走近費曼叢書·費曼講物理：入門

獻給啃不動費曼《物理學講義》的你，近距離感受物理大師的風采。 作者理查德 ∙ 費曼是一位物理學家，一位猶太裔美國人。他在20世紀40年代發展了量子電動力學新的理論形式和計算方法，由於這一貢獻，費曼獲得了諾貝爾物理學獎。 《費曼講物理》這本書，是從講義的第一冊裏抽取了6個章節的原文，算是講義的一個導讀。 數學是先給出一套公理，或者規則，然後在規則允許的範圍內演繹出結果。物理是對客觀的大自然的觀察，根據觀察或者實驗，得出一些定律，這些定律既不完備也不精確，只能是先學習着，日後再放棄它，轉向那些近似程度更高一些的定律。 在比較粗糙的定律中，費曼認爲萬物由原子構成這一說法特別有價值。到了原子這一層次，千姿百態的自然現象背後都是原子做着簡單的動作。 物理學就是希望把乍看起來很不相同的事情用最簡單的規律描述出來，來減少不同事物的種類。 費曼以1920年爲界線，把物理學的發展大致分成兩個階段。1920年以前，人類認識了92種不同的原子，它們在歐幾里德的三維空間和均勻流逝的時間裏相互作用，這些作用力無非是引力和電磁力。   到了1920年前後，物理學發生了顛覆性的變化，相對論和量子論的先後出現，改變了人們的世界圖景。  在微觀的世界裏又發現，微小粒子的行爲方式和我們已知的任何事物都不同。麥克斯韋方程告訴我們，電子這麼高速的旋轉，會在瞬間把能量以電磁波的方式輻射出去，電子會墜落在原子核上。所以，要麼麥克斯韋方程不對，要麼就得假定一件事：一個粒子不可能同時具有確定的位置和確定的動量，這被稱爲“測不準原理”。 儘管“測不準原理”有違常理，但確實完美地解決了原子結構的穩定性、基態能量不爲零這些問題，而且很重要的是與經典電磁理論並無衝突，當把它們結合起來考慮時，就是量子電動力學。 我們希望用核外的已知理論去猜測原子核內。既然電荷之間可以用一種叫做光子的粒子相聯繫，那就可以找一找中子和質子之間的聯絡者。結果在宇宙射線裏，發現了大量的新的粒子，大約有30種。 這些粒子之間的相互作用一共有四種，依照強弱排下去，最強的是強相互作用；第二位是電力；第三位是弱相互作用；最弱的是引力。    

