西安大学生网

搜索
查看: 667|回复: 20

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的

[复制链接]
累计签到:1 天
连续签到:1 天

8

主题

15

帖子

40

积分

新手上路

Rank: 1

积分
40
发表于 2021-10-1 12:02:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

马上注册,结交更多好友,享用更多功能,让你轻松玩转社区。

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-1.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-2.jpg

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


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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-3.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-4.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-5.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-6.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-7.jpg

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。)

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-8.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-9.jpg

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,我们就进入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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-10.jpg

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。

科学有话说:一篇文章帮你搞懂物理学究竟是研究啥的-11.jpg

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#
累计签到:7 天
连续签到:1 天

7

主题

15

帖子

30

积分

新手上路

Rank: 1

积分
30
发表于 2021-10-1 12:02:33 | 显示全部楼层
精选[赞][赞][赞]#这很科学#
回复

使用道具 举报

累计签到:3 天
连续签到:1 天

2

主题

15

帖子

24

积分

新手上路

Rank: 1

积分
24
发表于 2021-10-1 12:02:46 | 显示全部楼层
学好物理学的。才能更好的见识自然规律的发现
回复

使用道具 举报

累计签到:6 天
连续签到:2 天

4

主题

15

帖子

34

积分

新手上路

Rank: 1

积分
34
发表于 2021-10-1 12:03:30 | 显示全部楼层
1.正量子力引力波。2.反量子力引力波。3.正量子力斥力波。4.反量子力斥力波。5.正反量子力万有引力波。
回复

使用道具 举报

累计签到:540 天
连续签到:17 天

109

主题

136

帖子

10万

积分

管理员

Rank: 9Rank: 9Rank: 9Rank: 9Rank: 9

积分
104959

推广达人优秀版主荣誉管理论坛元老

发表于 2021-10-1 12:03:39 | 显示全部楼层
至今研究了几百年的物理,却仍然不明白,物质从何而来
回复

使用道具 举报

累计签到:6 天
连续签到:2 天

4

主题

15

帖子

34

积分

新手上路

Rank: 1

积分
34
发表于 2021-10-1 12:04:09 | 显示全部楼层
物质是什么?
回复

使用道具 举报

累计签到:4 天
连续签到:1 天

4

主题

13

帖子

27

积分

新手上路

Rank: 1

积分
27
发表于 2021-10-1 12:04:43 | 显示全部楼层
写的不错。先学习了。也许能量或作用力也可逻辑生成。或许作用力也是一种物质,也可被物质变化。也就是说万有引力是万力之源。我们也可这样认为构成世界的基本物质。他们在形成新特性后本身仍保持有原始性质,还带有万有引力,和其它物质间基础物质仍能相互作用。就像人,无论组织什么团体,团体性质如何。人与人仍保持自己和相互性质。
回复

使用道具 举报

累计签到:1 天
连续签到:1 天

1

主题

12

帖子

14

积分

新手上路

Rank: 1

积分
14
发表于 2021-10-1 12:05:25 | 显示全部楼层
经典物理!
回复

使用道具 举报

累计签到:6 天
连续签到:1 天

3

主题

15

帖子

23

积分

新手上路

Rank: 1

积分
23
发表于 2021-10-1 12:06:13 | 显示全部楼层
请问楼主,贵校物理系本科阶段大学物理学教材是哪个版本?
回复

使用道具 举报

累计签到:1 天
连续签到:1 天

3

主题

13

帖子

22

积分

新手上路

Rank: 1

积分
22
发表于 2021-10-1 12:06:23 | 显示全部楼层
现代物理学已变成伪科学
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表