向涛院士：云里悟理有源流 【云里·悟理-第1课】

第一课

云里悟理有源流

主讲人

《云里 · 悟理》系列微课简介

当我们在观察自然或者在观看科幻电影时候，我经常会想到以下一些问题 ，比方讲：

水是由什么组成的，为什么会流动 ？

云彩为什么会浮在天空而人不行？ 

我们能否回到过去，宇宙到底有多大？

我们能看到宇宙的边界吗？ 

这都是我们在从观察中看到的现象，事实上这些现象也是物理学要研究并回答的问题。 

什么是物理学

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那么什么是物理学呢？用一句话讲，物理学是研究物质结构、相互作用及其运动规律的基础学科。物理学的英文名Physics由拉丁文Physica演变而来 ，而Physica一词源自于古希腊文，就是“自然”的意思。  

物理名词的中文是由日文从英文翻译过来，然后再传入中国的。我国古代虽有物理一词，但泛指事物之理，内容甚广，并非当今物理学的意思。 

在17世纪前，物理主要是从观测生活的体验中发现和总结规律。古希腊的时候，人们把所有观测自然和思考统称为自然哲学，包括现在的物理、化学、天文、地学，生物等。

物理学从哲学中分化出来的，应该讲是最近几百年的事。牛顿时代科学和哲学还是一家。大家知道牛顿有一本非常著名的著作《自然哲学的数学原理》，讲的就是牛顿力学，牛顿三定律和牛顿万有引力定律和微积分。但大家看这书的名字里面叫“自然哲学”，没有任何一个物理的词。 

《自然哲学的数学原理》

从生活观测中发现和总结规律，我给大家举个例子，比方说浮力定律，是说一年阿基米德所在的王国的国王请金匠用纯金打造了一顶王冠。做好了以后，国王怀疑金匠有可能造假，掺了银子在里面，就请了阿基米德鉴定。这当然是一个非常难的问题，阿基米德一开始也一筹莫展，不知道怎么解决。有一天他在洗澡的时候坐进了浴盆，里边的水位上升了，那么这个观察启发了他。他就想，如果把王冠放在水里，上升的水位就应该正好等于王冠的体积。所以只要拿与王冠等重量的金子放到水里，看看它们的体积是否相同，就能判别是否有假。 

阿基米德想到这里，高兴地从浴盆里跳了出来，赤身裸体跑了出去，边跑还不停地喊“Eureka”。“Eureka”是“我发现了”的意思。后来阿基米德在发现的基础上进一步发现了浮力定律，也就是我们现在在中学时学的定律：物体在液体中所受的浮力等于物体所排开液体的重量。 

自然哲学时代的物理研究，其实更多注重的是哲学的思辨，还不是现代意义上的科学。而且在那个时代还受到了宗教的巨大束缚。任何一个观点与宗教信念不同，就很难被接受。

科学思想与方法的突破

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那么打破这种束缚的呢，是从十六世纪开始的。物理学思想与科学方法的突破，这种突破也带动了科学的启蒙。思想的突破，是从哥白尼提出太阳系系统的日心说开始的。他的学说推翻了托勒密的地心说，他的学说打响了科学思想革命的第一枪，而科学方法的突破起源于实验科学方法的建立。这个方法的建立，释放了物理以及整个科学的研究潜力。

科学方法的突破要归纳于两个人。一个是英国的哲学家培根，他是归纳法的创始人，也被誉为科学方法之父。他从哲学上认证了科学实验的重要性，认为科学研究应该使用于观察和实验为基础的归纳法。

培根

实验科学的开创者是伽利略，他也被誉为现代科学之父。伽利略由于捍卫日心说的受到教会的迫害，直到上个世纪90年代才得以平反，也就是1992年才得到平反。伽利略通过实例展示了实验方法对科学研究的重要性，他强调了要使用实验和观测所得到的证据来证实任何假设的正确性。

伽利略

伽利略对科学实验有两方面的贡献：一方面他创立的实验和数学有机结合的科学研究方法。给大家举个例子，比方讲惯性原理的发现。惯性，大家都在自然里经常能注意到这件事情。事实上在2000多年前，中国著名的思想家和科学家墨子就曾经说过“止，以久也”。意思是说，物体运动的停止来源于阻力和阻抗的作用，如果没有阻力的话物体会永远运动下去，这就是我们现在所说的惯性原理。但是他的学说在西方是不知道，也不是过去在伽利略之前的1000多年的里边主流观点。主流的观点实际上是古希腊的著名的哲学家和科学家的亚里士多德提出来的。他说，物体要运动就必须给他一个施加的力。如果不加力的话，物体就会停止。那么这当然跟惯性也是不一致。

