費恩曼物理學講義
費曼物理學講義（連載）
作者：理查德·費曼
第一卷·第一章 原子的運動
第一卷·第二章 基本物理
第一卷·第三章 物理學與其它科學的關系
第一卷·第四章 能量守恒
第一卷·第五章 時間與距離
第一卷 第一章 原子的運動
理查德·費曼
1-1 引言
這是一門兩學年的物理課，我們開設這門課程是著眼于你們，讀者們，將成為物理學工作者。當然情況并非一定如此，但是每門學科的教授都是這樣設想的！假如你打算成為一個物理學工作者，就要學習很多東西，這是一個200年以來空前蓬勃發(fā)展的知識領域。事實上你會想到，這么多的知識是不可能在四年內學完的，確實不可能。你們還得到研究院去繼續(xù)學習。
相當出人意外的是，盡管在這么長時間中做了極其大量的工作，但卻有可能把這一大堆成果大大地加以濃縮。這就是說，找到一些概括我們所有知識的定律。不過，即使如此，掌握這些定律也是頗為困難的。因此，在你對科學的這部分與那部分題材之間的關系還沒有一個大致的了解之前就讓你去鉆研這個龐大的課題的話，就不公平了。根據這種看法，前三章將略述物理學與其他科學的關系，各門學科之間的相互聯系以及科學的含義，這有助于你們對本學科產生一種切身的感受。 你們可能會問，在講授歐幾里德幾何時先是陳述公理，然后作出各種各樣的推論，那為什么在講授物理學時不能先直截了當地列出基本定律，然后再就一切可能的情況說明定律的應用呢？（這樣一來，如果你不滿足于要花四年時間來學習物理，那你是否打算在4分鐘內
學完它？）我們不能這樣做是由于兩個理由。第一，我們還不知道所有的基本定律：未知領域的邊界在不斷地擴展。第二，正確地敘述物理定律要涉及到一些非常陌生的概念，而敘述這些概念又要用到高等數學。因此，即使為了知道詞的含義，也需要大量的預備性的訓練。的確，那樣做是行不通的，我們只能一步一步地來。
大自然整體的每一部分始終只不過是對于整個真理——或者說，對于我們至今所了解的整個真理——的逼近。實際上，人們知道的每件事都只是某種近似，因為我們懂得，到目前為止，我們確實還不知道所有的定律。因此，我們之所以需要學習一些東西，正是為了要拋棄以前的謬見，或者更可能的是為了改正以前的謬見。
科學的原則——或者簡直可稱為科學的定義為：實驗是一切知識的試金石。實驗是科學“真理”的唯一鑒定者。但是什么是知識的源泉呢？那些要檢驗的定律又是從何而來的呢？從某種意義上說，實驗為我們提供了種種線索，因此可以說是實驗本身促成了這些定律的產生。但是，要從這些線索中作出重大的判斷，還需要有豐富的想象力去對蘊藏在所有這些線索后面的令人驚訝、簡單、而又非常奇特的圖象進行猜測，然后，再用實驗來驗證我們的猜測究竟對不對。這個想象過程是很艱難的，因此在物理學中有所分工，理論物
理學家進行想象、推演和猜測新的定律，但并不做實驗；而實驗物理學家則進行實驗、想象、推演和猜測。
我們說過，自然的定律是近似的：起先我們找到的是“錯”的定律，然后才發(fā)現“對”的定律。那么一個實驗怎么可能是“錯誤”的呢？首先通常是：儀器上有些毛病，而你又沒有注意，但是這種問題是容易確定的，你可以反復檢查。如果不去糾纏在這種次要的問題上，那么實驗的結果怎么可能是錯誤的呢？這只可能是由于不夠精確罷了。 例如，一個物體的質量似乎是從來不變的：轉動的陀螺與靜止的陀螺一樣重。結果就發(fā)現了一條“定律”：質量是個常數，與速率無關。然而現在發(fā)現這條“定律”卻是不正確的。質量實際上隨著速度的加大而增加，但是要速度接近于光速才會顯著增加。正確的定律是：如果一個物體的速率小于100海里/秒，那么它的質量的變化不超過百萬分之一。 在這種近似形式下，這就是一條正確的定律。因此，人們可能認為新的定律實際上并沒有什么有意義的差別。當然，這可以說對，也可以說不對。對于一般的速率我們當然可以忘掉它，而用簡單的質量守恒定律作為一種很好的近似。但是對于高速情況這就不正確了：速率越高，就越不正確。
最后，最有趣的是，就哲學上而言，使用近似的定律是完全錯誤的。縱然質量的變化只是
