2019年費(fèi)曼物理學(xué)講義中文版

篇一：費(fèi)曼講物理中文版費(fèi)曼物理學(xué)講義（連載）作者：理查德?費(fèi)曼第一卷?第一章原子的運(yùn)動(dòng)第一卷?第二章基本物理第一卷?第三章物理學(xué)與其它科學(xué)的關(guān)系第一卷?第四章能量守恒第一卷?第五章時(shí)間與距離第一卷第一章原子的運(yùn)動(dòng)理查德?費(fèi)曼1-1引言這是一門兩學(xué)年的物理課，我們開設(shè)這門課程是著眼于你們，讀者們，將成為物理學(xué)工作者。當(dāng)然情況并非一定如此，但是每門學(xué)科的教授都是這樣設(shè)想的！假如你打算成為一個(gè)物理學(xué)工作者，就要學(xué)習(xí)很多東西，這是一個(gè)200年以來空前蓬勃發(fā)展的知識(shí)領(lǐng)域。事實(shí)上你會(huì)想到，這么多的知識(shí)是不可能在四年內(nèi)學(xué)完的，確實(shí)不可能。你們還得到研究院去繼續(xù)學(xué)習(xí)。相當(dāng)出人意外的是，盡管在這么長(zhǎng)時(shí)間中做了極其大量的工作，但卻有可能把這一大堆成果大大地加以濃縮。這就是說，找到一些概括我們所有知識(shí)的定律。不過，即使如此，掌握這些定律也是頗為困難的。因此，在你對(duì)科學(xué)的這部分與那部分題材之間的關(guān)系還沒有一個(gè)大致的了解之前就讓你去鉆研這個(gè)龐大的課題的話，就不公平了。根據(jù)這種看法，前三章將略述物理學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系，各門學(xué)科之間的相互聯(lián)系以及科學(xué)的含義，這有助于你們對(duì)本學(xué)科產(chǎn)生一種切身的感受。你們可能會(huì)問，在講授歐幾里德幾何時(shí)先是陳述公理，然后作出各種各樣的推論，那為什么在講授物理學(xué)時(shí)不能先直截了當(dāng)?shù)亓谐龌径?，然后再就一切可能的情況說明定律的應(yīng)用呢？（這樣一來，如果你不滿足于要花四年時(shí)間來學(xué)習(xí)物理，那你是否打算在4分鐘內(nèi)學(xué)完它？）我們不能這樣做是由于兩個(gè)理由。第一，我們還不知道所有的基本定律：領(lǐng)域的邊界在不斷地?cái)U(kuò)展。第二，正確地?cái)⑹鑫锢矶梢婕暗揭恍┓浅Ｄ吧母拍睿鴶⑹鲞@些概念又要用到高等數(shù)學(xué)因此，即使為了知道詞的含義，也需要大量的預(yù)備性的訓(xùn)練。的確，那樣做是行不通的，我們只能一步一步地來。大自然整體的每一部分始終只不過是對(duì)于整個(gè)真理——或者說，對(duì)于我們至今所了解的整個(gè)真理——的逼近。實(shí)際上，人們知道的每件事都只是某種近似，因?yàn)槲覀兌?，到目前為止，我們確實(shí)還不知道所有的定律。因此，我們之所以需要學(xué)習(xí)一些東西，正是為了要拋棄以前的謬見，或者更可能的是為了改正以前的謬見。科學(xué)的原則——或者簡(jiǎn)直可稱為科學(xué)的定義為：實(shí)驗(yàn)是一切知識(shí)的試金石。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)“真理”的唯一鑒定者。但是什么是知識(shí)的源泉呢？那些要檢驗(yàn)的定律又是從何而來的呢？從某種意義上說，實(shí)驗(yàn)為我們提供了種種線索，因此可以說是實(shí)驗(yàn)本身促成了這些定律的產(chǎn)生。但是，要從這些線索中作出重大的判斷，還需要有豐富的想象力去對(duì)蘊(yùn)藏在所有這些線索后面的令人驚訝、簡(jiǎn)單、而又非常奇特的圖象進(jìn)行猜測(cè)，然后，再用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的猜測(cè)究竟對(duì)不對(duì)。這個(gè)想象過程是很艱難的，因此在物理學(xué)中有所分工，理論物理學(xué)家進(jìn)行想象、推演和猜測(cè)新的定律，但并不做實(shí)驗(yàn)；而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、想象、推演和猜測(cè)。我們說過，自然的定律是近似的：起先我們找到的是“錯(cuò)”的定律，然后才發(fā)現(xiàn)“對(duì)”的定律。那么一個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么可能是“錯(cuò)誤”的呢？首先通常是：儀器上有些毛病，而你又沒有注意，但是這種問題是容易確定的，你可以反復(fù)檢查。如果不去糾纏在這種次要的問題上，那么實(shí)驗(yàn)的結(jié)果怎么可能是錯(cuò)誤的呢？這只可能是由于不夠精確罷了。