走近费曼丛书·费曼讲物理：入门

献给啃不动费曼《物理学讲义》的你，近距离感受物理大师的风采。 作者理查德 ∙ 费曼是一位物理学家，一位犹太裔美国人。他在20世纪40年代发展了量子电动力学新的理论形式和计算方法，由于这一贡献，费曼获得了诺贝尔物理学奖。 《费曼讲物理》这本书，是从讲义的第一册里抽取了6个章节的原文，算是讲义的一个导读。 数学是先给出一套公理，或者规则，然后在规则允许的范围内演绎出结果。物理是对客观的大自然的观察，根据观察或者实验，得出一些定律，这些定律既不完备也不精确，只能是先学习着，日后再放弃它，转向那些近似程度更高一些的定律。 在比较粗糙的定律中，费曼认为万物由原子构成这一说法特别有价值。到了原子这一层次，千姿百态的自然现象背后都是原子做着简单的动作。 物理学就是希望把乍看起来很不相同的事情用最简单的规律描述出来，来减少不同事物的种类。 费曼以1920年为界线，把物理学的发展大致分成两个阶段。1920年以前，人类认识了92种不同的原子，它们在欧几里德的三维空间和均匀流逝的时间里相互作用，这些作用力无非是引力和电磁力。   到了1920年前后，物理学发生了颠覆性的变化，相对论和量子论的先后出现，改变了人们的世界图景。  在微观的世界里又发现，微小粒子的行为方式和我们已知的任何事物都不同。麦克斯韦方程告诉我们，电子这么高速的旋转，会在瞬间把能量以电磁波的方式辐射出去，电子会坠落在原子核上。所以，要么麦克斯韦方程不对，要么就得假定一件事：一个粒子不可能同时具有确定的位置和确定的动量，这被称为“测不准原理”。 尽管“测不准原理”有违常理，但确实完美地解决了原子结构的稳定性、基态能量不为零这些问题，而且很重要的是与经典电磁理论并无冲突，当把它们结合起来考虑时，就是量子电动力学。 我们希望用核外的已知理论去猜测原子核内。既然电荷之间可以用一种叫做光子的粒子相联系，那就可以找一找中子和质子之间的联络者。结果在宇宙射线里，发现了大量的新的粒子，大约有30种。 这些粒子之间的相互作用一共有四种，依照强弱排下去，最强的是强相互作用；第二位是电力；第三位是弱相互作用；最弱的是引力。    