城軌高速了近20年，也是我參加工作的近20年，有幸在這波高速發展的過程中，看到很多，參與很多，學到很多。但仔細回想這20年城軌各領域的發展，除了弱電和信息專業發展變化較大以外，其他專業，尤其是城軌裏的線路軌道、車輛限界等專業，進步緩慢，包括人們曾寄予的Bim來提高生產效率，也是比較緩慢的，人均產值在100-150萬之間，很難再提高了。 從人類發展史來看，只有科技真正造福人類，而帝王將相終將灰飛煙滅。而自工業革命以來，對人類生活影響最大的，就是是電力進入家庭（可以看成**+電），自來水、冰箱、洗衣機、彩電、廚房等白色家電讓人們從繁重的勞動裏解脫出來。小汽車、高鐵、飛機提高了人們商務出行效率，計算機和現代通信技術的發展，極大提高了現金流和信息流的交換。空調讓全球經濟重心南移，電梯讓房屋垂直生長，使得一個個超大城市得以實現。最終推動了社會和經濟進步。 我們的城軌行業也大致如此。所以，科技是第一生產力。但高速發展的20年，我們實現了從無到有，今後必然是調整、創新和提高。所以，今年開始計劃陸續學習物理、計算機、數據一類的書，希望有所新的發現和思考。 最近看的一本書是《費曼講物理 入門》。這本書是費曼大神在加州理工學院上課的教材，《物理學講義》裏的6篇節選，所以有的地方看起來前後不連貫。但基本不影響閱讀。費曼大神最牛的一點是：能夠用最節約的詞彙和最小量的數學和專門術語，引出影響深遠的物理觀點。​確實，整本書體現了這個特點，雖然關於波以及量子力學那一塊，我還沒有完全看懂。（費曼學習法是一種特別好的學習技巧） 費曼說，如果世界即將毀滅，所有文明只能留下一句話，那就只能是，萬物都由原子構成。 從這兒開始，費曼講了物質的組成，分子運動論，溫度和熱是怎麼回事，並轉到化學反應和物理反應。 接着，費曼把物理學的研究發展區分爲兩個年代，以1920年前後來區分。1920年以前基本是經典物理，也就是牛頓等人建立起來的力學、電磁學等。但是電磁學的發展，包括萬有引力背後的機制，當時都沒去觸碰，迄今也沒完全搞明白。 實際上在1900年，威廉湯姆森提到“物理學上空的兩朵烏雲”，一個是關於光的傳播，一個是熱輻射。而這些問題在1920年以後，普朗克、愛因斯坦分別提出，能量公式和光電效應假說。以後，整個物理世界進入了量子力學，也就是時間與空間並非獨立，物理進入微觀世界，統計物理應運而生。這個裏面，最有名的莫過於雙縫干涉實驗，關於雙縫干涉實驗，抖音和知乎裏都有說得比較清楚的，也包括不死不活薛定諤的貓，怎麼來理解（我學高中物理又或者大學物理的時候，沒看過真正的這個實驗，現在也只是在視頻裏看到）。 然後，費曼介紹了物理學與其他物理的關係。化學本身就是分子運動和重組現象。比如，解釋爲什麼其他物體都是固體比液體體積小，而水比較特殊，水結成冰的體積會增加，主要原因就是分子中有窟窿。然後是生物學，實際上，生物學最早是觀測，等化學發展起來以後，尤其是有機化學的發展，進一步促進了生物學的發展。而天文學的發展，起源於古代人類如何認識氣候四季交替、潮汐潮落、月亮陰晴圓缺，尤其是第谷和開普勒師徒奠定的開普勒三大定律，直接啓發牛頓萬有引力定律的誕生，以後又是靠萬有引力定律發現了很多衛星和冥王星。 地質學的基本問題是，什麼使地球成爲今天的樣子？這就涉及地震背後的原因，迄今這個也是個難題。 心理學裏，費曼提出幾個問題，一個是神經如何傳播信息，實際上神經裏的結構有點像傳播波的媒介。另一個是動物或人類學會一項技能後，腦細胞應該有變化，而腦細胞也是由原子構成的，那原子又有什麼變化？ 實際上，知識或科學本身沒有分類，我們分類分學科的目的是集中力量，就同類問題展開交流。 接着費曼講述了我們熟悉的能量守恆。但實際上，追根能量到底是什麼？我們實際上並不知道。 接着展開說了萬有引力定律，這個之前提到過，就不展開說了。但有個小細節或說法，我覺得費曼說得特別好，就是月亮爲什麼不掉下來。想象我們平行於地面發射了一顆子彈，子彈在飛行的過程中，因爲重力降下落，可是地球是圓的，如果下落的距離總與地球保持同距，這個子彈是不是就掉不下來？那麼這個速度是多少？其實這就是第一宇宙速度，大約每秒8km。 最後一章就是量子行爲。費曼分別“做”了三個實驗，分別用子彈、波和電子。（圖片來自微信讀書） 圖片​ 圖片​ 圖片​ 這裏涉及一個概率問題，就是兩個孔之間的顆粒有沒有互相影響，沒有就是獨立事件，有影響就是有了“干涉”，那就不是獨立事件。概率上不能簡單相加。 我對物理裏，波的傳播一直沒特別清楚或感性認識，所以也沒太理解。不過可以直接引用書中的結論。 圖片​ 那麼如何去理解電子，又或者光的波粒二象性呢？有一位大咖說的挺好，大意如下： 這與我們的觀測系統有關。電子具有很多特性，既有粒子的屬性，又有波的屬性。記住，無論是粒子，還是波，都是我們人腦想象的理想模型。但我們在觀測的時候，只要用了粒子屬性的探測器，我們看到的就是粒子屬性，我們用雙縫干涉來做實驗，不用探測器，變現出來的就是概率上的波屬性。 至於爲什麼如此，海森堡雖然提出了不確定原理，但沒有從根上說清楚是什麼機理。薛定諤的貓實際也一樣是觀測系統的問題。正是電子狀態的多面性或微觀世界的複雜性，客觀世界是不可預測的。這就與經典力學發生了本質變化，原來在“兩朵烏雲”的時候，物理學家一片自信，認爲世界就是由幾大物理定律統一，那個時候的學科後來都大底稱爲，經典物理學、經典經濟學、經典哲學，有一種將世界看成恆古不變的味道，所以宗教盛行，上帝在主宰。科學本來與哲學就不分家。 扯遠了點，回到這本書，費曼在此進一步解釋了觀測系統的更正，大意就是用與電子速度接近的探測器，可惜這本書只是節選，所以沒談如何量化分析不確定性原理。 圖片​ 這本小書很是精彩，這幾年另外兩本比較好看的物理科普著作，一本大概就是《上帝擲骰子嗎？》不過到量子行爲的時候，已經是一片空白了，智商不夠是硬傷啊。另外一本，愛因斯坦《物理學的進化》，印象最深的兩個，一個是老愛的頭腦真好使，感覺他很少做實際實驗，大部分通過推理方式做頭腦實驗，提出很多原理，比如光速和質量的問題，另一個也是慣性質量爲什麼與重力質量相等，這個我們以前的物理學習很少接觸到這個概念。

