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1、物理学的进化读书笔记物理学的进化读书笔记你可能听过一句鸡汤"10块钱的电子表和100万的劳力士，时间都是一样的转。"但这句话真的正确吗?一个现代物理学家会反驳，理由有两点1;机械表的误差会稍大于电子表。2;根据相对论，任何物体的速度都无法超过真空中的光速，那么显然，如果一个戴着劳力士的人以光速移动，他的表就会停转，不然秒针的速度一定会超过光速。1589的一天，伽利略登上了比萨斜塔，完成了"比萨斜塔实验"。尽管不是第一个自由落体实验，但这是最有影响力的一个实验。这一实验帮助伽利略冲破了亚里士多德思想的枷锁，一脚踹开了物理学的大门。不久，经典物理学舞台上的主
2、角牛顿，登场了。他的登场伴随着经典物理学最重要也是最基础的定律惯性定律(总结了伽利略的成果)这帮助当时人们理解了运动(至少是直线运动)的本质。P1(附图1)牛顿又通过实验揭示了其余两大经典物理学定律：F=m.a→物体加速度，加速方向与受力方向相同力的作用是相互的。这便启发了物理学家们去研究"力"或者应该叫"能"。能无处不在。球于等高线h处释放，停在不同坡度的不同位置(停指速度为0)。球释放后到达A点前的路程，将重力势能转化成为动能。而到达A点后则反之，这个实验同样可以推理出惯性定律。物体重力势能、弹性势能、动能的总和被称之为机械能。我们注意到图
3、中球停止后位置比等高线h要低，说明整个能量转换的过程中，机械能有损耗，而损耗又去了哪儿?很简单，摩擦阻碍了运动，而摩擦生热，而热.能量的国际通用单位焦耳，如果你说他是位伟大的(有杰出贡献的)物理学家，那么你只对了一半，错因是焦耳他只是一个酿啤酒的，对物理感兴趣，所以偶尔研究。但是多亏了他，我们又发现了一个物质的性质，并用它来揭穿"热"的神秘面纱。"热"可是经典物理学道路上的一块大岩石，焦耳用实验凿开了这块巨石，得出了"热是一种能，热不具有质量"的这一结论。同时，我们还给这种能起了一个简单的名字"内能"。由于内能是分
4、子间的作用力产生，所以一个物体一定具有内能。植物学家布朗的新发现以及后续的实验，被总结成了"分子热运动"理论，这也将机械观推向了高潮，因为当时看似经典物理学的一切都能用"分子热运动"理论解释。P2物理学的概念是人类智力的自由创造，换句我自己的话，科学是主观的。而当时物理学家们普遍抱有的主观就是"机械观"。碰巧的是，前面P1我主要写"质"的故事，P2我主要写"能"的故事。而机械观便是认为：质、能分别守恒，而且如果知道某一时间点宇宙所有原子的位置及动量，就可以顺推及倒推整个宇宙一切质与能。P2最后一
5、小节引入一个重要理论：分子热运动。这个理论的确加速了物理学的进化，但令人意想不到的是，这个理论加速物理学进化的方式并非修补了机械观，而是帮助物理学家发现了一些分子热运动无法解释的现象，加速了机械观的衰落。科学家读自然之书必须自己寻找答案，他们不能像某些没有耐心的侦探小说读者那样，直接翻到末尾，寻找答案。我们现在对亚里士多德世界观的态度，说不定就和未来的科学家对我们现代物理学的态度一样，正如胡明勇主任说的，"错误是美丽的"，唯有吸取犯错的教训，保持"初心"，有批判精神，相信科学没有永恒的理论，才是前进在物理道路上最优的策略。P3(附图3)当两个磁铁靠近时，
6、你会发现，它们不是互相排斥就是互相吸引。很显然，这两个磁铁在实验中的现场无法用"分子热运动"理论来解释。没想到吧!机械观主宰下的物理学家们试图用"分子热运动"理论解释一切的美梦分分钟破灭，取而代之的是在伽伐尼和伏打发现(实验)下蓬勃发展的电学。可是"打倒了机械观"的明明是磁啊?这跟电学发展又有什么关系呢?这便是P4的核心：电磁不分家。物理学家们为了成功解释磁现象，他们引入了一个叫"场"的概念。场从一个工具逐渐变得不可代替，其对于现代物理学的重要性不亚于火之于原始人，简单点说，场为物理学家们照亮了电学和磁学甚至后面相
