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物理学的含义_物理

物理学是研究自然界基本规律的科学.它的英文词physics来源于希腊文,原义是自然,而中文的含义是“物”(物质的结构、性质)和“理”(物质的运动、变化规律).中文含义与现代观点颇为吻合.现代观点认为物理学主要研究:物质和运动,或物质世界及其各部分之间的相互作用,或物质的基本组成及它们的相互作用.
物质可以小至微观粒子——分子、原子以至“基本”粒子(elementaryparticles).所谓基本粒子,顾名思义是物质的基本组成成分,本身没有结构.然而基本与否与人们的认识水平以及科学技术水平有关,因此对“基本”的理解有阶段性.有鉴于此,物理学家简单地称之为“粒子”.有时为了表达认识的层次,我们仍然可以说:“现阶段的基本粒子为……”.当前我们认为基本粒子有轻于(lepton)、夸克(quark)、光子(photon)和胶子(gluon)等等.科学家们正在努力寻找自由夸克.此外,分数电荷、磁单极也在寻找之列.我们周围的物体是物质的聚集状态.人们可以用自己的感官感知大多数聚集状态的物质,并称它们为宏观(macroscopic)物质以区别前面所说的微观(microscopic)粒子.居间的尺度是介观(mesoscopic),而更大的尺度是宇观(cosmological).场(field)传递相互作用,电磁场和引力场就是例子.
在物理学的范围内,物质的运动是指机械运动、热运动、微观粒子的运动、原子核和粒子间的反应等等.运动总是发生在一定的时间和空间.时间和空间首先是作为物质运动的舞台,但最后也成了物理学研究的对象.
现在知道物质之间的相互作用有四种,即万有引力、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用.
爱因斯坦(A.Einstein,1879—1955)生前曾致力于统一场论的工作,试图用统一的理论来描述各种相互作用.在60年代,走向统一有了突破性的进展.格拉肖(S.L.Glashow)、温伯格(S.Weinberg)和萨拉姆(A.Salam)等人发现弱相互作用和电磁相互作用可以统一,用弱电相互作用(electroweak)来描述.鲁比亚(1983[1],C.Rubbia)等提供了实验支持.大统一理论(Grand Unification Theory,GUT)试图将强相互作用也统一进去,而超对称理论更企图将引力也纳入其中.还有人在寻求其他的相互作用.对此,在Physics Teacher期刊上曾有一篇文章题为“存在第五种基本力吗?”专门讨论这一命题[6].在高级的理论中,相互作用只不过是交换物质,如电磁作用交换光子、强作用交换胶子.
物理学的一个永恒主题是寻找各种序(orders)、对称性(symmetry)和对称破缺(symmetry-breaking)[10]、守恒律(conservation laws)或不变性(invariance).物质的有序状态比我们想象的要广泛得多.除了排列整齐的位置序以外,还可以有指向序.超导态也是一种有序状态.对称性通常指静止的空间几何对称,如太极图、八卦、晶体中的平移和旋转对称.实际上,对称性还可以是动态的,可以是时间反演对称、物质—反物质对称以及更为抽象的规范对称等等.
就物理学和其他科学的关系而言,我们可以说:
·物理学是最基本的科学.
·物理学是最古老、发展最快的科学.
·物理学提供最多、最基本的科学研究手段.
最基本的体现是在天文学、地学、化学、生命科学中都包含着物理过程或现象.在这些学科中用到不少物理学概念和术语是很自然的.最基本还意味着任何理论都不能和物理学的定律相抵触.例如,如果某种理论破坏能量守恒定律,那么这一理论就很成问题.当然,某些物理理论本身或一些阶段性的工作本身也是在不断地完善.
19世纪中叶之前,物理学曾是完完全全的实验科学.力学中的理论问题被认为是数学家的事.19世纪末,在当时处于世界物理学中心的德国的大学里,开始设置理论物理学教授的席位.此后,随着人类的认识能力逐步深入,逐步深入到不能靠直觉把握的微观、高速、宇观现象,20世纪初建立了狭义和广义相对论,以及量子力学这些深刻的物理理论.到了20世纪中叶,物理学已经成为实验和理论紧密结合的科学.20世纪后半叶由于电子计算机的发展,既改变了理论物理的工作方式,也扩大了实验的涵义.目前物理学已经成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学.实验提供的条件比自然界出现的更富变化和更灵活可控,而物理理论则给出了对自然界的数学描述.计算物理学是重要的新分支,有自己独特的研究方法.计算机实验可以提供比通常的实验更为变化丰富和灵活控制的条件.不过通常需要用到超级计算机.
