時(shí)空內(nèi)的互相作用。我相信有一點(diǎn)物理基礎(chǔ)的人都可以聽懂，理解這個(gè)概念，它不過是把我們熟知的三個(gè)概念進(jìn)行了一下組合。而另一個(gè)成功的原因，也是機(jī)械觀，或者說經(jīng)典物理學(xué)的局限的原因：場論是一個(gè)動(dòng)態(tài)的，四維的概念。而機(jī)械觀并沒有意識到"時(shí)間""速度"這兩個(gè)變量的重要性，把"動(dòng)"與"靜"一視同仁，才致使了最后的衰落。

　　奧斯特的實(shí)驗(yàn)證明了：由帶電體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一個(gè)電場的變化，永遠(yuǎn)由一個(gè)磁場相伴。P4(附圖4)

　　看來電和磁并沒有難倒聰明的物理學(xué)家們，可這個(gè)極端特殊的存在——光，就不一定了。"類比"不僅是一個(gè)學(xué)習(xí)新知識的好方法，也是一個(gè)研究新物理概念時(shí)的好方法，但我們至少要掌握一些證據(jù)(性質(zhì))令我們有充分理由，有意義地將兩者類比。要說光的直觀的性質(zhì)，那一定就是光速了。

　　在1850傅科用旋轉(zhuǎn)鏡面法則測出了光速，用這個(gè)方法測出的誤差甚至不到1%，現(xiàn)在外面知道光速約等于299792458M/S，而麥克斯韋方程組又可以推出，電磁波的速度=光速。

　　回到光現(xiàn)象的解釋去，有兩種主要的學(xué)說：波動(dòng)說(惠更斯)和微粒說(牛頓)，前者的優(yōu)勢在于它能完美解釋雙子b透光的現(xiàn)象，微粒說卻不能;后者的優(yōu)勢在于其能兼容光在真空中傳播的事實(shí)。歷史替我們做了選擇，波動(dòng)能說更勝一籌。(附圖5)

　　光的直線傳播，光的折射，光在真空中的傳播.....

　　太多的光現(xiàn)象擺在我們眼前，我們卻無法看清它的本質(zhì)，甚至找不到能給出合理解釋的學(xué)說。

　　當(dāng)你做一道數(shù)學(xué)題，一道競賽題，有難度的題，你變著方法做，你最終還是找到了一個(gè)方法，你欣喜若狂做出了答案時(shí)，才發(fā)現(xiàn)這個(gè)答案和最基本的條件不符，于是你急切地想知道你究竟錯(cuò)在哪，正是如此，物理學(xué)家們回頭找起了他們可能遺漏的東西，他們堅(jiān)信就是這出了問題，而事實(shí)上，的確如此。P5

　　我們先澄清一下那些"簡單得不行"的概念：

　　1、距離是相對的。

　　2、時(shí)間是絕對的。

　　由此可得速度就是單位時(shí)間能通過的單位距離，速度是相對的。

　　A在B左邊5米，C在B右邊3米，由此可得A在C左邊8米，這是最基本的轉(zhuǎn)換，則可得速度轉(zhuǎn)換：A以3m/s相對B向北運(yùn)動(dòng)，C以5 m/s 相對A向北運(yùn)動(dòng)，C以8m/s 相對B向北運(yùn)動(dòng)。

　　我們又把一個(gè)例如插在地上的桿子這種"靜止"的物體形成的參考系叫做坐標(biāo)系。而經(jīng)典力學(xué)定律在其中有效的坐標(biāo)體系，被稱為"慣性系"，舉個(gè)例子，一個(gè)不計(jì)空氣摩擦后和g值變化的不斷下墜的電梯，就是一個(gè)慣性系。(忽略摩擦)(附圖6)

　　這些不都是些再簡單不過的"常識"嗎。而接下來的主角：相對論，正是在這些常識上取得突破，才得以開啟物理學(xué)新的篇章。

　　因?yàn)槲覀冇袃蓚�(gè)十分重要的線索：

　　1、以太被理想實(shí)驗(yàn)證明不存在，我們被迫放棄當(dāng)前最合理的光現(xiàn)象解釋——光的波動(dòng)說。

　　2、光的真空中傳播速度是一個(gè)常數(shù)，且是自然界的最大速度。P6

　　20 世紀(jì)初，《相對論》便誕生了，即使在今天，100年前的相對論由于經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展的停滯，仍稱得上是經(jīng)典物理學(xué)的頂峰。并非所有的理論都會一帆風(fēng)順，相對論由于極大地沖擊了當(dāng)時(shí)牛頓世界觀中最基本的事實(shí)——時(shí)間是絕對的，在當(dāng)時(shí)并沒有被廣泛接受，但觀測事實(shí)最終還是支持了相對論。

　　相對論的主要論點(diǎn)：

　　1、能量具有質(zhì)量，可以相互"轉(zhuǎn)化"，也不應(yīng)該說"轉(zhuǎn)化"，因?yàn)檫@倆是一致的，正因這個(gè)觀點(diǎn)，"物體"這個(gè)概念被模糊了，因?yàn)?quot;質(zhì)"與"能"并不本質(zhì)區(qū)別，這個(gè)觀點(diǎn)成功預(yù)言了黑洞的存在。(黑洞的質(zhì)量大到使光偏離直線傳播)

　　現(xiàn)在我們重新回到P2，情景反轉(zhuǎn)，當(dāng)初我們認(rèn)為錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，在相對論中竟是正確的，我們甚至可以驕傲地指出教科書的錯(cuò)誤：加熱了的水確實(shí)會比未加熱的水重。(其它變量相同)盡管這個(gè)差距的測量在現(xiàn)在還不可能實(shí)現(xiàn)。

