我們從初中就開始學(xué)習(xí)物理，不知道小伙伴們有沒有考慮過，物理學(xué)究竟是在研究些什么東西？可能會有小伙伴說，物理就是研究力、熱、聲、光、電……等等啊。這么說當(dāng)然也不能算錯，但是你只說出了物理的一些側(cè)面。其實物理的最終目的是想發(fā)現(xiàn)這個世界運行的最本質(zhì)上的規(guī)則。

沒錯，就是規(guī)則。發(fā)現(xiàn)規(guī)則又是個啥意思呢？我打個比方，就好比讓不會下圍棋的人去看下圍棋，通過看棋來學(xué)習(xí)下圍棋，沒有人教，沒有人告訴我們圍棋的規(guī)則是什么，能不能學(xué)會，我不知道，但是通過大量的看別人下棋，肯定會發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律是吧？其實物理就是這樣，我們一群人，當(dāng)中聰明的那部分，在觀察自然的運作規(guī)則的時候，發(fā)現(xiàn)的規(guī)則多的，或者是那些掌握了規(guī)則多的，就成為了物理學(xué)家。

圖1 牛頓

在幾百年前，這些最聰明的人中有人提出了一種發(fā)現(xiàn)宇宙“下棋”規(guī)則的方法，這個方法就是觀察、推理、實驗和數(shù)學(xué)描述。后來的人，把這個方法叫做科學(xué)方法。物理學(xué)家們，企圖利用這個方法去發(fā)現(xiàn)宇宙“這盤棋”的全部規(guī)則，來還原出一個完整的宇宙是如何在這個“規(guī)則”下變成今天這個樣子的。本文就來做一下這樣的嘗試，通過對宇宙的經(jīng)典規(guī)則的探討，來描述一下物理學(xué)究竟都是在研究些啥。

經(jīng)典宇宙的樣子

經(jīng)典的宇宙是活躍在歐幾里得幾何所描繪的三維空間之中，事務(wù)在叫做時間的媒介中變化。舞臺上的基本元素是粒子，比如原子，它們有很多自身的屬性。第一個屬性是慣性：如果一個粒子在運動，它將繼續(xù)沿同一個方向運動下去，除非它受到力的作用。嘿嘿，有沒有很熟悉啊，對啦，這就是牛頓第一定律，也叫做慣性定律。

圖2 石墨烯微觀結(jié)構(gòu)

第二個基本元素就是力，當(dāng)時（1920年之前）物理學(xué)家們認(rèn)為力有兩種：第一種力是一種極其復(fù)雜、細(xì)致的相互作用力，它以復(fù)雜的方式將各種原子結(jié)合在不同的組合中，它決定了溫度升高時食鹽是溶解得快些還是慢些。另一種當(dāng)時已知的力是一種長程相互作用，一種變化平緩的、悄悄的吸引力，與距離的平方成反比，叫做萬有引力。

萬有引力定律很簡單，如果您還不了解可參考一下我的專欄@今日頭條

當(dāng)然了，那時候關(guān)于物體為什么會保持運動狀態(tài)，以及為什么會存在萬有引力定律大家還都是不知道的。即使是現(xiàn)在，其實也還沒有完全搞清楚。雖然發(fā)現(xiàn)了“上帝粒子”，但是科學(xué)家同樣發(fā)現(xiàn)，并不是所有的質(zhì)量都是由“上帝粒子”貢獻的。這個不是本文的話題，這里不多討論了?？傊?，我們是發(fā)現(xiàn)粒子運動的一些規(guī)律的。

圖3 風(fēng)力發(fā)電（大量分子定向運動）

按照當(dāng)時的觀點，對物質(zhì)的描述，氣體和實際上一切物質(zhì)，都是大量運動著的粒子。這樣，我們可以把很多身邊的事物之間的關(guān)系建立起聯(lián)系。比如壓強，它來自粒子與容器壁或別的什么東西的碰撞。粒子的移動如果平均而言沿著一個方向運動，那就是風(fēng)；而無規(guī)則的內(nèi)部運動就是熱。

大量的粒子聚集在一起使密度超過平均值，它們將成堆的粒子不斷向外散開，這就生成了波，這種過剩密度的波就是聲音。能夠理解這么多的事務(wù)，這是一個重大的成就。這些都會在我的專欄《零基礎(chǔ)物理學(xué)入門——力學(xué)篇》里面有介紹。

那時候的科學(xué)家們認(rèn)為粒子的種類有92種，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道的元素種類已經(jīng)超過110多種，這些不同的粒子有不同的名稱和不同的化學(xué)性質(zhì)。在化學(xué)反應(yīng)中，這些粒子的種類不變。

圖4 同種電荷互斥

超短程力

面對著這些化學(xué)元素中的粒子，我們都會很好奇為什么氧氣分子是兩個氧原子組合在一起，而不是3個或者是4個，原子之間相互作用的機制是什么？是萬有引力嗎？當(dāng)然不是萬有引力了，它實在是太弱了。但是想象有這樣一種力，它與萬有引力相似，也隨距離的平方成反比變化，但強得多，并且有一個重要差別：在萬有引力下一切物體都是相互吸引的，但是現(xiàn)在想象存在有兩類“東西”，這種“新力”就是電力，具有同性相斥、異性相吸的性質(zhì)。攜帶這樣的強的相互作用的東西叫做電荷。

