和孩子聊聊物理

昨晚陪儿子的做功课，谈到了物理学。儿子说，物理课上讲了单摆的原理、太简单了，没有意思。于是，我就和他谈了什么是物理。

我从物理学的用途开始讲的。  

儿子最大的爱好是摆弄飞机模型，他的理想是为飞行员或飞机设计师。我对儿子说：设计飞机的时候要满足有很多需求。比方说重量要轻、功率要大、安全性要高。怎样设计才能满足这些需求呢？  

有一种最原始的办法，就是先设计出来再做实验。但飞机太复杂了，实验的代价也非常大、不知道要尝试多少次才能设计出来。而且，这样设计出来的东西也不一定满意。如何解决这种困难呢？最好的办法就是想办法算出来，不用或少做实验。。计算的时候需要用到大量的数学公式。这些数学公式从哪里来的呢？从根本上说，是从物理上来的。  

什么样的公式才能用呢？必须要靠谱。这些公式蕴着一些不变的东西，叫做规律。为什么要求不变的？ 我们想想看：如果这个公式有时候能用，有时候不能用，谁敢用它去算？物理学就是这些规律的基础学科。  

所以物理学首先是要发现一些不变的东西。比如，伽利略当年就发现：单摆的摆动周期是不变的。利用这些规律，就可以制造一些东西，比如摆钟。  

再说具体点，什么叫不变呢？指的是小球的重量、大小、摆动的幅度发生改变时，摆动的周期不变。 所以，所谓的不变性，指的是某些条件变化时保持另外一些特性不变。这里我强调的是某些条件，也就是说：条件变了以后，还是会变。比如，把单摆从北极拿到赤道，摆动周期就会改变。为此，就要研究物理规律适用的边界。所有的物理规律都是有应用边界的。物理学研究的内容之一就是研究这些规则成立的原因和边界。

如何进行研究呢？物理学研究的方法之一，是用数学的办法找出背后的逻辑。钟摆的周期不变，就可以用数学来解释。这样一来呢，数学在物理学当中就起到了很大的作用，让我们对物理现象的认识更加清楚。  

但物理学的本质并不是数学推导。物理学的本质是根据实验现象进行的总结，是先有实验观察，后有理论分析。就引出了实验和测量问题。  

物理学家在解释一件事情的时候，往往首先提出一些假说。比方说，过去就有日心说和地心说两种假说。日心说和地心说到底谁正确呢？关键就要看谁更符合实际的观察、或者说谁的计算更准确。如何判断计算准确呢？就是和观察数据进行比较。  

所以，观察数据的准确性非常重要。过去有个叫第谷的科学家。他对星体的运行轨迹做了非常准确的观察。他的学生开普勒根据数据总结出来三条规律，被称为开普勒三定律。根据他们两个人的观察和研究，修正了哥白尼理论中的一些不准确的地方。这些观察数据和理论又为牛顿创立牛顿力学和万有引力定律奠定了基础。  

我们前面谈到，物理学定律的适用范围往往是有边界的。在边界之内成立、在边界之外就不成立。什么叫不成立？就是有些现象无法解释、或者与测量结果产生偏差。  

100多年前，有个科学家测量了光的速度。他发现了一种很奇怪的现象：光速是不变的。这种现象与牛顿理论是矛盾的，非常让人难以理解。爱因斯坦根据这些观察和测量，提出了他的假说，就是相对论。相对论解释这种现象的时候认为：有质量的物体可以让空间发生扭曲、或者说光线发生拐弯。后来有人根据爱因斯坦的理论，在发生日食的时候测量了星星的位置，完全符合爱因斯坦的假说。这样相对论也就成了一个科学原理。  

可以说：如果没有精确测量，也就不会有物理学原理的出现。现在物理学已经非常成熟了。人们很难找到物理学理论无法解释的现象。所以物理学的发展也就变慢了。  

当代物理学家研究的前沿，往往是特别宏观或者特别微观的东西。宏观的物理学研究宇宙、黑洞，而微观的物理研究量子。两者之间有很多层次，就形成了许多其他的学科。比如把这种研究限制在分子层面，就是我们熟悉的化学了。  

化学刚刚产生时，主要针对无机物。无机物的分子往往比较小、包含原子的数目不多。后来发展到有机化学，分子就大得多了。从某种意义上说，病毒就是一个大分子。  

各种分子结合在一起，可以形成各种物质材料。所以，材料学科往往是基于化学的。人们研制出不同的材料，再通过这些材料制成各种各样的机器，如汽车、飞机等。  

从某种意义上说，人就是一个复杂的机器。这台机器包含了许多的系统，如运动系统，神经系统，消化系统、血液循环系统等。每个系统当中又包含了许多的器官，比如消化系统包括肠、胃等。每个器官是由组织构成的，组织就相当于一种特定的材料。当然，这种材料是复杂的复合材料。人体的组织一般是由细胞构成的。有趣的是：细胞其实也可以看成一个小的机器，里面包含更小的机器叫做细胞器。相比之下，组成细胞器的材料单纯一些。比如，蛋白质、脱氧核酸等等，但也属于高分子材料。现代的生物学就是研究这些东西的。  

所以啊，学好物理是常重要的。