　　2、距離及時(shí)間都不是絕對的。運(yùn)動(dòng)的物體會改變它的步調(diào)，也會改變它的長度。這距經(jīng)典轉(zhuǎn)換相違背，因此在"思維宇宙"的坐標(biāo)系力，我們用"洛侖茲轉(zhuǎn)換"而放棄了將動(dòng)、靜混為一談的經(jīng)典轉(zhuǎn)換。速度是一個(gè)重要的自變量，速度越快，物體在運(yùn)動(dòng)方向上的收縮幅度便越大，且該物體運(yùn)動(dòng)的步調(diào)也越慢。令人驚奇的是，當(dāng)我們重新審視"速度"這個(gè)物理量的定義時(shí)，我們會發(fā)現(xiàn)，"速度"引起的變化，在比較性可以自圓其說。速度是單位時(shí)間內(nèi)通過的路程，路程相同，時(shí)間越短，速度越快。同樣的，時(shí)間相同，路程越長，速度越快。這跟相對論的結(jié)論的本質(zhì)相同。P7(附圖7)

　　我們知道經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論的適用條件是對象所在的坐標(biāo)系是一個(gè)慣性系。P7支持了相對論在慣性系中的成立，與經(jīng)典物理學(xué)兼容，也就是狹義相對論，而相對論的核心，P8的內(nèi)容，便是廣義相對論。

　　廣義相對論建立在"理想實(shí)驗(yàn)"的基礎(chǔ)上，這是物理探索中的重要方法。要引申狹義相對論為廣義相對論，成為所有坐標(biāo)系通用的結(jié)論，就必須替換牛頓的"絕對運(yùn)動(dòng)"和"慣性系"兩個(gè)概念，然后抹除它們的存在。

　　關(guān)鍵問題是，兩個(gè)不同的，互做非勻直運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中的觀察者，能否對物理現(xiàn)象做一致描述。在經(jīng)典物理學(xué)中被忽略的重要條件——慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等作為根據(jù)，便可以回答上面的問題：能。(附圖8)

　�、偃菀桌斫�，是②的鋪墊，②是關(guān)鍵的理想實(shí)驗(yàn)。

　　在②中，我們發(fā)現(xiàn)，甲、乙兩位觀察者都有理由認(rèn)為它們的坐標(biāo)系"相對靜止"，而甲、乙之間轉(zhuǎn)換的橋梁是，你可以認(rèn)為m的下落是引力場作用，也可以認(rèn)為m的下落是因?yàn)閙具有慣性。那么這時(shí)當(dāng)一束光經(jīng)過A點(diǎn)射入運(yùn)動(dòng)箱內(nèi)部會發(fā)生什么呢?根據(jù)乙觀察的現(xiàn)象，會認(rèn)為因?yàn)橄渥油�上運(yùn)動(dòng)，所以光束落點(diǎn)相對原本的直線延長線偏下。神奇的是，利用相對論，甲也可以解釋這一光線偏移——引力場作用。至此，狹義相對論與廣義相對論正式對接，也解釋了"相對論"為什么要叫"相對論"。至此經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)完結(jié)了，而量子物理學(xué)的新篇章早就開始了。P8

　　量子是什么?量子就是組成某一些物理量的最小單位。所以，所有形式的變化都是量子的變化，所以，之前那些所有被我們認(rèn)為"連續(xù)"的物理量，都變成"非連續(xù)性變化"的物理量了。

　　量子物理中重要的一部分便是對"光"的探索，這個(gè)在經(jīng)典物理中依然神秘的現(xiàn)象。在探索中，一個(gè)關(guān)鍵的，決定性的現(xiàn)象引起物理學(xué)家們的注意——光電效應(yīng)。

　　通俗地講，就是金屬中的電子被"光"撞擊了出來，形成了電子雨，這用光的波動(dòng)說無法解釋，物理學(xué)家們靈機(jī)一動(dòng)，刨開了隔壁牛頓"光的微粒說"的墳，試圖復(fù)興微粒說。這是理由充分的，因?yàn)樵谶@200多年間，物理學(xué)家們的眼睛都是向前看的，還沒有人用更先進(jìn)的科學(xué)知識認(rèn)真考慮過復(fù)興微粒說。那么復(fù)興微粒說最重要的工作就是將波動(dòng)說的語言換成微粒說的語言。波長，也就是色光的不同，可以視為光子/光的量子，即光的最小組成單位所含能量的不同。

　　★所有重要的科學(xué)觀念都是在跟我們的理解發(fā)生劇烈沖突時(shí)誕生的。

　　一個(gè)還持有機(jī)械觀的人可能會很難理解接下來的觀點(diǎn)：概率波。這個(gè)觀點(diǎn)時(shí)，你即使知道已知質(zhì)點(diǎn)在已知位置受已知方向的已知力，你仍無法預(yù)言它的路徑。雖然這個(gè)理論很好地解釋了光的光帶和暗帶——落上去光子數(shù)量的不同，但這也容易引發(fā)一個(gè)思考：我們的物理學(xué)是否是懸空的?因?yàn)楦怕什ㄗ屛覀冇肋h(yuǎn)不能也不會有充分的理由解釋單個(gè)量子的行動(dòng)。量變引起質(zhì)變，現(xiàn)在，一團(tuán)量子與一個(gè)量子有了本質(zhì)區(qū)別。在量子力學(xué)中的物理現(xiàn)象竟是統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的。于是更大的，仍未解釋的困難出現(xiàn)了，它就像一塊大石頭橫在了量子力學(xué)道路的中央。(附圖9)

　　好了，物理理論不斷被興起，也不斷衰落，物理學(xué)的進(jìn)化從未停止，并將永不停止!就像100萬的勞力士不會停止轉(zhuǎn)動(dòng) ......

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