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《来学往教》-------我的第一堂大学物理课
精选
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大家好！我们这门课叫大学物理，物理大家已经很不陌生，大概已经都学过5年以上了，大学正是大家现在想体验新奇和知识的地方，也许大家会很怀疑物理前面加上个大学除了会高深奥难懂以外还会带给我们什么？
如果我能够做导演，现在大家眼前的将是物理群侠传的大屏幕，背景落下的是雪花般的名字伽利略，胡克，开尔文，狄拉克……每一个都是都是身怀绝技的武林高手，前台出现的是牛顿，麦克斯韦，普朗克，爱因斯坦等一代宗师的飒爽英姿。当然这应该是一部气势恢弘的电影，而不是拖沓冗长的电视剧，让大家领略物理学的壮美跌宕而并不会被繁难的公式所吓倒，但可惜我不是，同时我又没有能力复述那很多给我带来震撼的故事，所以我就挑选些许片断，让我们掠过古希腊，把亚立士多德和伽利略留给那些热爱物理和历史的同学们自己去对那段光辉岁月的怀旧和祭奠。
我们先来关注历史上的第一个奇迹年：1666年。1666年，23岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立完成了几项开天辟地的工作，包括发明了微积分（流数），完成了光分解的实验分析，以及对于万有引力定律的开创性思考。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，而其中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象，一个人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感，只能冠之以是"奇迹年"。我们可以通过一首诗去 体会：自然与自然规律在黑夜中隐藏着，上帝说，让牛顿去搞吧！于是，一切都光明了。
刚才关于奇迹的说法，如果我们用历史辩证法来回顾历史：如果站在一个比较高的角度来看历史，一切事物都是遵循特定的轨迹的，没有无缘无故的事情，也没有不合常理的发展。在时代浪尖里弄潮的英雄人物，其实都只是适合了那个时代的基本要求，这才得到了属于他们的无上荣耀。
但是，如果站在庐山之中，把我们的目光投射到具体的那个情景中去，我们也能够理解一个伟大人物为时代所带来的光荣和进步。虽然不能说，失去了这些伟大人物，人类的发展就会走向歧途，但是也不能否认英雄和天才们为这个世界所作出的巨大贡献。在科学史上，就更是这样。整个科学史可以说就是以天才的名字来点缀的灿烂银河，而有几颗特别明亮的星辰，它们所发射出的光芒穿越了整个宇宙，一直到达时空的尽头。他们的智慧在某一个时期散发出如此绚烂的辉煌，令人叹为观止。
再一次的辉煌来自电磁学的建立，伟大的法拉第为它打下了地基，伟大的麦克斯韦建造了它的主体，伟大的赫兹--为这座大厦封了顶。经典电磁学的建立为我们带来了崭新的信息时代。物理学的大厦从来都没有这样地金壁辉煌，令人叹为观止。牛顿的力学体系已经是如此雄伟壮观，现在麦克斯韦在它之上又构建起了同等规模的另一幢建筑，它的光辉灿烂让人几乎不敢仰视。电磁理论在数学上完美得难以置信，麦克斯韦最初的理论后来经赫兹等人的整理，提炼出一个极其优美的核心，也就是著名的麦氏方程组。它刚一问世，就被世人惊为天物，其表现出的简洁、深刻、对称使得每一个科学家都陶醉在其中。后来玻尔兹曼情不自禁地引用歌德的诗句说："难道是上帝写的这些吗？"一直到今天，麦氏方程组仍然被公认为科学美的典范，许多伟大的科学家都为它的魅力折服，并受它深深的影响，有着对于科学美的坚定信仰，甚至认为：对于一个科学理论来说，简洁优美要比实验数据的准确来得更为重要。
物理学征服了世界。在19世纪末，它的力量控制着一切人们所知的现象。古老的牛顿力学城堡历经岁月磨砺风吹雨打而始终屹立不倒，反而更加凸现出它的伟大和坚固来。从天上的行星到地上的石块，万物都必恭必敬地遵循着它制定的规则运行。1846年海王星的发现，更是它所取得的最伟大的胜利之一。在光学的方面，波动已经统一了天下，新的电磁理论更把它的光荣扩大到了整个电磁世界。在热的方面，热力学三大定律已经基本建立（第三定律已经有了雏形），而在克劳修斯、范德瓦尔斯、麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯等天才的努力下，分子运动论和统计热力学也被成功地建立起来了。更令人惊奇的是，这一切都彼此相符而互相包容，形成了一个经典物理的大同盟。经典力学、经典电动力学和经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。它们紧紧地结合在一块儿，构筑起了一座华丽而雄伟的殿堂。