伽利略不认可他的观点，他就通过实验来证明他是错的。他做过一个非常著名的双斜面实验。这边有一个斜面——光滑的斜面；这边还有一个。让一个球从斜面滚下去，然后从上面再上到另外一个斜面。他注意到了斜面滚下去的时候，跑到最高点的时候，这个点上这个球的相对地面的高度，和他出发的时候在这边相对地面高度是一样的，也就是平的。当然我们现在知道，这是因为从势能转化成动能、再转换成势能这么过程，由于能量守恒它的高度是必须是一样。那么他接着做实验，他把右边的斜板放得比较平一点，让它斜率变小。那么这时候再做实验，让这个球从斜面滚下去，然后再从斜面滚上去，这个时候滚的距离要长了。但是他发现最后到了最高点的时候 ，它相对地面的高度依然是跟原来是一样。那么他接着想，如果说我继续把斜面右边斜面给它放下去放平那么会怎么样？这个球从这边滚下去以后，再继续往下向前走的时候，它就不会停下来。

那么就通过这个实验他就证明了：如果你不给它力的话，物体它是会不断的运动下去。但物体之所以停下来是因为它受到地面的摩擦。这就是惯性原理，也就是牛顿的第一定律。 

头脑里也能做实验吗

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另外伽利略确定了理想实验在科学研究中的作用。比方讲，他通过实验来验证自由落体是一个加速运动。 

有一个非常著名的故事，就是关于比萨斜塔上把两个球扔下去，然后它是会同时落地一重一轻。但是这个故事的话经过历史考证证明不是伽利略做的。但伽利略的确做过另外一个实验，是一个单斜板试验。这个是只有一个斜板它来做。在看这个球滚下去的距离随着时间如何变化。他就发现距离是和时间的平方成正比的。这实际上是牛顿的第二定律的一个结论。 

单斜板实验

所以早在牛顿之前，实际上他已经注意到了加速度和运动的关系。那么他在做这个实验的时候，他同时他把这个球换一个轻一点的球——重量不一样，他做同样实验，他发现无论这个质量是多少，在相同的时间里边，这两个球走的距离都是一样的与质量无关。他接着把这斜板抬高一点，让它的斜率变大，发现现象依然是这样。他于是想：把斜板给它放直90度，那么让那两球同时滚下去，就会同时落到地上。

  

另外还有一个例子，就是相对性原理的发现，是相对论的一个最基本的原理。这个原理发现它不是通过一个实物实验，而是一个思想实验来实现。伽利略想象说，把一个人关到一个船舱里，让这个人在船舱里面做实验，把一个球让他再扔下去，放开让它落到船上的地板上。花多少时间、在什么位置、落在什么位置，那么这个实验和船是不是在走是没有关系的。船是静止的他会做一次实验，船开起来以后他也可以再做一次实验。但是因为他是关在船舱里头，他不知道船是在开还是没有开。 

船舱实验

那么理想实验告诉什么，就是说物理的运动的规则和规律和在什么参照系里是无关的，这就是相对性的原理。

物理学的第一次统一

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物理学的快速发展是在牛顿力学建立之后。牛顿力学包括两个部分：一个是牛顿运动三定律，就是惯性定律、加速度定律，也就是说物体受的力等于它的动量的变化率、第三个就是作用力反作用力；另外就是牛顿的万有引力定律，也就是两个物体之间所受的引力，和它们之间的距离的平方成反比的，而和它们两者之间的质量的乘积成正比。

牛顿

牛顿的万有引力定律是基于开普勒的行星三定律总结并得到的。万有引力的建立是物理学的第一次统一，他把地上的引力或者叫重力和天上的引力，就是太阳和地球之间的引力，统一在一个理论框架里。这是一件非常重要的事情！他是第一次通过物理的实验或者观测证明了这个物理学的规律是普适的。 

这里边也有一个很有名的故事，就是苹果树的故事。牛顿在22岁的时候，那年正好英国发瘟疫。 他为了躲避瘟疫就从剑桥回到他的老家。一天，他在院子里边散步，他就突然注意到苹果就从树上掉下来。这个实际上是司空见惯的一件事情，但这件事情引起他的注意。他在想：这个苹果为什么是直接落到地面，而不是斜着掉的也不是往上走？ 

这个观察当然很简单，但是却启发了他。他想到苹果之所以是往下掉，是因为它受到地心的引力的作用出现的。他就意识到苹果所受到的力和地球受到的太阳引力实际上是一种力，因此他把它叫万有引力。

 

在牛顿的力学建立起来之后，物理学有非常快速的发展。特别是在18、19世纪，法国的物理学家库仑发现了静电相互作用：也就是两个带电体它们之间的相互作用力是和它们之间的距离平方成反比的，和万有引力很相似的。在几乎同一个时代，奥斯特发现如果你给一个导线通上电以后，它会产生磁性。后来法国物理学家安培总结出了电生磁的规律。

静电相互作用实验

电流磁效应实验

但是尽管他们都在法国，他们并没有意识到这两个规律之间是有联系的。那么，这个联系是谁发现的呢？是大概过了几十年之后，英国的物理学家法拉第发现的。他发现：如果你在一个线圈导线的线圈里边，你让一个磁体从线圈通过的话，在线圈里边是会产生电流的。相反，如果你让磁铁不动线圈运动，它也会产生这样一个电流。他的发现把安培和库仑发现的电和磁的关系就统一了。

