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《物理是什么》
铛铛铃2025-09-13【科普】0人已围观
简介
今天为你解读的这本书叫《物理是什么》。
物理学无疑是支撑现代文明的骨架。你面前的手机、房间里的空调、身处的高楼大厦，无一不是拜物理学所赐。很难想象，如果物理学没有发展起来，我们会生活在怎样一个原始社会。
那么，物理学是怎样诞生和发展起来的呢？《物理是什么》这本书就回答了这个问题。你会了解到传说中的水逆是如何推动科学发展的，预言宇宙命运的热寂说背后是什么原理，科学家怎么用统计学来研究微观分子的运动，科学和技术又存在着怎样的关系。
在解读这本书之前，让我们先来认识一下它的作者——日本物理学家朝永振一郎。
朝永从小就喜欢摆弄幻灯机、放大镜之类的东西。1926年，他考入京都帝国大学物理系，也就是现在的京都大学。而后在日本科学之父仁科芳雄的引荐下，前往德国留学。短短两年后，第二次世界大战爆发，他回到日本。当时日本军国主义把科研经费都拿去制造武器，朝永克服种种困难硬闯了过来，并在战后组织流失人才，重建科研机构。1965年，朝永因为在量子电动力学方面的工作，与施温格、费曼一同分享了诺贝尔物理学奖。
在退休之后的10年间，朝永在日本各地举办了多场针对普通民众的科普演讲，并以这些演讲的内容为主题，开始撰写《物理是什么》这本书。1979年，朝永因喉癌去世，这本书也十分遗憾地成了他生前未能完成的作品。同年，这本书已完成的部分手稿由岩波书店集结出版。在1980年，获得了朝日新闻社主办的大佛次郎奖。从1979年出版以来，这本书在日本长销不衰，重印了58次，可谓创造了一个神话。
那么，物理到底是什么呢？朝永在序章中给出了一个简短的定义：以观察事实为依据，探求我们身处的自然界中所发生的各种现象背后的规律。以观察事实为依据，是物理学的最大特征。这个特征是怎样一步一步形成的？我们花了那么大力气探求的自然现象背后的规律到底是什么，又应该用怎样的形式来把它们描述出来？接下来我们就跟随这本书穿越时空，去回顾经典物理学、热力学、分子运动论的发展史，从中去探寻物理是什么。
第一部分，我们来到经典物理学的世界。人类对自然规律的探求，是从仰望天空开始的。人们发现日月星辰的运行都严格遵守一张时间表，天文学就是这样诞生的。所谓天文，一开始搞的都是些迷信活动，也就是占星术。当然也有些人搞正经学问，关于日月星辰的运动规律，各路学者都有自己的一套理论。公元二世纪左右，天文学者托勒密提出了著名的地心说模型，他认为地球是宇宙的中心，其他星体都围绕着地球运动。但我们经常听说哪几天又水逆了，水逆就是水星逆行，也就是说水星有一阵子会倒着走。不光是水星，其他行星也会逆行，这要怎么解释呢？托勒密只好说，行星的运动是两种圆周运动的组合。结果他的这个模型变得越来越臃肿。在观测精度还不高的时代，地心说模型还能糊弄过去，但后来观测技术提高了，人们发现这个模型算出来的行星轨道越来越不准了。
16世纪的天文学家哥白尼一针见血地提出，太阳才是行星运动的中心，地球也是围绕太阳运动，这就是日心说。这样一下子解决了很多麻烦，像水星逆行这种现象，正是因为地球和水星都是围绕太阳做圆周运动，但速度不一样，于是让我们产生了一种水星逆行的错觉。不过，哥白尼坚持认为行星轨道必须是正圆的，但人们观测之后发现，行星的运动速度是会变的，这让哥白尼感到十分抓狂。
17世纪初，天文学界冉冉升起了一颗新星，他就是开普勒。开普勒根据他的老师、丹麦天文学家第谷留下的精密观测数据，对火星的运行轨道进行了计算。算出的数据和实际观测数据之间有八分的误差，可能有人觉得这没什么大不了，但开普勒有强迫症，哪怕八分的误差也不行。开普勒心想，问题该不会是出在正圆轨道上吧？这个怀疑一出，古希腊先贤们的棺材板怕是要按不住了。但开普勒大胆提出，就是因为古人一直都迷信圆运动，才会这么多年都搞不清行星运动的真相。于是开普勒调整思路，利用火星的冲日，也就是火星、地球、太阳三者连成一条直线的时间点，通过纯几何方法计算出火星的轨道。原来火星轨道确实不是圆的，而是椭圆的。不光火星，地球以及其他所有行星的轨道都是椭圆的。大名鼎鼎的开普勒第一定律和第二定律说的差不多就是这个内容。