城轨高速了近20年，也是我参加工作的近20年，有幸在这波高速发展的过程中，看到很多，参与很多，学到很多。但仔细回想这20年城轨各领域的发展，除了弱电和信息专业发展变化较大以外，其他专业，尤其是城轨里的线路轨道、车辆限界等专业，进步缓慢，包括人们曾寄予的Bim来提高生产效率，也是比较缓慢的，人均产值在100-150万之间，很难再提高了。 从人类发展史来看，只有科技真正造福人类，而帝王将相终将灰飞烟灭。而自工业革命以来，对人类生活影响最大的，就是是电力进入家庭（可以看成**+电），自来水、冰箱、洗衣机、彩电、厨房等白色家电让人们从繁重的劳动里解脱出来。小汽车、高铁、飞机提高了人们商务出行效率，计算机和现代通信技术的发展，极大提高了现金流和信息流的交换。空调让全球经济重心南移，电梯让房屋垂直生长，使得一个个超大城市得以实现。最终推动了社会和经济进步。 我们的城轨行业也大致如此。所以，科技是第一生产力。但高速发展的20年，我们实现了从无到有，今后必然是调整、创新和提高。所以，今年开始计划陆续学习物理、计算机、数据一类的书，希望有所新的发现和思考。 最近看的一本书是《费曼讲物理 入门》。这本书是费曼大神在加州理工学院上课的教材，《物理学讲义》里的6篇节选，所以有的地方看起来前后不连贯。但基本不影响阅读。费曼大神最牛的一点是：能够用最节约的词汇和最小量的数学和专门术语，引出影响深远的物理观点。​确实，整本书体现了这个特点，虽然关于波以及量子力学那一块，我还没有完全看懂。（费曼学习法是一种特别好的学习技巧） 费曼说，如果世界即将毁灭，所有文明只能留下一句话，那就只能是，万物都由原子构成。 从这儿开始，费曼讲了物质的组成，分子运动论，温度和热是怎么回事，并转到化学反应和物理反应。 接着，费曼把物理学的研究发展区分为两个年代，以1920年前后来区分。1920年以前基本是经典物理，也就是牛顿等人建立起来的力学、电磁学等。但是电磁学的发展，包括万有引力背后的机制，当时都没去触碰，迄今也没完全搞明白。 实际上在1900年，威廉汤姆森提到“物理学上空的两朵乌云”，一个是关于光的传播，一个是热辐射。而这些问题在1920年以后，普朗克、爱因斯坦分别提出，能量公式和光电效应假说。以后，整个物理世界进入了量子力学，也就是时间与空间并非独立，物理进入微观世界，统计物理应运而生。这个里面，最有名的莫过于双缝干涉实验，关于双缝干涉实验，抖音和知乎里都有说得比较清楚的，也包括不死不活薛定谔的猫，怎么来理解（我学高中物理又或者大学物理的时候，没看过真正的这个实验，现在也只是在视频里看到）。 然后，费曼介绍了物理学与其他物理的关系。化学本身就是分子运动和重组现象。比如，解释为什么其他物体都是固体比液体体积小，而水比较特殊，水结成冰的体积会增加，主要原因就是分子中有窟窿。然后是生物学，实际上，生物学最早是观测，等化学发展起来以后，尤其是有机化学的发展，进一步促进了生物学的发展。而天文学的发展，起源于古代人类如何认识气候四季交替、潮汐潮落、月亮阴晴圆缺，尤其是第谷和开普勒师徒奠定的开普勒三大定律，直接启发牛顿万有引力定律的诞生，以后又是靠万有引力定律发现了很多卫星和冥王星。 地质学的基本问题是，什么使地球成为今天的样子？这就涉及地震背后的原因，迄今这个也是个难题。 心理学里，费曼提出几个问题，一个是神经如何传播信息，实际上神经里的结构有点像传播波的媒介。另一个是动物或人类学会一项技能后，脑细胞应该有变化，而脑细胞也是由原子构成的，那原子又有什么变化？ 实际上，知识或科学本身没有分类，我们分类分学科的目的是集中力量，就同类问题展开交流。 接着费曼讲述了我们熟悉的能量守恒。但实际上，追根能量到底是什么？我们实际上并不知道。 接着展开说了万有引力定律，这个之前提到过，就不展开说了。但有个小细节或说法，我觉得费曼说得特别好，就是月亮为什么不掉下来。想象我们平行于地面发射了一颗子弹，子弹在飞行的过程中，因为重力降下落，可是地球是圆的，如果下落的距离总与地球保持同距，这个子弹是不是就掉不下来？那么这个速度是多少？其实这就是第一宇宙速度，大约每秒8km。 最后一章就是量子行为。费曼分别“做”了三个实验，分别用子弹、波和电子。（图片来自微信读书） 图片​ 图片​ 图片​ 这里涉及一个概率问题，就是两个孔之间的颗粒有没有互相影响，没有就是独立事件，有影响就是有了“干涉”，那就不是独立事件。概率上不能简单相加。 我对物理里，波的传播一直没特别清楚或感性认识，所以也没太理解。不过可以直接引用书中的结论。 图片​ 那么如何去理解电子，又或者光的波粒二象性呢？有一位大咖说的挺好，大意如下： 这与我们的观测系统有关。电子具有很多特性，既有粒子的属性，又有波的属性。记住，无论是粒子，还是波，都是我们人脑想象的理想模型。但我们在观测的时候，只要用了粒子属性的探测器，我们看到的就是粒子属性，我们用双缝干涉来做实验，不用探测器，变现出来的就是概率上的波属性。 至于为什么如此，海森堡虽然提出了不确定原理，但没有从根上说清楚是什么机理。薛定谔的猫实际也一样是观测系统的问题。正是电子状态的多面性或微观世界的复杂性，客观世界是不可预测的。这就与经典力学发生了本质变化，原来在“两朵乌云”的时候，物理学家一片自信，认为世界就是由几大物理定律统一，那个时候的学科后来都大底称为，经典物理学、经典经济学、经典哲学，有一种将世界看成恒古不变的味道，所以宗教盛行，上帝在主宰。科学本来与哲学就不分家。 扯远了点，回到这本书，费曼在此进一步解释了观测系统的更正，大意就是用与电子速度接近的探测器，可惜这本书只是节选，所以没谈如何量化分析不确定性原理。 图片​ 这本小书很是精彩，这几年另外两本比较好看的物理科普著作，一本大概就是《上帝掷骰子吗？》不过到量子行为的时候，已经是一片空白了，智商不够是硬伤啊。另外一本，爱因斯坦《物理学的进化》，印象最深的两个，一个是老爱的头脑真好使，感觉他很少做实际实验，大部分通过推理方式做头脑实验，提出很多原理，比如光速和质量的问题，另一个也是惯性质量为什么与重力质量相等，这个我们以前的物理学习很少接触到这个概念。