例如，一個(gè)物體的質(zhì)量似乎是從來不變的：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺與靜止的陀螺一樣重。結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了一條“定律”：質(zhì)量是個(gè)常數(shù)，與速率無關(guān)。然而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這條“定律”卻是不正確的。質(zhì)量實(shí)際上隨著速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才會(huì)顯著增加。正確的定律是：如果一個(gè)物體的速率小于100海里/秒，那么它的質(zhì)量的變化不超過百萬分之一。在這種近似形式下，這就是一條正確的定律。因此，人們可能認(rèn)為新的定律實(shí)際上并沒有什么有意義的差別。當(dāng)然，這可以說對(duì)，也可以說不對(duì)。對(duì)于一般的速率我們當(dāng)然可以忘掉它，而用簡(jiǎn)單的質(zhì)量守恒定律作為一種很好的近似。但是對(duì)于高速情況這就不正確了：速率越高，就越不正確。最后，最有趣的是，就哲學(xué)上而言，使用近似的定律是完全錯(cuò)誤的?？v然質(zhì)量的變化只是一點(diǎn)點(diǎn)，我們的整個(gè)世界圖景也得改變。這是有關(guān)在定律后面的哲學(xué)或基本觀念的一件十分特殊的事，即使是極小的效應(yīng)有時(shí)在我們的觀念上也要引起深刻的變化。那么，我們應(yīng)該首先教什么呢？是否應(yīng)先教那些正確的、陌生的定律以及有關(guān)的奇特而困難的觀念，例如相對(duì)論、四維時(shí)空等等之類？還是應(yīng)先教簡(jiǎn)單的“質(zhì)量守恒”（掃校者注：譯本原文如此，有網(wǎng)友提出，這里的"constant-mass”被譯成“質(zhì)量守恒”是有問題的。從上下文來看，上文提到的需要相對(duì)論修正的老定律是“質(zhì)量不隨速率改變”，而不是一般意義上的質(zhì)量守恒。在后面，提到類似的能量守恒定律的時(shí)候，作者用的是conservationofenergy）定律，即那條雖然只是近似的，但并不包含那種困難的觀念的定律？前一條定律比較引人入勝，比較奇特和比較有趣，但是后一條定律在開始時(shí)比較容易掌握，它是真正理解前一種觀念的第一步。這個(gè)問題在物理教學(xué)中會(huì)一再出現(xiàn)，在不同的時(shí)候，我們將要用不同的方式去解決它。但是在每個(gè)階段都值得去弄明白：我們現(xiàn)在所知道的是什么，它的正確性如何，它怎樣適應(yīng)其他各種事情，以及當(dāng)我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)后它會(huì)有怎樣的變化。讓我們按照我們所理解的當(dāng)代科學(xué)（特別是物理學(xué)，但是也包括周圍有關(guān)的其他科學(xué)）的輪廓繼續(xù)講下去，這樣，當(dāng)我們以后專門注意某些特殊問題時(shí)，就會(huì)對(duì)于背景情況有所了解——為什么這些特殊問題是有趣的，它們又是怎樣適應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的。那么，我們世界的總體圖象是怎樣的呢？1-2物質(zhì)是原子構(gòu)成的假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都丟失了，只有一句話傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來表達(dá)最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設(shè)（或者說原子的事實(shí)，無論你愿意怎樣稱呼都行）所有的物體都是用原子構(gòu)成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)彼此略微離開時(shí)相互吸引，當(dāng)彼此過于擠緊時(shí)又互相排斥。只要稍微想一下，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這一句話中包含了大量的有關(guān)世界的信息。圖1-1放大10億倍的水為了說明原子觀念的重要作用，假設(shè)有一滴直徑為1/4英寸的水滴，即使我們非常貼近地觀察，也只能見到光滑的、連續(xù)的水，而沒有任何其他東西。并且即使我們用最好的光學(xué)顯微鏡（大致可放大2000倍）把這滴水放大到40英尺左右（相當(dāng)于一個(gè)大房間那樣大），然后再靠得相當(dāng)近地去觀察，我們所看到的仍然是比較光滑的水，不過到處有一些足球狀的東西在來回游動(dòng)，非常有趣。這些東西是草履蟲。