物理是研究什么的一门科学「科学物理」

今天带来物理是研究什么的一门科学「科学物理」，关于物理是研究什么的一门科学「科学物理」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

我们从初中就开始学习物理，不知道小伙伴们有没有考虑过，物理学究竟是在研究些什么东西？可能会有小伙伴说，物理就是研究力、热、声、光、电……等等啊。这么说当然也不能算错，但是你只说出了物理的一些侧面。其实物理的最终目的是想发现这个世界运行的最本质上的规则。

没错，就是规则。发现规则又是个啥意思呢？我打个比方，就好比让不会下围棋的人去看下围棋，通过看棋来学习下围棋，没有人教，没有人告诉我们围棋的规则是什么，能不能学会，我不知道，但是通过大量的看别人下棋，肯定会发现一些规律是吧？其实物理就是这样，我们一群人，当中聪明的那部分，在观察自然的运作规则的时候，发现的规则多的，或者是那些掌握了规则多的，就成为了物理学家。

图1 牛顿

在几百年前，这些最聪明的人中有人提出了一种发现宇宙“下棋”规则的方法，这个方法就是观察、推理、实验和数学描述。后来的人，把这个方法叫做科学方法。物理学家们，企图利用这个方法去发现宇宙“这盘棋”的全部规则，来还原出一个完整的宇宙是如何在这个“规则”下变成今天这个样子的。本文就来做一下这样的尝试，通过对宇宙的经典规则的探讨，来描述一下物理学究竟都是在研究些啥。

经典的宇宙是活跃在欧几里得几何所描绘的三维空间之中，事务在叫做时间的媒介中变化。舞台上的基本元素是粒子，比如原子，它们有很多自身的属性。第一个属性是惯性：如果一个粒子在运动，它将继续沿同一个方向运动下去，除非它受到力的作用。嘿嘿，有没有很熟悉啊，对啦，这就是牛顿第一定律，也叫做惯性定律。

图2 石墨烯微观结构

第二个基本元素就是力，当时（1920年之前）物理学家们认为力有两种：第一种力是一种极其复杂、细致的相互作用力，它以复杂的方式将各种原子结合在不同的组合中，它决定了温度升高时食盐是溶解得快些还是慢些。另一种当时已知的力是一种长程相互作用，一种变化平缓的、悄悄的吸引力，与距离的平方成反比，叫做万有引力。

万有引力定律很简单，如果您还不了解可参考一下我的专栏@今日头条

当然了，那时候关于物体为什么会保持运动状态，以及为什么会存在万有引力定律大家还都是不知道的。即使是现在，其实也还没有完全搞清楚。虽然发现了“上帝粒子”，但是科学家同样发现，并不是所有的质量都是由“上帝粒子”贡献的。这个不是本文的话题，这里不多讨论了。总之，我们是发现粒子运动的一些规律的。

图3 风力发电（大量分子定向运动）

按照当时的观点，对物质的描述，气体和实际上一切物质，都是大量运动着的粒子。这样，我们可以把很多身边的事物之间的关系建立起联系。比如压强，它来自粒子与容器壁或别的什么东西的碰撞。粒子的移动如果平均而言沿着一个方向运动，那就是风；而无规则的内部运动就是热。

大量的粒子聚集在一起使密度超过平均值，它们将成堆的粒子不断向外散开，这就生成了波，这种过剩密度的波就是声音。能够理解这么多的事务，这是一个重大的成就。这些都会在我的专栏《零基础物理学入门——力学篇》里面有介绍。

那时候的科学家们认为粒子的种类有92种，我们现在已经知道的元素种类已经超过110多种，这些不同的粒子有不同的名称和不同的化学性质。在化学反应中，这些粒子的种类不变。

图4 同种电荷互斥

面对着这些化学元素中的粒子，我们都会很好奇为什么氧气分子是两个氧原子组合在一起，而不是3个或者是4个，原子之间相互作用的机制是什么？是万有引力吗？当然不是万有引力了，它实在是太弱了。但是想象有这样一种力，它与万有引力相似，也随距离的平方成反比变化，但强得多，并且有一个重要差别：在万有引力下一切物体都是相互吸引的，但是现在想象存在有两类“东西”，这种“新力”就是电力，具有同性相斥、异性相吸的性质。携带这样的强的相互作用的东西叫做电荷。

