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2024年12月26日，六、“破山中贼易，破心中贼难”
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科学有话说：一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的原创2019-08-28 17:43·郭哥聊科学我们从初中就开始学习物理，不知道小伙伴们有没有考虑过，物理学究竟是在研究些什么东西？可能会有小伙伴说，物理就是研究力、热、声、光、电……等等啊。这么说当然也不能算错，但是你只说出了物理的一些侧面。其实物理的最终目的是想发现这个世界运行的最本质上的规则。没错，就是规则。发现规则又是个啥意思呢？我打个比方，就好比让不会下围棋的人去看下围棋，通过看棋来学习下围棋，没有人教，没有人告诉我们围棋的规则是什么，能不能学会，我不知道，但是通过大量的看别人下棋，肯定会发现一些规律是吧？其实物理就是这样，我们一群人，当中聪明的那部分，在观察自然的运作规则的时候，发现的规则多的，或者是那些掌握了规则多的，就成为了物理学家。图1 牛顿在几百年前，这些最聪明的人中有人提出了一种发现宇宙“下棋”规则的方法，这个方法就是观察、推理、实验和数学描述。后来的人，把这个方法叫做科学方法。物理学家们，企图利用这个方法去发现宇宙“这盘棋”的全部规则，来还原出一个完整的宇宙是如何在这个“规则”下变成今天这个样子的。本文就来做一下这样的尝试，通过对宇宙的经典规则的探讨，来描述一下物理学究竟都是在研究些啥。经典宇宙的样子经典的宇宙是活跃在欧几里得几何所描绘的三维空间之中，事务在叫做时间的媒介中变化。舞台上的基本元素是粒子，比如原子，它们有很多自身的属性。第一个属性是惯性：如果一个粒子在运动，它将继续沿同一个方向运动下去，除非它受到力的作用。嘿嘿，有没有很熟悉啊，对啦，这就是牛顿第一定律，也叫做惯性定律。图2 石墨烯微观结构第二个基本元素就是力，当时（1920年之前）物理学家们认为力有两种：第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力，它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中，它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些。另一种当时已知的力是一种长程相互作用，一种变化平缓的、悄悄的吸引力，与距离的平方成反比，叫做万有引力。万有引力定律很简单，如果您还不了解可参考一下我的专栏@今日头条专栏零基础物理学入门——力学篇作者：郭哥论道?9.911人已购查看当然了，那时候对于物体为什么会保持运动状态，以及为什么会存在万有引力定律大家还都是不知道的。即使是现在，其实也还没有完全搞清楚。虽然发现了“上帝粒子”，但是科学家同样发现，并不是所有的质量都是由“上帝粒子”贡献的。这个不是本文的话题，这里不多讨论了。总之，我们是发现粒子运动的一些规律的。图3 风力发电（大量分子定向运动）按照当时的观点，对物质的描述，气体和实际上一切物质，都是大量运动着的粒子。这样，我们可以把很多身边的事物之间的关系建立起联系。比如压强，它来自粒子与容器壁或别的什么东西的碰撞。粒子的移动如果平均而言沿着一个方向运动，那就是风；而无规则的内部运动就是热。大量的粒子聚集在一起使密度超过平均值，它们将成堆的粒子不断向外散开，这就生成了波，这种过剩密度的波就是声音。能够理解这么多的事务，这是一个重大的成就。这些都会在我的专栏《零基础物理学入门——力学篇》里面有介绍。那时候的科学家们认为粒子的种类有92种，我们现在已经知道的元素种类已经超过110多种，这些不同的粒子有不同的名称和不同的化学性质。在化学反应中，这些粒子的种类不变。图4 同种电荷互斥超短程力面对着这些化学元素中的粒子，我们都会很好奇为什么氧气分子是两个氧原子组合在一起，而不是3个或者是4个，原子之间相互作用的机制是什么？是万有引力吗？当然不是万有引力了，它实在是太弱了。但是想象有这样一种力，它与万有引力相似，也随距离的平方成反比变化，但强得多，并且有一个重要差别：在万有引力下一切物体都是相互吸引的，但是现在想象存在有两类“东西”，这种“新力”就是电力，具有同性相斥、异性相吸的性质。携带这样的强的相互作用的东西叫做电荷。那么，我们最终会得到些什么结果呢？让我们把两个等量的异种电荷放在一起，这很容易办到，异性电荷相吸嘛，一正一负，紧紧地贴在一起。我们再在距离它们一定距离之外放上另外一个电荷（第三个电荷）。这个电荷会感到任何吸引吗？它实际上不会感受到任何力的作用，因为前两个电荷大小相等，那么一个的吸引力和另一个的排斥力就会抵消。因此在任何可观的距离上的力都很小。图5 异种电荷吸引但是，如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近，就会产生吸引，因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些，并使同号电荷远离。这样排斥力就将小于吸引力。这就是由正电荷和负电荷组成的原子，在它们相隔一个可观的距离时，相互作用的力很小（万有引力除外）的原因。当它们靠近时，它们就能够相互“看到内部”，重新安排它们的电荷，结果它们之间就产生了很强的相互作用。原子之间的相互作用的终极原因是电的作用。由于这个力是如此之大，一切正电荷和一切负电荷通常会结合成一个尽可能紧密的组合。万事万物，包括我们自己，都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成，正电荷和负电荷相互抵消。偶尔，我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子（当然了，擦下来带负电的粒子要比较容易一些），这时候电力不再抵消，我们就会看到电的吸引作用。图6 摩擦起电实验电力比万有引力到底强多少呢？考虑两粒沙子，大小为1毫米，距离30米。如果它们之间的力不被抵消，也就是说，如果所有的电荷都相互吸引而不是同号电荷相斥，因此没有抵消，那么，它们之间的力有多大呢？有300万吨！你瞧，正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点，就足以产生可观的电效应了。