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當(dāng)我們在觀察自然或者在觀看科幻電影時(shí)候，我經(jīng)常會(huì)想到以下一些問題 ,，比方講： 水是由什么組成的,，為什么會(huì)流動(dòng) ？ 云彩為什么會(huì)浮在天空而人不行,？ 我們能否回到過去,，宇宙到底有多大？ 我們能看到宇宙的邊界嗎,？ 這都是我們在從觀察中看到的現(xiàn)象,，事實(shí)上這些現(xiàn)象也是物理學(xué)要研究并回答的問題。 那么什么是物理學(xué)呢,？用一句話講,，物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科,。物理學(xué)的英文名Physics由拉丁文Physica演變而來 ,，而Physica一詞源自于古希臘文,，就是“自然”的意思。 物理名詞的中文是由日文從英文翻譯過來,，然后再傳入中國的,。我國古代雖有物理一詞，但泛指事物之理,，內(nèi)容甚廣,，并非當(dāng)今物理學(xué)的意思。 在17世紀(jì)前,，物理主要是從觀測生活的體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)規(guī)律,。古希臘的時(shí)候，人們把所有觀測自然和思考統(tǒng)稱為自然哲學(xué),，包括現(xiàn)在的物理,、化學(xué)、天文,、地學(xué)，生物等,。物理學(xué)從哲學(xué)中分化出來的,，應(yīng)該講是最近幾百年的事。牛頓時(shí)代科學(xué)和哲學(xué)還是一家,。大家知道牛頓有一本非常著名的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,，講的就是牛頓力學(xué)，牛頓三定律和牛頓萬有引力定律和微積分,。但大家看這書的名字里面叫“自然哲學(xué)”,，沒有任何一個(gè)物理的詞。 《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 從生活觀測中發(fā)現(xiàn)和總結(jié)規(guī)律,，我給大家舉個(gè)例子,，比方說浮力定律，是說一年阿基米德所在的王國的國王請金匠用純金打造了一頂王冠,。做好了以后,，國王懷疑金匠有可能造假，摻了銀子在里面,，就請了阿基米德鑒定,。這當(dāng)然是一個(gè)非常難的問題，阿基米德一開始也一籌莫展,，不知道怎么解決,。有一天他在洗澡的時(shí)候坐進(jìn)了浴盆，里邊的水位上升了,，那么這個(gè)觀察啟發(fā)了他,。他就想,，如果把王冠放在水里，上升的水位就應(yīng)該正好等于王冠的體積,。所以只要拿與王冠等重量的金子放到水里,，看看它們的體積是否相同，就能判別是否有假,。 阿基米德想到這里,，高興地從浴盆里跳了出來，赤身裸體跑了出去,，邊跑還不停地喊“Eureka”,。“Eureka”是“我發(fā)現(xiàn)了”的意思。后來阿基米德在發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了浮力定律,，也就是我們現(xiàn)在在中學(xué)時(shí)學(xué)的定律：物體在液體中所受的浮力等于物體所排開液體的重量,。 自然哲學(xué)時(shí)代的物理研究，其實(shí)更多注重的是哲學(xué)的思辨,，還不是現(xiàn)代意義上的科學(xué),。而且在那個(gè)時(shí)代還受到了宗教的巨大束縛。任何一個(gè)觀點(diǎn)與宗教信念不同,，就很難被接受,。那么打破這種束縛的呢，是從十六世紀(jì)開始的,。物理學(xué)思想與科學(xué)方法的突破,，這種突破也帶動(dòng)了科學(xué)的啟蒙。思想的突破,，是從哥白尼提出太陽系系統(tǒng)的日心說開始的,。他的學(xué)說推翻了托勒密的地心說，他的學(xué)說打響了科學(xué)思想革命的第一槍,，而科學(xué)方法的突破起源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法的建立,。這個(gè)方法的建立，釋放了物理以及整個(gè)科學(xué)的研究潛力,。科學(xué)方法的突破要?dú)w納于兩個(gè)人,。一個(gè)是英國的哲學(xué)家培根，他是歸納法的創(chuàng)始人,，也被譽(yù)為科學(xué)方法之父,。