物理化學領域的人和文科專業的人看到的世界真的是不一樣的呀。 一些摘抄： 1、如果在某次大災難中，所有的科學知識都將被毀滅，只有一句話能夠傳給下一代人，那麼，怎樣的說法能夠以最少的詞彙包含最多的信息呢？我相信那就是原子假說（或原子事實，或隨便你叫它什麼名字），即萬物都由原子構成，原子是一些小粒子，它們永不停息地四下運動，當它們分開一個小距離時彼此吸引，而被擠到一堆時則相互排斥。 2、固體和液體的差別就在於，固體中的原子是按照某種陣列排列的，叫做晶體陣列，即使在長距離上它們的位置也不是隨便的；晶體一端的原子的位置由晶體另一端的別的原子的位置確定，哪怕它們之間相隔幾百萬個原子。 3、絕大多數簡單物質，除水和活字合金外，都在熔化時膨脹，因爲在固態晶體中，原子是密集堆積的，熔化時需要更大的空間供原子活動，但是一個張開的結構則會塌縮，像水的情形。 4、對冰的情況，熱量的涵義是什麼？冰的原子並不是靜止不動的，它們在振動着。雖然晶體中有確定的秩序——確定的結構，所有的原子仍在“原地”振動。隨着我們提高溫度，它們振動的幅度越來越大，直到把它們自己從所在的位置上搖下來。我們把這叫做熔化。 5、現在討論另一個問題：哪些分子會離開？一個分子能夠離開水面，是由於它偶然積累了比平常多一點的能量，使它能夠擺脫鄰近分子的吸引。 6、原子改變其組合關係，形成新的分子。一個過程中，如果發生了原子夥伴關係的重新安排，我們就稱之爲化學反應。 7、我們從氧和碳的結合中得到熱量。熱量通常以熱氣體的分子運動的形式存在，但在有些情形下，熱量大到足以發光。火焰就是這樣產生的。 8、如果我們走進一個紫羅蘭花圃，我們知道紫羅蘭的香味。它是某種分子或原子的排列，鑽進了我們的鼻子。 9、當原子在運動時，運動越劇烈，系統包含的熱量就越多，因此，熱和所有的溫度效應可以用力學定律來說明。 10、按照原子論的觀點，氣體和實際上一切物質，都是大量運動着的粒子。這樣，我們站在海邊看見的許多事物立即就可以聯繫起來。 11、在萬有引力下一切物體都相互吸引，但現在想象存在有兩類“東西”，這種新力（當然它就是電力）具有同類相斥、異類相吸的性質。攜帶這樣強的相互作用的“東西”叫做電荷。 12、原子之間的相互作用的終極原因是電的作用。由於這個力是如此之大，一切正電荷和一切負電荷通常會結合成一個儘可能緊密的組合。 13、因爲化學性質取決於核外的電子，並且事實上只取決於那裏有多少個電子。因此，一種物質的化學性質完全取決於一個數，電子的個數。 14、做相對運動的電荷必定有磁作用，因此磁力和電力實際上可以歸結爲一個場，就像同一事物的兩個不同的側面。 15、通常把從原子核發出的電磁波射線叫做γ射線，而從原子發出的高能電磁波則叫做X射線， 16、原子核是由什麼組成的，它們又是怎樣結合在一起的？我們發現，原子核是靠極大的力結合在一起的。把原子核鬆綁時會放出巨大的能量，它與化學能量之比同原子彈爆炸與TNT炸藥爆炸之比相同，這是當然的，因爲原子彈與原子核內的變化有關，而TNT的爆炸與原子外層的電子的改變有關。 17、這就是今天物理學面臨的情況。總結一下，我可以這樣說：在原子核外，看來什麼都知道了；在原子核裏面，量子力學是成立的——還沒有發現量子力學的原理在那裏失效。 18、物理學是最基礎的、包羅萬象的學科，它對整個科學發展有過深遠的影響。事實上，物理學是過去所稱的自然哲學在今天的等當物，現代科學的大部分來自於自然哲學。 19、量子力學以其充滿風險但卻精確的方式存在着。