闭关了10年之后，开普勒又搞出了一个大新闻。他发现每颗行星的轨道大小和它的公转周期之间都存在着定量的比例关系，这就是开普勒第三定律。这条定律到底说的是什么呢？其实它是说所有的行星，它们的运行规律都是一模一样的，而且这个规律非常简洁。这时大家要问了，到底是什么神秘的力量在支配这些行星的运动呢？开普勒认为，这个神秘的力量一定来自于太阳，但他也不知道这种力量到底是什么。现在连小学生都知道，这种力量其实是万有引力，当然，这个答案是由牛顿发现的。
说完开普勒，我们来说说跟他同一时代的另一位物理学先驱——伽利略。关于伽利略有很多传说，最有名的就是他站在比萨斜塔上往下面扔球，他用这个实验证明，两个球的重量不同，但自由落下所需要的时间却是相同的。当然，我们无法证实伽利略真的扔过球，但他喜欢做实验这件事却是千真万确的。他还把自己做的实验都记了下来，比如说他让小球从斜面上滚动下落，测量每过一段相同的时间小球滚了多远，发现小球的滚动是一种匀加速运动。伽利略的那些实验在今天看来都是初中生水平，但不可思议的是，在他之前，人们根本不觉得做实验有那么重要，而是认为只要脑子里面想想就能琢磨出真理。也就是说，到伽利略这里，物理学才真正开始以观察事实为依据。
除了喜欢做实验，伽利略还非常重视数理逻辑。他认为自然规律就像数学一样，是相互关联的一个体系。如果我们能够发现并验证一些基本的公理，并用数学的语言描述出来，就可以用这些公理直接推导出很多东西，根本不需要为了每一个规律都去做实验了。伽利略说，自然之书是用数学的语言写成的。他认为只有掌握了数学的语言，才能真正破解自然的奥秘。因此，搞物理不仅要会做实验，更要会用数学方法去论证。
开普勒和伽利略开荒之后，现在轮到牛顿来打地基了。伽利略发现，落体运动是匀加速运动，但小球的速度是连续变化的，在无穷小的时间里，小球移动的距离也是无穷小的，这些无穷小的距离怎么才能加起来变成一个确定的数呢？如果你学过高数，一定会说，这不就是微积分吗？可惜伽利略那会儿可没有微积分，微积分是牛顿和莱布尼茨搞出来的。牛顿搞微积分就是为了研究这个速度变化的问题，他对位移、速度、加速度三者的关系给出了明确的数学定义，这对于物理学的发展是一个重要的里程碑，也充分说明了一个道理：没有数学工具不可怕，我发明一个新的就行。
牛顿的另一大贡献就是提出了著名的经典力学三定律，把力、惯性、运动三者之间的关系给捋清楚了。牛顿还特别强调，力只是改变物体运动的原因，在没有外力的作用下，物体依然可以做匀速直线运动。为什么牛顿三定律这么重要呢？这是因为在牛顿之前，人们认为天上的东西和地上的东西，它们的运动规律肯定是不一样的，但牛顿告诉我们，管它是天上的星星还是地上的石头，所有的东西的运动规律都是完全相同的，这就是力学的基本公理。从牛顿三定律出发，我们可以推导出任何物体的运动状态，不管是开动汽车还是发射火箭，都错不了。
总而言之，伽利略所设想的通过数学论证，从少数公理推出各种事实的物理学体系，到牛顿这里才算完美实现。牛顿将伽利略的实验与开普勒的观察相结合，奠定了以观察事实为依据，探求自然规律这一物理学的特质。从此，物理学终于褪去了古老自然哲学和占星术的外衣，成为了一门真正的科学。
除了科学本身的发展之外，科学与技术之间的关系也是一个有趣的话题。如果你问周围的小伙伴，科学和技术有什么区别，估计大部分人都说不清楚，好像他们根本就是一码事。其实科学研究的是为什么世界是这样的，而技术则是要把世界变成另外一个样。搞清楚世界为什么是这样，我们在改变它的时候，就能把力气用在刀刃上，但就算没搞清楚，我们也能靠摸索试错来改变世界。这就是说，技术未必总要做科学的跟屁虫。
