费曼物理学讲义资料

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1、第一卷第一章原子的运动 理查德费曼 1-1 引言引言 这是一门两学年的物理课，我们开设这门课程是着眼于你们，读者们，将成为 物理学工作者。当然情况并非一定如此，但是每门学科的教授都是这样设想的！假 如你打算成为一个物理学工作者，就要学习很多东西，这是一个 200 年以来空前蓬 勃发展的知识领域。事实上你会想到，这么多的知识是不可能在四年内学完的，确 实不可能。你们还得到研究院去继续学习。 相当出人意外的是，尽管在这么长时间中做了极其大量的工作，但却有可能把 这一大堆成果大大地加以浓缩。这就是说，找到一些概括我们所有知识的定律。不 过，即使如此，掌握这些定律也是颇为困难的。因此，在你对科学的这部

2、分与那部 分题材之间的关系还没有一个大致的了解之前就让你去钻研这个庞大的课题的话， 就不公平了。根据这种看法，前三章将略述物理学与其他科学的关系，各门学科之 间的相互联系以及科学的含义，这有助于你们对本学科产生一种切身的感受。 你们可能会问，在讲授欧几里德几何时先是陈述公理，然后作出各种各样的推 论，那为什么在讲授物理学时不能先直截了当地列出基本定律，然后再就一切可能 的情况说明定律的应用呢？（这样一来，如果你不满足于要花四年时间来学习物理， 那你是否打算在 4 分钟内学完它？）我们不能这样做是由于两个理由。第一，我们 还不知道所有的基本定律：未知领域的边界在不断地扩展。第二，正确地叙述物理

3、定律要涉及到一些非常陌生的概念，而叙述这些概念又要用到高等数学。因此，即 使为了知道词的含义，也需要大量的预备性的训练。的确，那样做是行不通的，我 们只能一步一步地来。 大自然整体的每一部分始终只不过是对于整个真理或者说，对于我们至今 所了解的整个真理的逼近。实际上，人们知道的每件事都只是某种近似，因为 我们懂得，到目前为止，我们确实还不知道所有的定律。因此，我们之所以需要学 习一些东西，正是为了要抛弃以前的谬见，或者更可能的是为了改正以前的谬见。 科学的原则或者简直可称为科学的定义为：实验是一切知识的试金石。实 验是科学“真理”的唯一鉴定者。但是什么是知识的源泉呢？那些要检验的定律又是 从何

4、而来的呢？从某种意义上说，实验为我们提供了种种线索，因此可以说是实验 本身促成了这些定律的产生。但是，要从这些线索中作出重大的判断，还需要有丰 富的想象力去对蕴藏在所有这些线索后面的令人惊讶、简单、而又非常奇特的图象 进行猜测，然后，再用实验来验证我们的猜测究竟对不对。这个想象过程是很艰难 的，因此在物理学中有所分工，理论物理学家进行想象、推演和猜测新的定律，但 并不做实验；而实验物理学家则进行实验、想象、推演和猜测。 我们说过，自然的定律是近似的：起先我们找到的是“错”的定律，然后才发现 “对”的定律。那么一个实验怎么可能是“错误”的呢？首先通常是：仪器上有些毛病， 而你又没有注意，但是这种

5、问题是容易确定的，你可以反复检查。如果不去纠缠在 这种次要的问题上，那么实验的结果怎么可能是错误的呢？这只可能是由于不够精 确罢了。 例如，一个物体的质量似乎是从来不变的：转动的陀螺与静止的陀螺一样 重。结果就发现了一条“定律”：质量是个常数，与速率无关。然而现在发现这条“定 律”却是不正确的。质量实际上随着速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才会 显著增加。正确的定律是：如果一个物体的速率小于 100 海里/秒，那么它的质量的 变化不超过百万分之一。 在这种近似形式下，这就是一条正确的定律。因此，人们 可能认为新的定律实际上并没有什么有意义的差别。当然，这可以说对，也可以说 不对。对于一般

6、的速率我们当然可以忘掉它，而用简单的质量守恒定律作为一种很 好的近似。但是对于高速情况这就不正确了：速率越高，就越不正确。 最后，最有趣的是，就哲学上而言，使用近似的定律是完全错误的。纵然质量 的变化只是一点点，我们的整个世界图景也得改变。这是有关在定律后面的哲学或 基本观念的一件十分特殊的事，即使是极小的效应有时在我们的观念上也要引起深 刻的变化。 那么，我们应该首先教什么呢？是否应先教那些正确的、陌生的定律以及有关 的奇特而困难的观念，例如相对论、四维时空等等之类？还是应先教简单的“质量守 恒”（扫校者注：译本原文如此，有网友提出，这里的 “constant-mass”被译成“质量 守恒”