7、对论的道路。场概念推广的成功原因之一在于"场"的概念实际上十分好解释：两个(多个)物体在连续时空内的互相作用。我相信有一点物理基础的人都可以听懂，理解这个概念，它不过是把我们熟知的三个概念进行了一下组合。而另一个成功的原因，也是机械观，或者说经典物理学的局限的原因：场论是一个动态的，四维的概念。而机械观并没有意识到"时间""速度"这两个变量的重要性，把"动"与"静"一视同仁，才致使了最后的衰落。奥斯特的实验证明了：由带电体的运动而产生的一个电场的变化，永远由一个磁场相伴。P4(附图4)看来电和磁
8、并没有难倒聪明的物理学家们，可这个极端特殊的存在光，就不一定了。"类比"不仅是一个学习新知识的好方法，也是一个研究新物理概念时的好方法，但我们至少要掌握一些证据(性质)令我们有充分理由，有意义地将两者类比。要说光的直观的性质，那一定就是光速了。在1850傅科用旋转镜面法则测出了光速，用这个方法测出的误差甚至不到1%，现在外面知道光速约等于299792458M/S，而麦克斯韦方程组又可以推出，电磁波的速度=光速。回到光现象的解释去，有两种主要的学说：波动说(惠更斯)和微粒说(牛顿)，前者的优势在于它能完美解释双子b透光的现象，微粒说却不能;后者的优势在于其能兼容光在真空中传播
9、的事实。历史替我们做了选择，波动能说更胜一筹。(附图5)光的直线传播，光的折射，光在真空中的传播.太多的光现象摆在我们眼前，我们却无法看清它的本质，甚至找不到能给出合理解释的学说。当你做一道数学题，一道竞赛题，有难度的题，你变着方法做，你最终还是找到了一个方法，你欣喜若狂做出了答案时，才发现这个答案和最基本的条件不符，于是你急切地想知道你究竟错在哪，正是如此，物理学家们回头找起了他们可能遗漏的东西，他们坚信就是这出了问题，而事实上，的确如此。P5我们先澄清一下那些"简单得不行"的概念：1、距离是相对的。2、时间是绝对的。由此可得速度就是单位时间能通过的单位距离，速度是相对的
10、。A在B左边5米，C在B右边3米，由此可得A在C左边8米，这是最基本的转换，则可得速度转换：A以3m/s相对B向北运动，C以5 m/s 相对A向北运动，C以8m/s 相对B向北运动。我们又把一个例如插在地上的杆子这种"静止"的物体形成的参考系叫做坐标系。而经典力学定律在其中有效的坐标体系，被称为"惯性系"，举个例子，一个不计空气摩擦后和g值变化的不断下坠的电梯，就是一个惯性系。(忽略摩擦)(附图6)这些不都是些再简单不过的"常识"吗。而接下来的主角：相对论，正是在这些常识上取得突破，才得以开启物理学新的篇章。因为我们有两个十分重要的线
11、索：1、以太被理想实验证明不存在，我们被迫放弃当前最合理的光现象解释光的波动说。2、光的真空中传播速度是一个常数，且是自然界的最大速度。P620 世纪初，相对论便诞生了，即使在今天，100年前的相对论由于经典物理学发展的停滞，仍称得上是经典物理学的顶峰。并非所有的理论都会一帆风顺，相对论由于极大地冲击了当时牛顿世界观中最基本的事实时间是绝对的，在当时并没有被广泛接受，但观测事实最终还是支持了相对论。相对论的主要论点：1、能量具有质量，可以相互"转化"，也不应该说"转化"，因为这俩是一致的，正因这个观点，"物体"这个概念被模糊了，因为&
12、quot;质"与"能"并不本质区别，这个观点成功预言了黑洞的存在。(黑洞的质量大到使光偏离直线传播)现在我们重新回到P2，情景反转，当初我们认为错误的观点，在相对论中竟是正确的，我们甚至可以骄傲地指出教科书的错误：加热了的水确实会比未加热的水重。(其它变量相同)尽管这个差距的测量在现在还不可能实现。2、距离及时间都不是绝对的。运动的物体会改变它的步调，也会改变它的长度。这距经典转换相违背，因此在"思维宇宙"的坐标系力，我们用"洛仑兹转换"而放弃了将动、静混为一谈的经典转换。速度是一个重要的自变量，速度越快，物体在运动方向上的
