第1章物理世界的奥妙
内容摘要 物理学是研究物质运动一般规律和物质基本结构的学科。其研究对象大至宇宙、小至基本粒子，是其他各自然科学学科的研究基础。本章我们将从身边的物理世界出发介绍物理学研究的对象、学习物理学的重要意义、如何学好物理学以及本课程的教学安排等。
在日常生活中，我们常遇到一些有趣的现象，这些现象会引起我们的思考。在夏日晴朗的夜晚，我们仰望天空，有时会看到流星划过，那么这些流星是怎么产生的？每逢假期，我们会乘坐轮船（图1.1）或飞机外出旅行，这些交通工具虽然身躯庞大，但丝毫不影响它们在水上或空中的自由航行，那么这种庞然大物何以能让水面或天空变成自己的自由王国？在我国，高铁已经是大多数人出门远行的首选交通工具，而复兴号动车组列车的又快又稳是闻名遐迩的，那么高速运行的列车上如何保证硬币能长久竖立不倒？现代社会，手机是我们每个人都不能离开的通信工具，这种工具已经渗透到我们生活的方方面面，那么我们所需要的信息是如何发送和接收的？我们都知道核电是一种清洁能源，它可以提供持久的能量，是人类解决能源问题的一种有效方式，那么我国的核电站为何大都建设在沿海城市？等等。
图1.1 大海中航行的轮船
上面列举的一些现象都属于物理现象或物理学知识的应用。什么是物理学？物理学是研究宇宙间各种物质存在的形式及其性质、物质的各种运动、物质的能量及其互相转化、物质的内部结构等各种物理现象、本质和基本规律的一门科学。因此物理学的内容非常丰富，应用十分广泛，同其他科学技术的联系极为密切，因而也成为其他自然科学的基础。本教材将介绍物理学各基本分支学科的知识体系和发展脉络，简述物理学的基本概念、基本规律及其产生的背景和相互联系，同时介绍物理学的基本原理在人类生活、现代科技和其他自然科学中的应用。
1.1 纷繁变化的物理世界
我们周围的世界是一个变化多彩的物理世界。从遥远的宇宙天体到地球上每个生物个体的细胞等，无不都是由物质组成的。正是物质之间的相互作用随构成物质的性质及作用距离发生变化，才导致了物质存在的千姿百态和物理世界的丰富多彩。
1.1.1 物理世界的构成
物理学所研究的对象，即物理世界，既包括现实生活所涉及的经验世界，我们称之为宏观世界，也包括遥不可及的宇宙空间，我们称之为宇观世界（图1.2），还包括难以再分的基本粒子，我们称之为微观世界。人们对物理世界的研究往往是从宏观世界出发，借助于牛顿（I.Newton）力学，来回答诸如飞机为何能够飞行、重物为何能自然下落、江河为何能够流动等这样的问题。当人们进一步思考我们肉眼所能看到的物体是由哪些物质、通过什么方式构成时，就开始步入微观世界。我国古代很早就有人开始研究物质世界的组成问题。《庄子 天下》中大家熟知的句子“一尺之捶，日取其半，万世不竭”其实就是一种连续的物质观。现在我们都知道构成物质的是分子，分子是由原子构成的，单质分子由相同元素的原子构成，化合物分子由不同元素的原子构成。化学变化的实质就是不同物质的分子中各种原子进行重新结合。原子是化学反应中*小的微粒，但它并不是构成物质的*小粒子，而是由原子核和核外电子构成的。现代物理学认为，电子是基本粒子，目前难以再分，而构成原子核的中子和质子又是由各种夸克组成的（张延惠等，2009）。以上是我们从宏观世界出发，通过细化的方式逐渐深入到了由基本粒子构成的微观世界。
*近几十年，一种被称作“介观物理”的研究领域悄然而生，其研究对象指的是介于微观和宏观之间的尺度体系，即介观体系，物质粒子大小在，纳米粒子、胶团、微乳液、囊泡等都属于介观体系。对于介观尺度的材料，系统尺度小于相干尺度，存在很大的统计涨落，这种介观涨落是介观材料的一个重要特征，其微观性质和对应的宏观力学性质有很大关联，是研究量子混沌以及量子力学和经典力学过渡关系的重要领域。随着微电子学和纳米技术的飞速发展，集成电路的基本器件已经到了介观的尺度，电路的量子效应凸显，发展固态量子信息与计算的基本原理方法与技术已经成为当务之急。介观体系也是化学反应的策源地，因为多数化学反应往往是在介质的表面发生的，表面相中的电子运动规律与体相有很大区别，它遵从介观世界的规律，在物质表面发生的吸附、催化、化学反应等与介观世界的效应明显相关。因此，深入研究掌握介观世界内的电子运动规律，对于完善关于物理世界的认识，并在现代高科技领域占有一席之地具有重要意义。
