物理，不只是定理和公式

李登仟

大家都知道，美国的三位物理学家因在引力波探测方面的突出贡献，获得了2017年的诺贝尔物理学奖。其实，不管是如此“高大上”的引力波还是荡漾在湖水中的水波纹，它们都蕴含着各自美妙的物理学知识。然而，近日有媒体报道，在实行新高考改革的上海，选择物理科目的考生仅占总数的30%；浙江的近30万考生中，选考物理的也只有8万人。物理学科被考生“嫌弃”，这与曾经流行的“学好数理化，走遍天下都不怕”的口号形成鲜明对比。爱因斯坦表示不服，牛顿表示不服，就让这篇文章带领各位同学，再去物理学的世界畅游一番，你会发现，物理绝不只是定理和公式！

经典物理学：衣食住行先解决

一般而言，我们把19世纪末以前的物理学都称为经典物理学，它主要是由伽利略、牛顿、麦克斯韦和玻尔兹曼等人建立起来的；而相对论又可以分为狭义相对论和广义相对论，这绝大部分都是爱因斯坦建立起来的；至于量子力学，它主要是由普朗克、海森堡、薛定谔和泡利等人所创建的。

经典力学主要由伽利略和牛顿打头阵，其中最著名的便是“牛顿三定律”了。如今，我们生活环境中运动的物体都无时无刻不在遵循着牛顿三定律。打个比方来说，当我们用手抛出篮球时，在不考虑空气阻力的情况下，我们可以根据牛顿力学精确地算出你是否能投中篮筐。

光学主要是由惠更斯和牛顿发展起来的，不过他们两个是“冤家”，因为惠更斯主张光具有波动性，而牛顿则认为光具有粒子性。从光的反射和折射现象的确能让光具有粒子性的学说站住脚，但是光的衍射、干涉等现象却说明了光的波动性。尽管他们的观点最终都被德布罗意的“波粒二象性”所终结（有兴趣的读者可以进一步研究学习），但是由牛顿和惠更斯发展的几何光学却影响着物理学的进程。

伽利略通过一块凹透镜和一块凸透镜制成折射式望远镜，从而将人类的视线引向了宇宙；牛顿通过三棱镜，将自然光分解成了五颜六色的光，三原色的面纱逐渐被揭开。而列文虎克则通过对一块镜子不断研磨，制成了放大镜，打开了微观世界的大门。

提及天文学，首先应该提及牛顿和开普勒，开普勒的三定律加上牛顿的万有引力定律让人们知道了为何月球对地球不离不弃，为何地球上有春夏秋冬。

每当有飞机从天上飞过时，我们应该庆幸于流体力学真的起作用了。直升机可以依靠着牛顿第三定律——力的作用是相互的，通过螺旋桨高速旋转向下推动气流获得反作用力而飞行，但是具有固定翼的民航客机或战斗机却是依靠着伯努利原理——流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，来获得向上的升力，进而展翅翱翔在天际。当然流体力学的应用不止于此，还有小到液体的各种计量仪器，大到海洋环流的监控预测。

民以食为天。每当吃到热腾腾的饭菜时，我们却未曾想过，饭菜通过燃气加热的物理机制。当燃气点燃时，火焰中大量高速运动的分子便开始猛烈地撞击锅具底部，组成锅具的分子受火焰分子的撞击也开始躁动起来，锅具内部表面开始发烫（其实是锅具的分子狂乱地运动）。这时，组成饭菜的分子受锅具内表面的分子撞击也开始活跃起来，不久，饭菜便由冷变热了。液态的水经过高温可以对大米不断“轰击”，让饭菜软化，多余的水则逃逸了。所以，热力学影响着我们的温饱啊！

最后，粉墨登场的便是电磁学啦！说起电磁学，我们不应该忘记法拉第和麦克斯韦。前者从实验上证明了电磁可以相互转换，后者从理论上做出了完美的解释并预言电磁波的存在。当麦克斯韦预言了电磁波存在后，赫兹便在实验室中证实了它的存在，而贝尔则将电磁波运用到了电话通信上了。

乍一看，有了经典物理学，我们的衣食住行已经完全可以得到保证了，但是似乎好像天上的卫星、地上的手机电脑等并未提及。别急，相对论和量子力学来了。

相对论：来，重新认识一下时间和空间

当人们谈论到相对论的时候，最先想到的应该是爱因斯坦。的确，不管是狭义相对论还是广义相对论，都是由爱因斯坦一手创建的。

狭义相对论适用于高速运动的情况，尤其是微观粒子的高速运动，这里的高速是指粒子的运动速度能够接近光速。当粒子的速度接近光速的时候，相对论效应便会显现出来。

提及广义相对论，人们的目光应该会转向近年来LIGO所探测到的引力波。为什么引力波一经发现，就在全世界范围内引起轩然大波呢？因为引力波作为广义相对论的最后一块尚未被证实的拼图，引力波的探测能够让我们从以往只能依靠天文望远镜观测宇宙，转变为可以通过引力波来探测宇宙中星体的分布。更重要的是，黑洞这个只吸收光却不辐射光的物体无法通过光学望远镜探测到，却可以通过引力波来探测到。

广义相对论可作为描述物质间引力致使时空弯曲的一种理论，虽然牛顿的万有引力定律在不太精确的程度上仍然适用，但是用广义相对论来描述引力更加精确而已。

量子力学：是时候重新思考你的人生了

最后出场的应该是改变人类文化进程的重量级嘉宾了——量子力学。对于物理学专业的学生来说，他们之间常常流传着这样一句话：不自量力的含义是什么？不要自学量子力学！费曼也曾说过，“如果有人对量子力学不感到困惑，那么他一定没有懂量子力学”。就连爱因斯坦也曾因对量子力学的概率性感到迷惑不解而认为“上帝不会掷骰子”。量子力学理论却认为粒子过去的行为会基于我们所看到的而发生改变，也就是说，宇宙每时每刻都在发生变化。

不过，就这么让人捉摸不透的量子力学，造就了诸如半导体、石墨烯、超导体等材料。我们今天使用的手机、电脑、量子卫星、粒子加速器等都是量子力学的现代化产物。

只要是电子产品，都会涉及到量子力学的产物——半导体。不管是手机还是电脑上的主板，都会有集成电路，而半导体渗入到集成电路的每一个角落。半导体不仅仅可以导电，它还可以发电，屋顶上的太阳能面板就是依靠着半导体硅吸收太阳光而发电的。

毫无疑问，半导体是凝聚态最具有代表性的产物，但是凝聚态远不止于此。半导体渗入到我们的生活中，我们才能如此接近量子力学的产物，而作为粒子物理学最具代表性的产物——大型粒子加速器和对撞机来说，离我们就遥不可及了。

对物理学的范畴有了一定了解后，我们对现实世界的认识似乎更加明朗了。别急着高兴，现如今仍有乌云笼罩在我们的周围。尽管引力波能够探测到黑洞的质量和黑洞的所在位置，但是我们仍然不清楚黑洞的内部结构。现有的理论也无能无力，而物理学家们也在试图将量子力学和广义相对论相结合，但是仍毫无进展。此外，也许你并不知道这样一个事实：在宇宙中，我们所不能看到的暗物质和暗能量占據着宇宙的95%，这意味着我们对整个宇宙的认识可能5%都还不到呢！这还不够激起你学习物理的兴趣？这可关系到你的人生和你的子孙后代呀！endprint