你們可能就到此為止，對(duì)草履蟲以及它的擺動(dòng)的纖毛和卷曲的身體感到十分好奇。也許除了把草履蟲放得更大一些看看它的內(nèi)部外，就不再進(jìn)一步觀察了。當(dāng)然這是生物學(xué)的課題，但是現(xiàn)在我們繼續(xù)觀察下去，再把水放大2000倍更接近地觀察水這種物質(zhì)本身。這時(shí)水滴己放大到有15英里那樣大了，如果你再十分貼近地觀察，你將看到水中充滿了某種不再具有光滑外表的東西，而是有些象從遠(yuǎn)處看過去擠在足球場(chǎng)上的人群。為了能看出擠滿的究竟是些什么東西，我們?cè)侔阉糯?50倍后就會(huì)看到某種類似于圖1-1所示的情形。這是放大了10億倍的水的圖象，但是在以下這幾方面是理想化了的。首先，各種粒子用簡(jiǎn)單的方式畫成有明顯的邊緣，這是不精確的。其次，為了簡(jiǎn)便起見，把它們都畫成二級(jí)的排列，實(shí)際上它們當(dāng)然是在三維空間中運(yùn)動(dòng)的。注意在圖中有兩類“斑點(diǎn)”或圓，它們各表示氧原子（黑色）和氫原子（白色），而每個(gè)氧原子有兩個(gè)氫原子和它聯(lián)結(jié)在一起（一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子組成的一個(gè)小組稱為一個(gè)分子）。圖像中還有一個(gè)被理想化的地方是自然界中的真實(shí)粒子總是在不停地跳動(dòng)，彼此繞來繞去地轉(zhuǎn)著，因而你必須把這幅畫面想象成能動(dòng)的而不是靜止的。另一件不能在圖上說明的事實(shí)是粒子為“粘在一起”的，它們彼此吸引著，這個(gè)被那個(gè)拉住等等，可以說，整個(gè)一群“膠合在一起”。另一方面，這些粒子也不是擠到一塊兒，如果你把兩個(gè)粒子擠得很緊，它們就互相推斥。原子的半徑約為1~2X10-8厘米，10-8厘米現(xiàn)在稱為1?（這只是另一個(gè)名稱），所以我們說原子的半徑為1?2?。另一個(gè)記住原子大小的方法是這樣的：如果把蘋果放大到地球那樣大，那么蘋果中的原子就差不多有原來的蘋果那樣大。圖1-2水蒸氣現(xiàn)在，想象這個(gè)大水滴是由所有這些跳動(dòng)的粒子一個(gè)挨一個(gè)地“粘合”起來的。水能保持一定的體積而并不散開，因?yàn)樗姆肿颖舜宋?。如果水滴在一個(gè)斜面上，它能從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。水會(huì)流動(dòng)，但是并不會(huì)消失——它們并沒有飛逝，因?yàn)榉肿又g有吸引力。這種跳動(dòng)就是我們所說的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度升高時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)就增強(qiáng)了。如果我們加熱水滴，跳動(dòng)就增加，原子之間的空隙也增大。如果繼續(xù)加熱到分子間的引力不足以將彼此拉住，它們就分開來飛散了當(dāng)然，這正是我們從水制取水蒸氣的方法——提高溫度。粒子由于運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)而飛散。圖1-2是一幅水蒸氣的圖象。這張水蒸氣圖象有一個(gè)不足之處：在通常的氣壓下在整個(gè)房間里只有少數(shù)幾個(gè)分子。決不可能在這樣一張圖象中有三個(gè)以上的分子。在大多數(shù)情況下，這樣大小的方塊中可能連一個(gè)都不會(huì)有——不過碰巧在這張圖中有兩個(gè)半或三個(gè)分子（只有這樣圖象才不會(huì)是完全空白的）?，F(xiàn)在，比起水來，在水蒸氣的情況下，我們可以更清楚地看到水所特有的分子。為了簡(jiǎn)單起見，將分子畫成具有120°的夾角，實(shí)際上，這個(gè)角是105°3'，氫原子中心與氧原子中心之間的距離是0.957?，這樣看來，我們對(duì)這個(gè)分子了解得很清楚了。圖1-3讓我們來看一下水蒸氣或任何其他氣體具有一些什么性質(zhì)。這些氣體分子是彼此分離的，它們打在墻上時(shí)，會(huì)反彈回來。設(shè)想在一個(gè)房間里有一些網(wǎng)球（100個(gè)左右）不斷地來回跳動(dòng)，當(dāng)它們打到墻上后，就將墻推離原位（當(dāng)然我們必須將墻推回去）。這意味著氣體施加一個(gè)“顫動(dòng)”的力，而我們的粗糙的感官（并沒有被我們自己放大十億倍）只感到一個(gè)平均的推力。為了把氣體限制在一定的范圍之內(nèi)，我們必須施加一個(gè)壓力。圖1-3是一個(gè)盛氣體的標(biāo)準(zhǔn)容器（所有教科書中都有這種圖），一個(gè)配有活塞的汽缸。由于不論水分子的形狀如何，情況都是一樣，因此為簡(jiǎn)單起見我們把它們畫成網(wǎng)球形狀或者小黑點(diǎn)。這些東西沿著所有的方向不停地運(yùn)功著。