当然，这就是你（用非电学方法）看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及粒子数目如此之少，它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别。有了这幅图像，原子就比较容易理解了。人们设想在原子的中心有一个“原子核”，它带正电并且有很大的质量，周围环绕着一定数目的“电子”，电子很轻并且带负电。当然了，现在我们都知道原子核本身也包含两种粒子：质子和种子，他们的质量几乎相同，非常重。质子带电而中子不带电。如果我们有一个原子，它的原子核里有2个质子，外面环绕着2个电子（通常的物质世界中的负电粒子都是电子，它们比组成原子核的质子和中子轻得多）。这是元素周期表中的第2号元素（或者说其原子序数为2），叫做氦。第8号元素叫做氧，等等。因为化学性质取决于核外的电子，并且事实上只取决于那里有多少个电子。因此，一种物质的化学性质完全取决于一个数，电子的个数。图7 元素周期表对于电力还有更多的发现电相互作用的一个自然的解释是，两个物体简单地相互吸引，正的吸引负的。但是后来发现，用这个概念来表示电相互作用并不恰当。对电相互作用的一个更恰当的表示是，正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”，或在空间产生了一种新“状态”，使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。把一个电子放进电场，它就会受到一个“拉力”。于是我们就得到两条规则：1、电荷产生一个电场2、电场中的电荷会受到力的作用而运动。讨论下面的现象，用电场来表示电作用的理由就更清楚了。如果我们使一个物体比如一根玻璃棒带电（哈哈，之所以用这个案例，是因为我们初中的时候学习摩擦起电就是用的这个道具），然后把一张带电的纸放在离玻璃棒一段距离外。前后移动玻璃棒，纸片会有反应，总是指向玻璃棒。如果把玻璃棒摇动得更快，就会发现纸片的运动要落后一些，即作用有所滞后。（在第一个阶段，当我们相当慢地移动玻璃棒时，我们还看到一种并发症，那就是是磁。做相对运动的电荷必定有磁作用，因此磁力和电力实际上可以归结为一个场，就像同一事物的两个不同侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。）图8 太阳风的带电粒子和地球磁场的猛烈作用如果我们把带电的纸片移动到更远的地方，滞后就更大。这时观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化，但却发现，当我们摇动一个电荷时，其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多。这就是说，这个效应下降得比平方反比律慢。现在让我们一起来做一个小实验：在一个水池里，近旁有一个漂浮的软木塞。用另一个软木塞划水，可以直接使前一个软木塞运动。如果你只注意看两个软木塞，你将会看到一个的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种“相互作用”。当然，实际上我们所做的是搅动水，然后水再去扰动另一个软木塞。我们可以建立一条“定律”；如果轻轻划动水，水里邻近的物体就会运动。如果第二个软木塞离得更远，它就几乎不动，因为我们只是局部地搅动水。反之，如果我们使软木塞上下运动，就发生一种新现象，水的运动带动了周围的水，形成了向外传播的波，波的效应，它无法从直接相互作用的观点理解。因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念，或者在电的情况下，代之以所谓的电磁场。图9 电磁波的各个波段应用电磁场能够传送范围广泛的波；其中一部分是光波，别的则用在无线电广播中，它们总的名字是电磁波。这些震荡的波可以有各种频率。一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于震荡的频率。如果我们把一个电荷摇动得越来越快，看它产生的效应，我们将得到整整一系列不同的效应，它们由一个数，即每秒钟的震荡次数，统一在一起。建筑物墙上的电线中的电流产生的“干扰信号”的频率大约是每秒50周左右。如果我们把频率增加到每秒500或1000千周，那就是无线电光波所用的频率范围。英文中“正在广播”是on the air，当然广播和空气（Air）毫无关系！没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播。如果我们再次提高频率，我们就进入了调频光波和电视所用的波段。频率进一步增高就是短波，例如雷达用的波。频率再高，就不需要用仪器来“看”这些波了，我们可以用肉眼来看。在5*10^14~5*10^15赫兹的频率范围内，只要我们能把玻璃棒摇得这么快，我们的眼睛能够看见带电玻璃棒的振荡。图10 电磁波谱我们将看到红光、蓝光或紫光，以它们的频率而定。低于这个频率的叫做红外光，高于这个范围的叫紫外光。从一个物理学家的观点看，我们能够看见特定频率范围的的波这一个事实，并不会让这一段电磁波谱比别的波段更特别，但是从一个人的观点看，当然这个波段更令人感兴趣。如果频率再高，我们就得到X射线。X射线不是别的，只不过是频率很高的光。频率再高，就得到伽马射线。X射线和伽马射线这两个名称，几乎是当做同义词来使用。通常把从原子核发出的电磁波射线叫做伽马射线，而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线，但是不论它们起源在那里，它们的频率相同时，在物理上是无法分别的。频率更高的波，比方说10^24赫兹，我们可以人工生成，比方用同步加速器。在宇宙射线中，我们可以发现频率极高的波，其震荡频率甚至更快1000倍。这些波我们目前还不能控制。图11 宇宙中的伽马射线暴到这里，本文就写完了，可能有些小伙伴觉得文章写得很散，所以我还需要总结一下。其实，本文的所要表达内容就是在经典物理学的范围内，对1920年之前科学所作出的成就，对我们这个世界的理解做一般阐述，从而表达出物理学的最终目的是要做什么。小伙伴们，您明白了吗？如果您还有什么疑问，欢迎在文章的评论区里面留言讨论。#这很科学#所以不要去怨恨自己出身不好，不要抱怨命运不公，今日的一切都是自己以往的因的显现，想要改变不好的果，就要修自己，种好的种子，多积福报多积德，少抱怨少争吵积口德，未来一定会越来越好。