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1、B关于物理与物理教学的观念B1：物理学的本质A. P. French Department of Physics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA （弗里奇 麻省理工学院物理系）引言世界上充满了需要解释的现象。例如，彩虹和肥皂泡的颜色，高速飞机的蒸汽尾迹，液态水在某一温度时突然变为固态的冰，暴风雨中的闪电及紧随其后的惊雷，美丽的六角对称的小雪花；所有这些，还有数不清的其它现象，都在物理学的研究范围之内。总的来说，科学的本质就是观察和探究我们周围的世界，试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式。物理学是作为非生命
2、科学的一部分，总是力图确认最基本的原理并把诸多规律统一起来。这里指出了物理学与其他自然科学的两点区别，第一点限制在非生命世界中将它与生物学暂时区别开来；第二点力图确认最基本的原理，表明了物理学与化学的区别，化学至少在基本原理方面是建立在物理学的某些领域基础上的，而不涉及其他领域，至少在理论上是如此。尽管数学对于物理学是不可缺少的，但数学是一个完全不同的领域。它是自洽的，完全不依赖对真实世界的观察。本文的主题可以从许多角度展开讨论。其中一种洞悉物理学本质的方法是看物理学从古至今是如何发展的。本文就是这样做的，尽管它并不试图列出所有那些重要的、甚至是本质的话题。本文的目的并不是提供一个物理学发展的
3、时间表，而是举例说明，把我们关于各种现象的知识同尽可能少的普遍规律联系起来，如何成为物理学矢志不渝的追求目标。阿基米德与杠杆说物理学起源于力学关于机械、力和运动的科学似乎是比较合理的。物理学和应用装置之间有着比较紧密的联系，这种联系在古代力学中就已经建立起来。最好的例子可能就是杠杆了。阿基米德在公元前250年就已经认识到杠杆原理“只有重量和悬挂它们的力臂成反比时，不同重量的物体才能保持平衡。”这个简单的例子是一个概括了特定经验的理论陈述，一个表明了物理学本质的理论陈述。这一结论可能是第一个真正的物理规律。它成为杆秤或罗马天平从罗马时代至今仍在使用的装置的理论基础。有必要把这个例子做进一步的阐述
4、。最初，不同重量的物体保持平衡可能只是实际经验，此后阿基米德将其量化，并对各量之间的关系做了一般性的陈述。但他并不满足于此，他试图把它建立在物理学家使用的最有效的概念之一对称性的基础之上。阿基米德认为，同样重()的物体在距转轴（支点）同样远()的地方保持平衡是一个公理。因而他设想，其中一个重物可以被两个的重物代替，一个放在支点，一个放在距离支点的地方。由于第一个的重物显然不会对支点产生转动效果，因此他认为，位于处重的物体会平衡位于处重的物体。把这一论断外推，就会得出关于杠杆的普遍规律。图1.A Steelyard medal struck for Frederick I (1688-1713)
5、 实际上这一论断是无效的。如果杠杆的规律是，同样重的物体位于相同的距离上也会平衡，但位于处重的物体却不会平衡位于处重的物体。正确的规律必须建立在对不同重量物体的实际观察之上。但是，毫无疑问，在条件适用的情况下，对称性是一个卓有成效的工具。我们随后会看到这一点。从亚里士多德到伽利略：空间，时间和运动甚至早在阿基米德从事力学研究之前，把希腊语中的物理一词引入我们词汇的亚里士多德（384-322BC）就已经考虑过物体的运动。当然，传统上，空间和时间是我们认识自然的最基本的概念，作为时间函数的位置则一直是描述物体运动的基础。亚里士多德探讨了这些问题，并把运动区分为星体等所做的完美的圆周运动（实际上，是