物理化学领域的人和文科专业的人看到的世界真的是不一样的呀。 一些摘抄： 1、如果在某次大灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，只有一句话能够传给下一代人，那么，怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢？我相信那就是原子假说（或原子事实，或随便你叫它什么名字），即万物都由原子构成，原子是一些小粒子，它们永不停息地四下运动，当它们分开一个小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排斥。 2、固体和液体的差别就在于，固体中的原子是按照某种阵列排列的，叫做晶体阵列，即使在长距离上它们的位置也不是随便的；晶体一端的原子的位置由晶体另一端的别的原子的位置确定，哪怕它们之间相隔几百万个原子。 3、绝大多数简单物质，除水和活字合金外，都在熔化时膨胀，因为在固态晶体中，原子是密集堆积的，熔化时需要更大的空间供原子活动，但是一个张开的结构则会塌缩，像水的情形。 4、对冰的情况，热量的涵义是什么？冰的原子并不是静止不动的，它们在振动着。虽然晶体中有确定的秩序——确定的结构，所有的原子仍在“原地”振动。随着我们提高温度，它们振动的幅度越来越大，直到把它们自己从所在的位置上摇下来。我们把这叫做熔化。 5、现在讨论另一个问题：哪些分子会离开？一个分子能够离开水面，是由于它偶然积累了比平常多一点的能量，使它能够摆脱邻近分子的吸引。 6、原子改变其组合关系，形成新的分子。一个过程中，如果发生了原子伙伴关系的重新安排，我们就称之为化学反应。 7、我们从氧和碳的结合中得到热量。热量通常以热气体的分子运动的形式存在，但在有些情形下，热量大到足以发光。火焰就是这样产生的。 8、如果我们走进一个紫罗兰花圃，我们知道紫罗兰的香味。它是某种分子或原子的排列，钻进了我们的鼻子。 9、当原子在运动时，运动越剧烈，系统包含的热量就越多，因此，热和所有的温度效应可以用力学定律来说明。 10、按照原子论的观点，气体和实际上一切物质，都是大量运动着的粒子。这样，我们站在海边看见的许多事物立即就可以联系起来。 11、在万有引力下一切物体都相互吸引，但现在想象存在有两类“东西”，这种新力（当然它就是电力）具有同类相斥、异类相吸的性质。携带这样强的相互作用的“东西”叫做电荷。 12、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。 13、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。 14、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的侧面。 15、通常把从原子核发出的电磁波射线叫做γ射线，而从原子发出的高能电磁波则叫做X射线， 16、原子核是由什么组成的，它们又是怎样结合在一起的？我们发现，原子核是靠极大的力结合在一起的。把原子核松绑时会放出巨大的能量，它与化学能量之比同原子弹爆炸与TNT炸药爆炸之比相同，这是当然的，因为原子弹与原子核内的变化有关，而TNT的爆炸与原子外层的电子的改变有关。 17、这就是今天物理学面临的情况。总结一下，我可以这样说：在原子核外，看来什么都知道了；在原子核里面，量子力学是成立的——还没有发现量子力学的原理在那里失效。 18、物理学是最基础的、包罗万象的学科，它对整个科学发展有过深远的影响。事实上，物理学是过去所称的自然哲学在今天的等当物，现代科学的大部分来自于自然哲学。 19、量子力学以其充满风险但却精确的方式存在着。

