物理，不只是定理和公式

李登仟

大家都知道，美國(guó)的三位物理學(xué)家因在引力波探測(cè)方面的突出貢獻(xiàn)，獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其實(shí)，不管是如此“高大上”的引力波還是蕩漾在湖水中的水波紋，它們都蘊(yùn)含著各自美妙的物理學(xué)知識(shí)。然而，近日有媒體報(bào)道，在實(shí)行新高考改革的上海，選擇物理科目的考生僅占總數(shù)的30%；浙江的近30萬(wàn)考生中，選考物理的也只有8萬(wàn)人。物理學(xué)科被考生“嫌棄”，這與曾經(jīng)流行的“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的口號(hào)形成鮮明對(duì)比。愛因斯坦表示不服，牛頓表示不服，就讓這篇文章帶領(lǐng)各位同學(xué)，再去物理學(xué)的世界暢游一番，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，物理絕不只是定理和公式！

經(jīng)典物理學(xué)：衣食住行先解決

一般而言，我們把19世紀(jì)末以前的物理學(xué)都稱為經(jīng)典物理學(xué)，它主要是由伽利略、牛頓、麥克斯韋和玻爾茲曼等人建立起來(lái)的；而相對(duì)論又可以分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，這絕大部分都是愛因斯坦建立起來(lái)的；至于量子力學(xué)，它主要是由普朗克、海森堡、薛定諤和泡利等人所創(chuàng)建的。

經(jīng)典力學(xué)主要由伽利略和牛頓打頭陣，其中最著名的便是“牛頓三定律”了。如今，我們生活環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的物體都無(wú)時(shí)無(wú)刻不在遵循著牛頓三定律。打個(gè)比方來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們用手拋出籃球時(shí)，在不考慮空氣阻力的情況下，我們可以根據(jù)牛頓力學(xué)精確地算出你是否能投中籃筐。

光學(xué)主要是由惠更斯和牛頓發(fā)展起來(lái)的，不過他們兩個(gè)是“冤家”，因?yàn)榛莞怪鲝埞饩哂胁▌?dòng)性，而牛頓則認(rèn)為光具有粒子性。從光的反射和折射現(xiàn)象的確能讓光具有粒子性的學(xué)說(shuō)站住腳，但是光的衍射、干涉等現(xiàn)象卻說(shuō)明了光的波動(dòng)性。盡管他們的觀點(diǎn)最終都被德布羅意的“波粒二象性”所終結(jié)（有興趣的讀者可以進(jìn)一步研究學(xué)習(xí)），但是由牛頓和惠更斯發(fā)展的幾何光學(xué)卻影響著物理學(xué)的進(jìn)程。

伽利略通過一塊凹透鏡和一塊凸透鏡制成折射式望遠(yuǎn)鏡，從而將人類的視線引向了宇宙；牛頓通過三棱鏡，將自然光分解成了五顏六色的光，三原色的面紗逐漸被揭開。而列文虎克則通過對(duì)一塊鏡子不斷研磨，制成了放大鏡，打開了微觀世界的大門。

提及天文學(xué)，首先應(yīng)該提及牛頓和開普勒，開普勒的三定律加上牛頓的萬(wàn)有引力定律讓人們知道了為何月球?qū)Φ厍虿浑x不棄，為何地球上有春夏秋冬。

每當(dāng)有飛機(jī)從天上飛過時(shí)，我們應(yīng)該慶幸于流體力學(xué)真的起作用了。直升機(jī)可以依靠著牛頓第三定律——力的作用是相互的，通過螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)向下推動(dòng)氣流獲得反作用力而飛行，但是具有固定翼的民航客機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)卻是依靠著伯努利原理——流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大，來(lái)獲得向上的升力，進(jìn)而展翅翱翔在天際。當(dāng)然流體力學(xué)的應(yīng)用不止于此，還有小到液體的各種計(jì)量?jī)x器，大到海洋環(huán)流的監(jiān)控預(yù)測(cè)。

民以食為天。每當(dāng)吃到熱騰騰的飯菜時(shí)，我們卻未曾想過，飯菜通過燃?xì)饧訜岬奈锢頇C(jī)制。當(dāng)燃?xì)恻c(diǎn)燃時(shí)，火焰中大量高速運(yùn)動(dòng)的分子便開始猛烈地撞擊鍋具底部，組成鍋具的分子受火焰分子的撞擊也開始躁動(dòng)起來(lái)，鍋具內(nèi)部表面開始發(fā)燙（其實(shí)是鍋具的分子狂亂地運(yùn)動(dòng)）。這時(shí)，組成飯菜的分子受鍋具內(nèi)表面的分子撞擊也開始活躍起來(lái)，不久，飯菜便由冷變熱了。液態(tài)的水經(jīng)過高溫可以對(duì)大米不斷“轟擊”，讓飯菜軟化，多余的水則逃逸了。所以，熱力學(xué)影響著我們的溫飽啊！

最后，粉墨登場(chǎng)的便是電磁學(xué)啦！說(shuō)起電磁學(xué)，我們不應(yīng)該忘記法拉第和麥克斯韋。前者從實(shí)驗(yàn)上證明了電磁可以相互轉(zhuǎn)換，后者從理論上做出了完美的解釋并預(yù)言電磁波的存在。當(dāng)麥克斯韋預(yù)言了電磁波存在后，赫茲便在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)了它的存在，而貝爾則將電磁波運(yùn)用到了電話通信上了。