由于有這么多的氣體分子一直在撞擊頂端的活塞，因此要使活塞不被這種不斷的碰撞逐漸頂出來，必須施加一定的力把活塞壓下去，這個(gè)力稱為壓力（實(shí)際上，是壓強(qiáng)乘以面積）。很清楚，這個(gè)力正比于面積，因?yàn)槿绻覀冊(cè)龃竺娣e而保持每立方厘米內(nèi)的分子數(shù)不變的話，那么分子與活塞碰撞次數(shù)增加的比例與面積增加的比例是相同的。現(xiàn)在，讓我們?cè)谶@個(gè)容器內(nèi)放入兩倍的分子，以使密度增加一倍同時(shí)讓它們篇二：《費(fèi)曼物理學(xué)講義》筆記加州理工學(xué)院費(fèi)曼物理學(xué)講義加州理工學(xué)院(CalifornialnstituteofTechnology,縮寫為Caltech)"Physicsistomathwhatsexistomasturbation."(“物理之于數(shù)學(xué)好比性愛之于手淫?！?"Physicsislikesex:sure,itmaygivesomepracticalresults,butthat'snotwhywedoit."“物理跟性愛有相似之處：是的，它可能會(huì)產(chǎn)生某些實(shí)在的結(jié)果，但這并不是我們做它的初衷。”)理查?費(fèi)曼與“草包族科學(xué)”理查?費(fèi)曼曾經(jīng)在1974年，于加州理工學(xué)院的一場(chǎng)畢業(yè)典禮演說中敘述“草包族科學(xué)”(Cargocultscience)時(shí)提到：從過往的經(jīng)驗(yàn)，我們學(xué)到了如何應(yīng)付一些自我欺騙的情況。舉個(gè)例子，密立根做了個(gè)油滴實(shí)驗(yàn)，量出了電子的帶電量，得到一個(gè)今天我們知道是不大對(duì)的答案。他的資料有點(diǎn)偏差，因?yàn)樗昧藗€(gè)不準(zhǔn)確的空氣粘滯系數(shù)數(shù)值。于是，如果你把在密立根之后、進(jìn)行測(cè)量電子帶電量所得到的資料整理一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很有趣的現(xiàn)象：把這些資料跟時(shí)間畫成坐標(biāo)圖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)人得到的數(shù)值比密立根的數(shù)值大一點(diǎn)點(diǎn)，下一個(gè)人得到的資料又再大一點(diǎn)點(diǎn)，下一個(gè)又再大上一點(diǎn)點(diǎn)，最后，到了一個(gè)更大的數(shù)值才穩(wěn)定下來。為什么他們沒有在一開始就發(fā)現(xiàn)新數(shù)值應(yīng)該較高？——這件事令許多相關(guān)的科學(xué)家慚愧臉紅——因?yàn)轱@然很多人的做事方式是：當(dāng)他們獲得一個(gè)比密立根數(shù)值更高的結(jié)果時(shí)，他們以為一定哪里出了錯(cuò)，他們會(huì)拼命尋找，并且找到了實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)誤的原因。另一方面，當(dāng)他們獲得的結(jié)果跟密立根的相仿時(shí)，便不會(huì)那么用心去檢討。因此，他們排除了所謂相差太大的資料，不予考慮。我們現(xiàn)在已經(jīng)很清楚那些伎倆了，因此再也不會(huì)犯同樣的毛病。目錄第1章原子的運(yùn)動(dòng) 51-1引言 51-2物質(zhì)是原子構(gòu)成的 51-3原子過程 51-3化學(xué)反應(yīng) 6第2章基本物理 62-1引言 62-21920年以前的物理學(xué) 6錄 7理查德?費(fèi)曼 7目錄 9［編輯］生平簡(jiǎn)介 9［編輯］費(fèi)曼的著作 ［編輯］傳記 12［編輯］參考資料 12［編輯］外部鏈接 12第1章原子的運(yùn)動(dòng)1-1引言問：為什么不能直截了當(dāng)?shù)牧谐龌径?，然后再就一切可能的情況說明定律的應(yīng)用呢？答：第一，我們還不知道所有的基本定律：領(lǐng)域的邊界在不斷地?cái)U(kuò)展；第二，正確地?cái)⑹鑫锢矶梢婕暗揭恍┓浅Ｄ吧母拍?，而敘述這些概念有要用到高等數(shù)學(xué)。因此即使為了知道詞的含義，也需要大量的預(yù)備性的訓(xùn)練。大自然整體的每一部分始終只不過是對(duì)于整個(gè)真理——或者說，對(duì)于我們至今所了解的整個(gè)真理——的逼近。實(shí)際上，人們知道的每件事都只是某種近似，因?yàn)槲覀兌?，到目前為止，我們確實(shí)還不知道所有的定律，因此，我們之所以需要學(xué)習(xí)一些東西，正是為了要拋棄以前的謬見，或者更可能的是為了改正以前的謬見?？茖W(xué)的原則——或者簡(jiǎn)直可以成為科學(xué)的定義為：實(shí)驗(yàn)是一切知識(shí)的試金石。