《物理學的進化》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，時間都是一樣的轉(zhuǎn)。"但這句話真的正確嗎?一個現(xiàn)代物理學家會反駁，理由有兩點1;機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，如果一個戴著勞力士的人以光速移動，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"比薩斜塔實驗"。盡管不是第一個自由落體實驗，但這是最有影響力的一個實驗。這一實驗幫助伽利略沖破了亞里士多德思想的枷鎖，一腳踹開了物理學的大門。不久，經(jīng)典物理學舞臺上的主角—牛頓，登場了。他的登場伴隨著經(jīng)典物理學最重要也是最基礎(chǔ)的定律—慣性定律(總結(jié)了伽利略的成果)這幫助當時人們理解了運動(至少是直線運動)的本質(zhì)。P1(附圖1)

　　牛頓又通過實驗揭示了其余兩大經(jīng)典物理學定律：

　　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)了物理學家們?nèi)パ芯?quot;力"或者應該叫"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A點前的路程，將重力勢能轉(zhuǎn)化成為動能。而到達A點后則反之，這個實驗同樣可以推理出慣性定律。物體重力勢能、彈性勢能、動能的總和被稱之為機械能。我們注意到圖中球停止后位置比等高線h要低，說明整個能量轉(zhuǎn)換的過程中，機械能有損耗，而損耗又去了哪兒?很簡單，摩擦阻礙了運動，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(有杰出貢獻的)物理學家，那么你只對了一半，錯因是焦耳—他只是一個釀啤酒的，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)典物理學道路上的一塊大巖石，焦耳用實驗鑿開了這塊巨石，得出了"熱是一種能，熱不具有質(zhì)量"的這一結(jié)論。同時，我們還給這種能起了一個簡單的名字—"內(nèi)能"。由于內(nèi)能是分子間的作用力產(chǎn)生，所以一個物體一定具有內(nèi)能。

　　植物學家布朗的新發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)的實驗，被總結(jié)成了"分子熱運動"理論，這也將機械觀推向了高潮，因為當時看似經(jīng)典物理學的一切都能用"分子熱運動"理論解釋。P2

　　物理學的概念是人類智力的自由創(chuàng)造，換句我自己的話，科學是主觀的。而當時物理學家們普遍抱有的主觀就是"機械觀"。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。而機械觀便是認為：質(zhì)、能分別守恒，而且如果知道某一時間點宇宙所有原子的位置及動量，就可以順推及倒推整個宇宙一切質(zhì)與能。

　　P2最后一小節(jié)引入一個重要理論：分子熱運動。這個理論的確加速了物理學的進化，但令人意想不到的是，這個理論加速物理學進化的方式并非修補了機械觀，而是幫助物理學家發(fā)現(xiàn)了一些分子熱運動無法解釋的現(xiàn)象，加速了機械觀的衰落�？茖W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家對我們現(xiàn)代物理學的態(tài)度一樣，正如胡明勇主任說的，"錯誤是美麗的"，唯有吸取犯錯的教訓，保持"初心"，有批判精神，相信科學沒有永恒的理論，才是前進在物理道路上最優(yōu)的策略。P3(附圖3)

　　當兩個磁鐵靠近時，你會發(fā)現(xiàn)，它們不是互相排斥就是互相吸引。很顯然，這兩個磁鐵在實驗中的現(xiàn)場無法用"分子熱運動"理論來解釋。沒想到吧!機械觀主宰下的物理學家們試圖用"分子熱運動"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)(實驗)下蓬勃發(fā)展的電學。

　　可是"打倒了機械觀"的明明是磁啊?這跟電學發(fā)展又有什么關(guān)系呢?這便是P4的核心：電磁不分家。物理學家們?yōu)榱顺晒�解釋磁現(xiàn)象，他們引入了一個叫"場"的概念。場從一個工具逐漸變得不可代替，其對于現(xiàn)代物理學的重要性不亞于火之于原始人，簡單點說，場為物理學家們照亮了電學和磁學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"的概念實際上十分好解釋：兩個(多個)物體在連續(xù)時空內(nèi)的互相作用。我相信有一點物理基礎(chǔ)的人都可以聽懂，理解這個概念，它不過是把我們熟知的三個概念進行了一下組合。而另一個成功的原因，也是機械觀，或者說經(jīng)典物理學的局限的原因：場論是一個動態(tài)的，四維的概念。而機械觀并沒有意識到"時間""速度"這兩個變量的重要性，把"動"與"靜"一視同仁，才致使了最后的衰落。

　　奧斯特的實驗證明了：由帶電體的運動而產(chǎn)生的一個電場的變化，永遠由一個磁場相伴。P4(附圖4)

