从零开始读懂物理学

1.从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程。 2.内容全面，涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。 3.思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。 4.以开放式思维探讨物理与数学、哲学之间的关系，旨在与读者共同建立理性思维。

牛顿是怎样建立万有引力定律的？引力是超距作用吗？
光速为什么不变？爱因斯坦为什么要提出相对论？
电子是粒子还是波？薛定谔的猫到底是怎么一回事？
宇宙大爆炸是怎样一步步建立的？暗物质与暗能量真的存在吗？
物理学总是令人着迷又令人困惑。本书从“零”开始，站在“问题”角度，循序渐进地讲述了整个物理学理论的演变过程，内容涵盖经典力学、电磁学、热力学与统计力学、光学、相对论、量子物理和宇宙学。
本书思路清晰、行文流畅，措辞严谨又不乏幽默，插图简约又不乏精准，内容简练又不乏深意。除物理外，本书多处以开放式思维探讨物理与数学、哲学的关系，旨在与读者共同建立理性思维，是青少年及广大物理爱好者不错的入门书籍。

汪振东 ---------------------------- 汪振东，毕业于中国科学院大学研究生院，后在中国科学院国家授时中心工作，参与研究原子钟、时间比对及北斗等诸多项目，对基础物理有很深的理解。著有物理科普书籍《在悖论中前行：物理学史话》。

第1章经典力学
1.1地心说/001
古希腊与亚里士多德/005
1.2日心说/010
第谷与开普勒/020
1.3从实验开始/023
相对运动/027
1.4力学定律/035
微积分/039
1.5万有引力/051
近代哲学之父——笛卡尔/052
站在巨人肩膀上/059
第2章电磁学
2.1从静电到电流/065
2.2电生磁/073
奥斯特与安徒生/076
电学中的铁三角/078
2.3磁生电/082
道德楷模法拉第/089
2.4电磁波/093
什么是物理？/096
什么是波？/101
电磁学的大厦/107
第3章热力学与统计力学
3.1从火说起/109
化学家拉瓦锡/113
3.2热的本质/117
从永动机到能量守恒/121
3.3热力学/124
3.4统计力学/132
第4章光学
4.1光的本质/138
光的三种传播方式/139
4.2光谱/148
4.3光速/154
第5章相对论
5.1两朵乌云/159
5.2狭义相对论/165
绝对时空/167
什么是质量？/172
5.3浅谈狭义相对论/175
5.4广义相对论/179
黎曼几何/182
第6章量子物理
6.1微观世界/192
X射线/199
6.2量子之门/200
火与颜色/201
什么是量子？/205
光电效应/207
6.3电子轨道/209
α、β、γ射线/210
6.4迷雾重重/216
常用的物理知识/217
泡利不相容原理/221
施特恩与盖拉赫/225
6.5矩阵力学/228
沉默的狄拉克/231
6.6电子是波/234
爱因斯坦与诺贝尔奖/234
晶体/240
6.7薛定谔方程/243
概率波/247
互补原理/252
6.8索尔维会议/253
“二战”中的科学家/259
6.9薛定谔的猫/265
小爱和小玻/269
6.10平行宇宙/272
6.11粒子、场与弦/276
同位素、核裂变和核聚变/278
反物质/283
第7章宇宙学
7.1宇宙在膨胀/289
测量天体到地球的距离/290
7.2宇宙大爆炸/297
什么是噪声？/301
宇宙简史/302
7.3恒星演化/304
钱德拉塞卡极限/307
最揪心的诺贝尔奖/309
励志人生/311
7.4未解之谜/312
参考文献/317

