世界是如何存在的？（上）

这是我们发布的物理学专栏的第一篇，

也是《费曼物理学讲义》第一册第1章的主要内容。

我们想了很久要怎样开始这个专栏：

逗比搞笑？暴烈鸡血？还是深沉凝重？

最后，我们选择轻松随意。

因为，这也是费曼本人的治学风格。

写

在

之

前

●  理查德·菲利普·费曼（Richard Philip Feynman，1918年5月11日—1988年2月15日），美国著名物理学家，1965年诺贝尔物理奖得主，所著《费曼物理学讲义》（The Feynman's Lectures on Physics，简称“费曼物理”） 被誉为本世纪最经典的物理导引。

物理学发展至今，理论基础已趋牢固，很难再出现牛顿、爱因斯坦那样开天辟地的伟人。费曼先生作为“时代之子”（出自保罗·戴维斯），像一颗生于黄金末世的明星。虽无缘参加20世纪前三十年的相对论、量子力学革命，却得以在巩固革命和广泛探索其后续影响的过程中大显身手，凭其活泼风趣的个人风格，潇洒随意的学术姿态，迅速成为20世纪后期物理学界的超级偶像。

《费曼物理》是费曼先生于1961-1962年间在加州理工学院给大学一二年级学生讲授物理学时的讲义。书中可见费曼先生对自然科学的态度：对形式体系的摒弃，对世界本质的探寻，对万事万物之间联系的深深着迷。

费曼先生“用最节约的概念投资、最小量的数学和专门术语，引出影响深远的物理观念”（出自保罗·戴维斯），为后人勾画出新物理学大厦的剪影。书中不仅有对物理学最核心和最直接部分的提炼，亦有对更复杂的枝节问题和实际应用的拓展。

哪些东西是已知的？（能证明的？）

哪些东西是通过对已知知识的演绎即可理解的？

哪些东西是新概念？（被认为无法证明的，只纯粹作为新概念引入的？）

这是费曼先生关心的问题。也是物理学习者需要关注的问题。《和Mr龙一起学物理》栏目力求呈现《费曼物理》的核心内容，并和大家一起探讨那些“枝节问题和实际应用”。

1

世

界

是

如

何

存

在

的

？

 

《费曼物理》的前三章将概述物理学与其他科学的关系、各门学科之间的相互联系以及科学的意义，以帮助我们对本学科找到一种“感觉”。

在对物理这个庞大领域进行探索之前，费曼贴心地给出了一副地图。简单而言，只有知道某个具体问题在整体结构中的位置，我们才能真正明白其有趣之处。

为什么不像欧几里得几何那样，先陈述公理，再演绎出各种结论？

因为：一. 我们还不知道所有的基本定律；二. 物理定律的正确阐述涉及一些陌生概念，单是了解术语的涵义就得经过相当长的预备性训练。

所以只能一点一点来。

在进入系统化学习之前，费曼认为：“大自然整体的每一片段或部分，始终只是对完整的真理的逼近。”我们之所以要学习一些东西，正是为了以后再修正它。

而科学的原则是，实验是一切知识的检测者。

——但知识从哪里来？

从实验中来：我们从实验中概括出一般化的准则，猜测其中蕴藏的简单而奇妙的图像，然后再做实验来检测它对不对。如此便可在某种近似的形式下，得出一条“正确的定律”。

例如：质量守恒定律。

●  陀螺旋转和静止时一样重

但它只是一个近似。如果追求正确，我们还要考虑相对论、四维时空等陌生而困难的概念。

一个非常特殊之点是：从哲学角度上讲，即使在很低速的情况下，质量守恒定律也是不成立的。因为，即使质量只变化一点点，我们关于世界的整幅图景（质量守恒）就不得不彻底改变。“即使一个非常小的效应，有时也要求我们的观念做深刻的变革”。

那么，应该先学什么呢？先学简单、直观的质量守恒定律，还是先学复杂但正确的相对论效应？

费曼说：“在不同的时候，我们将以不同的方法解决这个（类）问题，但是在每一个阶段，都值得弄清楚的是，现在已经知道什么，它的精确度多高，它同别的各种事物的关系如何，当我们学得更多以后，它会有什么改变。”

