初識(shí)物理

刁楚涵

“物理”一詞，在文言中原意為“世間萬物的運(yùn)行規(guī)律和法則”，這也與它在科學(xué)上的定義大致相同，就是事物的內(nèi)在規(guī)律或道理，是幫助我們研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科，我認(rèn)為它是“探索世界最本質(zhì)”的一項(xiàng)工作，而歷史上無數(shù)的物理學(xué)家，正是一生都致力于探索世界最本質(zhì)。

物理作為一門最基本，最重要的自然學(xué)科，研究的內(nèi)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(fā)射了無數(shù)的“智子”，干擾試驗(yàn)，使物理規(guī)律在時(shí)間和空間上不均勻，宇宙普適的物理規(guī)律不存在，來封鎖人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以至于在幾個(gè)世紀(jì)以來，人類都無法在物理方面取得突破性進(jìn)展。雖然這只是科幻小說中的情節(jié)，但也有其重要的現(xiàn)實(shí)意義：物理對(duì)于人類發(fā)展的重要性。

物理學(xué)的發(fā)展有兩個(gè)奇跡年，一是1665年牛頓“站在巨人的肩膀上”，創(chuàng)立了萬有引力定律，同時(shí)創(chuàng)立了牛頓力學(xué)三定律，或許我們可以說，是牛頓第一次探索到了當(dāng)時(shí)人們所認(rèn)知的最深處，他所創(chuàng)建的經(jīng)典力學(xué)體系也廣為流傳。經(jīng)典力學(xué)所適用于低速宏觀的物體，因?yàn)檫@受限于它的兩個(gè)基本假定，一是時(shí)間和空間的絕對(duì)，物體的長(zhǎng)度和時(shí)間與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)情況無關(guān)，物質(zhì)間相互作用的傳遞是具有瞬時(shí)性;二是一切被觀測(cè)的物理量在原則上可被無限精確的測(cè)量。但隨著人類對(duì)探索世界的不斷深入，因?yàn)樗膬蓚€(gè)基本假定的局限性，經(jīng)典力學(xué)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(xué)上的第二個(gè)奇跡年，愛因斯坦接連提出來狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。

狹義相對(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，這同樣也是幫助我們研究宇宙的強(qiáng)有力的工具。因?yàn)楠M義相對(duì)論的兩個(gè)基本假定：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，打破了?jīng)典力學(xué)的局限性，幫助我們更好的研究更復(fù)雜的問題。

相對(duì)論是近代物理學(xué)的第一大基石，第二大基石是由普朗克，薛定諤等物理學(xué)家在1915-1917年創(chuàng)立的量子力學(xué)。與經(jīng)典力學(xué)不同，量子力學(xué)是研究物質(zhì)世界微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支，量子力學(xué)從根本上改變?nèi)祟悓?duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解。說到量子力學(xué)，不得不提薛定諤的經(jīng)典思想實(shí)驗(yàn)：薛定諤的貓。盡管連量子力學(xué)的創(chuàng)始人也認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是荒謬的，盡管這還是一個(gè)充滿質(zhì)疑的學(xué)科，但不可否認(rèn)的是，量子力學(xué)是物理發(fā)展史上的重要的一步。量子力學(xué)的本質(zhì)是什么，還需要時(shí)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(xué)發(fā)展首先遵循一個(gè)很基本的規(guī)律，就是層層深入。從宏觀到微觀，從低速到高速，都是如此。發(fā)展的另一規(guī)律，就是理論的統(tǒng)一，無論是弱電統(tǒng)一理論，還是強(qiáng)、弱、電磁三種作用統(tǒng)一理論，這都反映了理論最終走向統(tǒng)一的一個(gè)趨勢(shì)。也曾出現(xiàn)過例如有人將弦理論作為終極大統(tǒng)一理論，但無法得到充分的認(rèn)可，愛因斯坦后半生也有很大一部分的精力放在尋找這個(gè)理論上，但難度是顯而易見的，但這種統(tǒng)一的趨勢(shì)是毋庸置疑的，這也是我們?cè)谖锢韺W(xué)研究歷史上一個(gè)至關(guān)重要的問題。

著名的物理學(xué)李斯莫林曾寫過一本名為《物理學(xué)的困惑》的書籍，在一定程度上反映出了物理學(xué)現(xiàn)在發(fā)展的一些問題?；蛟S可以這樣說，現(xiàn)在前沿物理的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一段瓶頸期，無論是從基礎(chǔ)理論上說還是應(yīng)用物理上說。在我看來，主要原因主要有兩個(gè)，一是在基礎(chǔ)理論方面，難以取得突破性的進(jìn)展，或者說某些最前沿基礎(chǔ)理論已經(jīng)超出人類目前認(rèn)知范圍，就像在《贍養(yǎng)上帝》這篇小說中提到的，“上帝”為人類帶來了足夠理論基礎(chǔ)，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(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，應(yīng)用也就無從談起;而物理的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)，隨著物理的深入，所需的數(shù)學(xué)理論知識(shí)也越來越復(fù)雜，在某些問題上，比如表達(dá)式的表示，或者結(jié)果的推導(dǎo)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)計(jì)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(gè)非常嚴(yán)峻的問題。

人類在研究物理學(xué)的道路上，還任重道遠(yuǎn)，還有太多太多需要我們?nèi)ヌ剿?，這個(gè)探索也必將永不停止，因此，物理永遠(yuǎn)都不會(huì)過時(shí)。