《大学物理课程》绪论（导论）

日期：2017-06-14 已浏览296次

 

一、什么是物理学

物理学是研究自然界物质的基本组成，物质的基本运动，以及物质之间相互作用规律的学科（或科学）。

在古希腊，将人们对自然现象的观察与思考统称为自然哲学，比如1687年牛顿著名的《自然哲学的数学原理》。后来随着学科的细化和分化，才有了某一具体学科。在中国，20世纪前的物理学常被译成“格物学”或“格致学”。它源于《礼记·大学》，“格”有标准、规格、推究、阻碍之意。先“格物”，而后致知、致理、致学，意思是说只有反复思考推究，方知物之本末，事之始终。我常说的物-悟-务-理或见物思理（睹物思理）也是此意。归根到底，物理学乃纵观世间百态，穷尽万物之理。

物何在？在宇宙间。物质存在的唯一方式是运动，世上没有不运动的物质，也没有哪一种运动不与物质相干。运动就离不开空间和时间，简称宇宙。宇-空间，宙-时间，也可以说存在和运动即是物理学的研究对象。

宇（空间尺度）为,分微观、介观、宏观、宇观四个等级，构成蛇吞尾结构，夸克至150到200亿光年的距离。

宙（时间尺度），玻色子寿命到宇宙寿命（约150亿年）。

注：这只是目前能计算或推测的范围，随着研究的不断深入，还将有所改变。

二、学科划分及发展史

按物理学自身特点分期，既能反映其内在的逻辑特质，又可兼顾社会经济形态，采用二分法。

1.按时间顺序划分

    ①经验物理（17世纪前）。中西方同为中心，遥相呼映。主要通过直觉观察和哲学猜测性的思辨形成的。

②经典物理 （17世纪至19世纪下叶）。以牛顿力学、能量守恒（热力学）、电磁学为支柱，经典物理大厦近乎“完美”。促进了社会生产和社会生活的技术革命（先是蒸汽机，后有电报电话等）。进而又反过来推动物理学的发展。

③近代物理（19世纪末至20世纪初）。x射线、电子、迈克尔逊-莫雷实验、黑体辐射实验等一系列重大发现，使经典物理受到冲击和挑战，一场前所未有的时空观和物质观革命由此拉开序幕。相对论和量子力学的建立，更是促进了天体物理学、现代宇宙学、粒子物理学及相互作用理论的飞速发展，也导致了核技术、激光技术、空间海洋技术、红外探测技术等的诞生。

④现代物理（20世纪中叶至今）。物理学的移植、渗透，产生诸多衍生学科，并且学科间大量交叉融合，使物理学的应用范围空前拓展，进入后发展时代，其结果可能远远超出我们的预期。

总之，科学的发展，技术的进步，无不与物理学理论的创新息息相关：上至火箭飞天，下到地矿钻探，大到浩瀚宇宙探秘，小到基本粒子研究，凡此种种，都是物理学天空中的凡辰点斗，其中的物理思想无处不在，物理规律无所不及。离开物理，人类的美好愿景与期待将是永远难见曙光的遐想。

2.按认知规律划分（五次综合统一）

①力学的“天地综合统一”。以开普勒、伽利略、牛顿为杰出代表，前后经历了80年。万有引力规律和牛顿运动定律的诞生伊始，就成为经典力学的核心，将天地事物整合在一起。其物理思想和科学的研究方法（思想性实验法）光耀乾坤，显示出天地唯我独尊的豪迈气概。

②各种运动形式的综合统一。热学（热力学与统计力学）的发展推动了能量转换与守恒定律的建立，成为指导人类认识自然、改造自然并与自然和谐共处、相生相长的至高无上的法则。

③电、磁、光三种运动形式的统一，导致了物理学第三次大综合。其代表人物是库仑、安培、法拉第、高斯、麦克斯韦。特别是法拉第场概念的提出具有里程碑式的意义，为麦克斯韦电磁场理论（被誉为上帝谱写的凯歌）的确立奠定了坚实的基础。与此同时，麦克斯韦预言（断言）光就是电磁波（波动属性）。

④时空观的综合统一（高低速运动的综合统一）。爱因斯坦甚至不屑迈克尔逊-莫雷实验（两朵乌云之一）和洛伦兹变换的存在，苦苦思索10年，依靠哲学这盏指路明灯，另辟蹊径，提出光速不变原理和广义的相对性原理，建立了相对论。

⑤物质观的综合统一（连续性与量子性的综合统一）。紫外灾难（另一朵乌云）遮天蔽日，普朗克在黑暗的黑体辐射迷宫中跌跌撞撞6年有余，终于打破连续性羁绊，提出能量子假说，找到黑体辐射公式，拨云见日。

如今，基于电弱统一理论的启发和人类对自然的一贯认识态度，我们有理由相信，集四种相互作用于一体的大统一理论一定会成为物理学家族中的正式成员。因为我们坚信：自然界是完美、和谐、统一和对称的。