如果从身边的宏观物体出发向远处探索，我们会到达另一个更加神秘的物理世界。如果不借助于其他观测手段，我们肉眼能够看到的世界其实很有限，除了蓝天、白云和太阳，在晴朗的夜空，我们还能发现星星和月亮。当然在物理学家眼里，世界绝没有这么小、这么简单！他们想知道，除了我们肉眼能看到的日月星辰，还有其他天体存在吗？这些天体是怎么运动的、为何会发生这样的运动？于是他们发明了天文望远镜，观测到了行星并发现了行星的运动规律；借助于射电望远镜，他们接收到了更丰富的宇宙信号，并发现了新的星系、星系团。这是一个妙不可言、变化莫测的宇宙世界！相对于前面提及的微观世界和宏观世界，这里我们称之为“宇观世界”。射电望远镜是目前观测和研究来自天体的射电波的基本设备。利用我国自主研发的世界*大单口径、*灵敏的射电望远镜FAST（500m口径球面射电望远镜），我国的科学家已发现并认证了百余颗脉冲星。未来3至5年，FAST的高灵敏度将有可能在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向催生突破，并在探测银河系结构、超大质量黑洞甚至发现地外文明等深空奥秘方面做出独特贡献（张岚，2017）。
我们所研究的物理世界，小到基本粒子，大到深层宇宙，其范围之广、内容之多，难以用这么小的篇幅来展开论述。为方便读者认识和了解这个广袤的世界，我们按照研究对象的尺度范围来划分，将其代表物体、主要特点列于表1.1中。
1.1.2 物理世界的变化
我们周围的物理世界是由物质构成的，但构成世界的物质并不是一成不变的，在不同的时间和不同的位置都会有不同的变化。辩证唯物主义告诉我们，运动变化是绝对的，静止不变是相对的，物质的运动和变化是有规律的。正是由于物质运动变化的规律性才导致了物理世界中不同的物质形态和不同的运动形式，从而构成了物理世界的多样性。
1.不同的物质形态
物质形态的多样性是物质世界本身演化和发展的结果。按照组成物质的分子相互作用的强弱来分，通常有气、液、固三种状态。处于气态的物质，其分子与分子之间距离较远；对于液态物质来说，构成它们的分子彼此已靠得很近，分子一个挨着一个，其密度比气态的大得多；对于固态物质来说，构成元素是以原子状态存在的，而且固体中的原子一个挨着一个，组成一个“点阵”，就像造房子的脚手架那样相互攀拉，牢牢地结合在一起，这就是固体比液体硬的原因。物理上的固态应当是指各种各样的晶体所具有的状态。在几千摄氏度以上的高温中，气态的原子开始抛掉身上的电子，于是带负电的电子开始自由自在地游逛，而原子也成为带正电的离子。温度越高，气体原子脱落的电子就越多，这种现象叫作气体的电离化。科学家把电离化的气体状态叫作“等离子态”。除了高温以外，用强紫外线、X射线和?射线来照射气体，也可以将气体转变成等离子态。这是物质的第四种状态。
除了上述四种物质形态以外，还有一些其他的物质形态。