物理，不只是定理和公式

李登仟

大家都知道，美國的三位物理學家因在引力波探測方面的突出貢獻，獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。其實，不管是如此“高大上”的引力波還是蕩漾在湖水中的水波紋，它們都蘊含著各自美妙的物理學知識。然而，近日有媒體報道，在實行新高考改革的上海，選擇物理科目的考生僅占總數的30%；浙江的近30萬考生中，選考物理的也只有8萬人。物理學科被考生“嫌棄”，這與曾經流行的“學好數理化，走遍天下都不怕”的口號形成鮮明對比。愛因斯坦表示不服，牛頓表示不服，就讓這篇文章帶領各位同學，再去物理學的世界暢游一番，你會發現，物理絕不只是定理和公式！

經典物理學：衣食住行先解決

一般而言，我們把19世紀末以前的物理學都稱為經典物理學，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的；而相對論又可以分為狹義相對論和廣義相對論，這絕大部分都是愛因斯坦建立起來的；至于量子力學，它主要是由普朗克、海森堡、薛定諤和泡利等人所創建的。

經典力學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，我們生活環境中運動的物體都無時無刻不在遵循著牛頓三定律。打個比方來說，當我們用手拋出籃球時，在不考慮空氣阻力的情況下，我們可以根據牛頓力學精確地算出你是否能投中籃筐。

光學主要是由惠更斯和牛頓發展起來的，不過他們兩個是“冤家”，因為惠更斯主張光具有波動性，而牛頓則認為光具有粒子性。從光的反射和折射現象的確能讓光具有粒子性的學說站住腳，但是光的衍射、干涉等現象卻說明了光的波動性。盡管他們的觀點最終都被德布羅意的“波粒二象性”所終結（有興趣的讀者可以進一步研究學習），但是由牛頓和惠更斯發展的幾何光學卻影響著物理學的進程。

伽利略通過一塊凹透鏡和一塊凸透鏡制成折射式望遠鏡，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，首先應該提及牛頓和開普勒，開普勒的三定律加上牛頓的萬有引力定律讓人們知道了為何月球對地球不離不棄，為何地球上有春夏秋冬。

每當有飛機從天上飛過時，我們應該慶幸于流體力學真的起作用了。直升機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向下推動氣流獲得反作用力而飛行，但是具有固定翼的民航客機或戰斗機卻是依靠著伯努利原理——流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大，來獲得向上的升力，進而展翅翱翔在天際。當然流體力學的應用不止于此，還有小到液體的各種計量儀器，大到海洋環流的監控預測。

民以食為天。每當吃到熱騰騰的飯菜時，我們卻未曾想過，飯菜通過燃氣加熱的物理機制。當燃氣點燃時，火焰中大量高速運動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起來，鍋具內部表面開始發燙（其實是鍋具的分子狂亂地運動）。這時，組成飯菜的分子受鍋具內表面的分子撞擊也開始活躍起來，不久，飯菜便由冷變熱了。液態的水經過高溫可以對大米不斷“轟擊”，讓飯菜軟化，多余的水則逃逸了。所以，熱力學影響著我們的溫飽啊！

最后，粉墨登場的便是電磁學啦！說起電磁學，我們不應該忘記法拉第和麥克斯韋。前者從實驗上證明了電磁可以相互轉換，后者從理論上做出了完美的解釋并預言電磁波的存在。當麥克斯韋預言了電磁波存在后，赫茲便在實驗室中證實了它的存在，而貝爾則將電磁波運用到了電話通信上了。

乍一看，有了經典物理學，我們的衣食住行已經完全可以得到保證了，但是似乎好像天上的衛星、地上的手機電腦等并未提及。別急，相對論和量子力學來了。

相對論：來，重新認識一下時間和空間

當人們談論到相對論的時候，最先想到的應該是愛因斯坦。的確，不管是狹義相對論還是廣義相對論，都是由愛因斯坦一手創建的。

狹義相對論適用于高速運動的情況，尤其是微觀粒子的高速運動，這里的高速是指粒子的運動速度能夠接近光速。當粒子的速度接近光速的時候，相對論效應便會顯現出來。

提及廣義相對論，人們的目光應該會轉向近年來LIGO所探測到的引力波。為什么引力波一經發現，就在全世界范圍內引起軒然大波呢？因為引力波作為廣義相對論的最后一塊尚未被證實的拼圖，引力波的探測能夠讓我們從以往只能依靠天文望遠鏡觀測宇宙，轉變為可以通過引力波來探測宇宙中星體的分布。更重要的是，黑洞這個只吸收光卻不輻射光的物體無法通過光學望遠鏡探測到，卻可以通過引力波來探測到。

廣義相對論可作為描述物質間引力致使時空彎曲的一種理論，雖然牛頓的萬有引力定律在不太精確的程度上仍然適用，但是用廣義相對論來描述引力更加精確而已。

量子力學：是時候重新思考你的人生了

最后出場的應該是改變人類文化進程的重量級嘉賓了——量子力學。對于物理學專業的學生來說，他們之間常常流傳著這樣一句話：不自量力的含義是什么？不要自學量子力學！費曼也曾說過，“如果有人對量子力學不感到困惑，那么他一定沒有懂量子力學”。就連愛因斯坦也曾因對量子力學的概率性感到迷惑不解而認為“上帝不會擲骰子”。量子力學理論卻認為粒子過去的行為會基于我們所看到的而發生改變，也就是說，宇宙每時每刻都在發生變化。

不過，就這么讓人捉摸不透的量子力學，造就了諸如半導體、石墨烯、超導體等材料。我們今天使用的手機、電腦、量子衛星、粒子加速器等都是量子力學的現代化產物。

只要是電子產品，都會涉及到量子力學的產物——半導體。不管是手機還是電腦上的主板，都會有集成電路，而半導體滲入到集成電路的每一個角落。半導體不僅僅可以導電，它還可以發電，屋頂上的太陽能面板就是依靠著半導體硅吸收太陽光而發電的。

毫無疑問，半導體是凝聚態最具有代表性的產物，但是凝聚態遠不止于此。半導體滲入到我們的生活中，我們才能如此接近量子力學的產物，而作為粒子物理學最具代表性的產物——大型粒子加速器和對撞機來說，離我們就遙不可及了。

對物理學的范疇有了一定了解后，我們對現實世界的認識似乎更加明朗了。別急著高興，現如今仍有烏云籠罩在我們的周圍。盡管引力波能夠探測到黑洞的質量和黑洞的所在位置，但是我們仍然不清楚黑洞的內部結構。現有的理論也無能無力，而物理學家們也在試圖將量子力學和廣義相對論相結合，但是仍毫無進展。此外，也許你并不知道這樣一個事實：在宇宙中，我們所不能看到的暗物質和暗能量占據著宇宙的95%，這意味著我們對整個宇宙的認識可能5%都還不到呢！這還不夠激起你學習物理的興趣？這可關系到你的人生和你的子孫后代呀！endprint