“在银河系中有10的11次方颗星星。通常，这是一个巨大的数字。但是，这只不过是1000亿而已。它比我国的财政赤字还小呢！我们通常把这些数字叫做天文数字。可现在，我们应该把它们叫做经济学数字了” “一个记住原子大小的方法是：如果把一个苹果放到地球那么大，那么苹果里的原子就近似是原来的苹果那么大” “如果气味是空气中的某种分子，四处乱飞并不断受到撞击，就有可能偶然钻进我们的鼻子。它当然并没有特别想要进入我们的鼻子。它只不过是挤成一堆的分子中的一部分，在漫无目的的游荡中偶然跑到我们的鼻子里来了” … 不得不说，费曼是会修辞的！ 知道了潮汐现象的原因：月球对地球和对水在中心处“平衡”，更靠近月球的水受到的引力大于平均值，离月球更远的水受到的引力小于平均值。而实际上月球绕地球转动，是绕着一个点在转动，这个点在地球内部，但不是地心。并不是月球绕地球转动，地球和月球两个都在绕一个中心位置转动。因此地球并不是沿一直线运动，而是做圆周运动。地球离月球远的一面的水没有得到平衡，因为月球的吸引力在那里比地心处弱，在地心处，月球的吸引力刚好和“离心力”平衡。这一不平衡就使睡眠上升，离开地心。在靠近月球的一面，月球的吸引力更强，不平衡是向着空间相反的方向，但仍然是离开地心。净结果就是每天有两次涨潮。 知道了发现新行星的过程。根据引力定律，如果所有的行星都相互作用，那么，控制比方说木星环绕太阳运行的力就不只是来自太阳的力；还有来自比方说土星的引力。人们曾试图在引力定律的基础上分析木星、土星和天王星的运动。把这些行星中每一个对每一个别的行星的影响都计算进来，看看是否仅仅用引力定律就能完全理解这些行星运动中的小偏差和不规则性。嘿，你瞧，对木星和土星，一切都很好，但是天王星有点不对头。它的行为很特别。科学家想到了另一种可能性：也许还存在另一颗昏暗和难以看见的行星，这颗行星人们还从来没有观察到过。这个行星N可能对天王星有引力作用。他们计算了这样一颗行星应当在什么地方，后来经过观察，行星N就在那里，于是发现了新行星！ 最后我很喜欢书里引用费曼原注的一段话做结尾，我觉得很美。（虽然有点长，但是我还是想全文引用）： “．我这个解说是多么急匆匆啊！在这个简短的解说中，每句话包含有非常丰富的内容。“所有的星星都是由同地球上一样的原子组成的”。我通常要就这样一个小题目讲整整一堂课。诗人们常常抱怨科学剥夺了星星的美丽——只剩下由气体原子构成的球体。根本不是这么回事。我也能在旷野的夜空中看到星星，并且有所感受。但是我比他们是看到更多呢，还是更少呢？无垠的天空拓宽了我的想象，盯着看这个回转的天穹，我小小的眼睛可以捕获100万年前发出的星光。一幅浩瀚的图样，我就是这幅图样的一部分，也许组成我身体的材料就是由某颗已被遗忘的星星喷发出来的，就像那边那颗星正在喷发一样。或者如果用帕洛玛天文台更大的眼睛（200厘米望远镜）来看它们，就可以看到它们从某个公共的起始点往四面八方急速散开，它们在以前某个时候也许都挤在那个起始点。这是多么浩瀚的一幅图样！它的意义何在？它的成因是什么？对这些问题有一点了解并无损于宇宙的神秘。因为真理比过去任何艺术家所想象的都更为奇妙！为什么现在的诗人不去颂赞它呢？如果朱庇特（Jupiter，罗马神话中的主神，又是木星的外文名）像一个人，就能够颂赞他，而如果它是一团巨大的由甲烷和氨气组成的自转的球体，就必须三缄其口，这算什么诗人？——原注” （也许组成我身体的材料就是由某颗已被遗忘的星星喷发出来的，就像那边那颗星正在喷发一样。）