乍一看，有了經(jīng)典物理學(xué)，我們的衣食住行已經(jīng)完全可以得到保證了，但是似乎好像天上的衛(wèi)星、地上的手機(jī)電腦等并未提及。別急，相對(duì)論和量子力學(xué)來(lái)了。

相對(duì)論：來(lái)，重新認(rèn)識(shí)一下時(shí)間和空間

當(dāng)人們談?wù)摰较鄬?duì)論的時(shí)候，最先想到的應(yīng)該是愛因斯坦。的確，不管是狹義相對(duì)論還是廣義相對(duì)論，都是由愛因斯坦一手創(chuàng)建的。

狹義相對(duì)論適用于高速運(yùn)動(dòng)的情況，尤其是微觀粒子的高速運(yùn)動(dòng)，這里的高速是指粒子的運(yùn)動(dòng)速度能夠接近光速。當(dāng)粒子的速度接近光速的時(shí)候，相對(duì)論效應(yīng)便會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

提及廣義相對(duì)論，人們的目光應(yīng)該會(huì)轉(zhuǎn)向近年來(lái)LIGO所探測(cè)到的引力波。為什么引力波一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就在全世界范圍內(nèi)引起軒然大波呢？因?yàn)橐Σㄗ鳛閺V義相對(duì)論的最后一塊尚未被證實(shí)的拼圖，引力波的探測(cè)能夠讓我們從以往只能依靠天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢酝ㄟ^引力波來(lái)探測(cè)宇宙中星體的分布。更重要的是，黑洞這個(gè)只吸收光卻不輻射光的物體無(wú)法通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到，卻可以通過引力波來(lái)探測(cè)到。

廣義相對(duì)論可作為描述物質(zhì)間引力致使時(shí)空彎曲的一種理論，雖然牛頓的萬(wàn)有引力定律在不太精確的程度上仍然適用，但是用廣義相對(duì)論來(lái)描述引力更加精確而已。

量子力學(xué)：是時(shí)候重新思考你的人生了

最后出場(chǎng)的應(yīng)該是改變?nèi)祟愇幕M(jìn)程的重量級(jí)嘉賓了——量子力學(xué)。對(duì)于物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們之間常常流傳著這樣一句話：不自量力的含義是什么？不要自學(xué)量子力學(xué)！費(fèi)曼也曾說(shuō)過，“如果有人對(duì)量子力學(xué)不感到困惑，那么他一定沒有懂量子力學(xué)”。就連愛因斯坦也曾因?qū)α孔恿W(xué)的概率性感到迷惑不解而認(rèn)為“上帝不會(huì)擲骰子”。量子力學(xué)理論卻認(rèn)為粒子過去的行為會(huì)基于我們所看到的而發(fā)生改變，也就是說(shuō)，宇宙每時(shí)每刻都在發(fā)生變化。

不過，就這么讓人捉摸不透的量子力學(xué)，造就了諸如半導(dǎo)體、石墨烯、超導(dǎo)體等材料。我們今天使用的手機(jī)、電腦、量子衛(wèi)星、粒子加速器等都是量子力學(xué)的現(xiàn)代化產(chǎn)物。

只要是電子產(chǎn)品，都會(huì)涉及到量子力學(xué)的產(chǎn)物——半導(dǎo)體。不管是手機(jī)還是電腦上的主板，都會(huì)有集成電路，而半導(dǎo)體滲入到集成電路的每一個(gè)角落。半導(dǎo)體不僅僅可以導(dǎo)電，它還可以發(fā)電，屋頂上的太陽(yáng)能面板就是依靠著半導(dǎo)體硅吸收太陽(yáng)光而發(fā)電的。

毫無(wú)疑問，半導(dǎo)體是凝聚態(tài)最具有代表性的產(chǎn)物，但是凝聚態(tài)遠(yuǎn)不止于此。半導(dǎo)體滲入到我們的生活中，我們才能如此接近量子力學(xué)的產(chǎn)物，而作為粒子物理學(xué)最具代表性的產(chǎn)物——大型粒子加速器和對(duì)撞機(jī)來(lái)說(shuō)，離我們就遙不可及了。

對(duì)物理學(xué)的范疇有了一定了解后，我們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)似乎更加明朗了。別急著高興，現(xiàn)如今仍有烏云籠罩在我們的周圍。盡管引力波能夠探測(cè)到黑洞的質(zhì)量和黑洞的所在位置，但是我們?nèi)匀徊磺宄诙吹膬?nèi)部結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的理論也無(wú)能無(wú)力，而物理學(xué)家們也在試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論相結(jié)合，但是仍毫無(wú)進(jìn)展。此外，也許你并不知道這樣一個(gè)事實(shí)：在宇宙中，我們所不能看到的暗物質(zhì)和暗能量占據(jù)著宇宙的95%，這意味著我們對(duì)整個(gè)宇宙的認(rèn)識(shí)可能5%都還不到呢！這還不夠激起你學(xué)習(xí)物理的興趣？這可關(guān)系到你的人生和你的子孫后代呀！endprint