他從哲學(xué)上認(rèn)證了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性，認(rèn)為科學(xué)研究應(yīng)該使用于觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的歸納法,。培根 實(shí)驗(yàn)科學(xué)的開創(chuàng)者是伽利略,，他也被譽(yù)為現(xiàn)代科學(xué)之父。伽利略由于捍衛(wèi)日心說的受到教會(huì)的迫害，直到上個(gè)世紀(jì)90年代才得以平反,，也就是1992年才得到平反,。伽利略通過實(shí)例展示了實(shí)驗(yàn)方法對科學(xué)研究的重要性，他強(qiáng)調(diào)了要使用實(shí)驗(yàn)和觀測所得到的證據(jù)來證實(shí)任何假設(shè)的正確性,。伽利略對科學(xué)實(shí)驗(yàn)有兩方面的貢獻(xiàn)：一方面他創(chuàng)立的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合的科學(xué)研究方法,。給大家舉個(gè)例子，比方講慣性原理的發(fā)現(xiàn),。慣性,，大家都在自然里經(jīng)常能注意到這件事情。事實(shí)上在2000多年前,，中國著名的思想家和科學(xué)家墨子就曾經(jīng)說過“止,，以久也”。意思是說,，物體運(yùn)動(dòng)的停止來源于阻力和阻抗的作用,，如果沒有阻力的話物體會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，這就是我們現(xiàn)在所說的慣性原理,。但是他的學(xué)說在西方是不知道,，也不是過去在伽利略之前的1000多年的里邊主流觀點(diǎn)。主流的觀點(diǎn)實(shí)際上是古希臘的著名的哲學(xué)家和科學(xué)家的亞里士多德提出來的,。他說,，物體要運(yùn)動(dòng)就必須給他一個(gè)施加的力。如果不加力的話,，物體就會(huì)停止。那么這當(dāng)然跟慣性也是不一致,。伽利略不認(rèn)可他的觀點(diǎn),，他就通過實(shí)驗(yàn)來證明他是錯(cuò)的。他做過一個(gè)非常著名的雙斜面實(shí)驗(yàn),。這邊有一個(gè)斜面——光滑的斜面,；這邊還有一個(gè)。讓一個(gè)球從斜面滾下去,，然后從上面再上到另外一個(gè)斜面,。他注意到了斜面滾下去的時(shí)候，跑到最高點(diǎn)的時(shí)候,，這個(gè)點(diǎn)上這個(gè)球的相對地面的高度,，和他出發(fā)的時(shí)候在這邊相對地面高度是一樣的，也就是平的,。當(dāng)然我們現(xiàn)在知道,，這是因?yàn)閺膭菽苻D(zhuǎn)化成動(dòng)能、再轉(zhuǎn)換成勢能這么過程，由于能量守恒它的高度是必須是一樣,。那么他接著做實(shí)驗(yàn),，他把右邊的斜板放得比較平一點(diǎn)，讓它斜率變小,。那么這時(shí)候再做實(shí)驗(yàn),，讓這個(gè)球從斜面滾下去，然后再從斜面滾上去,，這個(gè)時(shí)候滾的距離要長了,。但是他發(fā)現(xiàn)最后到了最高點(diǎn)的時(shí)候 ，它相對地面的高度依然是跟原來是一樣,。那么他接著想,，如果說我繼續(xù)把斜面右邊斜面給它放下去放平那么會(huì)怎么樣？這個(gè)球從這邊滾下去以后,，再繼續(xù)往下向前走的時(shí)候,，它就不會(huì)停下來。那么就通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)他就證明了：如果你不給它力的話,，物體它是會(huì)不斷的運(yùn)動(dòng)下去,。但物體之所以停下來是因?yàn)樗艿降孛娴哪Σ痢＿@就是慣性原理,，也就是牛頓的第一定律,。 另外伽利略確定了理想實(shí)驗(yàn)在科學(xué)研究中的作用。比方講,，他通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自由落體是一個(gè)加速運(yùn)動(dòng),。 有一個(gè)非常著名的故事，就是關(guān)于比薩斜塔上把兩個(gè)球扔下去,，然后它是會(huì)同時(shí)落地一重一輕,。