一點點，我們的整個世界圖景也得改變。這是有關在定律后面的哲學或基本觀念的一件十分特殊的事，即使是極小的效應有時在我們的觀念上也要引起深刻的變化。
那么，我們應該首先教什么呢？是否應先教那些正確的、陌生的定律以及有關的奇特而困難的觀念，例如相對論、四維時空等等之類？還是應先教簡單的“質量守恒”（掃校者注：譯本原文如此，有網友提出，這里的 "constant-mass”被譯成“質量守恒”是有問題的。從上下文來看，上文提到的需要相對論修正的老定律是“質量不隨速率改變”，而不是一般意義上的質量守恒。在后面，提到類似的能量守恒定律的時候，作者用的是conrvation of energy）定律，即那條雖然只是近似的，但并不包含那種困難的觀念的定律？前一條定律比較引人入勝，比較奇特和比較有趣，但是后一條定律在開始時比較容易掌握，它是真正理解前一種觀念的第一步。這個問題在物理教學中會一再出現，在不同的時候，我們將要用不同的方式去解決它。但是在每個階段都值得去弄明白：我們現在所知道的是什么，它的正確性如何，它怎樣適應其他各種事情，以及當我們進一步學習后它會有怎樣的變化。
讓我們按照我們所理解的當代科學（特別是物理學，但是也包括周圍有關的其他科學）的輪廓繼續(xù)講下去，這樣，當我們以后專門注意某些特殊問題時，就會對于背景情況有所了解——為什么這些特殊問題是有趣的，它們又是怎樣適應整體結構的。
那么，我們世界的總體圖象是怎樣的呢？
1-2 物質是原子構成的
假如由于某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來表達最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設（或者說原子的事實，無論你愿意怎樣稱呼都行）：所有的物體都是用原子構成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運動著。當彼此略微離開時相互吸引，當彼此過于擠緊時又互相排斥。只要稍微想一下，你就會發(fā)現，在這一句話中包含了大量的有關世界的信息。
圖1-1 放大10億倍的水
為了說明原子觀念的重要作用，假設有一滴直徑為1/4英寸的水滴，即使我們非常貼近地觀察，也只能見到光滑的、連續(xù)的水，而沒有任何其他東西。并且即使我們用最好的光學顯微鏡（大致可放大2000倍）把這滴水放大到40英尺左右（相當于一個大房間那樣大），然后再靠得相當近地去觀察，我們所看到的仍然是比較光滑的水，不過到處有一些足球狀的東西在來回游動，非常有趣。這些東西是草履蟲。你們可能就到此為止，對草履蟲以及它的擺動的纖毛和卷曲的身體感到十分好奇。也許除了把草履蟲放得更大一些看看它的內部外，就不再進一步觀察了。當然這是生物學的課題，但是現在我們繼續(xù)觀察下去，再把水放大2000倍更接近地觀察水這種物質本身。這時水滴己放大到有15英里那樣大了，如果你再十分貼近地觀察，你將看到水中充滿了某種不再具有光滑外表的東西，而是有些象從遠處看過去擠在足球場上的人群。為了能看出擠滿的究竟是些什么東西，我們再把它放大250倍后就會看到某種類似于圖1-1所示的情形。這是放大了10億倍的水的圖象，但是在以下這幾方面是理想化了的。首先，各種粒子用簡單的方式畫成有明顯的邊緣，這是不精確的。其次，為了簡便起見，把它們都畫成二級的排列，實際上它們當然是在三維空間中運動的。注意在圖中有兩類“斑點”或圓，它們各表示氧原子（黑色）和氫原子（白色），而
每個氧原子有兩個氫原子和它聯結在一起（一個氧原子與兩個氫原子組成的一個小組稱為一個分子）。圖像中還有一個被理想化的地方是自然界中的真實粒子總是在不停地跳動，彼此繞來繞去地轉著，因而你必須把這幅畫面想象成能動的而不是靜止的。另一件不能在圖上說明的事實是粒子為“粘在一起”的，它們彼此吸引著，這個被那個拉住等等，可以說，整個一群“膠合在一起”。另一方面，這些粒子也不是擠到一塊兒，如果你把兩個粒子擠得很緊，它們就互相推斥。