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)“真理”的唯一鑒定者。如果一個(gè)物體的速率小于100海里/秒，那么它的質(zhì)量的變化不超過百萬分之一。在這種近似情形下，“質(zhì)量是個(gè)常數(shù)，與速率無關(guān)?！本褪且粭l正確的定律。就哲學(xué)上而言，使用近似的定律是完全錯(cuò)誤的?？v然質(zhì)量的變化只是一點(diǎn)點(diǎn)，我們的整個(gè)世界圖景也得改變。在每個(gè)階段都值得去弄明白：我們現(xiàn)在所知道的是什么，它的正確性如何，它怎樣適應(yīng)其他各種事情，以及當(dāng)我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)后它會(huì)有怎樣的變化。1-2物質(zhì)是原子構(gòu)成的所有的物體都是用原子構(gòu)成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)彼此略微離開時(shí)相互吸引，當(dāng)彼此過于擠緊時(shí)又相互排斥。原子的半徑約為1~2X10?8厘米，10?8厘米現(xiàn)在稱為1?如果把蘋果放大到地球那么大，那么蘋果中的原子就差不多有原來的蘋果那么大。1-3原子過程篇三：費(fèi)曼物理學(xué)講義第一卷1-5章第一卷第一章原子的運(yùn)動(dòng)理查德?費(fèi)曼1-1引言這是一門兩學(xué)年的物理課，我們開設(shè)這門課程是著眼于你們，讀者們，將成為物理學(xué)工作者。當(dāng)然情況并非一定如此，但是每門學(xué)科的教授都是這樣設(shè)想的！假如你打算成為一個(gè)物理學(xué)工作者，就要學(xué)習(xí)很多東西，這是一個(gè)200年以來空前蓬勃發(fā)展的知識(shí)領(lǐng)域。事實(shí)上你會(huì)想到，這么多的知識(shí)是不可能在四年內(nèi)學(xué)完的，確實(shí)不可能。你們還得到研究院去繼續(xù)學(xué)習(xí)。相當(dāng)出人意外的是，盡管在這么長(zhǎng)時(shí)間中做了極其大量的工作，但卻有可能把這一大堆成果大大地加以濃縮。這就是說，找到一些概括我們所有知識(shí)的定律。不過，即使如此，掌握這些定律也是頗為困難的。因此，在你對(duì)科學(xué)的這部分與那部分題材之間的關(guān)系還沒有一個(gè)大致的了解之前就讓你去鉆研這個(gè)龐大的課題的話，就不公平了。根據(jù)這種看法，前三章將略述物理學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系，各門學(xué)科之間的相互聯(lián)系以及科學(xué)的含義，這有助于你們對(duì)本學(xué)科產(chǎn)生一種切身的感受。你們可能會(huì)問，在講授歐幾里德幾何時(shí)先是陳述公理，然后作出各種各樣的推論，那為什么在講授物理學(xué)時(shí)不能先直截了當(dāng)?shù)亓谐龌径?，然后再就一切可能的情況說明定律的應(yīng)用呢？（這樣一來，如果你不滿足于要花四年時(shí)間來學(xué)習(xí)物理，那你是否打算在4分鐘內(nèi)學(xué)完它？）我們不能這樣做是由于兩個(gè)理由。第一，我們還不知道所有的基本定律：領(lǐng)域的邊界在不斷地?cái)U(kuò)展。第二，正確地?cái)⑹鑫锢矶梢婕暗揭恍┓浅Ｄ吧母拍睿鴶⑹鲞@些概念又要用到高等數(shù)學(xué)因此，即使為了知道詞的含義，也需要大量的預(yù)備性的訓(xùn)練。的確，那樣做是行不通的，我們只能一步一步地來。大自然整體的每一部分始終只不過是對(duì)于整個(gè)真理——或者說，對(duì)于我們至今所了解的整個(gè)真理——的逼近。實(shí)際上，人們知道的每件事都只是某種近似，因?yàn)槲覀兌?，到目前為止，我們確實(shí)還不知道所有的定律。因此，我們之所以需要學(xué)習(xí)一些東西，正是為了要拋棄以前的謬見，或者更可能的是為了改正以前的謬見?？茖W(xué)的原則——或者簡(jiǎn)直可稱為科學(xué)的定義為：實(shí)驗(yàn)是一切知識(shí)的試金石。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)“真理”的唯一鑒定者。但是什么是知識(shí)的源泉呢？那些要檢驗(yàn)的定律又是從何而來的呢？從某種意義上說，實(shí)驗(yàn)為我們提供了種種線索，因此可以說是實(shí)驗(yàn)本身促成了這些定律的產(chǎn)生。但是，要從這些線索中作出重大的判斷，還需要有豐富的想象力去對(duì)蘊(yùn)藏在所有這些線索后面的令人驚訝、簡(jiǎn)單、而又非常奇特的圖象進(jìn)行猜測(cè)，然后，再用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我們的猜測(cè)究竟對(duì)不對(duì)。