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都9102年了,不懂点物理还怎么混?

“两情若是久长时,又岂在朝朝暮暮……从电磁学的角度来讲,这是不科学的。”

 

视频来自中科院物理所抖音


没错,对于小编来说,物理及格要感谢老师的努力。物理是很多人学生时代难以征服的珠穆朗玛峰,每次爬到一半还都能遇到雪崩。但是,听了曹则贤老师的演讲,突然觉得自己还有回炉重造的余地。

 

好了,话不多说,正文开始!


曹则贤

中国科学院物理研究所研究员

著名物理学家


什么是物理学


什么是医学?网上有这样一个定义:医学是一门什么都不确定的科学和什么都可能的艺术。这个定义非常到位,医学确实是一门什么都不确定的科学,我们生病了去医院,很少会有医生直接说得了什么病,病理是什么,什么都不确定。

 

什么是物理学?曹则贤老师给物理学的定义是:物理学是一种什么都想理解的渴望,或者是一种野心——物理学家在理解的基础上,还要创造。


 

我们生活在由技术支撑的高度发达的社会,而支撑社会的高度发达的技术,它们的基础差不多都是物理学。

 

物理学开始于公元前600年的一个仲夏夜。古希腊的弥勒斯岛上有一位叫泰尔斯的智者,这位老先生有一天突然明白,我们生活的这个世界竟然是可以理解的。


从那时起,人类开始理解我们所处的世界,经过2600年无数聪明才智的积累,千辛万苦努力走到今天,物理学才成为一门多少有那么一点科学味道的学科。

 

英语单词Physical、来自希腊语的φυσις都是“自然”的意思,也就是说,物理学是关于自然的学科,杜甫也有清楚的定义:物理固自然。

 

物理学起源于我们为理解世界付出的努力,从物理学的野心角度看,它和别的学科都不一样。物理的研究对象是什么?Everything,我们能想起来的事情大概都是物理学的研究对象。

 

空间尺度看,你也能注意到它的野心。大到整个宇宙,小到世界上最小的存在——中子和质子里的夸克结构,都是物理学的研究对象。我们现在的空间分辨本领大概在 10-11米。前些年探测到的引力波,空间分辨率可以小到10-21米。

 

时间尺度看,物理学既研究宇宙的整个历史,也研究发生在很短时间内的事件。比如生成氯化氢分子的过程,是氯原子把氢原子的一个电子夺走了。这个事件发生的典型时间大约在10-15秒,或者叫飞秒。


这个过程能拍成视频给大家看吗?物理学家是能够做到的。从激光的角度来说,我们可以很轻松的实现飞秒脉冲的激光,也会在实验上力图做10-18秒的脉冲。

 

当然,理论物理学家会走得更远,他们把时间最小的尺度又延伸至10-21秒。我们甚至认为,研究宇宙最宏大尺度的物理,与研究最小尺度的物理,结合为一体。

 

见识物理学的厉害

 

物理学让我们知道远方,提供我们对宇宙的认知。感官里让我们接触远方的唯一器官是眼睛,相应的是光。通过对光的研究与探测,人类才知道远方物质的存在与构成。光学让我们知道真正意义上的远方。

 

物理学给我们创造了很多意想不到的东西。人类需要光明,从而发明了电灯;白炽灯只忙着发热,很少发光,所以我们研究它发热发光的机理,从而有了黑体辐射;有了黑体辐射,要研究黑体辐射的发光规律。


直到有一天,有人提出了这样的一个公式,这个公式的基础是光的能量具有量子,从而开启了量子力学的研究。



20世纪50年代量子力学应用在固体,让我们理解了什么是导体,什么是绝缘体;进而带入了半导体的概念,制成几乎只发光不发热的冷光源——发光二极管。


随后物理学家制出蓝光发光二极管,调配出各种波长的光,为特别的植物提供特别的光照,将来也许会产生城市农业的概念。

 

物理学改变我们的生活。伦琴最早发现X射线,并迅速转换成医疗器械。核磁共振、CT扫描,都是从物理实验室搬出去的。

 

物理改变生活的另一个方面是通讯。早先人们只能通过嗓子喊或者信鸽维持通讯,有了直线电路后,电话诞生了;能够用电感、电容和线圈玩振荡电路时,无线电诞生了;之后又发现光是更好的信息载体,光纤通讯诞生了。

 

为了把粒子物理实验每天产生的大量数据送给物理学家处理,物理实验室的工程师们开发出了用电信号传递数据并能自动解码的信息,带来了Email,带来了网络。网络的大量应用彻底改变了我们的世界。

