内容简介
牛顿是怎样建立万有引力定律的？引力是超距作用吗？ 光速为什么不变？爱因斯坦为什么要提出相对论？ 电子是粒子还是波？薛定谔的猫到底是怎么一回事？ 宇宙大爆炸是怎样一步步建立的？暗物质与暗能量真的存在吗？ 物理学总是令人着迷又令人困惑。本书从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程，内容涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。 本书思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。除物理外，本书多处以开放式思维探讨物理与数学、哲学的关系，旨在与读者共同建立理性思维，是青少年及广大物理爱好者很好的入门书籍。
目录
第1章 经典力学
1.1 地心说 / 001
古希腊与亚里士多德 / 005
1.2 日心说 / 010
第谷与开普勒 / 020
1.3 从实验开始 / 023
相对运动 / 027
1.4 力学定律 / 035
微积分 / 039
1.5 万有引力 / 051
近代哲学之父——笛卡尔 / 052
站在巨人肩膀上 / 059
第2章 电磁学
2.1 从静电到电流 / 065
2.2 电生磁 / 073
奥斯特与安徒生 / 076
电学中的铁三角 / 078
2.3 磁生电 / 082
道德楷模法拉第 / 089
2.4 电磁波 / 093
什么是物理？ / 096
什么是波？ / 101
电磁学的大厦 / 107
第3章 热力学与统计力学
3.1 从火说起 / 109
化学家拉瓦锡 / 113
3.2 热的本质 / 117
从永动机到能量守恒 / 121
3.3 热力学 / 124
3.4 统计力学 / 132
第4章 光学
4.1 光的本质 / 138
光的三种传播方式 / 139
4.2 光谱 / 148
4.3 光速 / 154
第5章 相对论
5.1 两朵乌云 / 159
5.2 狭义相对论 / 165
绝对时空 / 167
什么是质量？ / 172
5.3 浅谈狭义相对论 / 175
5.4 广义相对论 / 179
黎曼几何 / 182
第6章 量子物理
6.1 微观世界 / 192
X射线 / 199
6.2 量子之门 / 200
火与颜色 / 201
什么是量子？ / 205
光电效应 / 207
6.3 电子轨道 / 209
α、β、γ射线 / 210
6.4 迷雾重重 / 216
常用的物理知识 / 217
泡利不相容原理 / 221
施特恩与盖拉赫 / 225
6.5 矩阵力学 / 228
沉默的狄拉克 / 231
6.6 电子是波 / 234
爱因斯坦与诺贝尔奖 / 234
晶体 / 240
6.7 薛定谔方程 / 243
概率波 / 247
互补原理 / 252
6.8 索尔维会议 / 253
“二战”中的科学家 / 259
6.9 薛定谔的猫 / 265
小爱和小玻 / 269
6.10 平行宇宙 / 272
6.11 粒子、场与弦 / 276
同位素、核裂变和核聚变 / 278
反物质 / 283
第7章 宇宙学
7.1 宇宙在膨胀 / 289
测量天体到地球的距离 / 290
7.2 宇宙大爆炸 / 297
什么是噪声？ / 301
宇宙简史 / 302
7.3 恒星演化 / 304
钱德拉塞卡极限 / 307
最揪心的诺贝尔奖 / 309
励志人生 / 311
7.4 未解之谜 / 312
参考文献 / 317
试读
第1章 经典力学
1.1 地心说
没人能清楚地说出物理学究竟起源于哪里，但绝对与人类的好奇心有关。好奇心驱使着人类思考，思考又驱使着人类把眼前的景象勾勒成简便的模型。比如瞭望苍穹，古代中国人会把天形容成一个大锅盖，太阳、月亮和星星都在这个大锅盖上升起落下，周而复始；远眺一望无际的大地，他们会将其形容成一个板，人们便在这个板上耕种劳作，生生不息——这就是我们所熟知的“盖天说”（图1.1）。它与“宣夜说”“浑天说”并称为“论天三家”。毫无疑问，这三种假说都代表着人类早期的宇宙观。
图1.1 盖天说