6、地球绕地轴转动的反映）和地球表面物体所做的轨迹不完美的运动。但有一点很清楚，那就是在研究物理问题时，他并不研究第一手的现象。他曾经提出一个非常著名的，但只需一个实验就能驳倒的论断“两倍重的物体从同一高度下落只需一半时间”。中世纪，人们对抛体运动做了一些研究，但是直到17世纪才由伽利略把理论和实验结合起来，给出了自由落体和抛体的正确描述。我提到这些不是为了这一特定结论，而是因为它指出了物理学的另一个本质特征依靠直接的观察或实验。如果同自然没有直接的交流，我们就不会有物理学。人们常说观察和实验证据是建构物理理论的起点，但我认为这种说法有些言过其实。公正地讲，物理学的发展依赖于理论和实践之间持续不断
7、的相互作用。有可能先出现理论，然后提出可能的实验验证，通过实验支持或驳倒这一理论。一组特定的实验不可能仅仅只体现一个基础理论，但是有可能只体现出观测量之间的关系如，在自由落体运动中距离正比于时间的平方（但是，这并不是引力理论）。碰撞与第一个守恒定律众所周知，17世纪物理学迎来了第一次繁荣，其基础就是对物体碰撞的研究。牛顿（1642-1727）首先认识到所有这类实验结果都符合一个守恒定律动量线性守恒。其他的人（包括笛卡尔）都对这个规律做出了贡献，但不够全面或正确。牛顿有这样的才赋或运气把它作为自己力学的基础。但是仅仅依靠它还不足以解释各种碰撞类型的细节。尽管如此，在两个物体的碰撞过程中，从来没有
8、违反过总动量守恒。在这个规律的表述中涉及到两个重要的概念：1 质量，用多少有些直觉色彩的物质的量定义。2参考系，有了它才可以测量其它物体的速度。在这些早期的实验中（甚至在今天类似的实验中）看起来不动的地球常常被选为参考系。从早期到现在这两个概念经历了多次讨论和完善，这一事实说明了物理学本质的另一个重要方面。在这一学科发展的某一特定阶段接受了某个经过检验的假设，但随后这些假设总是有待修正。例如，甚至早在17世纪，大家就已经知道地球不是静止的，而是在绕地球转动的同时绕太阳公转。但是在分析实验室情景下的碰撞时，这两个因素都可以被忽略。只有涉及到大范围运动时，这些因素才是有意义的。在一开始就引入这些因
9、素会带来不必要的麻烦。大约在认识到动量守恒定律的同一时期，另一个重要的、但不够普遍的守恒定律也被人们所认识，它只限于弹性碰撞。在弹性碰撞中，碰撞后的物体以和碰撞前相互接近时相同的活力后退。如果设想一个沿直线的碰撞，碰撞物体质量为、，用、和、表示两个物体的初速度和末速度。则动量守恒可以表示为 。不管是弹性碰撞还是非弹性碰撞，这个表达式都成立，但如果是弹性碰撞，那么下列关系式也成立： 。随着力学的发展，逐渐认识到第二个关系式是弹性碰撞中动能守恒的表达式，物体的动能后来被定义为，而不是，至于原因，在此我们不打算深究。除了这些守恒定律，另一个可以应用于碰撞的基本物理规律被与牛顿同时代的伟人惠更斯（16
10、29-1695）发现。这就是我们现在所说的不同惯性参考系等价。惠更斯考虑了一个发生在两个质量相同的球之间的碰撞，两球速度大小相同，方向相反。他认为根据对称性，它们将以相反的速度后退。现在他设想这样的碰撞发生在相对岸以速度运动的船上（图2）。如果站在岸上的人观察这一碰撞，他会认为这一碰撞发生在一个静止的球和一个以运动的球之间。或者，船以速度运动，两个球的速度为和 。在这两种情况下，站在岸上的人会看到球的速度在碰撞过程中发生交换。也就是说，在最早的对称性碰撞的基础上，可以预言发生在这两个球之间的所有相对初速度相同的碰撞。图2.从不同参考系观察到的两球之间的弹性碰撞(From C. Huygens,
11、 Oeuvres Compltes, Vol. 16, The Hague: Martinus Nijhoff, 1940). (草图之上的示意图是 Ernst Mach 在他的书 The Science of Mechanics中增加的.) 这些现象中隐含着另一个从来未被指明的条件，这就是质量守恒定律：碰撞过程中总质量不变。在这些物理系统中被认为是理所当然的，但是直到一个多世纪之后，当拉瓦锡（Antoine Lavoisier ，1743-1794)在化学反应中建立起质量守恒定律时，才有了基于实验的详细阐述。在化学反应中涉及到的物质重组比牛顿时代的碰撞实验剧烈得多。这并不是我们最后一次谈到守
