当我们谈到“物理”时,我们在说什么?

作者: 中科院物理所

来源: 泼皮士

发布日期: 2017-08-17 10:00:00

本文是《费曼物理》第一册第2章的内容,探讨了物理学的基本观念,包括自然现象的分类与统一、科学方法的应用、1920年前的物理学基础以及电场的概念。

当我们谈到“物理”时,我们在说什么?这是我们发布的物理学专栏的第三篇,也是《费曼物理》第一册第2章的主要内容。这一章将考察我们对物理学的最基本的观念,也就是:我们当前所了解的事物本性。

自然现象的分类与统一:如前所述,我们的世界千变万化、多姿多彩。草原上有鲜花、牛粪、屎壳郎,海岸边有阳光、沙滩、仙人掌,或许还有一位老船长,思考着幸福的远航。

好奇心使我们提出问题:这种多样性可以由比较少的基元事物和作用力以无穷多种方式组合得到吗?沙粒和岩石是不是一个东西只是大小不同?风和水流何其相似?如果能将乍看之下很不相同的事物综合分类,是不是就能更好地理解它们?几百年前,人们提出了一种方法——科学方法,由观察、推理和实验构成,并试图用它来寻求这些问题的答案。

如果将世界想象成天神们下的一盘巨大的象棋,我们就是不懂弈棋规则的观众,这些规则便是我们所说的基础物理学。我们只能靠长时间观看棋赛来寻找(“猜测”)它们,以此理解这个复杂的世界。而“理解”又是什么意思?费曼认为:“即使知道全部规则,我们也无法用它来领会这盘棋的走法,更别说预言下一步将发生什么情况了。”所以我们只能满足于:知道规则,就算理解世界。

1920年前的物理学:一下子就从现代的观点开始讨论是有些困难的,我们先看一下1920年前的事物看起来是什么样子。它大概是这样:宇宙活动的舞台是欧几里得几何描绘的三维空间;事物在叫做时间的媒介中变化。舞台的基本元素是粒子,一切物质都是大量运动着的粒子。而粒子有若干属性:惯性:粒子(实际是物体)有保持静止或匀速直线运动状态的性质。

力:当时认为有两种,一种是让原子结合在一起的短程力(静电力),另一种就是万有引力(一种与距离的平方成反比的长程力)。

关于电力还有更多发现。电相互作用的一个自然的解释是,两个物体简单地互相吸引,正的吸引负的。但是,后来发现,更恰当的表示应是:正电荷在某种意义上扭曲了空间的“状态”,使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在的可能性叫电场。于是我们得到两条规则:电荷产生一个电场,电场中的电荷会受到力的作用而运动。

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