无独有偶，在地球的另一边，古希腊人也有类似的、朴素的宇宙观。不同的是，他们地处半岛，很容易相信大地这块板是漂在大海里的，为了不让板沉下去，他们又相信板下有很多只乌龟……
然而，自然界中有很多现象提示古希腊人大地不是平的。比如当帆船归来时，站在岸上的人们总是先看到桅杆，再看到船身；往北走，北极星更靠向头顶。这些现象说明大地可能是弧形的，也可能是球形的，后来古希腊人从月食上找到大地是球形的直接证据。如图1.2所示，当月亮进入地球的本影区时，就会形成月食。如果大地是一块平板或弧形的板，那么它的影子不可能总是圆，因此大地必须是球。
图1.2 月食的形成
地是“球”形的，天（宇宙）是什么样的呢？古希腊人又展开了无边的想象，最终形成“地心说”。地心说最早起源于被誉为“科学和哲学之祖”的泰勒斯创立的米利都学派。较为成熟的地心说模型是古希腊数学家欧多克斯（公元前408—公元前355）提出的。欧多克斯认为宇宙也是球，不同天体位于不同的同心球上，地球位于所有球体的正中心，即宇宙的中心（图1.3）。
图1.3 地心说
所有的天体每天都会绕地球转一圈，于是形成了昼夜交替；太阳球转动的方向与其他球相反，这就解释了为什么总在夜晚能看见星星。太阳球还会以年为单位，以某个角度来回摆动，于是就有了四季交替。这些星体绕地球运动的轨迹如何呢？速度又是怎样呢？欧多克斯受老师柏拉图（公元前427—公元前347）的影响，认为星体的运动轨迹是圆的，速度是均匀的。因为在柏拉图学派看来，圆和匀速都是最完美的。
地心说成功地解释了很多自然现象，因此很容易被人们接受，并最终被亚里士多德（公元前384—公元前322）总结到自己的自然哲学体系中。亚里士多德是古希腊时代的一位集大成者，他的研究成果涵盖哲学、物理学、数学、艺术、社会学等诸多学科。此处我们虚构两个人物——小亚同学和德老师，来简述亚里士多德在地心说及物理学上的思想。
小亚同学：“您说地球是个球，站在地球上面的人毫无问题，但站在下面的人会掉到宇宙中吗？”
德老师：“当然不会。我们必须有个概念，球上每个点都是平等的。因此，不管你在地球的任何位置，你所谓的‘下面’实际上指向地心。每个物体都有重力，重力是物体的属性，重力让每个物体都会下落。”
小亚同学：“那为什么白云浮在天上，火苗会向上，炊烟也会飘向天空？难道它们就没有重力吗？”
德老师：“世间万物都是由土、水、火、气四种元素组成的，土元素最重，水元素次之，火元素再次之，气元素最轻。重的会下落，轻的自然会上浮。白云和炊烟主要由气元素组成，所以会上浮。火苗是由火元素组成的，火靠近气，虽然比气重，但也会上浮。”
小亚同学：“天体在天上飘，是气组成的吗？”
德老师：“我应该说得更明白一些，土、水、火、气四种元素构成了地球周围的万物。到了月亮天，就不存在这四种元素了，而是弥漫着第五种元素——以太。天体由以太组成，因此没有重力，自然不会落到地球上。”
小亚同学：“一片树叶和一块小石头都有重力，为什么小石头下落得更快呢？”
德老师：“因为小石头的重力大，所以下落得快。”
小亚同学：“我更糊涂了！您说的重力到底是什么？它怎么会让物体下落？”
德老师：“首先，你必须明白什么是力。力是维持物体运动的原因，比如一张桌子，你不推它不动，你一推它就动。重力也可以使物体运动，但是它是物体的内在属性，与普通的力不同。普通的力必须通过接触才能产生作用，而重力可以远距离作用。
小亚同学：“您说推了桌子，桌子会动，但我松开手后，桌子为什么还会向前移动？很显然，我现在没有给它力了。”
德老师想了很久，说：“这可能是空气迂回导致的……”
古希腊与亚里士多德
早在公元前3000年左右，一支印欧人部落离开多瑙河畔，迁徙到希腊半岛和克里特岛，与原住民融合，成为希腊人的祖先。在汲取两河文明和古埃及文明后，古希腊人创造了璀璨的克里特文明和迈锡尼文明。迈锡尼文明一度因外族入侵而毁灭，又因《荷马史诗》的记载而重新绽放。公元前5世纪，希波战争后，
前言/序言
