第一章 概述物理学的世纪

1.1 一百年前，我们知道什么

本书讲述的是现代物理学，也就是20世纪以来的物理学。在展开介绍之前，我们先来看一看：20世纪之前，物理学已经有了哪些进展？

牛顿力学，大家应该很熟悉了，我们简单回顾一下。牛顿三定律：一切物体在没有受外力作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态；物体如果受到外力，那么加速度等于力除以质量；作用力与反作用力大小相等、方向相反。外加一个万有引力定律：物体间的引力服从距离平方反比规律。

牛顿力学为什么这么重要？为什么考试的时候占很多分？为什么课堂上一定要学牛顿力学呢？因为牛顿力学可以说是现代科学技术的基础。不仅如此，牛顿力学还重塑了科学的思维方式。我们讲牛顿，其实讲的是以牛顿为代表的、从伽利略开始到牛顿的一系列科学家，他们让我们的思维完全不一样了。

在牛顿之前的亚里士多德时代，人们认为这个世界是什么样子的呢？亚里士多德认为，这个世界存在一个“月下界”，即我们日常生活的经验世界，遵守我们日常的规律。另外，还有一个“月上界”，本意是指月亮之上。月亮之上，“不知天上宫阙，今夕是何年”。当时的人不知道月上界到底有什么样的物理规律，只知道那上面的东西都是永恒的、不可朽坏的、一直在运动的。这是亚里士多德那个时代的物理学。

其实，那个时候根本没有“物理学”，有的是“自然哲学”。但是，到了以牛顿为代表的物理学家的时代，通过牛顿三定律、万有引力定律，牛顿发现：原来苹果落地和天上星星的运动实际上是服从同样的物理规律，并且这种物理规律可以纳入一个数学框架之中，即微积分的数学框架之中。

牛顿力学中最困难、最具革命性的就是：洞察到了这样一个物理学的框架以及它背后的数学结构。这是非常难的，这种“难”不是说其中哪一个定律难。学牛顿力学的时候，我们会感觉，好像这些定律挺自然的啊。确实，其中的每一个定律，没有牛顿，可能也有马顿能发现出来，但是这个数学框架确实是一个革命性的、非常困难的发现。有多难呢？我借用曹操的《秋胡行》来描述：

晨上散关山，此道何其难！

就是这么难。这句诗的下一句大家知道吗？“牛顿不起，车堕谷间。”当然，那个时候曹操不是这么想的。这是我们马后炮的玩笑话，借此表现一下牛顿的科学贡献。

牛顿力学把物理学的王国首先划分出了一片疆域。但是，那个时候并不是所有的物理学都可以用牛顿力学来描述，比如：电现象、磁现象，牛顿力学描述不了。其实，关于电和磁，人们早就知道了，比如说电，天上“库叉”打一个大雷，打到池塘里，池塘里的鱼被电死了，这个现象在5000年之前就已经有文字记载了。磁现象也是如此，比如中国古代四大发明中的指南针就是利用了磁现象。但是，古代的人们认为电现象和磁现象完全是割裂的，不知道它们之间有什么联系。直到200年前，人们开始发现，原来电现象和磁现象是有联系的。电荷动了就可以产生磁；磁场动了又可以产生电。电动生磁，磁动生电，这是一个让人非常惊奇的发现。

为什么说它让人非常惊奇呢？在古人生活的那个时代，一边是天上一个雷把池塘里的鱼打死了，另一边是人们在用指南针去找方向，这两件事情之间看不出任何关联，直到人类发现了电和磁的联系——电磁的感应，我们才找到了这两件事情之间的关联。这就是物理学的威力。

现在，人们不仅找到了电和磁之间的关联，学到相对论的时候，我们还会发现，这两件事情不仅关联在一起，电和磁其实是同一事情的两个方面。什么叫同一事情的两个方面？比如说手有手心和手背，电和磁就是同一个事情在时间和空间上体现出来的两个方面。那么，电和磁为什么之前不能纳入牛顿力学的体系当中呢？一个很大的原因就是，电和磁可以更好地用“场”的观点来描述。场的观点是法拉第提出的，在现代物理中，“场”是比“力”还要重要的一个观点。

什么叫“场”？我们说一个人有气场，就是说这个人还没有走到你面前，但是他的气势已经扑面而来，这叫气场。当然，气场是我们的一个想象，但是电场和磁场是真实存在的。比如，我拿着一个磁铁靠近你，这个磁铁还没有到你的面前，但是磁铁的磁场在你周围就已经客观存在了。磁场，如果足够强，甚至可以让你飘起来，这就是磁悬浮青蛙以及磁悬浮列车的原理。