这是一段伟大而光荣的日子，是经典物理的黄金时代。科学的力量似乎从来都没有这样地强大，这样地令人神往。人们也许终于可以相信，上帝造物的奥秘被他们所完全掌握了，再没有遗漏的地方。从当时来看，我们也许的确是有资格这样骄傲的，因为所知道的一切物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切，都在人们的控制之中，而且所用的居然都是同一种手法。它是如此地行之有效，以致物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修正和补充，更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为：物理学已经终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家说："物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找"。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。
然而在新世纪的物理学会上，年迈的开尔文爵士做了的演讲名当时已经76岁，他的第一段话是这么说的："动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……" 这个"乌云"的比喻后来变得如此出名，以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复地引用，成了一种模式化的陈述。联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪，许多时候这个表述又变成了"在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云"。这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些，指的就是人们在迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。
我们首先简单地讲讲第一朵乌云，即迈克尔逊－莫雷实验。这个实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。在人们当时的观念里，以太代表了一个绝对静止的参考系，而地球穿过以太在空间中运动，就相当于一艘船在高速行驶，迎面会吹来强烈的"以太风"。迈克尔逊在1881年进行了一个实验，想测出这个相对速度，但结果并不十分令人满意。于是他和另外一位物理学家莫雷合作，在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了：他们动用了最新的干涉仪，为了提高系统的灵敏度和稳定性，他们甚至多方筹措弄来了一块大石板，把它放在一个水银槽上，这样就把干扰的因素降到了最低。 然而实验结果却让他们震惊和失望无比：两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。迈克尔逊－莫雷实验是物理史上最有名的"失败的实验"。它当时在物理界引起了轰动，因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。当相对论被提出后，"以太"的概念终于光荣退休，成为一个历史名词，不过那是后话了。
至于"第二朵乌云"，指的是黑体辐射实验和理论的不一致。玻尔兹曼的能量均分学说。玻尔兹曼的分子运动理论在当时的确还是有着巨大的争议，以致于这位罕见的天才苦闷不堪，精神出现了问题。一片小森林里亲手结束了自己的生命，留下了一个科学史上的大悲剧。
正是这两朵乌云，终究会给物理学带来伟大的新生，在烈火和暴雨中实现涅磐，并重新建造起两幢更加壮观美丽的城堡来。
第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。
第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。
好，我们来介绍第二个奇迹年和天才的爱因斯坦。
1905年的爱因斯坦也是这样，在专利局里蜗居的他在这一年写出了6篇论文：3月18日，是关于光电效应的文章，这成为了量子论的奠基石之一。4月30日，关于测量分子大小的论文，这为他赢得了博士学位。5月11日和后来的12月19日，两篇关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。6月30日，题为《论运动物体的电动力学》的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫做"狭义相对论"，它的意义就不用我多说了。9月27日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2。
