初识物理

刁楚楚

物理一词，在文目中原意为 “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。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，甚至無解的情况，这也 是一大问题所在;因此，我们可能面临 着一个非常严峻的问题。 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。