這個(gè)想象過程是很艱難的，因此在物理學(xué)中有所分工，理論物理學(xué)家進(jìn)行想象、推演和猜測(cè)新的定律，但并不做實(shí)驗(yàn)；而實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、想象、推演和猜測(cè)。我們說過，自然的定律是近似的：起先我們找到的是“錯(cuò)”的定律，然后才發(fā)現(xiàn)“對(duì)”的定律。那么一個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么可能是“錯(cuò)誤”的呢？首先通常是：儀器上有些毛病，而你又沒有注意，但是這種問題是容易確定的，你可以反復(fù)檢查。如果不去糾纏在這種次要的問題上，那么實(shí)驗(yàn)的結(jié)果怎么可能是錯(cuò)誤的呢？這只可能是由于不夠精確罷了。例如，一個(gè)物體的質(zhì)量似乎是從來不變的：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺與靜止的陀螺一樣重。結(jié)果就發(fā)現(xiàn)了一條“定律”：質(zhì)量是個(gè)常數(shù)，與速率無關(guān)。然而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)這條“定律”卻是不正確的。質(zhì)量實(shí)際上隨著速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才會(huì)顯著增加。正確的定律是：如果一個(gè)物體的速率小于100海里/秒，那么它的質(zhì)量的變化不超過百萬分之一。在這種近似形式下，這就是一條正確的定律。因此，人們可能認(rèn)為新的定律實(shí)際上并沒有什么有意義的差別。當(dāng)然，這可以說對(duì)，也可以說不對(duì)。對(duì)于一般的速率我們當(dāng)然可以忘掉它，而用簡(jiǎn)單的質(zhì)量守恒定律作為一種很好的近似。但是對(duì)于高速情況這就不正確了：速率越高，就越不正確。最后，最有趣的是，就哲學(xué)上而言，使用近似的定律是完全錯(cuò)誤的?？v然質(zhì)量的變化只是一點(diǎn)點(diǎn)，我們的整個(gè)世界圖景也得改變。這是有關(guān)在定律后面的哲學(xué)或基本觀念的一件十分特殊的事，即使是極小的效應(yīng)有時(shí)在我們的觀念上也要引起深刻的變化。那么，我們應(yīng)該首先教什么呢？是否應(yīng)先教那些正確的、陌生的定律以及有關(guān)的奇特而困難的觀念，例如相對(duì)論、四維時(shí)空等等之類？還是應(yīng)先教簡(jiǎn)單的“質(zhì)量守恒”（掃校者注：譯本原文如此，有網(wǎng)友提出，這里的"constant-mass”被譯成“質(zhì)量守恒”是有問題的。從上下文來看，上文提到的需要相對(duì)論修正的老定律是“質(zhì)量不隨速率改變”，而不是一般意義上的質(zhì)量守恒。在后面，提到類似的能量守恒定律的時(shí)候，作者用的是conservationofenergy）定律，即那條雖然只是近似的，但并不包含那種困難的觀念的定律？前一條定律比較引人入勝，比較奇特和比較有趣，但是后一條定律在開始時(shí)比較容易掌握，它是真正理解前一種觀念的第一步。這個(gè)問題在物理教學(xué)中會(huì)一再出現(xiàn)，在不同的時(shí)候，我們將要用不同的方式去解決它。但是在每個(gè)階段都值得去弄明白：我們現(xiàn)在所知道的是什么，它的正確性如何，它怎樣適應(yīng)其他各種事情，以及當(dāng)我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)后它會(huì)有怎樣的變化。讓我們按照我們所理解的當(dāng)代科學(xué)（特別是物理學(xué)，但是也包括周圍有關(guān)的其他科學(xué)）的輪廓繼續(xù)講下去，這樣，當(dāng)我們以后專門注意某些特殊問題時(shí)，就會(huì)對(duì)于背景情況有所了解——為什么這些特殊問題是有趣的，它們又是怎樣適應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的。那么，我們世界的總體圖象是怎樣的呢？1-2物質(zhì)是原子構(gòu)成的假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都丟失了，只有一句話傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來表達(dá)最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設(shè)（或者說原子的事實(shí)，無論你愿意怎樣稱呼都行）所有的物體都是用原子構(gòu)成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運(yùn)動(dòng)著。