物理学中最重大的基本理论有下面5个:
·牛顿力学或经典力学(Mechanics)研究物体的机械运动;
·热力学(Thermodynamics)研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等;
·电磁学(Electromagnetism)研究电、磁以及电磁辐射等等;
·相对论(Relativity)研究高速运动、引力、时间和空间等等;
·量子力学(Quantum mechanics)研究微观世界.
后两个理论主要是在20世纪发展起来的,通常认为是现代物理学的核心.以上理论中没有一个被完全推翻过,也没有一个是永远正确的.例如,牛顿力学在高速情形下,应该用狭义相对论来代替;而对于强引力,它又偏离于广义相对论,但在它的适用范围内仍然是精确的.科学的理论总是要发展的,需要根据新发现的事实进行修正.在教科书中只介绍一种版本的做法很可能导致“理论是唯一的”这样的观念.事实上,理论决不是唯一的.科学理论往往在美学上令人赏心悦目,在数学上优雅而普适,但是仅仅有这些是决不可能流传下来的.理论和思想必须经受实验的检验和验证.物理学中的理论和实验在相互促进和丰富中得到发展.
一个没有思想的实验工作者可以发现无穷无尽的事实,不过毫无用处.理论家如果不受实验检验这一约束也可能产生出极其丰富的思想,不过与大自然毫无关系而已.
通常的科学研究方法是:
·通过观测、实验、计算机模拟得到事实和数据;
·用已知的可用的原理分析这些事实和数据;
·形成假说和理论以解释事实;
·预言新的事实和结果;
·用新的事例修改和更新理论.
上述的后3步都是关于理论的.以上所说的科学研究的步骤是常规的.有时候,有的人可能并不遵循这样的过程.常常直觉(intuition)或者预感(premonition)会起相当的作用.有时候,机遇(运气或偶然)对于成功也会起作用,使你获得一则重要的信息或发现一个特别简单的解.要学会在恰当的时机提出恰当的问题,并找到问题的答案.有时还必须忽略一些“事实”,原因是这些并不是真正的事实或者它们无关紧要、自相矛盾;或者是由于它们掩盖了更重要的事实或考虑它们使问题过于复杂化.据说,有一次有人问爱因斯坦:如果迈克耳孙-莫雷(Michelson-Morley)实验并不导致光速不变你怎么办?他说:他将忽略那些实验结果,他已经得到了结论,光速必须被认为是不变的.关于爱因斯坦1905年提出狭义相对论时是否知道迈克耳孙-莫雷实验,曾发生过长时间的争论.有人认为爱因斯坦在他的著作中没有留下他知道迈克耳孙-莫雷实验的丝毫痕迹,他可能纯粹通过理论推理和他们(迈克耳孙与莫雷)得出了相同的结论.爱因斯坦的首席传记作家培斯(Abraham Pais)筛选了许多历史记载,得出结论说,爱因斯坦确实知道这一实验.新近有一篇爱因斯坦在1922年的演说的英文翻译稿刊登在Physics Today上[8].此文是根据原来的德语演讲的日文记录整理、翻译的[见第九章参考文献(13)].译者让爱因斯坦“本人”表示,他知道这一实验.
在大学物理的学习中,除了学习事实、定律、方程和解题技巧外,还必须努力从整体上掌握物理学.要了解各分支间的相互联系.现代观点认为,应该从整体上逻辑地、协调地来把握物理学.学习中,对于基本物理定律的优美、简洁、和谐以及辉煌应该有所体会,要学会鉴赏其普适程度,了解其适用范围.还要学会区别理论和应用,物理思想和数学工具,一般规律和特殊事实,主要和次要效应,传统的和现代的推理方式等等

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