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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。 1 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。 ——可是我们又如何知道，我们“猜”出来的规则对不对呢？大致有三个办法： 1. 大自然的这一部分恰好安排得很简单，我们可以精确预言将要发生的事从而直接验证它。例如，植物生长需要水，我们断绝水源就能渴死它。 2. 我们通过由已知规则推导出的更一般性的规则来检验它自身。例如前文提到的用布朗运动来验证分子的无规则热运动。（但并非每个规则都尽如人意，有时我们也会遇到老规则不适用的情况，于是，就发现了一个新规则！——这是物理学家最感兴趣的！） 3. 粗略近似法。这恐怕是三种方法中最有力的。例如，我们或许说不出象棋冠军为什么要走具体的某一步，但大致能看出：他正在把棋子调集到王的周围来保护它。——用这种方法我们也能多多少少理解自然。 最开始我们将自然现象粗略地分成几类，力、热、光、电、核、引力、介子等，并试图发现它们背后的定律，以求把不同的门类统一起来。但是，随着时间的推移，新东西总是不断冒出，整个棋局又变得相当混乱。于是只能再进行一次尝试。再次统一，再次混乱，往复循环。 不过还是有很多成功的例子。
现在面临的问题是：这种统一能不能继续进行下去，直到万事万物大一统，最后发现这个世界仅仅是一种事物的不同侧面？ 没人知道答案。 当前我们只能看看，这个“用最少的原理来理解各种基本现象的统一过程”进行到什么程度了，简单而言就是： 事物是由什么构成的？有多少种基本元素？ 2 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：
至于为什么会有惯性和万有引力，当时还不清楚。 我们已知粒子有92种（现已发现元素118种，加上同位素，原子种类远超92），各有不同名称与化学性质。而原子论几乎能描述一切物质，气、液-固三态，组分、压强、温度、甚至声音——它是粒子的积聚和散开所形成的密度波。这是一个重大成就。 短程力则令人迷惑。它是万有引力吗？它也和距离的平方反比。但却强得多，并且存在斥力形式！现在我们知道了，它是电荷引起的 ——带正电和带负电的两类“东西”，同类相斥，异类相吸。万事万物包括我们自己，皆是由带电的粒子组成，正因如此，我们才没有崩塌，也没有散架！ 这种静电力的强度到底有多大呢？一幅图感受一下。 这样原子就比较容易理解了。人们设想它中心是一个原子核，带正电并有很大质量（我们预先指出：原子核本身也包含两种粒子：质子（Proton）和中子（Neutron），它们质量几乎相同，质子带电而中子不带），周围环绕着一定数目的“电子”（Electron），电子很轻并带负电。原子们正是靠静电力才紧密结合在一起，形成各种物质。而一种原子（元素）的化学性质仅取决于核外有多少个电子。 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：
为什么要用电场来表示电作用？下述现象能告诉我们原因。 1. 将一把带电的梳子靠近一张带电的纸，摇动梳子，纸片会在电作用下运动。快速摇动梳子，会发现纸片的运动有所滞后！（事实上，当我们相当慢地移动梳子时，还能看到一种并发症，那就是磁。磁力和电力实际上可以归结为一个场，就像同一个事物的两个不同侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。）如果我们将纸片移到更远，滞后就更大。——这显然不是用直接相互作用的观点能解释的。 2. 这时还观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比，但却发现，当我们摇动一个电荷时，其影响伸展的范围比我们乍看之下所猜想的远得多。也就是说，这个效应下降得比平方反比律慢。这就是波的效应：就像水里有两个相隔甚远的软木塞，如果我们使其中一个上下运动，就会使水的运动带动周围的水，形成向外传播的波，带动另一个软木塞运动，——这在仅用其中一个软木塞局部地划水的情况下是不会发生的。这种效应亦无法从直接相互作用的观点解释，而必须代之以通过水发生作用的观念，或者，在电的情况下，代之以所谓的电磁场。 电磁场能传送范围广泛的波；其中一部分为光波，其他则用在无线广播、微波、雷达等场合，它们总称为电磁波。这些振荡的波可以有各种频率，一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于振荡的频率。如果我们能将带电梳子摇动得足够快，达到4×1014~9×1015赫兹（可见光），我们将能直接看见赤橙黄绿青蓝紫光，依具体频率而定。而在这个范围之外，则需要用“仪器”来看。在邻近区域，我们将低于这个频段的叫红外光，高于这个频段的叫紫外光。 虽然可见光令人着迷，但从一个物理学家的观点看，这一段电磁波谱并不比别的波段更特别。事实上，如果频率再高，我们就会得到X射线。再高，就得到γ射线。X射线和γ射线这两个名称几乎是当做同义语来使用。通常把从原子核发出的电磁波叫γ射线，从原子发出的高能电磁波则叫做X射线，当它们频率相同时，它们在物理上是完全无法区分的！（仅波源不同） 频率更高的波，比方1024赫兹，我们可以人工生成，比如使用同步加速器。在宇宙射线中，我们还发现频率极高的波，甚至高达1027赫兹，这些波我们还不能控制。 事实上，在频率高到一定范围之后，这些波的行为就十分奇特，很不像是一个波，而更像是——粒子。这就是我们下期要讲到的，1920年后发现的——量子力学。  本期不提问啦，请大家自行消化电磁场和电磁波的概念！ ——给大家讲个段子： 老师问小明：“你的梦想是什么？” 小明说：“我想成为一名会唱歌的宇航员，这样我就可以在太空中唱歌给全宇宙听！”太空中唱歌……给宇宙听……听……o(╯□╰)o 好了！今天就到这儿！泼皮士开通留言功能啦！看谁抢到龙椅！ See you！ 本文经授权转载自微信公众号泼皮士（ID：popishi） |
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