物理学是什么

本书是一本写给大众的物理学入门手册，共分为33章，从变量、运动到引力；从光的强度、光的反射到光谱分析；从吸热效应、热传导到热力学都有涉及。作者指出物理学科各个分支的具有统一和相互依存的关系，因此对于希望了解和学习物理学的人来说，首先应该做的是对物理学整个学科的基本要素进行回顾，建立对物理学的整体性认知，然后才能真正学好物理学。本书内容包括物理宇宙介绍，物理科学的方法，轮廓理论及其物理应用、运动中的物质、物质的性质、引力、气体及液体性质、物质运动理论等，系统地介绍了物理学的基础知识。本书可以作为一本物理学速查手册，满足学生和对物理学一知半解者的学习和应用需求。

威廉·佩迪(William Peddie，1861—1946)，苏格兰物理学家和应用数学家，爱丁堡大学理学博士、自然哲学讲师，邓迪大学物理学教授，爱丁堡皇家学会创始人兼副主席。擅长色觉和分子磁性领域的研究，著有《物理学是什么》《固体和流体的基本动力学》《彩色视觉》《分子磁性》等。曾获麦克杜噶-布里斯本奖。

王玉，本名曹香草，英语语言文学专业，自由译员，40万字笔译经验，现居上海。

第1章 宇宙物理属性的简介 001

第2章 物理学研究方法 008

第3章 等高线理论及其物理学应用 017

第4章 变量 032

第5章 运动 049

第6章 物质的运动 081

第7章 物质的属性 103

第8章 引力 109

第9章 气体的性质 127

第10章 液体的性质 137

第11章 固体的属性 148

第12章 物质的构成 157

第13章 物质的动力学理论166

第14章 声音173

第15章 光的强度、速度和理论193

第16章 光的反射、折射和色散198

第17章　辐射和吸收：光谱分析、反常色散和荧光227

第18章　干涉和衍射239

第19章　双折射和偏振263

第20章　热的本质292

第21章　热辐射和热吸收296

第22章　吸热效应：膨胀及其实际应用304

第23章　吸热效应：温度及物态变化318

第24章　热传导和对流338

第25章　热力学：热和功348

第26章　热力学关系362

第27章　静电学369

第28章　热电学403

第29章　电流414

第30章　磁429

第31章　电磁学450

第32章　光的电磁理论467

第33章　以太475

本书是一本写给大众的物理学入门手册，共分为33章，从变量、运动到引力；从光的强度、光的反射到光谱分析；从吸热效应、热传导到热力学都有涉及。作者指出物理学科各个分支的具有统一和相互依存的关系，因此对于希望了解和学习物理学的人来说，首先应该做的是对物理学整个学科的基本要素进行回顾，建立对物理学的整体性认知，然后才能真正学好物理学。本书内容包括物理宇宙介绍，物理科学的方法，轮廓理论及其物理应用、运动中的物质、物质的性质、引力、气体及液体性质、物质运动理论等，系统地介绍了物理学的基础知识。本书可以作为一本物理学速查手册，满足学生和对物理学一知半解者的学习和应用需求。

威廉·佩迪(William Peddie，1861—1946)，苏格兰物理学家和应用数学家，爱丁堡大学理学博士、自然哲学讲师，邓迪大学物理学教授，爱丁堡皇家学会创始人兼副主席。擅长色觉和分子磁性领域的研究，著有《物理学是什么》《固体和流体的基本动力学》《彩色视觉》《分子磁性》等。曾获麦克杜噶-布里斯本奖。

王玉，本名曹香草，英语语言文学专业，自由译员，40万字笔译经验，现居上海。

1.宇宙中发生的所有过程可以分为两类：物理的和非物理的。这些过程可以发生在非生命物质中，也可以发生在生命体及其体内。当然，上面提到的说法只是人们对“物理”一词的定义，人们通常并不认为它与生命有所瓜葛。然而，当我们在生命或其体内观察到与无机自然界类似的过程时，我们将这些过程纳入纯物理学研究的范畴；当两种过程完全不同时，我们将问题留给生物学家做进一步探索。