对初学者而言，像质量守恒这样简单的物理定律，无疑更容易接受，并且在很多时候，它还是真正理解相对论效应所包含的复杂概念的第一步。而对另一些问题则不然。

在明确学习方向之后，费曼先生提出了一个问题：从我们对今日科学的理解的基本轮廓（即总的地图）出发，我们的世界总体图景是什么呢？

即：世界是如何存在的？

2

物

质

由

原

子

构

成

费曼先生表示：“如果在某次大灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，只有一句话能够传给下一代人，那么，怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢？我相信那就是 “原子假说” ，即万物都由原子构成，原子是一些小粒子，它们永不停息地四下运动，当它们分开一个小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排斥。”

只要稍微想一想，你就会看到，这句话包含关于这个世界的极大量的信息。

I.  原子是一些小粒子

如果将一滴水放大十亿倍，我们将看不到光滑的表面，而是类似上图的一个个小圆球。大球表示氧原子，小球表示氢原子。其半径的量级为埃米（10^-10 m）。

这是什么概念呢？

●  原子之于苹果 ≈ 苹果之于地球

并且每个氧原子有两个氢原子与它连在一起，形成一个水分子。

原子的组合（分子构成）清晰体现了水（物质）是什么，即：物质的组分。

对其它物质也适用。

II.  原子永不停息地运动

自然界中的真实粒子是不断振动、跳来跳去、相互纠缠、彼此互绕着旋转的。

运动的剧烈程度即对应物质的温度。

即使到绝对零度，原子也还有一个最低限度的振动。

III.  原子并非孤立，而是粘在一起的，并保持一定距离

物质中的原子总处于某种相对平衡的状态中。当它们远离时，则相互吸引；继续靠近，则相互排斥。

可以认为这种相互作用的距离对应物质的相（气-液-固三相）。当原子（或作为一个整体的分子）之间距离较远时，它可以是气体，而当原子（或分子）之间距离较近时，它是液体或固体。

——这也能解释，为什么对气体强行施压，会发生气-液或气-固相变。

结合以上三点，几乎可以对现实世界中的所有物质的状态作统一描述。

以水为例。

作为液体的水几乎难以压缩（分子间斥力），也不会散开（分子间吸引力），而是保持着相当的体积。

对水加热则会使得分子运动加强，使其挣脱分子间的吸引力而从表面飞出去，变成水蒸气。

而作为气体的水蒸气，因为分子间距离大、相互作用力微小，其体积的可变性显著增加。其中的水分子就像一堆彼此分开的网球，在随机运动的过程中不断撞击能遇到的容器壁，再反弹回来，形成对容器壁的推力。

这就是气体的压强。

实际上，对气体而言，在不考虑分子间相互作用力的情形下，其状态近似满足一个方程：理想气体状态方程 （PV=nRT，即：压强与体积的乘积，和摩尔数与温度的乘积，成正比）。该方程可由原子假说（将理想气体的分子看作一堆彼此独立的小球）直接得到。这就是原子理论的概念。

我们还能用它描述固体。

当把一滴水的温度持续降低时，水里的原子、分子的运动强度逐渐减弱，最终被锁定到一个确定的位置上。水结冰了。

“有趣的是，它的每一个原子都有确定的位置。”当它从液体变为固体时，其中的原子按照某种特定的阵列排列，称为晶体阵列。

在此阵列中，水分子之间由于对称性（六角形）的刚性连接，形成许多结构孔隙，导致凝固成冰之后，水的体积增大了。（实际上，除水和活字合金外，绝大多数简单物质都在固化时体积减小）

但冰也是有温度的。因为冰的原子并非静止不动的，它们会在该“确定的位置”上振动。

对冰加热，则会使其间的水分子从确定的位置上把自己摇（振动）下来，发生熔化现象，同时其结构坍缩（体积变小）。

如此，我们知道，物质的固、液、气相均可由原子理论来统一描述。甚至不用纠结具体名词，只要想象一下原子、分子的运动，就可理解物质存在的所有状态。

气    体： 分子（或单原子）间距较远，相互作用微弱，像一堆互相独立的小球；

液    体： 分子（或单原子）间作用力较强，能保持体积，但不够保持形状；

固    体： 分子（或单原子）间作用力很强（相对于分子或单原子的活动能力），所有原子保持刚性连接，有确定的体积和形状。