第一章 引论

物理学有若干个层面。首先，我们最关心的是那些我们看做物理学本身主题的东西，即自然界和实验室内发生的物理现象、定律和理论，以及它们的应用。接着，关心的是物理学发展的历史——观察中的重要发现， 由实验所得出的理论，以及物理学各分支的形成。进而，有一个更深的层面，那就是基本概念本质的研究和理论结构的研究。这，我们将不严格地称之为物理学哲学。大多数学习物理学的学生都满足于物理学的“作业知识”（working knowledge），独独把物理学哲学搁置一旁。毕竟没有它， 物理学家们仍能做好他们的工作。事实上，大量的贡献，尤其是应用物理学于实际问题上的贡献，都是那些对有关物理理论基础可能无太多兴趣的物理学家做出的。但是，一位物理学家从对物理学演变过程的一个更深刻更具批判性的理解中，能获得精神上的更大满足与享受。

让我们先看看“定律”与“理论”。物理“定律”乃是一种连接某些物理概念的关系。经验定律便是从观察或实验资料中发现的这样的关系。前者的一个例子是开普勒行星运动定律，这些定律是从丹麦天文学家第 谷·布拉赫（1546—1601）的观测资料中得出的。后者的一个例子是玻意耳（1627—1691）的气体定律。

对观测资料或实验资料进行分析，为我们思考现象和表述经验定律而引进概念，这些构成了作为一门科学的物理学成长的最初阶段。第二阶段则是经过思考构建现象的“理论”。

理论的目的是使物理学家运用较少的或较简单的连接物理概念的假 定关系，去力图“理解”（以定律形式表达的）经验事实。这些假定关系可能要求引进新概念。牛顿运动定律中的动量概念，牛顿万有引力概念， 热力学中的熵概念，化学中和气体理论中的分子概念等等，便是例子。这些假定依据它们所扮演的角色而被叫做“假定”（具有一种尝试的性质）、 “假设”、“公设”（具有一种较强的性质）和具有欧几里得几何学中公理性质的“公理”。

理论的第一个明显要求是，它要与所有已知的观测事实相一致。第二个更加严苛的要求是，该理论的一切逻辑推论，都必须与为检验它们而设计的所有进一步的实验结果完全相符。因此，在这个意义上说，理论总是“处在试验之中”的；一旦发现其逻辑结论与某种经验事实相矛盾，该理论就必须加以修正或被抛弃。

按照爱因斯坦的论述（1919 年），理论有两大类。一类他称为“构建性理论”，气体动理论就是这类理论的一个范例。另一类他称为“原理性理论”，经典热力学和相对论是这类理论的范例。

牛顿运动三定律，严格说来，应称为理论。“三条定律”都是强的“原

理”，而非经验定律。但是，动力学的整个结构及其应用的成功（直到它们应用于原子和亚原子领域才出现例外），已把牛顿“理论”提升到“定律”的地位。

在本书中，我们将循着从 17 世纪经典动力学到目前的物理学的发展路子，强调基本概念和理论真正本质的基础性变化。因此，牛顿力学具有绝对时间的基本概念和决定论的运动方程；光学理论和电磁理论充分发展了场概念并为狭义相对论铺设了道路；狭义相对论抛弃了绝对时间和以 太，并强调变换和协变的概念，推广到广义相对论，引进了一种时空引力的全新观点，开创了宇宙学的领域。在讨论巨量物质的性质时，发展出了三种方法：气体动理论、热力学和统计力学。当应用到黑体辐射问题时， 热力学和统计力学导致了普朗克和爱因斯坦的量子论。原子物理学沿着玻尔理论的发展，导致了量子力学的发展，其中牛顿体系的基本概念和物理理论的本质，由数学形式体系和一种物理理论的新哲学所取代。

在物理学发展过程中，重要目标之一是已知各种相互作用的统一。电磁场的统一是最早的统一；接着于本世纪 10 年代后期开始致力于引力场与电磁场的统一。这个目标迄今尚未达到，但弱相互作用与电磁相互作用的统一在 60 年代首次达到，并于 1983 年得到实验的支持。这两种相互作用与强相互作用和引力相互作用的最终统一是目前研究的任务之一。这些话题，将在书中的有关章节中论及。

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物理学家，或许还有科学哲学家都普遍赞同，相对论和量子力学是现代物理学的两块基石。每所大学的大学生都学这两门课程。数学方面，诸如洛伦兹变换及其推论、薛定谔方程为许多问题提供的解，所有物理系的学生都是相当熟悉的。然而，对于物理诠释和哲学诠释，却并不熟悉。教科书或讲演中通常也不对之作充分的强调。作者相信，为了对这两个课题有一个较深刻的理解和恰当的把握，某些关于历史透视和哲学涵义的知识是必要的。下面就这两个课题的几个方面作一简要的阐明。