法拉第提出了场的概念，但是法拉第并没有通过数学工具描述场的概念，描述场如何运动、发展变化。这个数学工具是麦克斯韦提出的，也就是麦克斯韦的电磁场方程组。麦克斯韦电磁场方程组不仅能描述电动生磁、磁动生电现象，还发现两者动来动去，无穷匮也，可以发出电磁波。然后，赫兹做实验验证，电磁波其实就是以前我们熟悉的光。由麦克斯韦方程组一算，电磁波的速度是每秒约30万千米。

这个事情就很奇怪了。为什么奇怪？我们知道运动是相对的，讲运动，先要有一个参考系和一个参照物。那么每秒30万千米这个速度，它是相对于哪一个参照物来说的呢？麦克斯韦说，我算出来的速度就是每秒30万千米，与参考系无关。这个事情就很奇怪。为什么？下文再讲。

回到1900年，回到世纪之交的时候。上文介绍了在这个世纪之交之前物理都有什么。现在有一个问题是：如果我们是那时的物理学家，还有什么物理可以研究呢？当时，据说开尔文勋爵做了一个演讲，演讲的主旨是：那时的物理学可以看成是蓝蓝的天空上飘着两朵乌云，一朵是黑体辐射，另一朵是光速不变。

这个传闻令人奇怪。我们一般说“蓝蓝的天上白云飘”，或者说“在苍茫的大海上，狂风卷集着乌云”。谁听说过蓝蓝的天上飘着两朵乌云呢？什么叫乌云？乌云是光学深度很深的云，简单说就是很厚的云。在晴朗天空的背景之下飘着两朵很厚的小云，这不是很奇怪的事情吗？

这两朵乌云，可能没那么小；当时物理学的天空，可能也没那么蓝。出于这个疑惑，我查找了一下原文，想看看开尔文勋爵的原文是怎么说的。当时的讲话已经无据可考了，但是他后来将自己的讲话整理成文章发表。文章现在是可以找到的，标题如下：

Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light

标题后边是一大串署名。署名虽长，其实就是一个人的名字，只不过名字比较长。这个人就是开尔文勋爵。他的名字为什么那么长？名字长说明他有范儿。我们想想在《三国演义》中，三顾茅庐时的刘备是怎么讲的。刘备说：“汉左将军宜城亭侯领豫州牧皇叔刘备特来拜见先生。”诸葛亮的书童一翻白眼，说：“我记不得许多名字。”“好，就说刘备来访。”所以说，名字长就是有范儿。

再回到这个文章标题。标题中只说了乌云，但是并没有说蓝蓝的天。为什么没有说蓝蓝的天？因为当时开尔文勋爵其实并不认为物理学是万里无云的，而是只有一小朵、一小朵的乌云。开尔文勋爵实际上很清楚地意识到，物理学当时有很大的问题。但是，当时有很多其他物理学家认为物理学是那种蓝蓝的天上万里无云的状态，比如著名物理学家迈克耳孙。

迈克耳孙当时讲，物理学的研究已经基本上完成了，物理学家接下来的任务就是把物理量测得更精确，精确到六位有效数字。于是，迈克耳孙就身体力行去测光速，测到六位有效数字后发现：光速真的是不变的，不依赖于参考系，不依赖于观测者的速度。这就很神奇了。这就是其中的一朵乌云。

另一朵乌云—黑体辐射是什么呢？比如说包大人包拯的脸，黑得都看不见，但是你可以用非接触式温度计去测他的体温，这就是黑体辐射，也就是另一朵乌云，我们下文讲光和量子理论的时候再提。

两朵乌云这个描述是开尔文提出的，但是他并没有说蓝蓝的天空。蓝蓝的天空是别人说的。为什么都归到开尔文的名下，这是物理学讲课时候的一种简化，不是每个人都愿意在讲到两朵乌云的时候解释一大堆，所以就把其他人的观点也放到了开尔文的名下。那么，为什么放到开尔文勋爵的名下呢？因为他名字长。

回到1900年。站在1900年展望，以后会有什么样的物理学？开尔文看到两朵也好，两片也好，他看到了乌云。现在回头看1900年到现在的发展历史，我们会发现：1900年时，人们实际上只看见一小片的天，这一小片的天就是牛顿力学和电磁学。这一小片天是蓝的，在这一小片天以外，别的地方可以说是乌云密布，并且从后面来看，每朵云彩都下雨。

有哪些云彩呢？从那一小片蓝蓝的天往外扩展一点，我们可以看到更快的，更高的，更强的，更小的，更多的，更大的。更快说的是狭义相对论，更高说的是高能物理，更强说的是非线性科学，更小说的是量子力学，更多说的是凝聚态与统计物理，更大说的是宇宙学。

现代物理学百年漫谈就是围绕着更快，更高，更强，更小，更多，更大展开的。