那么，我们最终会得到些什么结果呢？

让我们把两个等量的异种电荷放在一起，这很容易办到，异性电荷相吸嘛，一正一负，紧紧地贴在一起。我们再在距离它们一定距离之外放上另外一个电荷（第三个电荷）。这个电荷会感到任何吸引吗？它实际上不会感受到任何力的作用，因为前两个电荷大小相等，那么一个的吸引力和另一个的排斥力就会抵消。因此在任何可观的距离上的力都很小。

图5 异种电荷吸引

但是，如果我们使第三个电荷与前两个非常靠近，就会产生吸引，因为同号电荷的排斥和异号电荷的吸引会使异号电荷更靠近些，并使同号电荷远离。这样排斥力就将小于吸引力。这就是由正电荷和负电荷组成的原子，在它们相隔一个可观的距离时，相互作用的力很小（万有引力除外）的原因。

当它们靠近时，它们就能够相互“看到内部”，重新安排它们的电荷，结果它们之间就产生了很强的相互作用。原子之间的相互作用的终极原因是电的作用。由于这个力是如此之大，一切正电荷和一切负电荷通常会结合成一个尽可能紧密的组合。

万事万物，包括我们自己，都是由极细微的、强烈地相互作用着的带正电和带负电的粒子组成，正电荷和负电荷相互抵消。偶尔，我们可以从一件东西上擦下来一点点带正电的粒子或带负电的粒子（当然了，擦下来带负电的粒子要比较容易一些），这时候电力不再抵消，我们就会看到电的吸引作用。

图6 摩擦起电实验

电力比万有引力到底强多少呢？

考虑两粒沙子，大小为1毫米，距离30米。如果它们之间的力不被抵消，也就是说，如果所有的电荷都相互吸引而不是同号电荷相斥，因此没有抵消，那么，它们之间的力有多大呢？有300万吨！你瞧，正电荷或负电荷的数目只要超过或不足很少一点点，就足以产生可观的电效应了。当然，这就是你（用非电学方法）看不出带电物体和不带电物体的差别的原因——涉及粒子数目如此之少，它们很难对一个物体的重量或大小造成什么差别。

有了这幅图像，原子就比较容易理解了。人们设想在原子的中心有一个“原子核”，它带正电并且有很大的质量，周围环绕着一定数目的“电子”，电子很轻并且带负电。当然了，现在我们都知道原子核本身也包含两种粒子：质子和种子，他们的质量几乎相同，非常重。质子带电而中子不带电。

如果我们有一个原子，它的原子核里有2个质子，外面环绕着2个电子（通常的物质世界中的负电粒子都是电子，它们比组成原子核的质子和中子轻得多）。这是元素周期表中的第2号元素（或者说其原子序数为2），叫做氦。第8号元素叫做氧，等等。因为化学性质取决于核外的电子，并且事实上只取决于那里有多少个电子。因此，一种物质的化学性质完全取决于一个数，电子的个数。

图7 元素周期表

关于电力还有更多的发现

电相互作用的一个自然的解释是，两个物体简单地相互吸引，正的吸引负的。但是后来发现，用这个概念来表示电相互作用并不恰当。对电相互作用的一个更恰当的表示是，正电荷的存在在某种意义上扭曲了空间的“状态”，或在空间产生了一种新“状态”，使得我们把一个负电荷放进来时它会感受到一个力。这个产生力的潜在可能性叫做电场。把一个电子放进电场，它就会受到一个“拉力”。于是我们就得到两条规则：

1、电荷产生一个电场

2、电场中的电荷会受到力的作用而运动。

讨论下面的现象，用电场来表示电作用的理由就更清楚了。如果我们使一个物体比如一根玻璃棒带电（哈哈，之所以用这个案例，是因为我们初中的时候学习摩擦起电就是用的这个道具），然后把一张带电的纸放在离玻璃棒一段距离外。前后移动玻璃棒，纸片会有反应，总是指向玻璃棒。如果把玻璃棒摇动得更快，就会发现纸片的运动要落后一些，即作用有所滞后。（在第一个阶段，当我们相当慢地移动玻璃棒时，我们还看到一种并发症，那就是是磁。做相对运动的电荷必定有磁作用，因此磁力和电力实际上可以归结为一个场，就像同一事物的两个不同侧面。一个变化的电场不可能离开磁场而存在。）