三、物理学的地位与作用

物理学是一切自然科学的基础，是工程技术的先导，它的发展，无时无刻，无处不在的影响着人类对自然的认识、改变着人类的思维方式、改变着世界的面貌。

1.物理学的基础地位

物理规律本身具有唯一性和准确性。由于简洁精致数学语言作为其表现形态，使它的严谨、准确和唯一得到保证。这也奠定了物理学的基础地位，使它成为一切自然科学的基础学科……。换言之，自然界中，一切脱离物理规律的事物一定是伪科学。即使一些现象用目前已有的认知规律无法解释，那也只能说明新的规律还有待发现、我们的认识还有待深化和拓展。20世纪初，物理学天空中的两朵乌云就曾一度甚嚣尘上。

2.影响社会科学的发展

哲学是关于世界观的学说，是自然知识和社会知识的概括和总结，是对自然和人类社会总的看法，其根本问题是思维和存在，精神和物质的关系问题。物理学所揭示的正是自然界物质和存在的规律，因此，从物质决定精神，存在决定思维的角度看，物理学的研究成果或重大发现与变革，无疑从根本上影响着人类的思维和精神。

人类对物质世界最基本的看法左右着人类的物质观、自然观和宇宙观。物理学的发展过程就是人类对物质世界的认识过程。自然地，物理学就成为建立科学的世界观和方法论的基础。物理学上每次重大发现、规律的建立，都是认识和认知史上的一次大飞跃。时空观、物质观、宇宙演化理论、熵概念的推广等，都是科学发展的基础，更是人们认识自然、改造世界、促进社会科学发展的动力和源泉。仅举一例：2003年春天，北京被非典袭扰，何时非典休矣，物理学家用经典物理模型和数据处理方法给出答案，当年5月预测，至6月上旬为止，新增病例将下降至1人左右，事实果真如此。

费曼说：“物理学是当代真正文化的主体”，物理与文化和我们息息相关。

3.物理学是技术的先导

     几乎无一例外，物理学上的重大突破无不导致科技的变革乃至军事科技的革命。反之，技术日新月异的发展，又促进物理学在理论上产生一个又一个突破。不一一列举。

四、物理学的科学思想和研究方法

科学思想是一种思维规范，是人类精神文明的重要组成部分，是形成科学世界观的重要源泉。具有强烈的时代性、社会性和进步性。

    （一）科学思想

1.自然科学的唯物主义思想

    自牛顿的机械唯物主义开始，承认物质存在及运动，但有永恒论（原子不可分）和决定论（因果关系）的阴影。包括焦耳、克劳休斯、法拉第，尤其是麦克斯韦试图将电磁场纳入经典力学框架中。“以太”说更是机械唯物主义的典型案例（可以简要介绍）。直到普朗克、爱因斯坦时代，这种机械唯物主义自然观才被彻底改造。

2.物质世界的统一性思想

无论是中国古代的“五行说”，牛顿的万有引力与牛顿三大定律统一性，还是电磁的统一性，进而实现电磁光的再统一，直至爱因斯坦把低速和高速两种运动通过洛伦兹变换实现统一，到对大统一（强、弱、电磁、引力）理论的坚信和执着。统一性思想始终指导着物理学的发展。

3.发展变化和联系的思想

    辩证唯物主义认为发展变化是永恒的，物理学没有永恒的结论。经典物理大厦刚刚建立，物理学天空就出现“两朵乌云”；近代物理基石刚刚稳固，人们甚至还来不及陶醉，新技术又“异军突起”。发展变化和联系的思想将永远指引我们向科学的更高峰攀登。

   4.有条件的怀疑主义思想

      这是科学发展的动力之一，伽利略对亚里士多德落体定律和强迫运动定律推翻萌生了惯性定律（重物快，轻物慢；力是维持物体运动的原因），普朗克经十五年的犹豫和彷徨，最终还是向上帝谱写的凯歌发起挑战，菲涅耳愣是凭借光的圆屏衍射实验和理论计算结果向牛顿的微粒说发起挑战，并最终赢得了1918年法国科学院的征文大赛大奖，使光的波动说取得决定性胜利（已有百年之争）。

5.唯美的对称性思想

对称给人以圆满、匀称的美感。19世纪初，法国的伽罗华创立了对称性数学--群论。物理学家们更是以追求物理理论的对称性作为主要手段和途径：伽利略变换导致牛顿力学，洛伦兹变换导致狭义相对论，相空间变换的不变性导致了广义相对论……。其实，对称性具有多重性，低向高进化，且低层守恒条件苛刻，随着研究的深入，自然向我们展示的不仅是对称的一面，同时也揭示着非对称性的一面，即对称性的绝对性与相对性对立统一的辩证观念。

（二）研究方法

科学的研究方法具有丰富的内涵，常用的方法有观察法和实验法、还有理想的实验（思想性实验）、类比法、分析与综合法、归纳和演绎法、科学的抽象法、假设（说）法、模型法、数学法。

1、观察法

观察法可掌握可靠的第一手资料，但有局限，需通过实验补偿。

2、实验法

观察法是探索现象、总结规律的基本方法。分定性和定量实验，定性实验用于判定某种因素是否存在，各种因素间是否有关联。

3、理想（思想、想像）实验法

理想性实验也可以叫“想象实验”，是逻辑思维过程，不动笔，不耗材。因此，又叫思想性实验，但并非盲目的主观臆测，属理论研究方法。更深入、更抽象、更具可信性。惯性定律、落体实验、马赫想象中的上千米厚的水桶实验对牛顿转动的水桶实验进行批驳。批判其绝对空间和绝对运动观念，爱因斯坦列车实验否定了同时的“绝对性”，追光实验确立了光速不变原理（可以简要介绍）...