“在銀河系中有10的11次方顆星星。通常，這是一個巨大的數字。但是，這只不過是1000億而已。它比我國的財政赤字還小呢！我們通常把這些數字叫做天文數字。可現在，我們應該把它們叫做經濟學數字了” “一個記住原子大小的方法是：如果把一個蘋果放到地球那麼大，那麼蘋果裏的原子就近似是原來的蘋果那麼大” “如果氣味是空氣中的某種分子，四處亂飛並不斷受到撞擊，就有可能偶然鑽進我們的鼻子。它當然並沒有特別想要進入我們的鼻子。它只不過是擠成一堆的分子中的一部分，在漫無目的的遊蕩中偶然跑到我們的鼻子裏來了” … 不得不說，費曼是會修辭的！ 知道了潮汐現象的原因：月球對地球和對水在中心處“平衡”，更靠近月球的水受到的引力大於平均值，離月球更遠的水受到的引力小於平均值。而實際上月球繞地球轉動，是繞着一個點在轉動，這個點在地球內部，但不是地心。並不是月球繞地球轉動，地球和月球兩個都在繞一箇中心位置轉動。因此地球並不是沿一直線運動，而是做圓周運動。地球離月球遠的一面的水沒有得到平衡，因爲月球的吸引力在那裏比地心處弱，在地心處，月球的吸引力剛好和“離心力”平衡。這一不平衡就使睡眠上升，離開地心。在靠近月球的一面，月球的吸引力更強，不平衡是向着空間相反的方向，但仍然是離開地心。淨結果就是每天有兩次漲潮。 知道了發現新行星的過程。根據引力定律，如果所有的行星都相互作用，那麼，控制比方說木星環繞太陽運行的力就不只是來自太陽的力；還有來自比方說土星的引力。人們曾試圖在引力定律的基礎上分析木星、土星和天王星的運動。把這些行星中每一個對每一個別的行星的影響都計算進來，看看是否僅僅用引力定律就能完全理解這些行星運動中的小偏差和不規則性。嘿，你瞧，對木星和土星，一切都很好，但是天王星有點不對頭。它的行爲很特別。科學家想到了另一種可能性：也許還存在另一顆昏暗和難以看見的行星，這顆行星人們還從來沒有觀察到過。這個行星N可能對天王星有引力作用。他們計算了這樣一顆行星應當在什麼地方，後來經過觀察，行星N就在那裏，於是發現了新行星！ 最後我很喜歡書裏引用費曼原注的一段話做結尾，我覺得很美。（雖然有點長，但是我還是想全文引用）： “．我這個解說是多麼急匆匆啊！在這個簡短的解說中，每句話包含有非常豐富的內容。“所有的星星都是由同地球上一樣的原子組成的”。我通常要就這樣一個小題目講整整一堂課。詩人們常常抱怨科學剝奪了星星的美麗——只剩下由氣體原子構成的球體。根本不是這麼回事。我也能在曠野的夜空中看到星星，並且有所感受。但是我比他們是看到更多呢，還是更少呢？無垠的天空拓寬了我的想象，盯着看這個迴轉的天穹，我小小的眼睛可以捕獲100萬年前發出的星光。一幅浩瀚的圖樣，我就是這幅圖樣的一部分，也許組成我身體的材料就是由某顆已被遺忘的星星噴發出來的，就像那邊那顆星正在噴發一樣。或者如果用帕洛瑪天文臺更大的眼睛（200厘米望遠鏡）來看它們，就可以看到它們從某個公共的起始點往四面八方急速散開，它們在以前某個時候也許都擠在那個起始點。這是多麼浩瀚的一幅圖樣！它的意義何在？它的成因是什麼？對這些問題有一點了解並無損於宇宙的神祕。因爲真理比過去任何藝術家所想象的都更爲奇妙！爲什麼現在的詩人不去頌讚它呢？如果朱庇特（Jupiter，羅馬神話中的主神，又是木星的外文名）像一個人，就能夠頌讚他，而如果它是一團巨大的由甲烷和氨氣組成的自轉的球體，就必須三緘其口，這算什麼詩人？——原注” （也許組成我身體的材料就是由某顆已被遺忘的星星噴發出來的，就像那邊那顆星正在噴發一樣。）