 

除了对已经存在的、看得见、摸得着的东西进行认知,物理学还有一个非常重要的能耐——预测。

 

英国的狄拉克先生写出了相对论量子力学方程,引入反粒子的概念,也就是正电子的概念。有了正电子的概念,人们才在对宇宙射线的观测中发现这个世界上真的有反粒子。


另外一位奥地利物理学家泡利,研究中子裂变成一个质子加一个电子的过程,凭借着对动量守恒和能量守恒两个定律的信念,大胆预测这个世界上存在着中微子。

 

此外,有些物理学甚至仅凭一个大的原则就能构造出一门严谨的学科,并且给我们带来一场工业革命。


比如,以热机为代表的第一次工业革命,相关联的学科就是热力学,而热力学的出发点竟然就是法国人萨迪卡诺总结出的一个简单原理:任何不以做功为目的的传热都是浪费。就是这么一个简单原理,构造了一门严谨的学问。

 

物理学还给我们提供定律、原则,以及更多普世性的内容来提升我们对世界认识的水平。

 

比如对称性原则。这张人脸很漂亮,比较对称,理解这样的一张脸需要的参数很少,但如果一张脸不仅有坑有点,还有一些不同颜色的分布,记住这样一张脸需要大量的信息,会让人烦躁,于是匆匆下了一个结论——丑。



对称性不仅仅是美的问题,对于蜻蜓来说,两侧翅膀的对称性攸关性命,所以对称性是非常重要的原则。

 

物理学研究作为一种文化事业,最后塑造的一定是物理学家的人格。物理学如同哲学,它是一门能够把人的境界提高到别人不能理解的层面上的学科。


我们经常说仰望星空,丹麦的科学家第谷是一个把自己奉献给宇宙、奉献给自然的真正的物理学家。他怀着造福人类的梦想,努力探索自然奥秘,他的内心必然抱着仰望苍穹的心态。

 

爱因斯坦对于学物理的人来说是神一样的存在,可当他五六十岁的时候,就像一个小孩,始终保持着童心。


再看下图,右边是费曼教授,左边是狄拉克教授。这两位物理学诺贝尔奖得主谈话的画面诠释了什么叫“不以物喜不以己悲”。



但物理学也有另一个侧面,它使得魔鬼和天使没有区别。狭义相对论公式E=mc2,根据这个方程,如果核裂变、核聚变的过程中有大的质量损失,就会获得很多能量。这个能量既可以做成毁灭人类的核武器,也能够做成造福人类的核电厂。


物理学的兄弟们

 

考察一个人,可以先考察他周围的人。物理学的兄弟有哪些?

 

人们把亚里士多德关于自然的思考攒成了一本书——Physics,把亚里士多德关于自然的一些不着调的思考,比如世界的真实性、公理存在的合理性等,放到这本书的后面,名叫Metaphysics。

 

Metaphysics被翻译为“形而上学”,这个词在西方慢慢成了一门学问,形而上学到了康德手里,抽去了形而上学理念中神学的东西,把它转化成了一门接近自然科学的学科——Philosophy(哲学)

 

物理学和哲学其实很亲近,应该说物理学本身就是一门哲学,好的物理学家本身就应该是哲学家。当我们谈论哲学、哲学家时,千万不要忘记,康德首先是一位数学物理教授。

 

物理有另一个表兄弟——Mathematics(数学。但是,Mathematics不仅研究数,也研究形,研究逻辑,它的本意是“聪明人干的事情”。

 

数学是物理学家的语言,也是物理学家赖以思考的工具。物理与数学之间有很强的交互作用,物理的表述和思考都离不开数学,物理学家是能够用公式唱歌的人。

 


物理学家要学好数学。举个例子,大物理学家詹姆斯·麦克斯韦,天生就有非常强的数学思考能力。他很小的时候,父母送他去上画画课,课程竟然是画鸡蛋,鸡蛋很难画。于是他想:如果我能先写出鸡蛋的方程,是不是就能画好了?

 

椭圆的方程是两点的距离之和等于常数:l1+l2=const。而椭圆和鸡蛋的差别不过就是椭圆两头一般大,鸡蛋是一头大一头小,只要把到两点的距离加上不同的因子:l1+a*l2=const,a>0且a1。就能画出鸡蛋了——这是他13岁时的成就。

 

当他成年进入物理学研究的时候,你就知道他杰出的数学能力有多么重要了。当麦克斯韦把电磁感应定律相关的四个方程写在一起时,发现这个方程从数学本质上来说是有缺陷的,于是他在第四个方程的右边加了一项——位移电流


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