? ? 一、導(dǎo)論
在古典宇宙觀中，大家看到了人類通過對統(tǒng)一規(guī)律、理性思維，簡潔和美的追求，從神話進步到了古典物理學(xué)。類似地，人類對宇宙真理、自然規(guī)則的不斷探索，加上技術(shù)的進步、新的觀測結(jié)果的出現(xiàn)讓我們又從古典物理學(xué)進化到了經(jīng)典物理學(xué)，其中的代表就是牛頓機械論。
巨人的肩膀
牛頓說過一句非常著名的話，“如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上”。大家對這句話的解讀有很多，但首先我覺得可以肯定的一點是牛頓這句話，不是過分的謙虛，他說的是一個真實的情況。
這些巨人都有誰呢？巨人之一就是伽利略，他是在古典物理學(xué)到經(jīng)典物理學(xué)轉(zhuǎn)變的過程中，承上啟下的關(guān)鍵人物。在力學(xué)領(lǐng)域，伽利略有兩點很重要的貢獻，其一，關(guān)于自由落體的研究。
松手后石頭會落地，這是很自然、天天都能看到的現(xiàn)象。對此，古典物理學(xué)的觀點是：物體以恒定速度降落，速度與它們的重量成正比。因為他們認為“落地”是物質(zhì)的本性，石頭是由土元素構(gòu)成的，土元素的本性就是要往宇宙中心墜落。但是，根據(jù)伽利略的觀測結(jié)果，宇宙中心已經(jīng)不是地球了，日心說已經(jīng)否定了地球是宇宙中心，那石頭為什么還往底下跑呢？
伽利略用斜面實驗對此進行了研究，為之后的自由落體、慣性定律、牛頓力學(xué)定律的誕生奠定了重要基礎(chǔ)。我們看看他有什么思想方法。
伽利略對于自由落體的研究，都是實驗加想象，他設(shè)置了一個如下圖所示的斜面，然后就讓這個小球從斜面往下滾，這也是非常簡單、在生活中每天都能見到的現(xiàn)象，但伽利略就能從這里面挖掘到不同的ideas：小球在斜面上滾過的距離與其滾的時間的平方成正比。
比例系數(shù)我們稱之為 ，我們可以看到如下圖所示的三個坡度不同的斜面，越緩的斜面球越滾的慢，越陡的斜面球滾的越快。
接下來是伽利略思想上最關(guān)鍵的一步：從普遍推廣到極限。極限情況是什么呢？如下圖所示，將斜面豎直起來，小球在斜面上的運動就變成了豎直的、自由落體運動了。
因此，普通的狀況下得到的規(guī)律就被能推廣到了極限情況。注意，此時的思辨，就不再是以前憑著邏輯性的、概念性的、哲學(xué)性的現(xiàn)象進行的思辨了，而是依靠經(jīng)驗性的事實進行的思辨。即使換不同材料的球、不同重量的球，只要斜面是一樣的，它就能按照一樣的加速度行進。并且，這個是有實驗數(shù)據(jù)的支撐的。所以，伽利略在自由落體實驗上取得的一個進展極大地改變了人們的觀念。
緊接著伽利略又做了慣性定律的研究。古典物理學(xué)的觀點是：物體的運動都是由于其它物體的作用。也就是說，靜止才是一個物體應(yīng)該有的運動狀態(tài)，每一個物質(zhì)都有他本身的自然的位置，根據(jù)它元素的屬性，落到了它自然位置之后，它就會靜止在哪里。而不管是什么運動，都需要外力作用。但實際上是這樣嗎？我們看伽利略是怎么做的。
伽利略使用如下圖所示的兩個斜面加上一段導(dǎo)軌。我們可以看到小球從起始點出發(fā)，越滾越快，最后向另一個斜面往上滾，卻越來越慢。斜面粗糙時，小球再也無法達到原來的高度了。那么，他覺得如果能夠讓導(dǎo)軌和小球越來越光滑，小球上漲的高度會不會越來越接近之前的高度？這是關(guān)鍵的一步。
相反，讓導(dǎo)軌和小球越來越粗糙，小球上漲的高度會不會越來越低于之前的高度？伽利略發(fā)現(xiàn)，讓一個小球沿一個斜面從靜止?jié)L下來，小球?qū)L上另一個斜面，如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙乖瓉淼母叨?。如果使斜面傾角變小，小球在這個斜面上達到原來的高度就要通過更長的路程。并且繼續(xù)減小斜面的角度，使它最終成為水平面（0度），小球就再也達不到原來的高度，而沿水平面以恒定速度持續(xù)運動下去。
伽利略這種理想化的運動，是一種科學(xué)的抽象，它更深刻地反映了事物的本質(zhì)。