　　看來電和磁并沒有難倒聰明的物理學家們，可這個極端特殊的存在——光，就不一定了。"類比"不僅是一個學習新知識的好方法，也是一個研究新物理概念時的好方法，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，有兩種主要的學說：波動說(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。歷史替我們做了選擇，波動能說更勝一籌。(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說。

　　當你做一道數(shù)學題，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方法，你欣喜若狂做出了答案時，才發(fā)現(xiàn)這個答案和最基本的條件不符，于是你急切地想知道你究竟錯在哪，正是如此，物理學家們回頭找起了他們可能遺漏的東西，他們堅信就是這出了問題，而事實上，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、時間是絕對的。

　　由此可得速度就是單位時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向北運動，C以5 m/s 相對A向北運動，C以8m/s 相對B向北運動。

　　我們又把一個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系。而經(jīng)典力學定律在其中有效的坐標體系，被稱為"慣性系"，舉個例子，一個不計空氣摩擦后和g值變化的不斷下墜的電梯，就是一個慣性系。(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，才得以開啟物理學新的篇章。

　　因為我們有兩個十分重要的線索：

　　1、以太被理想實驗證明不存在，我們被迫放棄當前最合理的光現(xiàn)象解釋——光的波動說。

　　2、光的真空中傳播速度是一個常數(shù)，且是自然界的最大速度。P6

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

　　相對論的主要論點：

　　1、能量具有質(zhì)量，可以相互"轉(zhuǎn)化"，也不應該說"轉(zhuǎn)化"，因為這倆是一致的，正因這個觀點，"物體"這個概念被模糊了，因為"質(zhì)"與"能"并不本質(zhì)區(qū)別，這個觀點成功預言了黑洞的存在。(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)，當初我們認為錯誤的觀點，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誤：加熱了的水確實會比未加熱的水重。(其它變量相同)盡管這個差距的測量在現(xiàn)在還不可能實現(xiàn)。

　　2、距離及時間都不是絕對的。運動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"的坐標系力，我們用"洛侖茲轉(zhuǎn)換"而放棄了將動、靜混為一談的經(jīng)典轉(zhuǎn)換。速度是一個重要的自變量，速度越快，物體在運動方向上的收縮幅度便越大，且該物體運動的步調(diào)也越慢。令人驚奇的是，當我們重新審視"速度"這個物理量的定義時，我們會發(fā)現(xiàn)，"速度"引起的變化，在比較性可以自圓其說。速度是單位時間內(nèi)通過的路程，路程相同，時間越短，速度越快。同樣的，時間相同，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)典物理學的結(jié)論的適用條件是對象所在的坐標系是一個慣性系。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"理想實驗"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，成為所有坐標系通用的結(jié)論，就必須替換牛頓的"絕對運動"和"慣性系"兩個概念，然后抹除它們的存在。

　　關(guān)鍵問題是，兩個不同的，互做非勻直運動的坐標系中的觀察者，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)鍵的理想實驗。

　　在②中，我們發(fā)現(xiàn)，甲、乙兩位觀察者都有理由認為它們的坐標系"相對靜止"，而甲、乙之間轉(zhuǎn)換的橋梁是，你可以認為m的下落是引力場作用，也可以認為m的下落是因為m具有慣性。那么這時當一束光經(jīng)過A點射入運動箱內(nèi)部會發(fā)生什么呢?根據(jù)乙觀察的現(xiàn)象，會認為因為箱子往上運動，所以光束落點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)典物理學已經(jīng)完結(jié)了，而量子物理學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，這個在經(jīng)典物理中依然神秘的現(xiàn)象。在探索中，一個關(guān)鍵的，決定性的現(xiàn)象引起物理學家們的注意——光電效應。

　　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，這用光的波動說無法解釋，物理學家們靈機一動，刨開了隔壁牛頓"光的微粒說"的墳，試圖復興微粒說。這是理由充分的，因為在這200多年間，物理學家們的眼睛都是向前看的，還沒有人用更先進的科學知識認真考慮過復興微粒說。那么復興微粒說最重要的工作就是將波動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。

　　★所有重要的科學觀念都是在跟我們的理解發(fā)生劇烈沖突時誕生的。

　　一個還持有機械觀的人可能會很難理解接下來的觀點：概率波。這個觀點時，你即使知道已知質(zhì)點在已知位置受已知方向的已知力，你仍無法預言它的路徑。雖然這個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)一個思考：我們的物理學是否是懸空的?因為概率波讓我們永遠不能也不會有充分的理由解釋單個量子的行動。量變引起質(zhì)變，現(xiàn)在，一團量子與一個量子有了本質(zhì)區(qū)別。在量子力學中的物理現(xiàn)象竟是統(tǒng)計性質(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，物理學的進化從未停止，并將永不停止!就像100萬的勞力士不會停止轉(zhuǎn)動 ......

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