【学术帖】物理学的本质是什么？ 2011-08-0819:25|(分类：默认分类) 注：由于校园日志没有公式编辑功能，很多公式只能通过插入图片的方式输入，但是并不影响内容的本质！ 物理学的本质 ,,, MA, USA (麻省理工学院弗里奇物理系) 简介 世界上充满了需要解释的现象。比如，想想彩虹和肥皂泡的颜色，高速飞机的蒸汽尾迹，液态水在一定温度下突然变成固态冰，暴风雨中的闪电和随之而来的雷声，美丽的六边形对称雪花；所有这些，以及无数其他现象，都在物理学的范围内。总的来说，科学的本质是观察和探索我们周围的世界，试图从已知事物中确定一些潜在的秩序和模式。物理学是一门科学，主要研究无生命世界，力求找出最基本的原理和统一的规律。这里指出物理学与其他自然科学的两个不同点。第一点——局限于无生命世界——暂时将其与生物学区分开来；第二点——力求证实最基本的原理——表明了物理学与化学的区别。化学的基本原理是基于物理学的某些特定领域，而不考虑其他领域。
尽管数学对于物理学来说是必不可少的，但它是一个完全不同的领域。它是自洽的，完全独立于对现实世界的观察。本文的主题可以从许多角度进行讨论。洞察物理学本质的一种方法是看看物理学从古代发展到现在的过程。本文就是这样做的，尽管它并不试图列出所有重要甚至必不可少的主题。本文的目的不是为物理学本身提供时间表，而是说明物理学的目标是将我们对各种现象的认识与尽可能少的一般定律联系起来。阿基米德和杠杆说物理学起源于力学——一门关于机制、力和运动的科学，似乎是合理的。物理学与应用装置之间存在着密切的联系，这种联系是在古代力学中建立起来的。最好的例子可能是杠杆。阿基米德在公元前 250 年就认识到了杠杆原理：“……重量不等的物体只有在重量与悬挂它们的臂成反比时才能保持平衡。”这个简单的例子是一个从具体经验中得出的理论陈述，一个象征物理学本质的理论陈述。这个结论可能是第一个真正的物理定律。它成为了杠杆秤或天平的理论基础，杠杆秤是一种在罗马时代发明的装置，至今仍在使用。值得将这个例子再进一步。最初，不同重量的物体保持平衡的想法可能是一种实践经验，但阿基米德后来将其量化，并对量之间的关系做出了一般性的陈述。
但他并不满足于此，他试图将其归因于物理学家使用的最有效的概念之一——对称性。阿基米德认为，相等重量（W）的物体在距旋转轴（支点）相同距离（L）处会保持平衡，这是一个公理。因此，他设想可以用两个重量为 W/2 的物体代替其中一个，一个放在支点处，另一个放在距支点 2L 处。由于第一个重量为 W/2 的物体显然对支点没有旋转作用，他认为在 2L 处重量为 W/2 的物体会平衡在 L 处重量为 W 的物体，并且将这一断言外推到杠杆的一般定律，将得到杠杆的一般定律。事实上，这一断言是无效的。如果杠杆定律是相等重量的物体在相同距离处会保持平衡，那么在 2L 处重量为 W/2 的物体将不会平衡在 l 处重量为 W 的物体。正确的定律必须建立在对不同重量物体的实际观察之上。但毫无疑问，当条件合适时，对称性是一种富有成效的工具。我们稍后会看到这一点。 图 1. (1688-1713) 从亚里士多德到伽利略：空间、时间和运动 甚至在阿基米德研究力学之前，将希腊语“物理学”一词引入我们词汇的亚里士多德 (384-322 BC) 就已经考虑过物体的运动。当然，传统上，空间和时间是我们理解自然的最基本概念，位置作为时间的函数一直是描述物体运动的基础。