那么，我們最終會得到些什么結(jié)果呢？

讓我們把兩個等量的異種電荷放在一起，這很容易辦到，異性電荷相吸嘛，一正一負(fù)，緊緊地貼在一起。我們再在距離它們一定距離之外放上另外一個電荷（第三個電荷）。這個電荷會感到任何吸引嗎？它實際上不會感受到任何力的作用，因為前兩個電荷大小相等，那么一個的吸引力和另一個的排斥力就會抵消。因此在任何可觀的距離上的力都很小。

圖5 異種電荷吸引

但是，如果我們使第三個電荷與前兩個非?？拷蜁a(chǎn)生吸引，因為同號電荷的排斥和異號電荷的吸引會使異號電荷更靠近些，并使同號電荷遠離。這樣排斥力就將小于吸引力。這就是由正電荷和負(fù)電荷組成的原子，在它們相隔一個可觀的距離時，相互作用的力很?。ㄈf有引力除外）的原因。

當(dāng)它們靠近時，它們就能夠相互“看到內(nèi)部”，重新安排它們的電荷，結(jié)果它們之間就產(chǎn)生了很強的相互作用。原子之間的相互作用的終極原因是電的作用。由于這個力是如此之大，一切正電荷和一切負(fù)電荷通常會結(jié)合成一個盡可能緊密的組合。

萬事萬物，包括我們自己，都是由極細(xì)微的、強烈地相互作用著的帶正電和帶負(fù)電的粒子組成，正電荷和負(fù)電荷相互抵消。偶爾，我們可以從一件東西上擦下來一點點帶正電的粒子或帶負(fù)電的粒子（當(dāng)然了，擦下來帶負(fù)電的粒子要比較容易一些），這時候電力不再抵消，我們就會看到電的吸引作用。

圖6 摩擦起電實驗

電力比萬有引力到底強多少呢？

考慮兩粒沙子，大小為1毫米，距離30米。如果它們之間的力不被抵消，也就是說，如果所有的電荷都相互吸引而不是同號電荷相斥，因此沒有抵消，那么，它們之間的力有多大呢？有300萬噸！你瞧，正電荷或負(fù)電荷的數(shù)目只要超過或不足很少一點點，就足以產(chǎn)生可觀的電效應(yīng)了。當(dāng)然，這就是你（用非電學(xué)方法）看不出帶電物體和不帶電物體的差別的原因——涉及粒子數(shù)目如此之少，它們很難對一個物體的重量或大小造成什么差別。

有了這幅圖像，原子就比較容易理解了。人們設(shè)想在原子的中心有一個“原子核”，它帶正電并且有很大的質(zhì)量，周圍環(huán)繞著一定數(shù)目的“電子”，電子很輕并且?guī)ж?fù)電。當(dāng)然了，現(xiàn)在我們都知道原子核本身也包含兩種粒子：質(zhì)子和種子，他們的質(zhì)量幾乎相同，非常重。質(zhì)子帶電而中子不帶電。

如果我們有一個原子，它的原子核里有2個質(zhì)子，外面環(huán)繞著2個電子（通常的物質(zhì)世界中的負(fù)電粒子都是電子，它們比組成原子核的質(zhì)子和中子輕得多）。這是元素周期表中的第2號元素（或者說其原子序數(shù)為2），叫做氦。第8號元素叫做氧，等等。因為化學(xué)性質(zhì)取決于核外的電子，并且事實上只取決于那里有多少個電子。因此，一種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)完全取決于一個數(shù)，電子的個數(shù)。

圖7 元素周期表

關(guān)于電力還有更多的發(fā)現(xiàn)

電相互作用的一個自然的解釋是，兩個物體簡單地相互吸引，正的吸引負(fù)的。但是后來發(fā)現(xiàn)，用這個概念來表示電相互作用并不恰當(dāng)。對電相互作用的一個更恰當(dāng)?shù)谋硎臼牵姾傻拇嬖谠谀撤N意義上扭曲了空間的“狀態(tài)”，或在空間產(chǎn)生了一種新“狀態(tài)”，使得我們把一個負(fù)電荷放進來時它會感受到一個力。這個產(chǎn)生力的潛在可能性叫做電場。把一個電子放進電場，它就會受到一個“拉力”。于是我們就得到兩條規(guī)則：