又学一本关于费曼的书，主要是听费曼讲物理。 中学时，因为不喜欢物理老师，不听他的课，考试不做题，持续排斥，所以，物理变成了硬伤，而且一直都是。 现在想来，当时真幼稚！ 现在再听费曼教授的课，也有很大兴趣，以前如果读过这样大咖的书，也不会有被耽误的青春和人生了！

费曼的这本入门物理学讲义跟我们以前中学大学学的物理课本很不一样，我主要有下面两点感受。 第一个，我感觉费曼讲的物理是在讲我们的生活；而以前学的物理是在讲物理课本。我现在想来就是我们课本的写作过于抽象和教条，跟我们的实际生活脱节。 第二个，费曼是我看到的科学家中第一个跳出来坦率承认我们现在所发现和掌握的科学知识真的非常有限。这就像皇帝的新装，也许大家看到都是一样，但没有人敢跳出来说，而一旦有一个权威跳出来说了，我们就释怀了。我们很容易从似是而非的假象中误认为我们科学技术非常发达了，但实际情况却并不是如此，我们的确比以前有所进步，但是就我们所观察和发现到的问题我们了解清楚的还太少，尤其是生命科学领域。 费曼举了一个生动的例子，就是我们去探索蛋白质是怎么被制造出来的。我们现在也只是有了一些初步线索或零碎的信息：在细胞中有一些微小粒子，叫做微粒体，现在知道它就是蛋白质生成的地方。但是微粒体不在细胞核内，而DNA及其指令却在细胞核里。这似乎是个麻烦。然而，现在也知道，有小的分子断片从DNA中放出，它没有携带全部信息的巨大DNA分子本身那么长，而像是它的一小段。它叫做RNA，但名字无关紧要。它是DNA的一种拷贝——一份缩微的拷贝。RNA以某种方式携带着生成哪一种蛋白质的信息去到微粒体中。当它到达那里后，微粒体就合成出蛋白质。但是，氨基酸是怎样进来以及它们是怎样根据RNA上的密码而排列成某种蛋白质的，其细节我们仍然还不知道。

适合《费曼物理学讲义》读不懂的人来读，对于一个准初三的学生来讲，有些东西仍旧难读懂。不过用来启发兴趣刚刚好。

微观和宏观。从书中，能看到日常所见的河流、泥沙，看似一个流动、一个静止，深入到其中时，却发现流动的河流中和静止的泥沙中，都存在着相互一直作用的粒子。在微观的层面，一切物质的分别就开始消融，取而代之的是一条条解释粒子之间相互作用的原理和规则，动能、势能、热能甚至核能等应运而生。在分别这些不同形式的能量后，能量守恒定律又在更大的尺度上，把这些分散的形式统一起来。从这种背后理解世界的思想去观察，物理学家就如同神人一样在解释世界，我们看到的、感受到的形形色色的区别，在神人的眼中，就是假象。 万有引力的发现经历了数代人的探索，都是在未知的路上前行，一点点儿去接近现实，然后预测可能的情况，进而被后续的观测所证实。真理从实践中而来，又通过新的实践所检验，如此循环往复，这就是毛泽东实践论中所准确描述的认知过程，知行合一，就是如此。 量子力学的光子观测现象，让传统物理学实验下的确定性预测，转换到不确定性的微观世界。原来我们寻求结果，现在发现结果以概率的形式存在，这和哲学直观的表述：模糊的正确大于精确的错误相吻合。世界就是这样，相比已知来说，存在着更广大的未知，这是一次生存理念的洗礼。

边读着此书边脑子里不断的浮现出大一时上物理大课时台上满头大汗的老师在六块推拉黑板前忙前忙后的进行一步步的教学演算而台下坐着近两百多名一头雾水开着小差的学生——当把物理教成了数学的同时也忘记了物理概念与演算的先后顺序也就丢失了许多学生的求知欲

物理学的趣味值得每一个人细细咀嚼。 本书从费曼著名的里程碑式作品——费曼《物理学讲义》中选了最容易读的六章。 这本书名为“费曼讲物理：入门”，费曼果断地选择用不含数学公式的、主要是定性的方式来叙述一些关键题目，将这些题目编在一起，让你大胆地在物理的门口想里面张望几眼，从物理学的角度认知这个世界。