亚里士多德对这些问题进行了探讨，并区分了完美的圆周运动，如恒星的运动（这实际上是地球绕地轴旋转的反映）和地球表面物体的不完美轨迹。但有一点是清楚的——当他研究物理问题时，他研究的并不是第一手的现象。他曾经说过一句非常著名的话，只需一个实验就可以驳斥——“两倍重的物体从同样的高度落下，所需的时间只有一半。”中世纪时，人们对抛射物的运动进行了一些研究，但直到17世纪，伽利略才将理论与实验结合起来，对自由落体和抛射物给出了正确的描述。我提到这一点，并不是因为这个特定的结论，而是因为它指出了物理学的另一个基本特征——依赖直接观察或实验。没有与自然的直接交流，我们就没有物理学。人们常说，观察和实验证据是构建物理理论的起点，但我认为这种说法有点夸张。可以说，物理学的发展依赖于理论与实践的不断互动。可以先有一个理论，然后提出可能的实验验证，这些实验可以通过实验支持或反驳这个理论。一组特定的实验可能不会揭示一个基本理论，但可能揭示可观测量之间的关系——例如，自由落体中的距离与时间的平方成正比（但这不是引力理论）。碰撞和第一条守恒定律众所周知，17世纪物理学的第一次繁荣是基于对碰撞的研究。
牛顿 (1642-1727) 是第一个意识到所有这些实验结果都符合守恒定律——动量线性守恒定律的人。*其他人（包括笛卡尔）也对这条定律有所贡献，但并不完整或正确。牛顿有才能或好运将其作为他的力学的基础。但仅凭这一点还不足以解释各种碰撞的细节。尽管如此，在两个物体的碰撞中，总动量守恒定律从未被违反。这条定律的制定涉及两个重要概念：1. 质量，以或多或少直观的方式定义为物质的量。2. 参考系，可以用它来测量其他物体的速度。在这些早期实验中（甚至在今天的类似实验中），通常选择看似静止的地球作为参考系。这两个概念从早期到现在已被讨论和改进多次，这一事实说明了物理学本质的另一个重要方面。在学科发展的某个阶段，某些经过检验的假设被接受，但这些假设总是会受到修正。例如，早在 17 世纪，人们就已知道地球并不是静止的，而是在绕太阳公转的同时绕太阳公转。但在实验室情况下分析碰撞时，这两个因素都可以忽略不计。它们只有在涉及大规模运动时才有意义。一开始就引入它们会造成不必要的麻烦。在动量守恒定律被认可的同时，另一条重要但不那么普遍的守恒定律也被认可。它仅限于弹性碰撞，在这种碰撞中，物体在碰撞后后退时的能量与它们在碰撞前相互接近时的能量相同。
设想一次直线碰撞，碰撞物体的质量为，两物体的初速度和终速度分别为 和 。则动量守恒定律可表示为 。该表达式对弹性碰撞和非弹性碰撞均成立，但如果是弹性碰撞，则下列关系也成立： 。随着力学的发展，人们逐渐认识到第二个关系是弹性碰撞中动能守恒定律的表达式，后来将物体的动能定义为 ，而不是 ，原因我们在此不再赘述。除了这些守恒定律之外，与牛顿同时代的伟大物理学家惠更斯（1629-1695）还发现了另一条可以应用于碰撞的基本物理定律，这就是我们现在所说的不同惯性参考系的等价性。惠更斯考虑了两个质量相等、速度相等、方向相反的球之间的碰撞。他认为，根据对称性物理学家论物理学的本质，它们会以相反的速度后退。现在他想象这样的碰撞发生在一艘相对于海岸以速度 V 行驶的船上（图 2）。如果有人站在岸边观察这次碰撞，他会认为碰撞发生在一个静止的球和一个以 2V 运动的球之间。或者物理学家论物理学的本质，船以速度 U 移动，两个球的速度分别为 U+V 和 UV 。在这两种情况下，站在岸边的人都会看到碰撞过程中球的速度会交换。也就是说，基于最早的对称碰撞，可以预测所有具有相同相对初速度的两球之间的碰撞都会发生。图 2. 从不同参考系观察到的两球之间的弹性碰撞（摘自 C. ，Complètes，第 16 卷，海牙： ，1940 年）。（草图上方的图表是恩斯特·马赫在他的《的》一书中添加的。）这些现象背后是另一种从未详细阐述的情况，即质量守恒定律：碰撞过程中总质量保持不变。
