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但两者区别甚大科学有话说：一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的原创2019-08-28 17:43·郭哥聊科学我们从初中就开始学习物理不知道小伙伴们有没有考虑过物理学究竟是在研究些什么东西可能会有小伙伴说物理就是研究力、热、声、光、电……等等啊这么说当然也不能算错但是你只说出了物理的一些侧面其实物理的最终目的是想发现这个世界运行的最本质上的规则没错就是规则发现规则又是个啥意思呢我打个比方就好比让不会下围棋的人去看下围棋通过看棋来学习下围棋没有人教没有人告诉我们围棋的规则是什么能不能学会我不知道但是通过大量的看别人下棋肯定会发现一些规律是吧其实物理就是这样我们一群人当中聪明的那部分在观察自然的运作规则的时候发现的规则多的或者是那些掌握了规则多的就成为了物理学家图1 牛顿在几百年前这些最聪明的人中有人提出了一种发现宇宙下棋规则的方法这个方法就是观察、推理、实验和数学描述后来的人把这个方法叫做科学方法物理学家们企图利用这个方法去发现宇宙这盘棋的全部规则来还原出一个完整的宇宙是如何在这个规则下变成今天这个样子的本文就来做一下这样的尝试通过对宇宙的经典规则的探讨来描述一下物理学究竟都是在研究些啥经典宇宙的样子经典的宇宙是活跃在欧几里得几何所描绘的三维空间之中事务在叫做时间的媒介中变化舞台上的基本元素是粒子比如原子它们有很多自身的属性第一个属性是惯性：如果一个粒子在运动它将继续沿同一个方向运动下去除非它受到力的作用嘿嘿有没有很熟悉啊对啦这就是牛顿第一定律也叫做惯性定律图2 石墨烯微观结构第二个基本元素就是力当时（1920年之前）物理学家们认为力有两种：第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些另一种当时已知的力是一种长程相互作用一种变化平缓的、悄悄的吸引力与距离的平方成反比叫做万有引力万有引力定律很简单如果您还不了解可参考一下我的专栏@今日头条专栏零基础物理学入门——力学篇作者：郭哥论道9.9币11人已购查看当然了那时候关于物体为什么会保持运动状态以及为什么会存在万有引力定律大家还都是不知道的即使是现在其实也还没有完全搞清楚虽然发现了上帝粒子但是科学家同样发现并不是所有的质量都是由上帝粒子贡献的这个不是本文的话题这里不多讨论了总之我们是发现粒子运动的一些规律的图3 风力发电（大量分子定向运动）按照当时的观点对物质的描述气体和实际上一切物质都是大量运动着的粒子这样我们可以把很多身边的事物之间的关系建立起联系比如压强它来自粒子与容器壁或别的什么东西的碰撞粒子的移动如果平均而言沿着一个方向运动那就是风；而无规则的内部运动就是热大量的粒子聚集在一起使密度超过平均值它们将成堆的粒子不断向外散开这就生成了波这种过剩密度的波就是声音能够理解这么多的事务这是一个重大的成就这些都会在我的专栏《零基础物理学入门——力学篇》里面有介绍那时候的科学家们认为粒子的种类有92种我们现在已经知道的元素种类已经超过110多种这些不同的粒子有不同的名称和不同的化学性质在化学反应中这些粒子的种类不变图4 同种电荷互斥超短程力面对着这些化学元素中的粒子我们都会很好奇为什么氧气分子是两个氧原子组合在一起而不是3个或者是4个原子之间相互作用的机制是什么是万有引力吗当然不是万有引力了它实在是太弱了但是想象有这样一种力它与万有引力相似也随距离的平方成反比变化但强得多并且有一个重要差别：在万有引力下一切物体都是相互吸引的但是现在想象存在有两类东西这种新力就是电力具有同性相斥、异性相吸的性质携带这样的强的相互作用的东西叫做电荷那么我们最终会得到些什么结果呢让我们把两个等量的异种电荷放在一起这很容易办到异性电荷相吸嘛一正一负紧紧地贴在一起我们再在距离它们一定距离之外放上另外一个电荷（第三个电荷）这个电荷会感到任何吸引吗它实际上不会感受到任何力的作用因为前两个电荷大小相等那么一个的吸引力和另一个的排斥力就会抵消因此在任何可观的距离上的力都很小图5 异种电荷吸引但是如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近就会产生吸引因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些并使同号电荷远离这样排斥力就将小于吸引力这就是由正电荷和负电荷组成的原子在它们相隔一个可观的距离时相互作用的力很小（万有引力除外）的原因当它们靠近时它们就能够相互看到内部重新安排它们的电荷结果它们之间就产生了很强的相互作用原子之间的相互作用的终极原因是电的作用由于这个力是如此之大一切正电荷和一切负电荷通常会结合成一个尽可能紧密的组合万事万物包括我们自己都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成正电荷和负电荷相互抵消偶尔我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子（当然了擦下来带负电的粒子要比较容易一些）这时候电力不再抵消我们就会看到电的吸引作用图6 