朱邦芬：什么是物理学 为什么要学物理——物理学的过去、现在和未来（5）

伽利略高明的地方，不光是他动脑，他还动手。1609年，他自己制作了一架望远镜，这个望远镜一开始可以放大八到九倍，后来可以放大到二十倍。他用望远镜看天上的星星，发现了很多东西。首先，他发现月亮的表面并不是很光滑的，而是有高有低，毛毛糙糙的。第二，他发现有很多地方肉眼看上去没有星星，但是用望远镜看这些地方仍然有很多星星，然后他发现银河是由很多星星构成的。第三，他发现了天上的行星，像金星、水星、火星、土星、木星，这些也都是圆的。第四，他还发现木星竟然有四颗卫星，就像地球有卫星月亮一样。伽利略的这些发现实际上是对“地心说”的否定，而对“日心说”是一个很大的支持。所以，他的实验实际上是支持了哥白尼当时“地球绕太阳转”的学说。1610年9月，伽利略还发现了金星还有各种位相，这进一步证明了“地心说”的错误，而“日心说”正确。

当然，伽利略不光是做了天文观测，他还做了很多实验，比如传说中他在比萨斜塔上面扔下两个物体，一个重、一个轻，看到底它们下坠的速度是不是一样的。所以，伽利略首先把实验与理论结合起来，用实验去证明一个理论或假说的对错，这是经典物理或者说现代科学的开始。现代科学有一点很重要的，就是通过提出很多理论、假设，然后再做各种实验来验证这些理论、假说的对错。理论和实验符合，至少这两者暂时是一致的，表明这个理论是对的。如果以后发现有新的实验跟它不符了，这时就要修改理论、假设。这是一个科学的方法，这个科学方法实际上是从伽利略开始的。

经典物理的几个最主要的物理学家代表，除了伽利略，还有哪些呢？一个是哥白尼，哥白尼提出地球是绕太阳转的，而不是太阳绕地球转的，这在当时是离经叛道的，是一个很重大的革命。还有一个是开普勒，开普勒是做天文观测的，他提出了开普勒定律。

经典物理学中最重要的一位科学家是牛顿，牛顿总结了力学的三大定律，叫牛顿三大定律。牛顿第一定律是惯性定律，是说一个物体如果不受外力作用，应该保持原来的运动状态，是静止的会继续静止，原来在做运动的会做匀速直线运动。牛顿第二定律的常见表述是：在加速度和质量一定的情况下，物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比。牛顿第三定律就是作用力等于反作用力，这个大家也都知道。

牛顿不光是有三大定律，他还发现了万有引力。一个重物为什么会掉在地上？实际上是地球对它的吸引力，使得这个物体掉下来。然后再进一步，他知道了太阳、地球、月亮的作用力都是万有引力。所以，牛顿奠定了经典物理的基础，这是牛顿对物理学的一个很重要的贡献。

牛顿还有一个很重要的贡献，就是他发明了微积分。我刚才说过，经典物理有两个标志，一个是理论跟实验结合，一个是用定量的方法，用数学的方法来研究物质的运动，而微积分就是里面很重要的一步，这是牛顿跟莱布尼兹分别独立发现的。所以，17世纪时，以上这一系列的辉煌成绩，奠定了经典物理的开始。

有位叫蒲柏的诗人曾经有这么一首诗：“自然和自然律隐没在黑暗中：上帝说，让牛顿去吧！万物遂成光明。”也就是说，原来我们对万物的道理是不理解、不了解的，然后牛顿出来把这些东西都解释清楚了。

经典物理进一步发展，又有了很多新的发现，比如热力学第一定律，其推广和本质就是著名的能量守恒定律。热力学的第二定律，如果把一杯冷水跟热水倒在一起，最后两杯水的温度就会变得一样，但是你不可能把这杯混合过的水分离成热水和冷水。热力学引进了一个熵的概念，也就是说它是从商增加的。再进一步，很多统计力学的概念也是经典物理发展的一部分。