又學一本關於費曼的書，主要是聽費曼講物理。 中學時，因爲不喜歡物理老師，不聽他的課，考試不做題，持續排斥，所以，物理變成了硬傷，而且一直都是。 現在想來，當時真幼稚！ 現在再聽費曼教授的課，也有很大興趣，以前如果讀過這樣大咖的書，也不會有被耽誤的青春和人生了！

費曼的這本入門物理學講義跟我們以前中學大學學的物理課本很不一樣，我主要有下面兩點感受。 第一個，我感覺費曼講的物理是在講我們的生活；而以前學的物理是在講物理課本。我現在想來就是我們課本的寫作過於抽象和教條，跟我們的實際生活脫節。 第二個，費曼是我看到的科學家中第一個跳出來坦率承認我們現在所發現和掌握的科學知識真的非常有限。這就像皇帝的新裝，也許大家看到都是一樣，但沒有人敢跳出來說，而一旦有一個權威跳出來說了，我們就釋懷了。我們很容易從似是而非的假象中誤認爲我們科學技術非常發達了，但實際情況卻並不是如此，我們的確比以前有所進步，但是就我們所觀察和發現到的問題我們瞭解清楚的還太少，尤其是生命科學領域。 費曼舉了一個生動的例子，就是我們去探索蛋白質是怎麼被製造出來的。我們現在也只是有了一些初步線索或零碎的信息：在細胞中有一些微小粒子，叫做微粒體，現在知道它就是蛋白質生成的地方。但是微粒體不在細胞核內，而DNA及其指令卻在細胞核裏。這似乎是個麻煩。然而，現在也知道，有小的分子斷片從DNA中放出，它沒有攜帶全部信息的巨大DNA分子本身那麼長，而像是它的一小段。它叫做RNA，但名字無關緊要。它是DNA的一種拷貝——一份縮微的拷貝。RNA以某種方式攜帶着生成哪一種蛋白質的信息去到微粒體中。當它到達那裏後，微粒體就合成出蛋白質。但是，氨基酸是怎樣進來以及它們是怎樣根據RNA上的密碼而排列成某種蛋白質的，其細節我們仍然還不知道。

適合《費曼物理學講義》讀不懂的人來讀，對於一個準初三的學生來講，有些東西仍舊難讀懂。不過用來啓發興趣剛剛好。

微觀和宏觀。從書中，能看到日常所見的河流、泥沙，看似一個流動、一個靜止，深入到其中時，卻發現流動的河流中和靜止的泥沙中，都存在着相互一直作用的粒子。在微觀的層面，一切物質的分別就開始消融，取而代之的是一條條解釋粒子之間相互作用的原理和規則，動能、勢能、熱能甚至核能等應運而生。在分別這些不同形式的能量後，能量守恆定律又在更大的尺度上，把這些分散的形式統一起來。從這種背後理解世界的思想去觀察，物理學家就如同神人一樣在解釋世界，我們看到的、感受到的形形色色的區別，在神人的眼中，就是假象。 萬有引力的發現經歷了數代人的探索，都是在未知的路上前行，一點點兒去接近現實，然後預測可能的情況，進而被後續的觀測所證實。真理從實踐中而來，又通過新的實踐所檢驗，如此循環往復，這就是毛澤東實踐論中所準確描述的認知過程，知行合一，就是如此。 量子力學的光子觀測現象，讓傳統物理學實驗下的確定性預測，轉換到不確定性的微觀世界。原來我們尋求結果，現在發現結果以概率的形式存在，這和哲學直觀的表述：模糊的正確大於精確的錯誤相吻合。世界就是這樣，相比已知來說，存在着更廣大的未知，這是一次生存理念的洗禮。

邊讀着此書邊腦子裏不斷的浮現出大一時上物理大課時臺上滿頭大汗的老師在六塊推拉黑板前忙前忙後的進行一步步的教學演算而臺下坐着近兩百多名一頭霧水開着小差的學生——當把物理教成了數學的同時也忘記了物理概念與演算的先後順序也就丟失了許多學生的求知慾

物理學的趣味值得每一個人細細咀嚼。 本書從費曼著名的里程碑式作品——費曼《物理學講義》中選了最容易讀的六章。 這本書名爲“費曼講物理：入門”，費曼果斷地選擇用不含數學公式的、主要是定性的方式來敘述一些關鍵題目，將這些題目編在一起，讓你大膽地在物理的門口想裏面張望幾眼，從物理學的角度認知這個世界。