图8 太阳风的带电粒子和地球磁场的猛烈作用

如果我们把带电的纸片移动到更远的地方，滞后就更大。这时观察到一件有趣的事：虽然两个带电物体之间的力应当与距离的平方成反比变化，但却发现，当我们摇动一个电荷时，其影响伸展的范围要比我们乍看之下所猜想的远得多。这就是说，这个效应下降得比平方反比律慢。

现在让我们一起来做一个小实验：在一个水池里，近旁有一个漂浮的软木塞。用另一个软木塞划水，可以直接使前一个软木塞运动。如果你只注意看两个软木塞，你将会看到一个的运动是对另一个的运动的立即响应——两个软木塞之间有某种“相互作用”。当然，实际上我们所做的是搅动水，然后水再去扰动另一个软木塞。

我们可以建立一条“定律”；如果轻轻划动水，水里邻近的物体就会运动。如果第二个软木塞离得更远，它就几乎不动，因为我们只是局部地搅动水。反之，如果我们使软木塞上下运动，就发生一种新现象，水的运动带动了周围的水，形成了向外传播的波，波的效应，它无法从直接相互作用的观点理解。因此直接相互作用的观念必须代之以通过水发生作用的观念，或者在电的情况下，代之以所谓的电磁场。

图9 电磁波的各个波段应用

电磁场能够传送范围广泛的波；其中一部分是光波，别的则用在无线电广播中，它们总的名字是电磁波。这些震荡的波可以有各种频率。一种波与另一种波的唯一真正的差别就在于震荡的频率。如果我们把一个电荷摇动得越来越快，看它产生的效应，我们将得到整整一系列不同的效应，它们由一个数，即每秒钟的震荡次数，统一在一起。

建筑物墙上的电线中的电流产生的“干扰信号”的频率大约是每秒50周左右。如果我们把频率增加到每秒500或1000千周，那就是无线电光波所用的频率范围。英文中“正在广播”是on the air，当然广播和空气（Air）毫无关系！没有任何空气在真空中也可以进行无线电广播。

如果我们再次提高频率，我们就进入了调频光波和电视所用的波段。频率进一步增高就是短波，例如雷达用的波。频率再高，就不需要用仪器来“看”这些波了，我们可以用肉眼来看。在5*10^14~5*10^15赫兹的频率范围内，只要我们能把玻璃棒摇得这么快，我们的眼睛能够看见带电玻璃棒的振荡。

图10 电磁波谱

我们将看到红光、蓝光或紫光，以它们的频率而定。低于这个频率的叫做红外光，高于这个范围的叫紫外光。从一个物理学家的观点看，我们能够看见特定频率范围的的波这一个事实，并不会让这一段电磁波谱比别的波段更特别，但是从一个人的观点看，当然这个波段更令人感兴趣。

如果频率再高，我们就得到X射线。X射线不是别的，只不过是频率很高的光。频率再高，就得到伽马射线。X射线和伽马射线这两个名称，几乎是当做同义词来使用。通常把从原子核发出的电磁波射线叫做伽马射线，而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线，但是不论它们起源在那里，它们的频率相同时，在物理上是无法分别的。

频率更高的波，比方说10^24赫兹，我们可以人工生成，比方用同步加速器。在宇宙射线中，我们可以发现频率极高的波，其震荡频率甚至更快1000倍。这些波我们目前还不能控制。

图11 宇宙中的伽马射线暴

到这里，本文就写完了，可能有些小伙伴觉得文章写得很散，所以我还需要总结一下。其实，本文的所要表达内容就是在经典物理学的范围内，对1920年之前科学所作出的成就，对我们这个世界的理解做一般阐述，从而表达出物理学的最终目的是要做什么。小伙伴们，您明白了吗？如果您还有什么疑问，欢迎在文章的评论区里面留言讨论。

#这很科学#