7、是有问题的。从上下文来看，上文提到的需要相对论修正的老定律是“质量不 随速率改变”，而不是一般意义上的质量守恒。在后面，提到类似的能量守恒定律的 时候，作者用的是 conservation of energy）定律，即那条虽然只是近似的，但并不包 含那种困难的观念的定律？前一条定律比较引人入胜，比较奇特和比较有趣，但是 后一条定律在开始时比较容易掌握，它是真正理解前一种观念的第一步。这个问题 在物理教学中会一再出现，在不同的时候，我们将要用不同的方式去解决它。但是 在每个阶段都值得去弄明白：我们现在所知道的是什么，它的正确性如何，它怎样 适应其他各种事情，以及当我们进一步学习后它会有怎样的变化

8、。 让我们按照我们所理解的当代科学（特别是物理学，但是也包括周围有关的其 他科学）的轮廓继续讲下去，这样，当我们以后专门注意某些特殊问题时，就会对 于背景情况有所了解为什么这些特殊问题是有趣的，它们又是怎样适应整体结 构的。 那么，我们世界的总体图象是怎样的呢？ 1-2物质是原子构成的物质是原子构成的 假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，那 么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假设（或者 说原子的事实，无论你愿意怎样称呼都行）：所有的物体都是用原子构成的这 些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着。当彼此略微离开时相互吸引， 当彼此过

9、于挤紧时又互相排斥。只要稍微想一下，你就会发现，在这一句话中包含 了大量的有关世界的信息。 图 1-1放大 10 亿倍的水 为了说明原子观念的重要作用，假设有一滴直径为 1/4 英寸的水滴，即使我们 非常贴近地观察，也只能见到光滑的、连续的水，而没有任何其他东西。并且即使 我们用最好的光学显微镜（大致可放大 2000 倍）把这滴水放大到 40 英尺左右（相 当于一个大房间那样大），然后再靠得相当近地去观察，我们所看到的仍然是比较 光滑的水，不过到处有一些足球状的东西在来回游动，非常有趣。这些东西是草履 虫。你们可能就到此为止，对草履虫以及它的摆动的纤毛和卷曲的身体感到十分好 奇。也许除了把草履

10、虫放得更大一些看看它的内部外，就不再进一步观察了。当然 这是生物学的课题，但是现在我们继续观察下去，再把水放大 2000 倍更接近地观察 水这种物质本身。 这时水滴己放大到有 15 英里那样大了， 如果你再十分贴近地观察， 你将看到水中充满了某种不再具有光滑外表的东西，而是有些象从远处看过去挤在 足球场上的人群。为了能看出挤满的究竟是些什么东西，我们再把它放大 250 倍后 就会看到某种类似于图 1-1 所示的情形。这是放大了 10 亿倍的水的图象，但是在以 下这几方面是理想化了的。首先，各种粒子用简单的方式画成有明显的边缘，这是 不精确的。其次，为了简便起见，把它们都画成二级的排列，实际上它

11、们当然是在 三维空间中运动的。注意在图中有两类“斑点”或圆，它们各表示氧原子（黑色）和 氢原子（白色），而每个氧原子有两个氢原子和它联结在一起（一个氧原子与两个 氢原子组成的一个小组称为一个分子）。图像中还有一个被理想化的地方是自然界 中的真实粒子总是在不停地跳动，彼此绕来绕去地转着，因而你必须把这幅画面想 象成能动的而不是静止的。另一件不能在图上说明的事实是粒子为“粘在一起”的， 它们彼此吸引着，这个被那个拉住等等，可以说，整个一群“胶合在一起”。另一方 面，这些粒子也不是挤到一块儿，如果你把两个粒子挤得很紧，它们就互相推斥。 原子的半径约为 1210-8 厘米，10-8 厘米现在称为 1（

