费曼讲物理

费曼的 Six Easy Pieces 早有耳闻,终于抽空看了一遍。这本入门书是从费曼著名的《费曼物理学讲义》节选的六节物理课。没有复杂的公式,通过抓住事物的本质,结合生动形象的描述和比喻,让你领略物理学的美。

比如他对「电场」的描述:对电相互作用的一个更恰当的表示是,正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”,或在空间产生了一种新“状态”,使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力,这个产生力的潜在可能性叫做电场。好像能够想象出那个画面,「场」的概念一下子生动了起来。

感觉费曼会通过不断地思考为什么,不断逼近问题的核心,然后再用非常容易理解的方式把它表达出来。这是两个很高超技能的叠加。

这六节物理课讲到了原子、物理与其他学科的关系、能量守恒、万有引力和量子行为,不需要过硬的物理基础就能基本看明白,花一天时间就能更深地理解世界的运行规则,太值了。

尽管牛顿引力定律带来了这么大的激动人心的成就,但是它并不正确!爱因斯坦把相对论引进来,对它进行了修正。按照牛顿的看法,引力效应是瞬时的,这就是说,如果我们移动一个质量,我们将立即感觉到一个新的力,因为这个质量已在新的位置上了;用这种手段,我们可以用无穷大的速率发送信号。爱因斯坦提出了种种论据,表明我们不能以快于光速的速率发送信号,因此引力定律一定是错了。在将延迟考虑进来而对牛顿引力定律进行修正之后,我们得到一条新定律,叫做爱因斯坦引力定律。这条新定律的一个容易理解的特征是:在爱因斯坦的相对论中,任何具有能量的东西也具有质量——这里质量的意义是,它能受到引力的吸引。即使是光,因为它有能量,它也有一个“质量”。当一束含有能量的光经过太阳附近时,它会受到太阳的吸引,于是光不走直线,而是被偏转。例如,在日蚀时,太阳周围的星星看起来好像是从如果太阳不在那里时它本应在的位置移开了,这个现象已经被观察到了。

这就是今天物理学面临的情况。总结一下,我可以这样说:在原子核外,看来什么都知道了;在原子核里面,量子力学是成立的——还没有发现量子力学的原理在那里失效。

核力的起源导致我们发现新粒子,但是糟糕的是,新发现的粒子太多了,我们缺乏对它们的相互关系的完整理解,虽然我们已经知道它们之间存在一些非常出人意外的关系。我们看来是在摸索着前进,逐步接近对亚原子世界的理解,但是我们确实不知道,为完成这个任务我们还得走多远。

我们习惯于视为波的事物也具有粒子的习性,而粒子也具有波的习性。事实上万事万物的行为都是这样,不存在波和粒子的区分。因此量子力学把场及其波的概念和粒子的概念统一起来,成为一个统一体。的确,当频率低时,现象的场的一面更明显,或者是一种更有用的通过日常经验对现象的近似描述。但是随着频率增高,对于我们通常用来进行测量的仪器,现象的粒子的一面就变得更明显。

量子力学中有一条定则是,不可能同时既知道一样东西在什么地方,又知道它运动得多快。

几乎原子的全部重量都集中在这个无比小的原子核上。是什么原因使电子不掉进去呢?就是上面这条定理:如果电子都掉进原子核,我们就知道它们的精确位置,于是不确定原理就要求它们具有一个非常大(但是不确定)的动量,也就是一个很大的动能。有了这个能量,电子就将摆脱原子核。于是它们达成一个妥协:电子为这种不确定性给自己留下一点空间,同时按照这条定则以最小的运动量振动着。(记得我们前面说过,当一块晶体冷却到绝对零度,它的原子并不停止运动,仍然在振动。为什么?因为如果原子停止振动,我们就会知道它们的精确位置同时知道它们的运动速度为零,而这是违反不确定原理的。我们不能同时知道它们的位置和它们运动的速度,因此它们必须在那里不断地扭动。)

在 1920 年前的那几年,爱因斯坦已经改变了把空间看作三维空间、把时间看作与空间分离的单独存在的图像,首先是把空间和时间组合在一起,叫做时空,然后更进一步用弯曲的时空表示万有引力。于是,宇宙的舞台就变为时空,而引力则可认为是时空的一种改变。

对电相互作用的一个更恰当的表示是,正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”,或在空间产生了一种新“状态”,使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。

按照原子论的观点,气体和实际上一切物质,都是大量运动着的粒子。这样,我们站在海边看见的许多事物立即就可以联系起来。首先是压强,它来自原子与器壁或别的什么东西的碰撞。原子的移动如果平均而言沿着一个方向运动,那就是风;而无规的内部运动则是热。过多的粒子积聚在一起使密度超过平均值,它们将成堆的粒子不断向外散开,这就生成了波,这种过剩密度的波就是声音。

我们所谓的“理解”某一事物,究竟是什么意思呢?我们可以把组成这个“世界”的这些运动事物的复杂组合,想象成天神们下的一盘巨大的象棋,而我们是这局棋的观众。我们不知道弈棋的规则,允许我们做的就是观看这场棋赛。当然,如果我们看的时间够长,我们终归能看出几条规则来。这些弈棋规则就是我们所说的基础物理学。但是,即使我们知道每一条规则,我们也可能不懂在棋赛中为什么要走具体某一步棋,这仅仅是因为情况太复杂而我们的智力是有限的。如果你会下棋就一定知道,学会所有的规则是容易的,而要选择最佳的走法或理解人家为什么这么走则往往很难。

一个分子能够离开水面,是由于它偶然积累了比平常多一点的能量,使它能够摆脱邻近分子的吸引。这样,由于离开的分子带走的能量多于平均能量,留下的分子的运动平均起来就比原来要弱。因此液体蒸发时就逐渐变冷。当然,如果一个水蒸气分子从空气进入下面的水中,当分子靠近水面时,会突然受到一个很强的吸引。这使进来的分子的速率加大,结果产生热量。因此分子离开时带走热量;返回时产生热量。

固体和液体的差别就在于,固体中的原子是按照某种阵列排列的,叫做晶体阵列,即使在长距离上它们的位置也不是随便的;晶体一端的原子的位置由晶体另一端的别的原子的位置确定,哪怕它们之间相隔几百万个原子。

冰有六角形对称性,如果把画面绕一根垂直轴转 120°,它将回复原状,这说明了雪花的六边形外貌。冰的具体的结晶图样中有许多“孔”,真实的冰的结构也是这样的。当这种组织瓦解时,这些空可以被分子占据。绝大多数简单物质,除水和活字合金外,都在熔化时膨胀,因为在固态晶体中,原子是密集堆积的,熔化时需要更大的空间供原子活动,但是一个张开的结构则会塌缩,像水的情形。

分子的这种振动运动就是我们所说的热:当温度升高,这种运动也加强了。如果我们加热水,这种振动也增强,原子之间的体积也增大。如果继续加热,到了分子间的吸引力不足以把它们拉在一起时,分子就会飞走,互相分离。当然,这正是我们生成水蒸气的方法——升高温度;粒子由于运动增强了而飞走。