2.物理学领域博大精深。显然，人们穷尽一生，也难以窥尽它的全貌。曾几何时，科学家们也许还会仿效弗兰西斯·培根（Francis Bacon）的豪言，“我已经掌握了本人所在领域的所有知识”，但这在今天几乎是不可能的了。从本质上讲，所有涉及各种物质相互结合和反应的问题都是纯物理问题，但如今研究这些问题的往往是化学家；天体运动的研究和预测，以及天体物理成分的推定工作等交由天文学家来完成；地球的构造则由地理学家来研究。同样，航海和船舶设计、工程学、矿物学、地质学（在很大程度上）、气象学等也都属于纯物理学。这些学科是由许多学者共同研究的，因为它们所涵盖的知识是如此庞大，任何一个人都无法独自研究其全部内容。因此，随着知识的增长，物理学出现了分支，“物理学”“自然哲学”“物理”等学科术语在语义上缩小了———如今，它们只能代指高应用性和高专业度的物理学下的单一基础科学。

3.宇宙是客观存在的还是非客观存在的？在研究物理学之初，我们从未思考过这些形而上学的问题，而只是简单地假设它独立于我们的主观意识而存在，继而研究构成整个宇宙中的事实和现象。但在进行一切详细研究之前，我们好先把宇宙这一研究对象作为一个整体来看待，以便了解它的全貌及其各局部之间的已有联系。这也是为什么，在陌生的国度旅行时，旅行者往往要登高望远，借助有利地势进行观察，从而才能在脑海中清晰地规划出接下来的旅程。

4.研究伊始，我们便遇到了一个棘手的难题——该如何区分出宇宙中哪些是客观存在的，哪些只是徒有其表？换句话说，我们该如何区分出真实景观和海市蜃楼呢？在观察者眼中，这两者实在太相似了。那么，我们又该用什么来检验事物是否客观存在呢？

除了假设物理的宇宙客观存在之外，人们还认为宇宙中的一切都遵循着规律，而后者有据可依。那些“严谨的科学”透漏出的一丝可能性，都可以被作为证据，来证明存在本身的真实性。牢记这一观点，我们便能明白，一切客观的事物都不会在宇宙中凭空出现或随意消失。因此，在证实某物体为恒量之前，或者（用一般的科学说法），除非我们能够证明该物体可以守恒，否则我们便不能将其认定为客观存在。因此，守恒是物质是否客观存在的重要检验标准之一。

后来，人们发现，这一检验标准适用于，且仅适用于物理世界的两大类事物：维持宇宙运转的物质和能量。

5.所有人都知道组成机体的“物质”或“材料”是什么，同时，我们也无须试图去为其下一个定义。乍看起来，物质显然是不守恒的。如果我们通过称重的方法来确定一块石灰岩的物质质量，然后对其进行充分加热，我们会发现，在加热后，石灰岩的质量变少了。好像石灰岩中的一部分物质在这个过程中丢失了。但实际发生的是，石灰岩中的碳酸钙在受热时分解成氧化钙和碳酸。碳酸无色，分解成二氧化碳和水，悄悄挥发掉了，没有人注意到这点。第二次称重时，我们只称得所剩石灰的质量。通过适当的方法，我们可以测定挥发气体的质量，然后发现加热后各成分质量之和等于石灰岩的原始质量，在这一过程中，物质并没有丢失。我们会发现，无论多么复杂的化学过程，都会出现以上相同的结果：事实上，只有在严格的物质守恒条件下，化学反应才会发生。因此，我们称物质是客观存在的。宇宙中存在各种各样的物质，它们的各项物理属性或多或少都有差别。在后续章节中，我们将详细讨论这些属性，并提及个别特殊物质之间的变化；但对自然界中各种物质进行的统计、分类和研究等工作更多地分属于化学，而非物理学。只有当某些物质具备超级属性，可以渗透到其他一切物质并蔓延到整个可见宇宙中，在物理上具有极其重要的意义时，才要求我们必须单独对其进行物理研究（参见第33章）。