在这些物理系统中，它被视为理所当然，但直到一个多世纪后，它才在实验中得到阐述，当时拉瓦锡（1743-1794）在化学反应中建立了质量守恒定律。化学反应涉及比牛顿时代的碰撞实验更剧烈的物质重组。这不是我们最后一次谈论守恒定律，但在我们继续讨论它们之前贝语网校，让我们先考虑一些其他的事情。因果关系：牛顿第二定律观察物理世界的人们一直对理解和发现事物的原因很感兴趣。最著名的例子是牛顿第二运动定律的现代数学表述：。左边是力，右边是质量和力引起的加速度的乘积。换句话说，左边可以解释为原因，右边是原因的结果。等式的两边作用的方式不一样。这个特点在数学方程中是找不到的。然而，并不是所有的物理方程都是这种类型的。例如，爱因斯坦的——可能是最著名的物理方程——只是质量和能量等价性的简单陈述。然而，当方程表达因果关系时，它就有了特殊的含义。古典物理学的扩展在牛顿之后的两个世纪里，物理学的范围迅速扩大。光学在牛顿时代就已经很发达了，牛顿本人也是主要贡献者之一。但在 17 和 18 世纪，对物理世界的认识扩展到包括热、声、电和磁等领域。起初，力学和光学被视为独立的研究领域，但后来发生了一件重要的事情：人们开始看到它们之间的联系。
例如，人们开始将声音理解为空气柱或弦的机械振动，将热理解为原子或分子的随机机械运动（尽管那时原子还没有被观察到，但人们坚信它们的存在）。由此，能量的概念及其守恒定律得到了极大的扩展。人们逐渐意识到，当机械能似乎消失时——例如，在两个物体的非弹性碰撞中——我们可以将其转化为碰撞物体的热能来解释，而热能则表现为碰撞物体的温度升高。因此，能量守恒定律可以看作是一个普遍原理，尽管它并没有立即扩展到电磁学。19世纪初，人们发现了电现象和磁现象之间的联系：电荷流过导线会产生磁效应，变化的磁场会在闭合导线中产生电流。随后，在 19 世纪末，伟大的物理学家麦克斯韦 (1831-1879) 使用电场和磁场的统一方程来解释光以惊人的 1/s 的速度传播 - 这一值已得到实验证实。最终的结果是物理学的大统一。多年来，随着新发现的出现，物理现象的多样性似乎无限扩大。直到后来我们才意识到，传统上将物理学划分为不同领域，实际上是因为我们忽视了它们的本质联系。为了方便起见，但也许不幸的是，物理学的不同领域在大多数情况下仍被视为单独的研究领域，教科书也继续这种划分。然而，只要我们认识到物理学从根本上来说是一个单一的学科，情况就还不算太糟。光的本质物理学的一个主要目标是开发所谓的合理概念模型，用这些模型可以描述和解释各种各样的物理现象。
最引人注目的例子是试图找到一个成功的光模型。根据一些古希腊人的说法，我们看得清楚的能力取决于眼睛发出的某种东西——这个想法很容易被实验驳斥（例如，在黑暗的房间里看不到物体）。其他人认为，物体之所以能被看到，是因为它们会发射自己的粒子，点光源投射的清晰阴影自然会让人认为光是由从光源或被照亮的物体以直线传播的粒子组成的。从镜子反射出来的光有一个规则的模式——反射角等于入射角——这一发现进一步加强了这一模型。牛顿赞成这个粒子模型。但他的同时代人惠更斯设计并发展了一个完全不同的模型——在这个模型中，光是由穿过介质的波组成的。他认为光速极快，光线可以相互穿过而不互相干扰，这是反对光由物理粒子组成的观点的证据。他认为视觉必定依赖于光在视网膜上的振动，并可以用从光束波前不同位置发出的圆形或球形波的叠加来解释光的直线传播。当时，光的粒子模型和波动模型明显是互相排斥的。由于牛顿的权威，光的粒子模型被普遍接受，并在约 100 年内未受到挑战。但后来发生了一件令人震惊的事情。1801 年左右，托马斯·杨 (1773-1829) 证明，如果将一束光分成两束并叠加在一起，就会产生干涉——接收屏幕上会出现黑白区域（图 3）。黑色区域的出现——干涉破坏——无法用粒子模型来解释；光束无法用粒子模型来解释；