北大微讲堂：物理与人类未来 - (EPUB全文下载)

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同学们好！我来谈一谈自然科学里面的一个分支——物理学。在我的经历中，接触过两类我并不是很熟悉的人，他们给我印象比较深。一类是考生的家长，考生的家长会问我：学习物理是不是太辛苦，一辈子太累了？另一类人我就更加不认识了。比如说有一次我在美国旅行，在飞机上与一位不相识的女士邻座，坐得时间长了，我们开始聊了起来，她问我是干什么的？我说是学物理的，“哇！”她很惊讶，我没有猜到她是什么意思，她也许认为物理很难学，能学物理的人了不起；也许她的生活远离物理。在我的工作中，我一直在想这样的问题，就是物理究竟离一个普通人的生活有多远？对未来人类的发展将会产生什么样的影响？这是我不断思考的问题。我想按照我今天的资历大概也讲不清楚这个问题，不过这确实是值得我用一生的时间来进行思索和回答的一个课题。
我先给大家讲一讲物理在做什么，我想这大概可以用北大物理学院目前的研究领域来简单描述一下。我想象不到在北京大学或其他哪一所大学，那里的一个系或学院能够像北大物理学院的研究领域这样广泛。在空间上，它大到研究宇宙、星系。大家知道，在地球外面遥远的天空中，行星围着太阳转，这个例子实际上对我们的研究来讲还是太近太小了，我们要研究整个宇宙和宇宙外的那些星系。那么小的方面呢？原子够小的了，电子够小了，但对我们讨论的课题它还不够小，我们要研究夸克和弦。而在时间上，你要说短的话，这个尺度可以是10-18
秒，叫做阿秒，长的话甚至是上亿年。我想象不到哪一个学科能够做到这样，无论是文科或者是理科，无论我们是搞自然科学的，还是社会科学、人文科学的，我想象不到它能跨越这样大的一个空间和时间尺度，唯独物理学可以。我不知道应该用什么样的一个词来涵盖如此宽泛的研究范围，但是我记得英语里面倒是有一个词我挺喜欢，叫做“unique”。
我担心自己的语言不够漂亮，所以我找到了一本我很欣赏的书——《今日物理》推荐给同学们，是高崇寿先生和谢柏青先生写的，两位都是物理学院非常有名的教师。他们这样讲道：“物理学研究宇宙间物质存在的基本形式、物质的性质、物质的运动规律、物质之间如何相互作用、相互转化及各种物质形态内部结构的基本规律。”如果你们想对物理有最基本了解的话，我个人认为这是一个很恰当的定义。
我不是太想泛泛地去讲这节课，这样的话同学们听起来可能会觉得不会有很大的收获，所以，今天我想通过这个讲座，让大家能够知道物理学从过去那么久远走到今天，它大概分成哪些若干的阶段，每一个阶段又做了哪些主要的事情。我觉得最鲜明的一个跨越，是发生在20世纪初的前后，就是1900年前后这段时间，这之前，物理学基本上应该叫做“经典物理学”，那么“经典物理学”大致研究哪些事情呢？我想它主要研究的是力、热、电、光，因为这是人们在生活中可以直接感受到的一些物理现象。那么物理为什么要研究这些事情呢？一句话，是为了探求这些现象的规律和本源。但是在20世纪初，物理学经历了一个迅速的、非常巨大的变化，我在后面会努力给大家解释这个变化多么伟大，这里说的变化是相对论和量子力学的诞生，这两门科学奠定了当今世界科技的基础。你想象不到，如果没有相对论、没有量子力学，我们将回到一个什么样的社会和生活中去，这对今天的年轻人几乎是不可能想象的。
20世纪物理学的发展显示，物质世界是有层次的，反映物质世界的物理学的规律也是有层次的，每一个层次的物理学都是根植于更深层次的物理学，同时，每一层次的物理学的规律又不能还原为更深层次物理学规律的简单的积累和叠加，从这个意义上讲，每个层次的物理学在真正意义上都是不可穷尽的。这些话我个人理解已经上升到哲学的程度上了，就是它已经告诉了你物理学的整体图像以及应该如何去开展研究。
我先回顾一下20世纪以前物理学走过的路。实际上20世纪以前，经典物理学已经基本建立起来了。首先以研究运动规律为主的力学已得到了很好的发展，随后是对热、电磁、光现象本质的研究，对这些分支的不同存在形式和运动形式做了深入的研究。这是20世纪以前整个物理学界所做的最主要的工作和贡献。我下面把这几门内容一门一门讲一下。
首先为什么要研究力学，经典力学是怎么一回事。物理学最早的部分是对机械运动规律的认识，力学是物理学中发展最早的一个分支，大家在中学的时候就知道，如何利用杠杆去撬动一个很重的物体，这是力学课堂上最简单的例子，涉及力的各种关系。应该是这样讲，1589年到1592年的时候，伽利略第一次提出了惯性的概念，惯性的概念其实很简单，就是速度为一个常数。假设一个物体动起来了以后，不加外力它就永远动下去；假如它静止的话，不加外力，它是不能动起来的，这是最基本的惯性法则。
从1609年到1619年的这10年，是开普勒总结了太阳系中行星的各种各样的运动规律，提出了三个主要的定律。第一个是“轨道定律”，在他的假设中，太阳系中所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，而太阳处在这个椭圆的一个交点上，这叫做轨道定律。第二个定律叫做“面积速度定律”，行星围绕太阳运动时，它和太阳中心的连线在相等的时间内扫过的面积相等。第三个叫做“周期定律”，是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。
1687年，牛顿在他著名的《自然哲学的数学原理》中，提出了牛顿三定律。一个是“惯性定律”，我刚才提到，不过牛顿已把它上升到数学的层次上来描述。第二个叫做“运动基本定律”，这个是大家熟知的F=ma
，就是物体受的合外力等于它的质量乘上加速度。第三个是“作用与反作用定律”，就是F=-F
，比如说你打了一下其他物体或人的话，你自己也会感到疼。这三个定律再加上万有引力定律，就奠定了经典力学的完整理论框架。总体来看，这个过程从16世纪到17世纪，差不多是一个世纪所完成的任务，这就是经典力学的简单发展史。
冷热是自然界中一个非常重要的基本现象，大家知道现在这个季节（10月份）我们要添一点衣服了。冷热是物体的一个重要属性，热学是干什么的呢？它是在研究总结各种热现 ............

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