初識物理

刁楚楚

物理一詞，在文目中原意為 “世間萬物的運行規律和法 則”，這也與它在科學上的定義大致相 同。事物的內在規律或道理是幫助我們 研究物質運動最一般規律和物質基本 結構的學科，我認為它是“探索世界最 本質”的一項工作，而歷史上無數的物 理學家，正是一生都致力于探索世界最本質 物理作為一門最基本，最重要的自 然學科，研究的內容上至宇宙，下至微 粒，涉及到生活的方方面面。在劉慈欣 的科幻小說《三體》中，三體世界正是向 地球發射了無數的“智子”，干擾試驗， 使物理規律在時間和空間上不均勻，宇 宙普適的物理規律不存在，來封鎖人類 科學技術的發展，以至于在幾個世紀以 來，人類都無法在物理方面取得突破性 進展。雖然這只是科幻小說中的情節， 但也有其重要的現實意義：物理對于人 類發展的重要性。 物理學的發展有兩個奇跡年，一是 1665年牛頓“站在巨人的肩膀上”，創立 了萬有引力定律，同時創立了牛頓力學 三定律，或許我們可以說，是牛頓第一 次探索到了當時人們所認知的最深處， 他所創建的經典力學體系也廣為流傳。 經典力學所適用于低速宏觀的物體，因 為這受限于它的兩個基本假定，一是時 間和空間的絕對，物體的長度和時間與 觀測者的運動情況無關，物質間相互作 用的傳遞是具有瞬時性;二是一切被觀 測的物理量在原則上可被無限精確的 測量。但隨著人類對探索世界的不斷深 入，因為它的兩個基本假定的局限性， 經典力學的局限性也就不斷暴露出來， 無法滿足人類的探索的好奇心。所以在 1905年，也就是物理學上的第二個奇跡 年，愛因斯坦接連提出來狹義相對論和 廣義相對論。 狹義相對論的提出，幫助人類擁有 較完備的理論體系來研究高速微觀的物 體的運動規律，這同樣也是幫助我們研究宇宙的強有力的工具。因為狹義相對 論的兩個基本假定：相對性原理和光速 不變原理，打破了經典力學的局限性，幫 助我們更好的研究更復雜的問題。 相對論是近代物理學的第一大基 石，第二大基石是由普朗克，薛定諤等 物理學家在1915-1917年創立的量子力 學。與經典力學不同，量子力學是研究 物質世界微觀粒子運動規律的物理學分 支，量子力學從根本上改變人類對物質 結構及其相互作用的理解。說到量子力 學，不得不提薛定諤的經典思想實驗：薛 定諤的貓。盡管連量子力學的創始人也 認為這個實驗得出的結論是荒謬的，盡 管這還是一個充滿質疑的學科，但不可 否認的是，量子力學是物理發展史上的 重要的一步。量子力學的本質是什么， 還需要時間來研究，而我們需要足夠的 自信心來拭目以待。 不難看出，物理學發展首先遵循一 個很基本的規律，就是層層深入。從宏 觀到微觀，從低速到高速，都是如此。 發展的另一規律，就是理論的統一，無 論是弱電統一理論，還是強、弱、電磁 三種作用統一理論，這都反映了理論最 終走向統一的一個趨勢。也曾出現過例 如有人將弦理論作為終極統一理論，但 無法得到充分的認可，愛因斯坦后半生 也有很大一部分的精力放在尋找這個理論上，但難度是顯而易見的，但這種 統一的趨勢是毋庸置疑的，這也是我們 在物理學研究歷史上一個至關重要的 問題。 著名的物理學李斯莫林曾寫過一本 名為《物理學的困惑》的書籍，在一定程 度上反映出了物理學現在發展的一些問 題。或許可以這樣說，現在前沿物理的 發展已經進入了一段瓶頸期，無論是從 基礎理論上說還是應用物理上說。在我 看來，主要原因主要有兩個，一是在基 礎理論方面，難以取得突破性的進展， 或者說某些最前沿基礎理論已經超出 人類目前認知范圍，就像在《贍養上帝》 這篇小說中提到的，“上帝”為人類帶 來了足夠理論基礎，但人類根本無法理 解，最終還是等于零。再者說，有些理 論的提出沒有實驗的驗證，應用也就無 從談起;而物理的發展離不開數學，隨 著物理的深入，所需的數學理論知識也 越來越復雜，在某些問題上，比如表達 式的表示，或者結果的推導，有時也會 出現計算量大，甚至無解的情況，這也 是一大問題所在;因此，我們可能面臨 著一個非常嚴峻的問題。 人類在研究物理學的道路上，還 任重道遠，還有太多太多需要我們去探 索，這個探索也必將永不停止，因此，物 理永遠都不會過時。