但是這個(gè)故事的話經(jīng)過歷史考證證明不是伽利略做的。但伽利略的確做過另外一個(gè)實(shí)驗(yàn),，是一個(gè)單斜板試驗(yàn),。這個(gè)是只有一個(gè)斜板它來做。在看這個(gè)球滾下去的距離隨著時(shí)間如何變化,。他就發(fā)現(xiàn)距離是和時(shí)間的平方成正比的,。這實(shí)際上是牛頓的第二定律的一個(gè)結(jié)論。 單斜板實(shí)驗(yàn) 所以早在牛頓之前,，實(shí)際上他已經(jīng)注意到了加速度和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,。那么他在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，他同時(shí)他把這個(gè)球換一個(gè)輕一點(diǎn)的球——重量不一樣,，他做同樣實(shí)驗(yàn),，他發(fā)現(xiàn)無論這個(gè)質(zhì)量是多少,，在相同的時(shí)間里邊，這兩個(gè)球走的距離都是一樣的與質(zhì)量無關(guān),。他接著把這斜板抬高一點(diǎn),，讓它的斜率變大，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象依然是這樣,。他于是想：把斜板給它放直90度,，那么讓那兩球同時(shí)滾下去，就會(huì)同時(shí)落到地上,。另外還有一個(gè)例子,，就是相對性原理的發(fā)現(xiàn)，是相對論的一個(gè)最基本的原理,。這個(gè)原理發(fā)現(xiàn)它不是通過一個(gè)實(shí)物實(shí)驗(yàn),，而是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。伽利略想象說,，把一個(gè)人關(guān)到一個(gè)船艙里,，讓這個(gè)人在船艙里面做實(shí)驗(yàn)，把一個(gè)球讓他再扔下去,，放開讓它落到船上的地板上,。花多少時(shí)間,、在什么位置,、落在什么位置，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)和船是不是在走是沒有關(guān)系的,。船是靜止的他會(huì)做一次實(shí)驗(yàn),，船開起來以后他也可以再做一次實(shí)驗(yàn)。但是因?yàn)樗顷P(guān)在船艙里頭,，他不知道船是在開還是沒有開,。 船艙實(shí)驗(yàn) 那么理想實(shí)驗(yàn)告訴什么，就是說物理的運(yùn)動(dòng)的規(guī)則和規(guī)律和在什么參照系里是無關(guān)的,，這就是相對性的原理。 物理學(xué)的快速發(fā)展是在牛頓力學(xué)建立之后,。牛頓力學(xué)包括兩個(gè)部分：一個(gè)是牛頓運(yùn)動(dòng)三定律,，就是慣性定律、加速度定律,，也就是說物體受的力等于它的動(dòng)量的變化率,、第三個(gè)就是作用力反作用力；另外就是牛頓的萬有引力定律,，也就是兩個(gè)物體之間所受的引力,，和它們之間的距離的平方成反比的，而和它們兩者之間的質(zhì)量的乘積成正比。牛頓 牛頓的萬有引力定律是基于開普勒的行星三定律總結(jié)并得到的,。萬有引力的建立是物理學(xué)的第一次統(tǒng)一,，他把地上的引力或者叫重力和天上的引力，就是太陽和地球之間的引力,，統(tǒng)一在一個(gè)理論框架里,。這是一件非常重要的事情！他是第一次通過物理的實(shí)驗(yàn)或者觀測證明了這個(gè)物理學(xué)的規(guī)律是普適的,。 這里邊也有一個(gè)很有名的故事,，就是蘋果樹的故事。牛頓在22歲的時(shí)候,，那年正好英國發(fā)瘟疫,。 他為了躲避瘟疫就從劍橋回到他的老家。一天,，他在院子里邊散步,，他就突然注意到蘋果就從樹上掉下來。這個(gè)實(shí)際上是司空見慣的一件事情,，但這件事情引起他的注意,。他在想：這個(gè)蘋果為什么是直接落到地面，而不是斜著掉的也不是往上走,？ 這個(gè)觀察當(dāng)然很簡單,，但是卻啟發(fā)了他。他想到蘋果之所以是往下掉,，是因?yàn)樗艿降匦牡囊Φ淖饔贸霈F(xiàn)的,。他就意識(shí)到蘋果所受到的力和地球受到的太陽引力實(shí)際上是一種力，因此他把它叫萬有引力,。在牛頓的力學(xué)建立起來之后,，物理學(xué)有非常快速的發(fā)展,。特別是在18,、19世紀(jì)，法國的物理學(xué)家?guī)靵霭l(fā)現(xiàn)了靜電相互作用：也就是兩個(gè)帶電體它們之間的相互作用力是和它們之間的距離平方成反比的,，和萬有引力很相似的,。在幾乎同一個(gè)時(shí)代，奧斯特發(fā)現(xiàn)如果你給一個(gè)導(dǎo)線通上電以后,，它會(huì)產(chǎn)生磁性,。后來法國物理學(xué)家安培總結(jié)出了電生磁的規(guī)律。