比如，普通玻璃内部结构没有“空间点阵”特点，而与液态的结构类似，存在类似晶体的结构——“类晶区”，只不过“类晶区”彼此不能移动，造成玻璃没有流动性，我们将这种状态称为“非晶态”；我们在手机、计算器、电视机等图文显示设备上经常看到的处于结晶态和液态之间的一种形态，称之为“液晶态”；在140万个标准大气压下，物质的原子就可能被“压碎”，电子全部被“挤出”原子，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，形成“超固态”；在更高的温度和压力下，原子核也能被“压碎”，原子核中的质子吸收电子转化为中子，物质呈现出中子紧密排列的状态，称为“中子态”；某些物质在低温条件下表现出电阻等于零的现象，成为超导体，超导体所处的物态就是“超导态”；科学家很早就发现，当液态氦的温度降到2.17K时，它可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的极微小的孔或狭缝，还可以沿着杯壁“爬”出杯口外，即液态氦由原来液体的一般流动性突然变化为“超流动性”，我们将具有超流动性的物态称为“超流态”（曹则贤，2011）。
上面介绍的只是迄今发现的十种物态，有文献归纳说还存在着更多种类的物态。我们相信，随着科学的发展，人们一定会认识更多的物态，解开更多的谜，并利用它们奇特的性质造福于人类。
2.不同的运动形式
物质的形态不同，运动形式也不同。恩格斯（F.Engels）在《自然辩证法》中按照运动方式从简单到复杂的次序，将其分为机械运动、物理运动、化学运动、生命运动和社会运动五种运动形式，当然社会运动不属于我们物理所研究的范围。
1）机械运动
机械运动指的是物体相对于其他物体位置发生改变，它是*简单、*基本的运动形式，包括平动、振动和转动等（图1.3），其物质基础是物体。机械运动是由物体之间的相互作用导致的物体相对位置的变化而引起的，属于经典力学研究的范围。
图1.3 跳水运动员在空中的平动和转动
2）物理运动
物理运动指分子、电子和其他基本粒子的运动，其物质基础是分子、电子、基本粒子和场等。物理运动是由这些微观粒子通过电磁场联系起来并诱导的运动，属于电磁场和量子力学研究的范围。
3）化学运动
化学运动指一种或几种物质转变成另外一种或几种物质的运动形式，其物质基础是原子和分子。化学运动主要是由分子内部原子间化学键的改变，导致物质分子的组成或结构变化而产生新物质的运动形式，属于化学和原子与分子物理学研究的范围。
4）生命运动
生命运动是高级的物质运动形式，包括生长、繁殖、代谢、应激、进化、运动、行为，其物质基础是蛋白质和核酸。生命运动是由核酸与蛋白质通过交互作用形成的具有统一结构和功能的物质系统所特有的运动形式，属于生物物理学研究的范围。
以上四种物质的运动形式从低级到高级，相互关联，构成了这个丰富多彩的物理世界。
3.不同的运动规律
物质的形态不一样、种类不一样，运动变化的方式就不一样，从而遵循不同的运动规律。就其发生变化的原因，无非是内因和外因。①内因：构成物质的元素不同导致各元素之间的相互作用不同，比如构成太阳系的太阳与行星的相互作用以及组成分子的原子之间的相互作用；②外因：任何物质都不是孤立存在的，都处在周围的环境中，不可避免地存在物质与其外界环境的相互作用，比如太阳系中的行星不仅受到太阳的引力作用，也受到其他行星的相互作用，激光场中的分子会受到激光场的作用等。物理学就是研究这些相互作用是如何施加影响的，从而给出物理世界发展变化的原因，并在此基础上进一步研究物质运动的规律。
不同的物理世界，物体运动变化的规律是不一样的，并由此形成了不同的物理学分支学科（图1.4）。①对于宏观物理世界，宏观物体遵循牛顿三大定律及分析力学规律，相关内容属于经典力学范畴；②对于微观物理世界，微观粒子的运动状态由薛定谔方程来描写，相关内容属于量子力学范畴；③高速运动的物体，对于观察者来说必须考虑相对论效应，遵循相对论力学规律，相关内容属于相对论力学的范畴；④对于宇观物理世界中的物体，牛顿万有引力定律起主要作用，而宏观和微观世界中几乎见不到的广义相对论效应，在宇观世界中突出地表现出来。从一定角度来说，宇观是一般意义下的宏观的扩展，本质还是宏观。实际上，在诸多微观、宏观和宇观现象中有许多是人们已有的观念和理论
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