1、電荷產(chǎn)生一個電場

2、電場中的電荷會受到力的作用而運動。

討論下面的現(xiàn)象，用電場來表示電作用的理由就更清楚了。如果我們使一個物體比如一根玻璃棒帶電（哈哈，之所以用這個案例，是因為我們初中的時候?qū)W習(xí)摩擦起電就是用的這個道具），然后把一張帶電的紙放在離玻璃棒一段距離外。前后移動玻璃棒，紙片會有反應(yīng)，總是指向玻璃棒。如果把玻璃棒搖動得更快，就會發(fā)現(xiàn)紙片的運動要落后一些，即作用有所滯后。（在第一個階段，當(dāng)我們相當(dāng)慢地移動玻璃棒時，我們還看到一種并發(fā)癥，那就是是磁。做相對運動的電荷必定有磁作用，因此磁力和電力實際上可以歸結(jié)為一個場，就像同一事物的兩個不同側(cè)面。一個變化的電場不可能離開磁場而存在。）

圖8 太陽風(fēng)的帶電粒子和地球磁場的猛烈作用

如果我們把帶電的紙片移動到更遠的地方，滯后就更大。這時觀察到一件有趣的事：雖然兩個帶電物體之間的力應(yīng)當(dāng)與距離的平方成反比變化，但卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們搖動一個電荷時，其影響伸展的范圍要比我們乍看之下所猜想的遠得多。這就是說，這個效應(yīng)下降得比平方反比律慢。

現(xiàn)在讓我們一起來做一個小實驗：在一個水池里，近旁有一個漂浮的軟木塞。用另一個軟木塞劃水，可以直接使前一個軟木塞運動。如果你只注意看兩個軟木塞，你將會看到一個的運動是對另一個的運動的立即響應(yīng)——兩個軟木塞之間有某種“相互作用”。當(dāng)然，實際上我們所做的是攪動水，然后水再去擾動另一個軟木塞。

我們可以建立一條“定律”；如果輕輕劃動水，水里鄰近的物體就會運動。如果第二個軟木塞離得更遠，它就幾乎不動，因為我們只是局部地攪動水。反之，如果我們使軟木塞上下運動，就發(fā)生一種新現(xiàn)象，水的運動帶動了周圍的水，形成了向外傳播的波，波的效應(yīng)，它無法從直接相互作用的觀點理解。因此直接相互作用的觀念必須代之以通過水發(fā)生作用的觀念，或者在電的情況下，代之以所謂的電磁場。

圖9 電磁波的各個波段應(yīng)用

電磁場能夠傳送范圍廣泛的波；其中一部分是光波，別的則用在無線電廣播中，它們總的名字是電磁波。這些震蕩的波可以有各種頻率。一種波與另一種波的唯一真正的差別就在于震蕩的頻率。如果我們把一個電荷搖動得越來越快，看它產(chǎn)生的效應(yīng)，我們將得到整整一系列不同的效應(yīng)，它們由一個數(shù)，即每秒鐘的震蕩次數(shù)，統(tǒng)一在一起。

建筑物墻上的電線中的電流產(chǎn)生的“干擾信號”的頻率大約是每秒50周左右。如果我們把頻率增加到每秒500或1000千周，那就是無線電光波所用的頻率范圍。英文中“正在廣播”是on the air，當(dāng)然廣播和空氣（Air）毫無關(guān)系！沒有任何空氣在真空中也可以進行無線電廣播。

如果我們再次提高頻率，我們就進入了調(diào)頻光波和電視所用的波段。頻率進一步增高就是短波，例如雷達用的波。頻率再高，就不需要用儀器來“看”這些波了，我們可以用肉眼來看。在5*10^14~5*10^15赫茲的頻率范圍內(nèi)，只要我們能把玻璃棒搖得這么快，我們的眼睛能夠看見帶電玻璃棒的振蕩。

圖10 電磁波譜

我們將看到紅光、藍光或紫光，以它們的頻率而定。低于這個頻率的叫做紅外光，高于這個范圍的叫紫外光。從一個物理學(xué)家的觀點看，我們能夠看見特定頻率范圍的的波這一個事實，并不會讓這一段電磁波譜比別的波段更特別，但是從一個人的觀點看，當(dāng)然這個波段更令人感興趣。

如果頻率再高，我們就得到X射線。X射線不是別的，只不過是頻率很高的光。頻率再高，就得到伽馬射線。X射線和伽馬射線這兩個名稱，幾乎是當(dāng)做同義詞來使用。通常把從原子核發(fā)出的電磁波射線叫做伽馬射線，而從原子發(fā)出的高能電磁波則叫做X射線，但是不論它們起源在那里，它們的頻率相同時，在物理上是無法分別的。

頻率更高的波，比方說10^24赫茲，我們可以人工生成，比方用同步加速器。在宇宙射線中，我們可以發(fā)現(xiàn)頻率極高的波，其震蕩頻率甚至更快1000倍。這些波我們目前還不能控制。

圖11 宇宙中的伽馬射線暴

到這里，本文就寫完了，可能有些小伙伴覺得文章寫得很散，所以我還需要總結(jié)一下。其實，本文的所要表達內(nèi)容就是在經(jīng)典物理學(xué)的范圍內(nèi)，對1920年之前科學(xué)所作出的成就，對我們這個世界的理解做一般闡述，從而表達出物理學(xué)的最終目的是要做什么。小伙伴們，您明白了嗎？如果您還有什么疑問，歡迎在文章的評論區(qū)里面留言討論。

#這很科學(xué)#