當(dāng)彼此略微離開時(shí)相互吸引，當(dāng)彼此過于擠緊時(shí)又互相排斥。只要稍微想一下，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這一句話中包含了大量的有關(guān)世界的信息。圖1-1放大10億倍的水為了說明原子觀念的重要作用，假設(shè)有一滴直徑為1/4英寸的水滴，即使我們非常貼近地觀察，也只能見到光滑的、連續(xù)的水，而沒有任何其他東西。并且即使我們用最好的光學(xué)顯微鏡（大致可放大2000倍）把這滴水放大到40英尺左右（相當(dāng)于一個(gè)大房間那樣大），然后再靠得相當(dāng)近地去觀察，我們所看到的仍然是比較光滑的水，不過到處有一些足球狀的東西在來回游動(dòng)，非常有趣。這些東西是草履蟲。你們可能就到此為止，對(duì)草履蟲以及它的擺動(dòng)的纖毛和卷曲的身體感到十分好奇。也許除了把草履蟲放得更大一些看看它的內(nèi)部外，就不再進(jìn)一步觀察了。當(dāng)然這是生物學(xué)的課題，但是現(xiàn)在我們繼續(xù)觀察下去，再把水放大2000倍更接近地觀察水這種物質(zhì)本身。這時(shí)水滴己放大到有15英里那樣大了，如果你再十分貼近地觀察，你將看到水中充滿了某種不再具有光滑外表的東西，而是有些象從遠(yuǎn)處看過去擠在足球場(chǎng)上的人群。為了能看出擠滿的究竟是些什么東西，我們?cè)侔阉糯?50倍后就會(huì)看到某種類似于圖1-1所示的情形。這是放大了10億倍的水的圖象，但是在以下這幾方面是理想化了的。首先，各種粒子用簡(jiǎn)單的方式畫成有明顯的邊緣，這是不精確的。其次，為了簡(jiǎn)便起見，把它們都畫成二級(jí)的排列，實(shí)際上它們當(dāng)然是在三維空間中運(yùn)動(dòng)的。注意在圖中有兩類“斑點(diǎn)”或圓，它們各表示氧原子（黑色）和氫原子（白色），而每個(gè)氧原子有兩個(gè)氫原子和它聯(lián)結(jié)在一起（一個(gè)氧原子與兩個(gè)氫原子組成的一個(gè)小組稱為一個(gè)分子）。圖像中還有一個(gè)被理想化的地方是自然界中的真實(shí)粒子總是在不停地跳動(dòng)，彼此繞來繞去地轉(zhuǎn)著，因而你必須把這幅畫面想象成能動(dòng)的而不是靜止的。另一件不能在圖上說明的事實(shí)是粒子為“粘在一起”的，它們彼此吸引著，這個(gè)被那個(gè)拉住等等，可以說，整個(gè)一群“膠合在一起”。另一方面，這些粒子也不是擠到一塊兒，如果你把兩個(gè)粒子擠得很緊，它們就互相推斥。原子的半徑約為1~2X10-8厘米，10-8厘米現(xiàn)在稱為1?（這只是另一個(gè)名稱），所以我們說原子的半徑為1?2?。另一個(gè)記住原子大小的方法是這樣的：如果把蘋果放大到地球那樣大，那么蘋果中的原子就差不多有原來的蘋果那樣大。圖1-2水蒸氣現(xiàn)在，想象這個(gè)大水滴是由所有這些跳動(dòng)的粒子一個(gè)挨一個(gè)地“粘合”起來的。水能保持一定的體積而并不散開，因?yàn)樗姆肿颖舜宋?。如果水滴在一個(gè)斜面上，它能從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。水會(huì)流動(dòng)，但是并不會(huì)消失——它們并沒有飛逝，因?yàn)榉肿又g有吸引力。這種跳動(dòng)就是我們所說的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)溫度升高時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)就增強(qiáng)了。如果我們加熱水滴，跳動(dòng)就增加，原子之間的空隙也增大。如果繼續(xù)加熱到分子間的引力不足以將彼此拉住，它們就分開來飛散了當(dāng)然，這正是我們從水制取水蒸氣的方法——提高溫度。粒子由于運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)而飛散。圖1-2是一幅水蒸氣的圖象。這張水蒸氣圖象有一個(gè)不足之處：在通常的氣壓下在整個(gè)房間里只有少數(shù)幾個(gè)分子。決不可能在這樣一張圖象中有三個(gè)以上的分子。在大多數(shù)情況下，這樣大小的方塊中可能連一個(gè)都不會(huì)有——不過碰巧在這張圖中有兩個(gè)半或三個(gè)分子（只有這樣圖象才不會(huì)是完全空白的）?，F(xiàn)在，比起水來，在水蒸氣的情況下，我們可以更清楚地看到水所特有的分子。為了簡(jiǎn)單起見，將分子畫成具有120°的夾角，實(shí)際上，這個(gè)角是105°3'，氫原子中心與氧原子中心之間的距離是0.957?，這樣看來，我們對(duì)這個(gè)分子了解得很清楚了。