比如望远镜，是17世纪的一位荷兰人发明的，但当时人们对光学还不是很懂。还有人们很早就知道如何用机械从井里把水抽出来，但却并不知道背后的原理是大气压强。实际上，望远镜的发明让人们能够更精密地观测天体，开普勒、牛顿他们之所以能够发现天体的运行规律，望远镜也是一大功臣。而且牛顿还特别沉迷于研究望远镜的原理，于是后来就搞出了牛顿光学。另外，帕斯卡发现大气压，一开始也是为了解释为什么水泵打水的高度是有限的。这些例子都说明，很多时候是先有了技术，然后技术再去推动科学。蒸汽机和热力学之间也是这样的关系。
接下来第二部分，我们就从蒸汽机开始，说说热力学的发展。18世纪的英国，一个叫瓦特的年轻人对蒸汽机进行了重要的改良，让这种靠烧水就能干活的装置带动了整个欧洲的工业革命。我们小学都学过瓦特看水壶烧水的故事，当然那只是一个段子，瓦特并不是从小时候得到灵感，而是一板一眼做实验研究出来的。热不但可以烧水做饭，居然还可以带动机器做工，这真是一个天才般的创意。这种用热来做功的装置就叫热机。虽然蒸汽机早就过气了，但我们的生活依然离不开各种热机，比如汽车发动机、航空发动机，它们都是热机。车主都希望自己的汽车油耗低、动力足、跑得远，这就需要提高热机的效率。瓦特当时搞了一个研究所，专门研究怎么提高蒸汽机的效率，也做出了不少成果。但法国人卡诺认为，瓦特这种方法无非是不断试错，跟盲人摸象没什么区别。牛顿定律告诉我们，水力机械最多能做多少功，只取决于有多少水从多高的地方落下来推动它，但热机呢，我们不知道。卡诺认为，只有找出热机中的牛顿定律，才能从根本上改良热机的效率。这就是我们之前所说的，技术的发展开始吸引科学家们去寻找基本规律了。
卡诺设想了一种理想的热机，这种热机里面充满着空气，空气从高温物体那里吸热，又跑到另一个低温物体那里放热，在这个过程中，空气会膨胀和收缩，于是就带动了活塞做功。卡诺证明这个过程非常完美，一点损耗都没有，完全榨干了热机的全部效率。所以他的这种理想的热机效率是最高的，这个效率只和两个物体的温度差有关，而且温差越大，效率越高。
听了卡诺的理论，你可能忍不住要问了，热到底是什么东西呢？温度又是什么呢？为什么只有一个高温物体不能做功，还必须得有一个低温物体才行呢？可惜卡诺死得早，没来得及回答这些问题。在当时，有人认为热是物质，另一些人则认为热是能量，焦耳通过实验测出了一份热可以做多少功，也就是热功当量，人们才逐渐接受了热是一种能量的说法。
现在让我们回忆一下伽利略的话，他说物理学应该是一个体系，里面有几条基本公理和数学模型，剩下所有的东西都可以从这些公理和模型推导出来。如果说经典物理到牛顿那里就已经确立了这个体系，但到了热力学，虽然卡诺的理论很天才，但他的论文通篇都没有数学公式，缺少了数学模型，怎么继续推导出其他的定律呢？于是德国学者克劳修斯出场了，他把卡诺没做的数学作业给补上了，而且还用数学方法解释了为什么需要有一个高温物体和一个低温物体才能利用热来做功。
为了解释这个问题，我们得先知道，高温和低温之间的这个温度差到底代表什么意义。克劳修斯提出，一个系统里面存在温度差，这说明它的状态是不均衡的，这时才会有能量的流动，能量的流动才能对外做功，就好像河水的流动是因为地势有高低差一样。如果一个系统中到处都是均衡的，那就像一潭平静的湖水，里面不再会发生任何变化，也就不能对外做功了。克劳修斯管这个系统里不均衡的程度叫做熵，熵越小说明系统越不均衡，能做功的能量也就越多。反过来说，熵越大，说明系统越均衡，能做功的能量也就越少。克劳修斯还说，如果一个系统是封闭的，和外界没有能量的交换，那么它的熵一定是越来越大的，也就是能做功的能量是越来越少的，这就是著名的熵增原理。
克劳修斯提出的这个熵，后来又被信息学等多个学科借了过去，甚至还被用来预言宇宙的命运。克劳修斯本人就说，宇宙的能量是守恒的，宇宙的熵是增大的，总有一天，宇宙这个巨大的系统会达到熵最大的状态，这时宇宙将完全停止活动，变成一个死寂的世界，这就是预言宇宙命运的假说之一——热寂说。