12、这只是另一个名称）， 所以我们说原子的半径为 12。另一个记住原子大小的方法是这样的：如果把苹 果放大到地球那样大，那么苹果中的原子就差不多有原来的苹果那样大。 图 1-2水蒸气 现在，想象这个大水滴是由所有这些跳动的粒子一个挨一个地“粘合”起来的。 水能保持一定的体积而并不散开，因为它的分子彼此吸引。如果水滴在一个斜面上， 它能从一个位置移动到另一个位置。水会流动，但是并不会消失它们并没有飞 逝，因为分子之间有吸引力。这种跳动就是我们所说的热运动。当温度升高时，这 种运动就增强了。如果我们加热水滴，跳动就增加，原子之间的空隙也增大。如果 继续加热到分子间的引力不足以将彼此拉住，它们就分开来飞

13、散了。当然，这正是 我们从水制取水蒸气的方法提高温度。粒子由于运动的增强而飞散。图 1-2 是 一幅水蒸气的图象。这张水蒸气图象有一个不足之处：在通常的气压下在整个房间 里只有少数几个分子。决不可能在这样一张图象中有三个以上的分子。在大多数情 况下，这样大小的方块中可能连一个都不会有不过碰巧在这张图中有两个半或 三个分子（只有这样图象才不会是完全空白的）。现在，比起水来，在水蒸气的情 况下， 我们可以更清楚地看到水所特有的分子。 为了简单起见， 将分子画成具有 120 的夹角，实际上，这个角是 1053，氢原子中心与氧原子中心之间的距离是 0.957， 这样看来，我们对这个分子了解得很清楚了。

14、 图 1-3 让我们来看一下水蒸气或任何其他气体具有一些什么性质。这些气体分子是彼 此分离的，它们打在墙上时，会反弹回来。设想在一个房间里有一些网球（100 个 左右）不断地来回跳动，当它们打到墙上后，就将墙推离原位（当然我们必须将墙 推回去）。这意味着气体施加一个“颤动”的力，而我们的粗糙的感官（并没有被我 们自己放大十亿倍）只感到一个平均的推力。为了把气体限制在一定的范围之内， 我们必须施加一个压力。图 1-3 是一个盛气体的标准容器（所有教科书中都有这种 图），一个配有活塞的汽缸。由于不论水分子的形状如何，情况都是一样，因此为 简单起见我们把它们画成网球形状或者小黑点。这些东西沿着所有的

15、方向不停地运 功着。由于有这么多的气体分子一直在撞击顶端的活塞，因此要使活塞不被这种不 断的碰撞逐渐顶出来，必须施加一定的力把活塞压下去，这个力称为压力（实际上， 是压强乘以面积）。很清楚，这个力正比于面积，因为如果我们增大面积而保持每 立方厘米内的分子数不变的话，那么分子与活塞碰撞次数增加的比例与面积增加的 比例是相同的。 现在，让我们在这个容器内放入两倍的分子，以使密度增加一倍，同时让它们 具有同样的速度，即相同的温度。那么，作为一种很好的近似，碰撞的次数也将增 加一倍，由于每次碰撞仍然和先前那样“有力”，压力就正比于密度。如果我们考虑 到原子之间的力的真实性质，那么由于原子之间的吸引，可

16、以预期压力略有减少。 而由于原子也占有有限的体积，则可以预期压力略有增加。无论如何，作为一个很 好的近似，如果原子较少，密度足够低，那么，压力正比于密度。 我们还可以看一下其他情况。如果提高温度而不改变气体密度，亦即只增加原 子的速度，那么在压力上会出现什么情况？当然，原子将撞击得更剧烈一些，因为 它们运动得更快一些。此外，它们的碰撞更频繁了，因此压力将增加，你们看，原 子理论的概念是多么简单! 我们来考虑另一种情况。假定活塞向下移动，原子就慢慢地被压缩在一个较小 的空间里。当原子碰到运动着的活塞时，会发先什么情况呢？很显然，原子由于碰 撞而提高了速率。例如，你可以试一下乒乓球从一个朝前运动的球拍弹回来时的情 况，你会发现弹回的速率比打到球拍上的速率更大一些（一个特例是：如果一个原 子恰好静止不动，那么在活塞碰上它以后，当然就运动了）。这样原子在弹离活塞 时比碰上去之前更“热”。因此所有容器里的分子的速率都提高了。这意味着，当我 们缓慢压缩气体时，气体的温度会升高。而在缓慢膨胀时，气体的温度将降低。 图 1-4冰 现在回到我们的那滴水