摩擦起电实验电力比万有引力到底强多少呢考虑两粒沙子大小为1毫米距离30米如果它们之间的力不被抵消也就是说如果所有的电荷都相互吸引而不是同号电荷相斥因此没有抵消那么它们之间的力有多大呢有300万吨你瞧正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点就足以产生可观的电效应了当然这就是你（用非电学方法）看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及粒子数目如此之少它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别有了这幅图像原子就比较容易理解了人们设想在原子的中心有一个原子核它带正电并且有很大的质量周围环绕着一定数目的电子电子很轻并且带负电当然了现在我们都知道原子核本身也包含两种粒子：质子和种子他们的质量几乎相同非常重质子带电而中子不带电如果我们有一个原子它的原子核里有2个质子外面环绕着2个电子（通常的物质世界中的负电粒子都是电子它们比组成原子核的质子和中子轻得多）这是元素周期表中的第2号元素（或者说其原子序数为2）叫做氦第8号元素叫做氧等等因为化学性质取决于核外的电子并且事实上只取决于那里有多少个电子因此一种物质的化学性质完全取决于一个数电子的个数图7 元素周期表关于电力还有更多的发现电相互作用的一个自然的解释是两个物体简单地相互吸引正的吸引负的但是后来发现用这个概念来表示电相互作用并不恰当对电相互作用的一个更恰当的表示是正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的状态或在空间产生了一种新状态使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力这个产生力的潜在可能性叫做电场把一个电子放进电场它就会受到一个拉力于是我们就得到两条规则：1、电荷产生一个电场2、电场中的电荷会受到力的作用而运动讨论下面的现象用电场来表示电作用的理由就更清楚了如果我们使一个物体比如一根玻璃棒带电（哈哈之所以用这个案例是因为我们初中的时候学习摩擦起电就是用的这个道具）然后把一张带电的纸放在离玻璃棒一段距离外前后移动玻璃棒纸片会有反应总是指向玻璃棒如果把玻璃棒摇动得更快就会发现纸片的运动要落后一些即作用有所滞后（在第一个阶段当我们相当慢地移动玻璃棒时我们还看到一种并发症那就是是磁做相对运动的电荷必定有磁作用因此磁力和电力实际上可以归结为一个场就像同一事物的两个不同侧面一个变化的电场不可能离开磁场而存在）图8 太阳风的带电粒子和地球磁场的猛烈作用如果我们把带电的纸片移动到更远的地方滞后就更大这时观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化但却发现当我们摇动一个电荷时其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多这就是说这个效应下降得比平方反比律慢现在让我们一起来做一个小实验：在一个水池里近旁有一个漂浮的软木塞用另一个软木塞划水可以直接使前一个软木塞运动如果你只注意看两个软木塞你将会看到一个的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种相互作用当然实际上我们所做的是搅动水然后水再去扰动另一个软木塞我们可以建立一条定律；如果轻轻划动水水里邻近的物体就会运动如果第二个软木塞离得更远它就几乎不动因为我们只是局部地搅动水反之如果我们使软木塞上下运动就发生一种新现象水的运动带动了周围的水形成了向外传播的波波的效应它无法从直接相互作用的观点理解因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念或者在电的情况下代之以所谓的电磁场图9 电磁波的各个波段应用电磁场能够传送范围广泛的波；其中一部分是光波别的则用在无线电广播中它们总的名字是电磁波这些震荡的波可以有各种频率一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于震荡的频率如果我们把一个电荷摇动得越来越快看它产生的效应我们将得到整整一系列不同的效应它们由一个数即每秒钟的震荡次数统一在一起建筑物墙上的电线中的电流产生的干扰信号的频率大约是每秒50周左右如果我们把频率增加到每秒500或1000千周那就是无线电光波所用的频率范围英文中正在广播是on the air当然广播和空气（Air）毫无关系没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播如果我们再次提高频率我们就登录了调频光波和电视所用的波段频率进一步增高就是短波例如雷达用的波频率再高就不需要用仪器来看这些波了我们可以用肉眼来看在5*10^14~5*10^15赫兹的频率范围内只要我们能把玻璃棒摇得这么快我们的眼睛能够看见带电玻璃棒的振荡图10 电磁波谱我们将看到红光、蓝光或紫光以它们的频率而定低于这个频率的叫做红外光高于这个范围的叫紫外光从一个物理学家的观点看我们能够看见特定频率范围的的波这一个事实并不会让这一段电磁波谱比别的波段更特别但是从一个人的观点看当然这个波段更令人感兴趣如果频率再高我们就得到X射线X射线不是别的只不过是频率很高的光频率再高就得到伽马射线X射线和伽马射线这两个名称几乎是当做同义词来使用通常把从原子核发出的电磁波射线叫做伽马射线而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线但是不论它们起源在那里它们的频率相同时在物理上是无法分别的频率更高的波比方说10^24赫兹我们可以人工生成比方用同步加速器在宇宙射线中我们可以发现频率极高的波其震荡频率甚至更快1000倍这些波我们目前还不能控制图11 宇宙中的伽马射线暴到这里本文就写完了可能有些小伙伴觉得文章写得很散所以我还需要总结一下其实本文的所要表达内容就是在经典物理学的范围内对1920年之前科学所作出的成就对我们这个世界的理解做一般阐述从而表达出物理学的最终目的是要做什么小伙伴们您明白了吗如果您还有什么疑问欢迎在文章的评论区里面留言讨论#这很科学#