克劳修斯帮热力学打好了地基，但人们发现热力学的尺度特别粗糙，它只能描述像温度、能量、熵这些宏观的量，而且这些量看起来又跟牛顿的经典力学完全没有关系。比如说热力学中有热能，经典力学中有机械能，这两种能量之间到底有什么关系，人们不知道。这时伽利略的话又开始回响了，自然规律应该是相互联系的整体，也就是说，热力学和经典力学不可能是毫不相干的两码事，它们之间一定在某个地方存在着联系。
那么，怎样才能将热力学和经典力学联系起来呢？人们开始思考，在宏观尺度上看起来完全无关的两件事，说不定在微观尺度上看其实是一码事。就好比说，两件大小、形状、颜色都完全不同的衣服，从微观尺度上看其实都是用棉线纺织出来的。从微观尺度看，问题也许是一个很有希望的突破口。
然而在19世纪初，人们对于微观世界的认识还少得可怜。那时候化学家们刚建立起原子论，认为物质的基本组成单位是原子，后来又修正了一下，说化学反应的基本单位是分子。物理学家感觉这个理论很有意思，想象一下，如果每个原子或者说分子的运动状态都可以确定，那就可以用牛顿定律计算出它们的动能和势能，说不定就可以从这里推导出热力学的各种定律，经典力学和热力学不就可以统一了吗？想到这里，物理学家们立刻兴奋起来，他们开始寻找分子运动与某些宏观的量之间的关系。这次他们选择从气体压强入手，人们早就发现了气体有压强，而且知道压强、体积和温度之间存在着一定的关系，但却没有搞清楚为什么气体会有压强。
这时，克劳修斯大神又出马了，他和其他一些物理学家认为，是气体分子对容器内壁的不断碰撞产生了压强，也就是说，压强就是所有气体分子的总动能。他还总结出了一个公式。不过这里还有另外一个问题，为什么温度也和压强有关系呢？德国物理学家玻尔兹曼提出，温度的本质其实就是每个分子的平均动能，不仅气体是这样，液体和固体也一样。我们知道温度是热力学研究的一个量，如果温度和分子的动能有关，那热力学不就跟经典力学扯上关系了吗？用分子的运动来解释热力学，这就开创了物理学的一个新的分支——分子运动论，这也是我们在第三部分要讲述的内容。
之前我们提到，克劳修斯等人总结了一个气体压强和分子总动能之间的关系式，但这个公式要想成立，我们得默认一个重要的假设条件，那就是无论初始状态是怎样的，容器中的气体分子在不断碰撞之后，最终总能达到一个均匀分布的完全无序的状态。这时，一个气体分子出现在容器中任何地方的概率都相等。但你怎么证明气体分子总能达到均匀分布的状态呢？不仅如此，你还用概率这个词去描述分子的状态，要知道，牛顿力学都是百分之百确定的，一个物体该怎么运动就会怎么运动，怎么到了分子运动上就要谈概率呢？这样的理论严重挑战了物理学家们的强迫症。
为了解决这个问题，让我们请出另一位大神——英国物理学家麦克斯韦。麦克斯韦在电磁学上的贡献可能更有名，不过他在分子运动论方面一样做出了很大的贡献。麦克斯韦打算先研究一下在均衡状态下气体分子到底是怎样运动的，可是分子的数量那么多，每个分子的初始状态又有那么多种，这该怎么计算呢？于是他想到了统计学。统计学大家大概都懂一点，比如班里几十个同学的考试成绩，我们可以通过计算平均分、标准差等统计指标，来掌握这个班的整体表现。统计学里还经常会画分布图，通过分布图我们可以看出大部分同学都集中在哪个分数段上。麦克斯韦用的就是这种方法，他统计的是分子速度在各个方向上的分布，发现当达到均衡状态时，分子速度呈正态分布，也就是说，分子处于某个中间速度的可能性最大，而离这个速度越远，可能性就越小。我们就管这种分布叫做麦克斯韦分布。
麦克斯韦为什么要算这个呢？因为有了麦克斯韦分布，我们就可以统计出气体分子的总动能，而有了分子总动能，就能计算气体的压强。用这种方法计算出的结果与克劳修斯的气体压强公式完全一致。换句话说，麦克斯韦是换了一种方法，最终求出了相同的结果，但是他绕开了困扰克劳修斯的那个假设条件。
不过麦克斯韦这个方法还是没能回答最初的那个问题，也就是怎么证明无论初始状态怎样，气体分子最终都能运动到那个均衡的状态呢？这时又轮到玻尔兹曼出场了，他对麦克斯韦的方法进行了补充和推广，提出了一个玻尔兹曼方程，这个方程描述了气体分子的运动是怎么延时间来变化的，而且他把熵和分子运动论给串了起来。也就是说，无论初始状态是怎样的，只要经过足够长的时间，分子运动状态都会逐渐接近麦克斯韦分布，这时候熵也就达到了最大值。