13、收缩幅度便越大，且该物体运动的步调也越慢。令人惊奇的是，当我们重新审视"速度"这个物理量的定义时，我们会发现，"速度"引起的变化，在比较性可以自圆其说。速度是单位时间内通过的路程，路程相同，时间越短，速度越快。同样的，时间相同，路程越长，速度越快。这跟相对论的结论的本质相同。P7(附图7)我们知道经典物理学的结论的适用条件是对象所在的坐标系是一个惯性系。P7支持了相对论在惯性系中的成立，与经典物理学兼容，也就是狭义相对论，而相对论的核心，P8的内容，便是广义相对论。广义相对论建立在"理想实验"的基础上，这是物理探索中的重要方法。要引申
14、狭义相对论为广义相对论，成为所有坐标系通用的结论，就必须替换牛顿的"绝对运动"和"惯性系"两个概念，然后抹除它们的存在。关键问题是，两个不同的，互做非匀直运动的坐标系中的观察者，能否对物理现象做一致描述。在经典物理学中被忽略的重要条件惯性质量和引力质量相等作为根据，便可以回答上面的问题：能。(附图8)容易理解，是的铺垫，是关键的理想实验。在中，我们发现，甲、乙两位观察者都有理由认为它们的坐标系"相对静止"，而甲、乙之间转换的桥梁是，你可以认为m的下落是引力场作用，也可以认为m的下落是因为m具有惯性。那么这时当一束光经过A点射入运动箱内
15、部会发生什么呢?根据乙观察的现象，会认为因为箱子往上运动，所以光束落点相对原本的直线延长线偏下。神奇的是，利用相对论，甲也可以解释这一光线偏移引力场作用。至此，狭义相对论与广义相对论正式对接，也解释了"相对论"为什么要叫"相对论"。至此经典物理学已经完结了，而量子物理学的新篇章早就开始了。P8量子是什么?量子就是组成某一些物理量的最小单位。所以，所有形式的变化都是量子的变化，所以，之前那些所有被我们认为"连续"的物理量，都变成"非连续性变化"的物理量了。量子物理中重要的一部分便是对"光"的探索，
16、这个在经典物理中依然神秘的现象。在探索中，一个关键的，决定性的现象引起物理学家们的注意光电效应。通俗地讲，就是金属中的电子被"光"撞击了出来，形成了电子雨，这用光的波动说无法解释，物理学家们灵机一动，刨开了隔壁牛顿"光的微粒说"的坟，试图复兴微粒说。这是理由充分的，因为在这200多年间，物理学家们的眼睛都是向前看的，还没有人用更先进的科学知识认真考虑过复兴微粒说。那么复兴微粒说最重要的工作就是将波动说的语言换成微粒说的语言。波长，也就是色光的不同，可以视为光子/光的量子，即光的最小组成单位所含能量的不同。所有重要的科学观念都是在跟我们的理解发生剧烈冲突时
17、诞生的。一个还持有机械观的人可能会很难理解接下来的观点：概率波。这个观点时，你即使知道已知质点在已知位置受已知方向的已知力，你仍无法预言它的路径。虽然这个理论很好地解释了光的光带和暗带落上去光子数量的不同，但这也容易引发一个思考：我们的物理学是否是悬空的?因为概率波让我们永远不能也不会有充分的理由解释单个量子的行动。量变引起质变，现在，一团量子与一个量子有了本质区别。在量子力学中的物理现象竟是统计性质的。于是更大的，仍未解释的困难出现了，它就像一块大石头横在了量子力学道路的中央。(附图9)好了，物理理论不断被兴起，也不断衰落，物理学的进化从未停止，并将永不停止!就像100万的劳力士不会停止转动 . 本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第11页 共11页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页第 11 页 共 11 页