经典物理的另外一个发展就是电磁学，形成了麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。

所以，物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。然而，经典物理仍然有两个问题没法解决，被称为“晴空上漂浮着的两朵乌云”。“第一朵乌云”出现在光的波动理论上，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；“第二朵乌云”出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。一开始人们觉得这是不起眼的两个小问题，我们用经典物理是可以解决的。但是后来发现不是这么回事，仅从经典物理的框架来解释黑体辐射里面的一些问题是无能为力的，你必须要假定它的能量是量子化的。所谓的量子化，就是一份一份的，不是连续的。在原来人们的概念里，吸收能量和发出能量时，能量都是连续改变的。而所谓的量子论就认为，吸收能量和发射能量时，能量不是连续的，而是一份一份的，每一份就是一个最小的能量单位，即量子。这个理论是由普朗克最先提出来的。这是量子论的开始。

而爱因斯坦提出相对论的时候，就解决了一些高速运动的物体相关的很多问题。这里面最关键的是什么呢？他提出了一个基本假设：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；真空中的光速在不同惯性参考系中都是相同的。他根据这两个假设，最后提出了狭义相对论。当然，狭义相对论并不完全是爱因斯坦一个人的功劳，他前面还有洛仑兹、马赫等人。爱因斯坦把洛仑兹和马赫这两个结合起来，然后提出了狭义相对论。所以，近代物理的开端是狭义相对论和量子论。爱因斯坦在量子论方面也做出过重要贡献，他认为光子在散射过程中，光子的能量也是量子化的，也就是说它是一份一份的。

1927年，第五届索尔维会议召开，这也是最著名的一次索尔维会议，这上面是很多大科学家的合影（如上图），这些人奠定了近代物理的基础。照片上很多人都是赫赫有名的。这时候爱因斯的相对论已经不光是狭义相对论，他还提出了广义相对论，广义相对论基本上是爱因斯坦一个人的发展。照片上还有居里夫人，她发现了具有放射性的元素镭。还有一位是普朗克，1927年已经从量子论进到量子力学，量子力学基本已经建立起来了。也就是说，近代物理的标志：一个是量子力学，一个是狭义相对论、广义相对论，到1927年，近代物理的基本框架已经基本都完备了。

这张图表明了近代物理与经典物理之间的关系。有了近代物理，并不表明经典物理是没用了。经典物理在什么时候有用呢？上图长方形方框内是物理学的几个分支领域：经典力学、相对论力学、量子力学、量子场论是。横坐标表示运动速度，如果运动的速度比光速差得很远，比如骑自行车、开汽车、喷气式飞机等，这个时候我们适用的是经典力学。纵坐标表示物体的大小，如果研究的物体的尺度小到纳米尺度了，这时候经典力学就不适用了，我们就要用量子力学。也就是说，通常在日常生活里面，我们平时能接触最小的是微米。一米有一百万微米，一个微米的大小我们实际上是感觉不到的，有些有经验的人可以感觉到有几十微米的差度。一般平时接触的事物我们叫宏观世界，所以一般在宏观世界、低速世界里（当然这个低速世界并不低了，包括每小时一千公里的喷气式飞机），我们的经典物理都还是非常准确的。只有到接近光速的时候，我们要用到爱因斯坦的相对论。然后非常小的时候，我们要用量子力学，比如我们要研究氢原子里的电子怎么运动、两个氢原子跟一个氧原子怎么结合形成水分子，这时候我们要用量子力学才能算得清楚。而如果是很大的物体，比如我们要研究一块晶体，这时候一般我们用经典力学就可以研究得不错；但是如果你要研究一块晶体内部的运动过程，这时候我们就要用量子力学了。也就是说，我们的研究对象如果不是做构象，我们用经典物理就很好了。如果又是高速，又很小，那这时候要用量子场论了，比如说我们在一个大对撞机里，两个质子对撞，两个电子对撞，它们之间的散射，这个时候我们就要用量子场论了。