初識物理

刁楚涵

“物理”一詞，在文言中原意為“世間萬物的運行規律和法則”，這也與它在科學上的定義大致相同，就是事物的內在規律或道理，是幫助我們研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科，我認為它是“探索世界最本質”的一項工作，而歷史上無數的物理學家，正是一生都致力于探索世界最本質。

物理作為一門最基本，最重要的自然學科，研究的內容上至宇宙，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射了無數的“智子”，干擾試驗，使物理規律在時間和空間上不均勻，宇宙普適的物理規律不存在，來封鎖人類科學技術的發展，以至于在幾個世紀以來，人類都無法在物理方面取得突破性進展。雖然這只是科幻小說中的情節，但也有其重要的現實意義：物理對于人類發展的重要性。

物理學的發展有兩個奇跡年，一是1665年牛頓“站在巨人的肩膀上”，創立了萬有引力定律，同時創立了牛頓力學三定律，或許我們可以說，是牛頓第一次探索到了當時人們所認知的最深處，他所創建的經典力學體系也廣為流傳。經典力學所適用于低速宏觀的物體，因為這受限于它的兩個基本假定，一是時間和空間的絕對，物體的長度和時間與觀測者的運動情況無關，物質間相互作用的傳遞是具有瞬時性;二是一切被觀測的物理量在原則上可被無限精確的測量。但隨著人類對探索世界的不斷深入，因為它的兩個基本假定的局限性，經典力學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，也就是物理學上的第二個奇跡年，愛因斯坦接連提出來狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論的提出，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動規律，這同樣也是幫助我們研究宇宙的強有力的工具。因為狹義相對論的兩個基本假定：相對性原理和光速不變原理，打破了經典力學的局限性，幫助我們更好的研究更復雜的問題。

相對論是近代物理學的第一大基石，第二大基石是由普朗克，薛定諤等物理學家在1915-1917年創立的量子力學。與經典力學不同，量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的物理學分支，量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。說到量子力學，不得不提薛定諤的經典思想實驗：薛定諤的貓。盡管連量子力學的創始人也認為這個實驗得出的結論是荒謬的，盡管這還是一個充滿質疑的學科，但不可否認的是，量子力學是物理發展史上的重要的一步。量子力學的本質是什么，還需要時間來研究，而我們需要足夠的自信心，來拭目以待。

不難看出，物理學發展首先遵循一個很基本的規律，就是層層深入。從宏觀到微觀，從低速到高速，都是如此。發展的另一規律，就是理論的統一，無論是弱電統一理論，還是強、弱、電磁三種作用統一理論，這都反映了理論最終走向統一的一個趨勢。也曾出現過例如有人將弦理論作為終極大統一理論，但無法得到充分的認可，愛因斯坦后半生也有很大一部分的精力放在尋找這個理論上，但難度是顯而易見的，但這種統一的趨勢是毋庸置疑的，這也是我們在物理學研究歷史上一個至關重要的問題。

著名的物理學李斯莫林曾寫過一本名為《物理學的困惑》的書籍，在一定程度上反映出了物理學現在發展的一些問題。或許可以這樣說，現在前沿物理的發展已經進入了一段瓶頸期，無論是從基礎理論上說還是應用物理上說。在我看來，主要原因主要有兩個，一是在基礎理論方面，難以取得突破性的進展，或者說某些最前沿基礎理論已經超出人類目前認知范圍，就像在《贍養上帝》這篇小說中提到的，“上帝”為人類帶來了足夠理論基礎，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驗的驗證，應用也就無從談起;而物理的發展離不開數學，隨著物理的深入，所需的數學理論知識也越來越復雜，在某些問題上，比如表達式的表示，或者結果的推導，有時也會出現計算量大，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非常嚴峻的問題。

人類在研究物理學的道路上，還任重道遠，還有太多太多需要我們去探索，這個探索也必將永不停止，因此，物理永遠都不會過時。