《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，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。

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