12、恒定律，但是在我们继续讨论它们之前，还是让我们考虑一些别的事情吧。原因与结果：牛顿第二定律物理世界的观察者总是对认识和发现事物的原因感兴趣。最著名的例子就是牛顿第二运动定律的现代数学表述：。左侧是力，右侧是质量与该力产生的加速度的乘积。也就是说，左侧可以解释为原因，右侧是该原因产生的结果。方程的两侧所产生的作用不同。这个特点是数学方程没有的。但是，并不是所有的物理方程都是这种类型。例如，爱因斯坦的可能是最著名的物理方程就是质能等价的简单陈述。不过，当一个物理方程表示因果关系时具有特殊意义。经典物理膨胀在牛顿之后的两个世纪中，物理学的范围迅速扩展。在牛顿时代光学已经发展得很好，牛顿自己也是主要贡
13、献者之一。但是在随后的18、19世纪，物理世界的知识扩展到包括热学、声学、电学和磁学等领域。起初，这些领域包括力学和光学都被看作是独立的研究领域，但是随后发生了重要的变化：人们开始认识到它们之间的联系。例如，声音被理解为空气柱或弦等物质的机械振动，热被理解为原子或分子的无规则机械运动（尽管当时还没有观察到原子，但坚信它们的存在）。随之而来的是对能量及其守衡定律概念的大量扩充。人们逐渐认识到，当机械能明显消失时例如，两个物体的非弹性碰撞可以认为损失的机械能转化为碰撞物体的热能，表现为它们温度的升高。这样能量守衡被看成一条普遍原理，尽管它还没有立即扩展到电磁学中。19世纪早期，人们发现了电现象和磁
14、现象之间的联系：电荷流过导线会产生磁效应，变化的磁场在闭合导线中会产生电流。随后在19世纪末，伟大的物理学家麦克斯韦（18311879）用统一的电场和磁场方程，解释了光以惊人速度3108 m/s传播该数值已由实验证实。最后结果是物理学的巨大统一。很多年来，随着新的发现，似乎物理现象的多样性在无限制地膨胀。随后才逐渐认识到，传统上把物理学划分为不同的领域，实际上是因为我们对它们本质联系的无知。为了方便起见，但可能很不幸，物理学的不同领域仍然被绝大多数人作为彼此独立的研究领域，教材也在继续这种分割。然而，只要承认在根本意义上物理学是一个学科，这还不算很糟。光的本性物理学的一个主要目标是建立合理的概
15、念模型，用它们可以描述和解释各种各样的物理现象。在这方面最显著的例子就是试图找出一个成功的光的模型。根据一些古希腊人的观点，我们能看到物体依赖于从眼中发出的某些东西一个很容易被实验驳倒的想法（例如，在黑暗的房间里看不见物体）。另外一些人的想法似乎合理一些，物体能被看见是因为它们自己发出一些粒子，由点光源产生的清晰的影子很自然地导致了这样的光的图景，即光是由光源或被它照亮的物体发出的沿直线传播的粒子组成的。光线在镜面上的反射规律反射角等于入射角的发现进一步强化了这个模型。牛顿偏爱并支持这个粒子模型。但是他的同代人惠更斯设计并提出了另一个完全不同的模型-光由在介质中传播的波组成。他认为光的巨大速度
16、及光线彼此穿过而不相互干扰的能力，都是反驳光由实物粒子组成的证据，他认为视觉必须依靠光对视网膜的振动，他可以通过发自光束波前不同位置的圆波或球波的叠加解释光的直线传播。在当时，光的粒子模型和波动模型显然是互相排斥的。由于牛顿的权威性使得光的粒子模型被普遍接受，并在大约100年内没有受到挑战。但是随后发生了一些令人震惊的事。大约在1801年托马斯杨（17731829）演示出，如果一束光被分成两束并互相叠加，就会显示出干涉现象-在接收光屏上会出现黑白相间的区域（图3）。出现黑色区域干涉相消是粒子模型无法解释的；一个光粒子怎么会被另一个消灭呢？这样粒子模型就被放弃了。在19世纪剩余的时间里，光的波动模型的证据不断积累，正如前面所提到的，麦克斯韦表示如果把光看作穿过布满整个空间的以太介质的电磁扰动，那么他能够解释光的传播，这时证据的积累达到了顶