单单这一年的工作，便至少配得上3个诺贝尔奖。相对论的意义是否是诺贝尔奖所能评价的，还难说得很。而这一切也不过是在专利局的办公室里，一个人用纸和笔完成的而已。的确很难想象，这样的奇迹还会不会再次发生，因为实在是太过于不可思议了。后来的1932年在原子物理领域也可称为"奇迹年"，但荣誉已经不再属于一个人，而是由许多物理学家共同分享。随着科学进一步高度细化，今天已经无法想象，单枪匹马能够在如此短时间内作出如此巨大的贡献。
为了纪念1905的光辉，人们把100年后的2005年定为"国际物理年"。也算是对它的一个小小致敬。
关于第二朵乌云，也就是量子力学的诞生，我建议大家上网上或到书店里去找一本《量子史话－上帝掷骰子吗？》的书。是一本你们80年后应该喜欢的风格写的量子史话，我非常喜欢，所以前面我也引用了他的一些语言。这里我只是解释一下这本书题目的由来。这句话源于爱应斯坦对量子力学完备性的质疑。
量子力学认为：量子世界的本质是“随机性”，传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的，必须以一种统计性的解释来取而代之，在我们没有观察之前，一个粒子的状态是不确定的，它的波函数弥散开来，代表它的概率。但当我们探测以后，波函数坍缩，粒子随机地取一个确定值出现在我们面前。我们无法确定一个粒子所在位置，我们能够预言的只是概率而已。什么？都是概率？难道我们现在在教室里坐着不是一个事实，而是一个概率？没有因果关系？难道力不再是产生加速度的原因？
再拿我们可爱的电子来说说吧，作为电子这个整体概念来说，它表现出一种波粒的二像性来，但任何时候我们观察电子，它却只能表现出一种属性，要么是粒子要么是波。它展现出粒子的一面还是展现出波的一面，这完全取决于我们如何去观察它。我们想看到一个粒子？那好，让它打到荧光屏上变成一个小点。看，粒子！我们想看到一个波？也行，让它通过双缝组成干涉图样。看，波！
这不成了主观唯心主义了吗？
如果你们现在已经听糊涂了，不用担心，因为玻尔曾经说过，没有为量子学感到困惑的人，根本就不理解什么叫量子学，同时我们还有伟大的爱因斯坦这位量子学的奠基人同行，爱因斯坦不相信概率，爱因斯坦不认为万能的上帝在掷骰子，对于一个骰子落地，它是1或是6，上帝是知道的，只不过是我们的无知或无能让我们无法计算，但是玻尔非要说，概率就是本质，不存在知道结果的上帝。
爱因斯坦：玻尔，亲爱的上帝不掷骰子！
玻尔：爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！
霍金：上帝不但掷骰子，他还把骰子掷到我们看不见的地方去。
好了，关于物理学的历史我就先讲这么多，如果你感到激昂而又困惑，这就是我这节课的目的，因为这正是科学前进的动力。在以后的课程中我将会穿插更多的历史以便于大家领会物理学魅力。
那么我们接下来讨论一下我们之间的关系，回答我们课程最初的问题：物理学能带给大家什么？杨振宁科教文选大学教育主要是培养有动力、有知识、有独立思考能力的人，在社会的各个发展领域中作出贡献。那么物理学能够带给大家的就是：对科学知识及科学精神的理解，思考的能力和热情，科学的观念。观念的重要性。一个人成功65％来自观念，25％来自人文，10％来自专业技能,也许大家想象物理学与你的计算机专业能有多大的关系？这里我想我应该无需挖空心思的去联系，而且我相信一点，如果你曾经惧怕物理，你会为从未走进这座雄伟的大厦感到遗憾，如果你热爱过物理，你不会满足于以前的浮光掠影。
物理学的发展体现科学发展的主要历史和方向，是西方文明最重要，影响最大的成果。物理之所以发展的这样好，这样快，那是因为物理在主流上一直有着良好或者说宽松的和务实的研究传统和学术空气，那么我们之后的关系也必然是宽松和务实的，有关课程的所有问题都可以交流协商。我希望能想大家展现我所热爱的物理的魅力，希望大家感悟科学的知识和精神，也希望我们能建立融洽和谐的关系，这也符合我们社会的主旋律。
好了，留个问题大家休息的时候考虑：
阿喀琉斯是荷马史诗《伊利亚特》里的希腊大英雄，以"捷足"而著称。有一天他碰到一只乌龟，乌龟嘲笑他说："别人都说你厉害，但我看你如果跟我赛跑，还追不上我。阿喀琉斯大笑说："这怎么可能。我就算跑得再慢，速度也有你的10倍，哪会追不上你？乌龟说："好，那我们假设一下。你离我有100米，你的速度是我的10倍。现在你来追我了，但当你跑到我现在这个位置，也就是跑了100米的时候，我也已经又向前跑了10米。当你再追到这个位置的时候，我又向前跑了1米，你再追1米，我又跑了1/10米……总之，你只能无限地接近我，但你永远也不能追上我。" 我想大家刚学过高等数学，你们可以很好的解释这个问题。
最后介绍几本书给大家：凌志军的《成长》和《追随智慧》、《看不见的心》、《杨振宁科教文选》以及《上帝掷骰子吗》。
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