初识物理

刁楚涵

“物理”一词，在文言中原意为“世间万物的运行规律和法则”，这也与它在科学上的定义大致相同，就是事物的内在规律或道理，是帮助我们研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，我认为它是“探索世界最本质”的一项工作，而历史上无数的物理学家，正是一生都致力于探索世界最本质。

物理作为一门最基本，最重要的自然学科，研究的内容上至宇宙，下至微粒，涉及到生活的方方面面。在刘慈欣的科幻小说《三体》中，三体世界正是向地球发射了无数的“智子”，干扰试验，使物理规律在时间和空间上不均匀，宇宙普适的物理规律不存在，来封锁人类科学技术的发展，以至于在几个世纪以来，人类都无法在物理方面取得突破性进展。虽然这只是科幻小说中的情节，但也有其重要的现实意义：物理对于人类发展的重要性。

物理学的发展有两个奇迹年，一是1665年牛顿“站在巨人的肩膀上”，创立了万有引力定律，同时创立了牛顿力学三定律，或许我们可以说，是牛顿第一次探索到了当时人们所认知的最深处，他所创建的经典力学体系也广为流传。经典力学所适用于低速宏观的物体，因为这受限于它的两个基本假定，一是时间和空间的绝对，物体的长度和时间与观测者的运动情况无关，物质间相互作用的传递是具有瞬时性;二是一切被观测的物理量在原则上可被无限精确的测量。但随着人类对探索世界的不断深入，因为它的两个基本假定的局限性，经典力学的局限性也就不断暴露出来，无法满足人类的探索的好奇心。所以在1905年，也就是物理学上的第二个奇迹年，爱因斯坦接连提出来狭义相对论和广义相对论。

狭义相对论的提出，帮助人类拥有较完备的理论体系来研究高速微观的物体的运动规律，这同样也是帮助我们研究宇宙的强有力的工具。因为狭义相对论的两个基本假定：相对性原理和光速不变原理，打破了经典力学的局限性，帮助我们更好的研究更复杂的问题。

相对论是近代物理学的第一大基石，第二大基石是由普朗克，薛定谔等物理学家在1915-1917年创立的量子力学。与经典力学不同，量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。说到量子力学，不得不提薛定谔的经典思想实验：薛定谔的猫。尽管连量子力学的创始人也认为这个实验得出的结论是荒谬的，尽管这还是一个充满质疑的学科，但不可否认的是，量子力学是物理发展史上的重要的一步。量子力学的本质是什么，还需要时间来研究，而我们需要足够的自信心，来拭目以待。

不难看出，物理学发展首先遵循一个很基本的规律，就是层层深入。从宏观到微观，从低速到高速，都是如此。发展的另一规律，就是理论的统一，无论是弱电统一理论，还是强、弱、电磁三种作用统一理论，这都反映了理论最终走向统一的一个趋势。也曾出现过例如有人将弦理论作为终极大统一理论，但无法得到充分的认可，爱因斯坦后半生也有很大一部分的精力放在寻找这个理论上，但难度是显而易见的，但这种统一的趋势是毋庸置疑的，这也是我们在物理学研究历史上一个至关重要的问题。

著名的物理学李斯莫林曾写过一本名为《物理学的困惑》的书籍，在一定程度上反映出了物理学现在发展的一些问题。或许可以这样说，现在前沿物理的发展已经进入了一段瓶颈期，无论是从基础理论上说还是应用物理上说。在我看来，主要原因主要有两个，一是在基础理论方面，难以取得突破性的进展，或者说某些最前沿基础理论已经超出人类目前认知范围，就像在《赡养上帝》这篇小说中提到的，“上帝”为人类带来了足够理论基础，但人类根本无法理解，最终还是等于零。再者说，有些理论的提出没有实验的验证，应用也就无从谈起;而物理的发展离不开数学，随着物理的深入，所需的数学理论知识也越来越复杂，在某些问题上，比如表达式的表示，或者结果的推导，有时也会出现计算量大，甚至无解的情况，这也是一大问题所在;因此，我们可能面临着一个非常嚴峻的问题。

人类在研究物理学的道路上，还任重道远，还有太多太多需要我们去探索，这个探索也必将永不停止，因此，物理永远都不会过时。