靜電相互作用實(shí)驗(yàn) 但是盡管他們都在法國,，他們并沒有意識(shí)到這兩個(gè)規(guī)律之間是有聯(lián)系的,。那么,，這個(gè)聯(lián)系是誰發(fā)現(xiàn)的呢？是大概過了幾十年之后,，英國的物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)的,。他發(fā)現(xiàn)：如果你在一個(gè)線圈導(dǎo)線的線圈里邊，你讓一個(gè)磁體從線圈通過的話,，在線圈里邊是會(huì)產(chǎn)生電流的,。相反，如果你讓磁鐵不動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng),，它也會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)電流,。他的發(fā)現(xiàn)把安培和庫侖發(fā)現(xiàn)的電和磁的關(guān)系就統(tǒng)一了。 在他們這三個(gè)人實(shí)際上還有更多的物理學(xué)的工作基礎(chǔ)上的,。另外一位英國物理學(xué)家麥克斯韋把它總結(jié)成了一組方程組,，稱之為麥克斯韋方程組，是一組非常漂亮的數(shù)學(xué)公式,。而且基于方程組麥克斯韋預(yù)演,，光，也就我們現(xiàn)在看見的光,，就是電磁波,，把光和電磁波現(xiàn)象也統(tǒng)一了。
到了19世紀(jì)末，牛頓力學(xué),、電磁學(xué)都發(fā)展得非常完善,。而在同一時(shí)期實(shí)際上熱學(xué)光學(xué)也是發(fā)展得非常好，物理學(xué)似乎到了一種達(dá)到頂峰的感覺,。在那個(gè)時(shí)候在19世紀(jì)的末期,，就有一種盛行的觀點(diǎn)，就覺得好像物理學(xué)的大廈已經(jīng)建好,，下面只是說要做一些裝修就夠了,。 那么當(dāng)時(shí)很多人實(shí)際上是有這個(gè)觀點(diǎn)，比方講普朗克,，這是一位德國的著名的物理學(xué)家,，他也是量子之父，因?yàn)榱孔诱撌撬忍岢鰜淼?。普朗克?dāng)他在大學(xué)學(xué)習(xí)的時(shí)候18歲選擇專業(yè)的時(shí)候,，他的老師就勸告他說,，在物理這個(gè)領(lǐng)域,，幾乎所有的發(fā)現(xiàn)都已經(jīng)完成了,，剩下的只是填補(bǔ)一些不重要的洞。 普朗克 在同一個(gè)時(shí)代還有另外一位物理學(xué)家叫邁克爾遜,，他也是一位非常著名的美國物理學(xué)家,。他做過一個(gè)非常有名的實(shí)驗(yàn)，叫邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn),，是跟另外一個(gè)因?yàn)槊绹锢韺W(xué)家莫雷,。他們實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是奠定了相對論的基礎(chǔ)。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前他也有類似的觀點(diǎn),，他說物理科學(xué)最重要的基本定律和事實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn),，并且建立了牢靠的理論描述，未來能作出新的發(fā)現(xiàn)可能性非常小,，我們未來的發(fā)現(xiàn)要在第6位小數(shù)點(diǎn)上去找,。 他們倆的意思都非常清楚，就是說這物理大廈已經(jīng)建完了,，我們能做的事情下面就是去做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的事情,。