记得刚学物理的时候，最让笔者感到好奇的是电。电是什么？灯泡为什么能发光？如果把灯泡放到月球上，在地球上按下开关，灯是瞬间亮还是过一会才亮呢？老师们说:“电是电子的流动，所以电有速度，而且肯定超越不了光速，因为任何速度都不能大于光速——这是爱因斯坦说的。”于是笔者对光又产生了很多疑问：光是什么？为什么它是最快的？光和空气一样有重量（质量）吗？在一次“卧谈会”上，笔者宣布了最新的“研究成果”：光没有质量，否则人会感觉黑夜比白天轻松很多。很快，这一理论遭到其他同学的驳斥：“那是因为除反射的光外，其他的光都被你吸收了，但你的身体不会吸收空气……”
在今天看来，这些问题似乎太幼稚可笑。但翻翻物理学史，伟大的理论不正是从这些“幼稚可笑”的问题当中诞生的吗？比如古希腊人否定地动说，可能仅仅是因为地球转动没有形成东风；暗能量假说之所以存在，也可能仅仅是因为没有办法解释宇宙正在加速膨胀。这些案例不胜枚举。因此，笔者认为在学习物理时，任何幼稚可笑的问题都不是多余的。
在笔者的教学过程中，学生总会提出各种奇怪的问题。笔者发现将它们解释清楚完全是徒劳的，因为往上追溯，一个问题最终会带出无穷无尽的问题。尽管笔者不能解释清楚，但记录下来总是件好事，于是将点串成线，形成了本书。
本书总共分7章。
第1章为经典力学。一开始，人们以为地球是宇宙的中心，但是行星们似乎并不“听话”，于是哥白尼用太阳取代地球的位置，提出日心说。日心说意味着地球无时无刻不在运动，既然运动就会产生强大的东风。为了解释这一问题，伽利略提出相对运动和惯性定律。在此之上，牛顿力学体系渐渐成型。
第2章为电磁学。牛顿的光芒照耀着宇宙的各个角落，以至于牛顿之后的科学家们总是希望电磁力与万有引力相契合——符合平方反比和超距作用。最初的几十年确实如此，但当问题逐渐变得扑朔迷离时，伟大的法拉第提出了“场”的概念。麦克斯韦从场出发，断言电磁波的存在并预言光就是电磁波。当赫兹证实这一切之后，场理论取代了超距作用。
第3章为热力学与统计力学。燃烧与热是生活中两种常见的现象，它们的本质是什么？在19世纪中叶之前，人们一直认为它们都是某种元素——燃素和热素。这种元素运动便产生了热效应。但当热素无法解释众多现象时，科学家们终于认识到热是一种能量（热力学），这种能量来自分子运动（统计力学）。
第4章为光学。一开始，人们从光的三种传播方式得出光是一种微粒，然而第四种传播方式（衍射）让科学家们对光的本质产生了激烈的争论——波粒战争。光是什么？光有速度吗？每当人们以为快要揭开光最后的神秘面纱时，发现又进入了一个未知领域：光速不变诞生了相对论；光电效应是量子物理的基础；光的红移让人们发现宇宙正在膨胀……
第5章为相对论。自19世纪开始，光的波动说打败了微粒说。波传输需要介质，人们搬出了以太。但当科学家们辛辛苦苦寻找以太时，发现根本无法找到。这时初出茅庐的爱因斯坦站了出来，建立了相对论，也解决了物理学当时的窘境。
第6章为量子物理。组成物质的微粒是原子，原子的本意是“不可分割”，但最终还是被汤姆孙打开了。当科学家们“进入”原子内部参观时，发现经典的物理理论在这里并不适合，于是哥本哈根派的勇士们“另立山头”，却一不小心捅了哲学的屁股，一场荡气回肠的辩论开始了……
第7章为宇宙学。宇宙大爆炸是物理学中最脍炙人口的话题之一。宇宙真的起源于大爆炸吗？原始原子有存在的可能吗？黑洞又是怎么诞生的？暗物质与暗能量是怎么来的？这些都是该章的话题。
除物理内容外，本书还尝试探讨物理与数学、哲学之间的关系，大致有以下三个方面：一是从微积分角度探讨万物是连续的还是离散的，二是探讨测量对于物理的重要性，三是简述量子力学带来的哲学悖论。
有几点需要特别说明：一是本书的图片仅是示意图，并非实物图和实验结果图；二是本书记录了一些人物故事，这些故事只为展示人物性格与历史背景，并不能作为正史考究；三是对于一本科普书而言，举例的生动性与精准度总是难以两全的。本书从生活出发，举了不少事例，只为抛砖引玉。
在写作的过程中，笔者遇到不少困难。首先，物理与数学、哲学之间的细节问题一度困扰着笔者，好在笔者的同事——饶冬飞教授给予了笔者无私的帮助，与他讨论才让笔者茅塞顿开。其次，由于笔者不善绘画，绘图问题一度影响这本书的写作进度，好在未铭图书给予了笔者非常大的帮助。在此，对帮助过笔者的老师、同事和朋友致以深深的谢意。
由于笔者水平有限，书中难免出现纰漏，恳请读者朋友批评指正。