4、类比法

类比法也是常用的抽象思维方法，通过联想把未知的异常的事物与常态的熟知的事物对应。虽不完全可靠，但极富创造性。万有引力与磁力、电力...声波的衍射、托马斯·杨的光波与水波类比。但类比也有差异性，不注意该点，会陷入机械论泥潭。

5、分析与综合法

分析与综合是抽象思维的基本方法。分析-拆开，综合-集中。分析为了综合，综合是分析的归宿。

6、归纳和演绎法

归纳是由个别到一般，演绎是一般到个别的推理。有人说：物理学即是归纳和演绎的完美结合，定位恰到好处。

7.模型法

模型法是常用的理想化方法。基于对原型高度抽象、简化和纯化，以突出主要和本质的，并起决定作用的因素，以反映客观事物的主要矛盾和特征，形成模型。在此基础上将“物理模型”进一步数学化，找出量的关系和规律。

8.数学方法

数学方法是对自然描述的量化语言，没有数学的高度抽象，精确的推导，科学或真理的本来面目不会清晰地得以展现，缺少完美对称的数学方程，自然科学的完美型性和发展性将无法想象。

9.假说法。

假说法是根据已有的科学原理和事实，经理论思维过程（理性思维过程），做出假定和推测，并以此解释现象，因此，我开玩笑说，假说不是瞎说、遐想不是瞎想。因未经检验，所以只是一种假说，被直接或间接证明后，就将成为理论，如原理或定理定律。当然，定理、定律可能是假说的后续或间接的结果。

五、真与美—物理学（家）的最高境界

物理学是追求真理与完美的科学。正是科学家们对真理的热爱、渴望和不懈的追求，以及对自然界自身和自然规律的描述是完整、和谐、统一、对称的信念（完美更贴切），我本人也早就坚信并切身感受到物理学简单的朴素美、和谐的对称美、奇异的创新美。

1、和谐美：开普勒与“和谐”的哲学思想

“天空立法者”开普勒（德物理学家）用数学方法使物理学进入到当时的科学前沿。他相信上帝按着完美的数学原则创造了世界。1619年出版了《宇宙和谐论》，在第三篇中，他对全部的音乐和谐机制进行了研究，以说明宇宙的和谐是怎样神圣的体现在天体上：“人类心理（灵）舒服的倾听着和谐的声音，这种和谐的声音遵循的是宇宙和谐的相同法则，手工业者据此决定他们的锤子的节拍，士兵据此决定他们的步伐。只要持续着，一切就生机勃勃，一旦和谐受到扰乱，一切都松松垮垮。”

本人注：人类文明的缔造者、天地一统的开拓人——开普勒，创造了天地人和谐的乐章。他不是上帝，但却亲手送来了人类文明的曙光。我愿意在10位最伟大的物理学家名录中加上一个人的名字——开普勒，组成十加一阵容，他们是：开普勒，伽利略，牛顿，法拉第，麦克斯韦，汤姆逊，普朗克，爱因斯坦，波尔，薛定谔，霍金。

2、统一美：法拉第与自然力的“统一性”

作为实验物理学大师、电磁学大厦的奠基者，也坚信自然界是统一、和谐的、坚信自然力的“统一性”、不可毁灭的转化性。他在磁致旋光效应的文章中写道：“物质力所表现出来的各种形式具有共同的起源，...以至于它们能够相互转化并具有力的相当量。”

3、对称美：麦克斯韦与“对称、完美”的麦克斯韦方程组

1865年（我经常说1860年，也许和他第一篇论文有关，不过，这不重要），麦克斯韦完成了《电磁场的动力学理论》，提出了8个方程式组成的方程组，后经德国人赫兹和英国人亥维赛（幕后英雄）的两次简化成为今天的形式。其简洁性、完美性、对称性，使人们感到电和磁的对称与完美，表达了电磁理论严谨的逻辑关系，正确的推论，出色的理论规范。

这里，我还想加上一美，那就是简洁的朴素美，这正是因为数学语言的简洁精致和唯一，才使得物理学具有简洁的朴素美。正如伽利略所说：“如果不理解它（物理）的语言”没有人会读懂宇宙这本伟大的书。

4、集简单、和谐、对称、统一之大成：爱因斯坦与统一场论

“简单性”原则，要求理论本身具有最大的“逻辑简单性”，他（爱因斯坦）认为：“一种理论简单性越大，它的外延就越大。”他一生致力于统一场论。

    美的世界应由美的境界去发现和接纳，更要有美的语言表述和展示。简单、朴素、真实、和谐、平衡、完美、统一、对称、创新是科学发展、科技进步永不枯竭的源泉和动力。