看起来玻尔兹曼似乎已经功德圆满了，但科学总是在质疑中前进的。有人就说了，你这个推导过程里面还是用了概率呀，比如说麦克斯韦分布也是说最有可能处于某个速度，这个最有可能不就是概率吗？这个质疑把玻尔兹曼砸得很疼，但他没有退缩，而是想办法来改良他的理论。后来，玻尔兹曼对这个概率提出了一个新的解释，他起名叫各态历经定理。这个定理是说，在总能量守恒的前提下，分子集团中每个分子的位置和速度将把所有可能的位置和速度状态都经历一遍，但每个分子在每种状态下停留的时间却是有长有短的。也就是说，麦克斯韦说的那个分子处于某个速度的概率最大，玻尔兹曼给改成了分子在某个速度下停留的总时间最长。这个解释看上去只是偷换了一个概念，但其实却非常巧妙，因为他把概率这个讨厌的家伙从分子集团本身的行为中给去掉了，然后把它放在了观察者的位置上。
这是什么意思呢？比如说我们有十个房间，一个分子在这十个房间里来回跑，我每隔一段时间打开看看他现在在哪个房间里，最后发现他在5号房间出现的次数最多，但这并不是说分子本身在掷骰子玩概率，他确实十个房间都去过了，只不过在5号房间待的总时间最长而已。麦克斯韦和玻尔兹曼的这些理论为后来发展出的统计力学奠定了基础。有趣的是，尽管玻尔兹曼花了毕生的心血把概率从分子运动论中剥离出去，但后来人们发现，微观粒子的行为的确存在不确定性。时间进入20世纪，量子力学呼之欲出，物理学又掀开了一个崭新的篇章。
讲到这里，你也许还想继续听一听后面的故事，然而万分遗憾的是，朝永的这本书和他的生命一起到这里戛然而止。作为20世纪物理学的两大重要成就，量子力学和相对论的发展毫无疑问是物理学史上波澜壮阔的一笔，而朝永的贡献正是消除这两大理论之间的矛盾，因此他对于这两大理论必然有着独到的见解，只可惜我们无缘听朝永继续为我们讲述了。
如果你对量子力学和相对论感兴趣，还可以去听听《七堂极简物理课》这本书。在回顾这段物理史之后，我想你对物理是什么这个问题已经有了答案。在观察和实验的基础上，发现适用于自然界的规律，并用数学的语言表达出来，这就是物理学。
本书在最后收录了一篇题为《科学与文明》的演讲稿，这是朝永生前在两次市民科普讲座上所作的演讲，也是他决定撰写这本书的缘起。在这两次演讲中，朝永除了梳理物理学的发展史之外，更多的则是从一位经历了二战和冷战时代的物理学家的角度，谈了谈自己对于科学的反思。
从18世纪开始，随着科学的发展，科学的产物开始大规模地造福人类的生活。在对科学的一片赞颂声中，诗人歌德举起了科学批判的大旗，矛头直指牛顿。歌德认为，科学家们通过侵犯自然的方式，人为制造出自然界中所不存在的状态，从而发现的所谓自然规律，跟我们所处的自然完全是相悖的，这种方法是对自然的亵渎。
人们对于科学和技术有一种朴素的恐惧和担忧，我们可能经常会说，知识本身没有善恶，关键看人们如何运用知识，但朝永认为这种观点是有局限性的。人类探索自然、了解自然，最终不可避免地会去改造自然，这是人类文明的天性。我们一旦获得了知识，就要将它变为现实的技术，有一些技术，比如蒸汽机、电灯，会造福人类的生活，而另外一些则会成为毁灭人类的武器，比如原子弹。换句话说，人类文明具有将所有可能性都变为现实的冲动，而科学则提供了这些可能性。因此，只要科学还会继续进步，人类还会发现更多的自然规律，原子弹这样的东西就必定还会出现。
朝永认为，在科学进步的同时，文明也需要思考应该如何改变社会的结构和科学进步一道摆脱现在这种矛盾的异常状况，否则将会陷入十分危险的境地。
好，《物理是什么》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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