但正當(dāng)大家覺得物理學(xué)好像已經(jīng)走到頭的時(shí)候，兩朵烏云飄來 ,。在1900年,，開爾文，這是一位非常著名的物理學(xué)家,，大家現(xiàn)在用的溫度的溫標(biāo),、絕對溫標(biāo)就是以他的名字命名。他在1900年4月27號(hào)的一次演講中,，開頭就說,，斷言熱和光是運(yùn)動(dòng)模式的漂亮和清晰的動(dòng)力學(xué)理論，目前被兩團(tuán)烏云所籠罩,。 那么這是哪兩團(tuán)烏云,？一團(tuán)烏云就是邁克爾遜莫雷的試驗(yàn)，他們的實(shí)驗(yàn)證明不存在以太,，也就是太空里邊沒有以太存在 ,。這個(gè)理論實(shí)驗(yàn)結(jié)果和當(dāng)時(shí)的理論預(yù)言是不一致的。那么解決這個(gè)問題就誕生了相對論,。相對論誕生也是物理學(xué)一個(gè)非常重要的事情,，這是愛因斯坦的一個(gè)杰作。相對論把時(shí)間,、空間和引力統(tǒng)一了,。相對論是基于兩個(gè)物理原理。一個(gè)就是相對性原理,，也就是物理定律：在一切坐標(biāo)系中都具有相同的形式,；另一個(gè)原理就是光速不變原理 ：就是光速在所有坐標(biāo)系中都是一樣的,。 另外一團(tuán)烏云這叫黑體輻射，那么這個(gè)也是和當(dāng)時(shí)的理論是不一致的,。那么解決這個(gè)問題是誰解決的,，就是前面我提到的普朗克。普朗克解決這個(gè)問題,，提出了量子論,，因此大家也把它稱之為量子之父。量子力學(xué)實(shí)現(xiàn)了把物理和化學(xué)統(tǒng)一在一個(gè)理論框架上,。比方講元素周期表,，就可以非常好的用量子力學(xué)得到解釋，能讓我們理解為什么同一組里邊的元素,，它有非常相似的化學(xué)性質(zhì)——因?yàn)槲锢砗突瘜W(xué)他研究的最基本的粒子,，都是服從于量子力學(xué)的規(guī)律的。那么量子力學(xué)是一大群人的集體的貢獻(xiàn),，包括前面我給大家提到的普朗克,、德國物理學(xué)家；還有玻爾是丹麥的著名物理學(xué)家,；還有海森堡,、德國物理學(xué)家；在他提出量子力學(xué)的矩陣力學(xué)的時(shí)候,，他才20多歲,；還有薛定諤、奧地利的物理學(xué)家,；還有狄拉克是英國物理學(xué)家,；還有玻恩，是德國物理學(xué)家,；當(dāng)然還有更多人的名字,，包括愛因斯坦。玻恩培養(yǎng)了四位非常優(yōu)秀的中國學(xué)生和博士后,，其中兩位是我國的兩彈一星獎(jiǎng)?wù)芦@得者：一位是彭桓武先生,，另一位是程開甲先生。還有兩位,，一位是著名的半導(dǎo)體物理學(xué)家黃昆先生,；另一位是核物理學(xué)家楊立銘先生，他是北大的教授,，也是中國科學(xué)院院士,。
從16世紀(jì)到現(xiàn)在，物理學(xué)大致的發(fā)展經(jīng)過了兩個(gè)階段：第一個(gè)階段經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展階段，是從16世紀(jì)開始到19世紀(jì)結(jié)束,，經(jīng)典物理學(xué)包括經(jīng)典力學(xué),、聲學(xué)、光學(xué),、熱力學(xué)、還有電磁學(xué),；在20世紀(jì)以后,，由于相對論和量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，開始了現(xiàn)代物理學(xué)的起源?，F(xiàn)代物理學(xué)包括廣義相對論,、量子場論、粒子物理,、核物理,、原子分子物理、凝聚態(tài)物理,、等離子體物理,、量子信息量子計(jì)算等等。而且我相信隨著物理學(xué)進(jìn)一步發(fā)展,，更多的新的分支會(huì)出現(xiàn),。 前面我給大家介紹了一下物理學(xué)發(fā)展的歷史，下一節(jié)課我想跟大家進(jìn)一步介紹一下現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的一些情況,。 我們下一節(jié)課再見,。
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