     第1章 经典力学 1.1 地心说 没人能清楚地说出物理学究竟起源于哪里，但绝对与人类的好奇心有关。好奇心驱使着人类思考，思考又驱使着人类把眼前的景象勾勒成简便的模型。比如瞭望苍穹，古代中国人会把天形容成一个大锅盖，太阳、月亮和星星都在这个大锅盖上升起落下，周而复始；远眺一望无际的大地，他们会将其形容成一个板，人们便在这个板上耕种劳作，生生不息——这就是我们所熟知的“盖天说”（图1.1）。它与“宣夜说”“浑天说”并称为“论天三家”。毫无疑问，这三种假说都代表着人类早期的宇宙观。 无独有偶，在地球的另一边，古希腊人也有类似的、朴素的宇宙观。不同的是，他们地处半岛，很容易相信大地这块板是漂在大海里的，为了不让板沉下去，他们又相信板下有很多只乌龟…… 然而，自然界中有很多现象提示古希腊人大地不是平的。比如当帆船归来时，站在岸上的人们总是先看到桅杆，再看到船身；往北走，北极星更靠向头顶。这些现象说明大地可能是弧形的，也可能是球形的，后来古希腊人从月食上找到大地是球形的直接证据。如图1.2所示，当月亮进入地球的本影区时，就会形成月食。如果大地是一块平板或弧形的板，那么它的影子不可能总是圆，因此大地必须是球。 地是“球”形的，天（宇宙）是什么样的呢？古希腊人又展开了无边的想象，最终形成“地心说”。地心说最早起源于被誉为“科学和哲学之祖”的泰勒斯创立的米利都学派。较为成熟的地心说模型是古希腊数学家欧多克斯（公元前408-公元前355）提出的。欧多克斯认为宇宙也是球，不同天体位于不同的同心球上，地球位于所有球体的正中心，即宇宙的中心（图1.3）。 所有的天体每天都会绕地球转一圈，于是形成了昼夜交替；太阳球转动的方向与其他球相反，这就解释了为什么总在夜晚能看见星星。太阳球还会以年为单位，以某个角度来回摆动，于是就有了四季交替。这些星体绕地球运动的轨迹如何呢？速度又是怎样呢？欧多克斯受老师柏拉图（公元前427-公元前347）的影响，认为星体的运动轨迹是圆的，速度是均匀的。因为在柏拉图学派看来，圆和匀速都是最完美的。 地心说成功地解释了很多自然现象，因此很容易被人们接受，并最终被亚里士多德（公元前384-公元前322）总结到自己的自然哲学体系中。亚里士多德是古希腊时代的一位集大成者，他的研究成果涵盖哲学、物理学、数学、艺术、社会学等诸多学科。此处我们虚构两个人物——小亚同学和德老师，来简述亚里士多德在地心说及物理学上的思想。 小亚同学：“您说地球是个球，站在地球上面的人毫无问题，但站在下面的人会掉到宇宙中吗？” 德老师：“当然不会。我们必须有个概念，球上每个点都是平等的。因此，不管你在地球的任何位置，你所谓的‘下面’实际上指向地心。每个物体都有重力，重力是物体的属性，重力让每个物体都会下落。” 小亚同学：“那为什么白云浮在天上，火苗会向上，炊烟也会飘向天空？难道它们就没有重力吗？” 德老师：“世间万物都是由土、水、火、气四种元素组成的，土元素最重，水元素次之，火元素再次之，气元素最轻。重的会下落，轻的自然会上浮。白云和炊烟主要由气元素组成，所以会上浮。火苗是由火元素组成的，火靠近气，虽然比气重，但也会上浮。” 小亚同学：“天体在天上飘，是气组成的吗？” 德老师：“我应该说得更明白一些，土、水、火、气四种元素构成了地球周围的万物。到了月亮天，就不存在这四种元素了，而是弥漫着第五种元素——以太。天体由以太组成，因此没有重力，自然不会落到地球上。” 小亚同学：“一片树叶和一块小石头都有重力，为什么小石头下落得更快呢？” 德老师：“因为小石头的重力大，所以下落得快。” 小亚同学：“我更糊涂了！您说的重力到底是什么？它怎么会让物体下落？” 德老师：“首先，你必须明白什么是力。力是维持物体运动的原因，比如一张桌子，你不推它不动，你一推它就动。重力也可以使物体运动，但是它是物体的内在属性，与普通的力不同。兽通的力必须通过接触才能产生作用，而重力可以远距离作用。 小亚同学：“您说推了桌子，桌子会动，但我松开手后，桌子为什么还会向前移动？很显然，我现在没有给它力了。” 德老师想了很久，说：“这可能是空气迂回导致的……” P1-5