6.除了守恒的属性以外，物质还具有惰性或惯性。也就是说，一个物体无法自行改变自身的运动状态，除非受到外界的影响，否则处于静止状态的物体无法运动，运动中的物体也无法停止运动或改变运动状态。在第6章，我们将结合“牛顿运动定律”，对物质的这一属性及其结果进行探讨。物质的又一显著特征是——一种物质可以与另一种物质结合，从而产生一种复合物，其属性可能与原先的两种成分截然不同，但是，如果没有另一种物质的参与，这种变化就不会发生。

7.有充足的证据显示，物质的惯性是无法克服的，意即，物质的运动状态是无法改变的，除非物质的另一部分通过直接碰撞或其他方式施力于这一部分。一般来说，在这种情况下，物质的另一部分会对这一部分“做功”，或者物质的这一部分克服另一部分对其施加的力而做功。因此，“做功”实际上可以引发物质运动。我们可以一致断言，物质的另一部分拥有“功”并将此“功”传送给这一部分。通俗地讲，“功”的传送和转移的过程即做功的表现。然而，我们通常采用一个更为简便的术语来代替“功”——能量。因为，尽管在所有情况下，“功”或能量必然导致具有这些“功”或能量的物质系统发生运动，但有时我们并不能觉察到这些系统在运动。此时，我们好说，某些静止的物体具有势能，通过势能的转化，可以使另一部分产生运动（见下文）。

当质量不同的两个物体以相同速度运动时，质量（物质的数量）小的物体做功较少；当质量相同的两个物体以不同的速度运动时，速度小的物体做功较少。当速度或质量趋近于零时，物体做功趋近于零。目前的实验（在技术所能达到的实验条件下）结果显示，运动物体做功的多少仅与质量和速度有关。

以规定速度运动时，每一单位质量的物体都具有相同的能量，因此，任何物体具有的能量都与它所含物质的总能量成正比。

现在，假设质量相同的两个物体，在一条直线上以大小相等、方向相反的速度运动，两者具有等量的能量E。可以推测，后的结果是两个物体相互撞击，然后静止。在撞击过程中，由于互相阻止对方继续向前运动，两个物体的能量相抵，总能量2E消耗为零。接下来，使一个物体处于静止状态，另一物体的速度加倍，则两个物体的相对速度大小不变，因此两者静止时，被消耗的能量仍为2E。然而，实验结果表明，当发生碰撞后，两个物体会以之前运动物体速度大小的一半一起继续运动，每一物体仍然具有1E的能量。因此，先前运动的物体应该具有的能量为4E。

通过以上及其他类似条件下对运动物体速度展开的实验，我们得出结论：运动物体的能量与其运动速度大小的平方成正比。

如果E代表运动物体的能量，m是物体的质量，v是物体的速度，则研究结果可以用以下公式表示：

E＝kmv²

其中k为常量，可根据能量单位取任意值。在后续章节中，根据我们常用的能量单位，k值一般为1／2，因此有

E＝12mv²

8.在物理上，我们将上文中提到的能量称为动能。但是，运动的系统并不一定涉及动能在两个物体之间的转化。在一些条件下，具有动能的运动物体动能会越来越少，终在某一状态下完全消失。如此，运动物体剩余和消耗的动能可以分别通过其在运动系统中的位置来表示。因此，基于本章第7节中的假设———静止物体增加的能量等于运动物体减少的能量，这时运动物体处于系统中的位置可以用静止物体增加的动能来表示。在两个物体位置无限接近、产生碰撞时，能量才会在两个物体之间重新分配。下面，我们来讨论位能或势能（分为可见和不可见两种形式）。

宇宙有开端吗？如果有的话，在此之前发生过什么？

——现代伟大的物理学家之一 斯蒂芬·霍金

科学只有物理一个学科，其他不过相当于集邮活动而已。

 ——原子核物理学之父 欧内斯特·卢瑟福 

物理学所涉及的就是我们对于自然界所能说的东西。

——诺贝尔物理学奖获得者 尼尔斯·玻尔