圖1-3讓我們來看一下水蒸氣或任何其他氣體具有一些什么性質(zhì)。這些氣體分子是彼此分離的，它們打在墻上時(shí)，會(huì)反彈回來。設(shè)想在一個(gè)房間里有一些網(wǎng)球（100個(gè)左右）不斷地來回跳動(dòng)，當(dāng)它們打到墻上后，就將墻推離原位（當(dāng)然我們必須將墻推回去）。這意味著氣體施加一個(gè)“顫動(dòng)”的力，而我們的粗糙的感官（并沒有被我們自己放大十億倍）只感到一個(gè)平均的推力。為了把氣體限制在一定的范圍之內(nèi)，我們必須施加一個(gè)壓力。圖1-3是一個(gè)盛氣體的標(biāo)準(zhǔn)容器（所有教科書中都有這種圖），一個(gè)配有活塞的汽缸。由于不論水分子的形狀如何，情況都是一樣，因此為簡(jiǎn)單起見我們把它們畫成網(wǎng)球形狀或者小黑點(diǎn)。這些東西沿著所有的方向不停地運(yùn)功著。由于有這么多的氣體分子一直在撞擊頂端的活塞，因此要使活塞不被這種不斷的碰撞逐漸頂出來，必須施加一定的力把活塞壓下去，這個(gè)力稱為壓力（實(shí)際上，是壓強(qiáng)乘以面積）。很清楚，這個(gè)力正比于面積，因?yàn)槿绻覀冊(cè)龃竺娣e而保持每立方厘米內(nèi)的分子數(shù)不變的話，那么分子與活塞碰撞次數(shù)增加的比例與面積增加的比例是相同的?，F(xiàn)在，讓我們?cè)谶@個(gè)容器內(nèi)放入兩倍的分子，以使密度增加一倍，同時(shí)讓它們具有同樣的速度，即相同的溫度。那么，作為一種很好的近似，碰撞的次數(shù)也將增加一倍，由于每次碰撞仍然和先前那樣“有力”，壓力就正比于密度。如果我們考慮到原子之間的力的真實(shí)性質(zhì)，那么由于原子之間的吸引，可以預(yù)期壓力略有減少。而由于原子也占有有限的體積，則可以預(yù)期壓力略有增加。無論如何，作為一個(gè)很好的近似，如果原子較少，密度足夠低，那么，壓力正比于密度。我們還可以看一下其他情況。如果提高溫度而不改變氣體密度，亦即只增加原子的速度，那么在壓力上會(huì)出現(xiàn)什么情況？當(dāng)然，原子將撞擊得更劇烈一些，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)動(dòng)得更快一些。此外，它們的碰撞更頻繁了，因此壓力將增加，你們看，原子理論的概念是多么簡(jiǎn)單!我們來考慮另一種情況。假定活塞向下移動(dòng)，原子就慢慢地被壓縮在一個(gè)較小的空間里。當(dāng)原子碰到運(yùn)動(dòng)著的活塞時(shí)，會(huì)發(fā)先什么情況呢？很顯然，原子由于碰撞而提高了速率。例如，你可以試一下乒乓球從一個(gè)朝前運(yùn)動(dòng)的球拍彈回來時(shí)的情況，你會(huì)發(fā)現(xiàn)彈回的速率比打到球拍上的速率更大一些（一個(gè)特例是：如果一個(gè)原子恰好靜止不動(dòng)，那么在活塞碰上它以后，當(dāng)然就運(yùn)動(dòng)了）。這樣原子在彈離活塞時(shí)比碰上去之前更“熱”。因此所有容器里的分子的速率都提高了。這意味著，當(dāng)我們緩慢壓縮氣體時(shí)，氣體的溫度會(huì)升高。而在緩慢膨脹時(shí)，氣體的溫度將降低。圖1-4冰現(xiàn)在回到我們的那滴水上去，從另一個(gè)角度去觀察一下。假定現(xiàn)在降低水滴的溫度，并且假定水的原子、分子的跳動(dòng)逐漸減小。我們知道在原子之間存在著引力，因而過一會(huì)兒，它們就不能再跳得那么厲害了。圖1-4表示在很低的溫度下會(huì)出現(xiàn)什么樣的情況。這時(shí)分子連接成一種新的圖象，這就是冰。這個(gè)特殊的冰的圖象是不正確的，因?yàn)樗皇嵌S的，但是它在定性上是正確的。有趣的一點(diǎn)是，對(duì)于每一個(gè)原子都有它的確定位置，你們可以很容易地設(shè)想，如果我們用某種方式使水滴一端的所有的原子按一定的方式排列。并讓每個(gè)原子處在一定的位置上，那么由于互相連接的結(jié)構(gòu)很牢固，幾英里之外（在我們放大的比例下）的另一端也將有確定的位置。如果我們抓住一根冰棍的一端，另一端就會(huì)阻止我們把它拉出去。這種情況不象水那樣由于跳動(dòng)加強(qiáng)以致所有的原子以種種方式到處跑來跑去，因而結(jié)構(gòu)也就被破壞了。固體與液體的差別就在于：在固體中，原子以某種稱為晶體排列的方式排列著，即使在較長(zhǎng)的距離上，它們的位置也不能雜亂無章。晶體一端的原子位置取決于晶體另一端的與之相距千百萬個(gè)原子的排列位置，圖1-4是一種虛構(gòu)的冰的排列狀況，它雖然包括了冰的許多正確的特征，但并不是真實(shí)的排列情況。正確的特征之一是這里具有一種六邊形的對(duì)稱性。你們可以看到：如果把畫面繞一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)120°的話，它仍然回到原來的形