法拉第电磁感应定律

在他们这三个人实际上还有更多的物理学的工作基础上的。另外一位英国物理学家麦克斯韦把它总结成了一组方程组，称之为麦克斯韦方程组，是一组非常漂亮的数学公式。而且基于方程组麦克斯韦预演，光，也就我们现在看见的光，就是电磁波，把光和电磁波现象也统一了。

麦克斯韦方程组

好嗨哦！感觉达到了巅峰！

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到了19世纪末，牛顿力学、电磁学都发展得非常完善。而在同一时期实际上热学光学也是发展得非常好，物理学似乎到了一种达到顶峰的感觉。在那个时候在19世纪的末期，就有一种盛行的观点，就觉得好像物理学的大厦已经建好，下面只是说要做一些装修就够了。

那么当时很多人实际上是有这个观点，比方讲普朗克，这是一位德国的著名的物理学家，他也是量子之父，因为量子论是他先提出来的。普朗克当他在大学学习的时候18岁选择专业的时候，他的老师就劝告他说，在物理这个领域，几乎所有的发现都已经完成了，剩下的只是填补一些不重要的洞。 

普朗克

在同一个时代还有另外一位物理学家叫迈克尔逊，他也是一位非常著名的美国物理学家。他做过一个非常有名的实验，叫迈克尔逊莫雷实验，是跟另外一个因为美国物理学家莫雷。他们实验实际上是奠定了相对论的基础。但在这个实验之前他也有类似的观点，他说物理科学最重要的基本定律和事实已经发现，并且建立了牢靠的理论描述，未来能作出新的发现可能性非常小，我们未来的发现要在第6位小数点上去找。 

迈克尔逊

他们俩的意思都非常清楚，就是说这物理大厦已经建完了，我们能做的事情下面就是去做一些修修补补的事情。但正当大家觉得物理学好像已经走到头的时候，两朵乌云飘来 。在1900年，开尔文，这是一位非常著名的物理学家，大家现在用的温度的温标、绝对温标就是以他的名字命名。他在1900年4月27号的一次演讲中，开头就说，断言热和光是运动模式的漂亮和清晰的动力学理论，目前被两团乌云所笼罩。

那么这是哪两团乌云？一团乌云就是迈克尔逊莫雷的试验，他们的实验证明不存在以太，也就是太空里边没有以太存在 。这个理论实验结果和当时的理论预言是不一致的。那么解决这个问题就诞生了相对论。相对论诞生也是物理学一个非常重要的事情，这是爱因斯坦的一个杰作。相对论把时间、空间和引力统一了。相对论是基于两个物理原理。一个就是相对性原理，也就是物理定律：在一切坐标系中都具有相同的形式；另一个原理就是光速不变原理 ：就是光速在所有坐标系中都是一样的。

迈克尔逊莫雷试验

另外一团乌云这叫黑体辐射，那么这个也是和当时的理论是不一致的。那么解决这个问题是谁解决的，就是前面我提到的普朗克。普朗克解决这个问题，提出了量子论，因此大家也把它称之为量子之父。量子力学实现了把物理和化学统一在一个理论框架上。比方讲元素周期表，就可以非常好的用量子力学得到解释，能让我们理解为什么同一组里边的元素，它有非常相似的化学性质——因为物理和化学他研究的最基本的粒子，都是服从于量子力学的规律的。

黑体辐射

那么量子力学是一大群人的集体的贡献，包括前面我给大家提到的普朗克、德国物理学家；还有玻尔是丹麦的著名物理学家；还有海森堡、德国物理学家；在他提出量子力学的矩阵力学的时候，他才20多岁；还有薛定谔、奥地利的物理学家；还有狄拉克是英国物理学家；还有玻恩，是德国物理学家；当然还有更多人的名字，包括爱因斯坦。

玻恩培养了四位非常优秀的中国学生和博士后，其中两位是我国的两弹一星奖章获得者：一位是彭桓武先生，另一位是程开甲先生。还有两位，一位是著名的半导体物理学家黄昆先生；另一位是核物理学家杨立铭先生，他是北大的教授，也是中国科学院院士。

物理学发展的两个阶段

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从16世纪到现在，物理学大致的发展经过了两个阶段：

第一个阶段经典物理学的发展阶段，是从16世纪开始到19世纪结束，经典物理学包括经典力学、声学、光学、热力学、还有电磁学；在20世纪以后，由于相对论和量子力学的发现，开始了现代物理学的起源。现代物理学包括广义相对论、量子场论、粒子物理、核物理、原子分子物理、凝聚态物理、等离子体物理、量子信息量子计算等等。而且我相信随着物理学进一步发展，更多的新的分支会出现。 

    前面我给大家介绍了一下物理学发展的历史，下一节课我想跟大家进一步介绍一下现代物理学发展的一些情况。

    我们下一节课再见。