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（7）

我是1965年进清华大学学习的，我一进学校的时候，给我印象最深的是什么呢？当时清华大学工程物理系有一个1958年毕业的学生。他说，我在理发店里看见理发师傅给我理发，灯光透过理发师梳子的时候，我突然想到，这个理发师没有学过量子力学，不知道波粒二象性，这个人生是多遗憾！也就是说，当时他觉得自己学了物理，学了量子力学，对很多的微观世界有一种全新的认识，这是一种享受。但是如果这个人没学过，他觉得很遗憾。我觉得，某种意义上他这种想法有点像库帕说的，学了物理以后，给人一种新的精神境界。

比如天上的彩虹是非常美的，这是（见上图）雨过天晴出现的彩虹，我们仔细看看，上面还有一道光，这道光是什么？是霓。我们常讲霓虹灯，“虹”跟“霓”有相似的地方，也有不同的地方，但都是一个很美的自然现象。我们看看“虹”与“霓”有什么区别：“虹”是赤橙黄绿青蓝紫，红颜色在上面，紫色在下面。“霓”首先比“虹”要淡很多，“虹”的光比较强，“霓”的光是比较弱的。“霓”与“虹”另外一个不同的地方是它的里面是红色，外面是紫色。当然，是我们每个人都可以看到虹霓现象，但是学过物理以后，你会对这个现象有更深的认识。如果我们学过中学物理，我们知道，太阳光我们看起来是白光，实际上里面是包含了各种颜色。也就是说，太阳光是个光谱，是很多光混在一起变成了白光。所以白光并不是单色光，它是很多光连在一起的。我们学过中学物理也知道，红光的波长是比较长的，蓝光、紫光的波长比较短。波长比较短的光频率比较高，波长比较长的光频率比较低。如果中学大家学过光学，我们还可以知道更多一点，我们会知道有个叫折射定律，也叫做斯涅尔定律。

所以“虹”是怎么产生的呢？太阳光里面含有红色光、绿色光、蓝色光、紫色光等，不同颜色的光波长不一样，能量不一样。太阳光沿上图中的方向射入空中的一小水滴时，由于折射而进入到水滴中且同时发生色散，然后经过一次反射再从水滴射出。最后白光散开变成了七种不同颜色的光，实际上不只七种。由于红光在水珠中的折射率最小，使其出射光线与入射光线成42度，而紫光在水珠中的折射率最大，使其折射光线与入射光线成40度。人眼按直线追溯射入眼中的光线射来的方向，看到偏折较小的红光在上，出现在“虹”的最外侧，而折射率最大的紫光出现在“虹”的内侧。这是物理告诉我们的。

物理又告诉我们“虹”跟“霓”是什么区别呢？“虹”就是光在水滴里只散射一次就折线回来了。“霓”是它在里面要反射两次，在水滴的一面反射了，然后到水滴的另外一面再反射一次，最后再折射出来。一个是反射一次，一个是反射两次，反射一次就有一部分光要损耗，所以“霓”就变得很弱了。第二，“虹”最后红颜色的光散射角度大，这时候它就比较宽，而紫色光散射角度小，它就比较窄，所以最后我们看到“虹”的太阳光是红颜色在上面。而对于散射两次的“霓”来讲，最后变成了红色光在下面，两个次序正好是相反的。所以，我们学了中学物理以后，对光的散射、折射了解以后，我们就对“虹”与“霓”虹有更多的认识了。

如果大家学了大学物理，这时候就会对事物有更进一步的认识了。比如麦克斯韦的电磁学，他把电磁现象统一了，提出了这四个方程，叫麦克斯韦方程。麦克斯韦把电场强度、磁场强度之间的关系，用四个关系式表示出来。如果我们学了麦克斯韦方程，我们就可以把反射定律都用电磁场里面的电场表达出来。这个时候，我们就把光看成是个电磁波，然后看它的电场在两种介质里面折射、反射，会是什么现象。这时候我们对一些问题会有更深的认识。当然，我的认识也就到这个地步，杨振宁先生的认识比我更深一步。杨振宁先生是做规范场理论的，他提出了杨-米尔斯场理论。他觉得麦克斯韦方程的数学结构与微分几何里的纤维丛的数学结构是一样的，所以他的认识更深一步。这时候他得到的乐趣就更不一样了。也就是说，你懂得越多，站得越高，就看得越远，看得越深入。所以，如果你多学一点科学知识，可能对很多事情的看法会不一样，对很多事情的理解会更深入一点。

比如，如果你原来没有学过近代物理，对广义相对论也不好理解，那么我讲引力波是两个黑洞碰撞，最后产生引力波，你也会觉得不可思议。但是，如果你学过物理，知道爱因斯坦的广义相对论，就知道在爱因斯坦的广义相对论里面，物质与空间是连在一起的。物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动，物质与空间是不可分离的。这时候你就会对很多现象有新的理解了。所以，我们不需要知道广义相对论的很多具体细节，也不需要去计算，我们只需要知道一点点广义相对论，知道物质跟空间是不能分离的，物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动。这时候你对很多事情的看法可能就会不一样。也就是说，在爱因斯坦的时空观里，空气、时间、物质这些都是不可分离的。这时你对很多世界的理解就进入到更高一个层次：这个世界并不是一个绝对的静止的世界，这个世界实际上是在运动的，运动是跟物质连在一起的，空间跟物质也是连在一起的。