那這個時候，伽利略就意識到這個現(xiàn)象，跟古典物理學(xué)指出來的這些現(xiàn)象是完全不同的。于是這也催生了經(jīng)典物理學(xué)的慣性定律：物體都會保持其靜止或勻速直線運動的狀態(tài)，除非有外力改變這一狀態(tài)。而古典物理學(xué)的觀點是：物體的運動都是由于其它物體的作用。
而且后期的研究則發(fā)現(xiàn)，運動和靜止其實是一個相對效應(yīng)，運動還是靜止是區(qū)別不開的，你在一個勻速行駛的火車上，你看所有的東西幾乎感覺到它是靜止的。
我們可以看到，愛因斯坦對伽利略這個實驗非常非常推崇，他說，“伽利略所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大成就之一，標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！?/p>
之前古典物理學(xué)還是人類往理性思維、科學(xué)思維上的爬行，但此時，經(jīng)典物理學(xué)是我們真正的走出了第一步、真正的開端。
那么，伽利略的這種思維是什么形式呢？實質(zhì)上，這完美的達成了：人對事物的認識，就是在頭腦中建模的過程。比如，我們是用什么辦法來處理問題的呢？其實就是基于我們的第一性原理，用最核心的知識，來對我們這個問題進行建模處理。
那我們再看到慣性原理，關(guān)于運動和靜止思想觸動上改變了之后，發(fā)生了什么事情。之前說牛頓站在兩個巨人的肩膀上，一個巨人是伽利略，一個巨人是開普勒。類似于伽利略的斜面實驗，開普勒行星三定律雖然非常很完美、很好的預(yù)測了太陽系當(dāng)中行星的軌道，但這也是對現(xiàn)象的描述。那物理學(xué)家或者科學(xué)家最愛做的一件事情，是問為什么，你為什么是這樣的，只說明一個現(xiàn)象不行，還得說明為什么。
于是大家對這些問題進行了很多的研究，最后，牛頓把這些問題解決了。毫無疑問，牛頓是物理學(xué)上最偉大的兩三個人之一。
二、機械宇宙觀
奇跡之年
1666年，牛頓開創(chuàng)微積分、光分解的實驗分析和萬有引力定律，打下數(shù)學(xué)、光學(xué)和力學(xué)的基礎(chǔ)。時年24歲，這是最年富力強的年紀(jì)，最能夠擺脫思想枷鎖的年紀(jì)。
萬有引力
我們先看一下萬有引力定律：任何物體之間都有相互吸引力，這個力的大小與各個物體的質(zhì)量成正比例，而與它們之間的距離的平方成反比。
在這個定律產(chǎn)生之后，兩個重要的人物哈雷（埃德蒙·哈雷（Edmond Halley），英國天文學(xué)家、地理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、氣象學(xué)家和物理學(xué)家，他把牛頓定律應(yīng)用到彗星運動上，并正確預(yù)言了那顆現(xiàn)被稱為哈雷的彗星作回歸運動的事實）和胡克（羅伯特·虎克（Robert Hooke），英國博物學(xué)家，發(fā)明家，在物理學(xué)研究方面，他提出了描述材料彈性的基本定律-胡克定律）提出了兩個關(guān)鍵的問題。
萬有引力定律與開普勒定律之間的關(guān)系？——哈雷
軌道運動可以分解成兩種傾向不同的運動的和——胡克
這些給了牛頓一些啟發(fā)。牛頓意識到，行星的運動一定也是力造成的。那這個力是怎么構(gòu)建行星運動軌跡的呢？力導(dǎo)致的運動的疊加形成了一個圓弧形的運動。
天體實驗室
而且尤其重要的是什么呢？我們再回想一下伽利略的實驗，在伽利略的試驗當(dāng)中，他意識到了摩擦力是影響之前人們對自由落體、對慣性問題度量的一個關(guān)鍵點。所以，在伽利略的實驗當(dāng)中，他盡可能把球和軌道打磨得光滑。但是，天體就是一個完美的實驗室，如下圖所示。這也是為什么牛頓力學(xué)在星球的運轉(zhuǎn)上得到巨大成功的原因。因為天上是真空的，沒有摩擦力，只有單純的萬有引力，帶動著星球在里面轉(zhuǎn)動，所以這是一個完美的天體實驗室。這也是為什么最早力學(xué)能夠在天文學(xué)，這么快、這么成功的發(fā)展起來的原因。
牛頓的工作怎么說都不為過，這是他去世之后，人們給他的褒獎，“自然和自然規(guī)律隱匿在黑暗之中。上帝說：讓牛頓去吧！于是一切盡皆光明?！?/p>
再回想一下我們物理學(xué)，甚至是人類一直以來想要做的事情，就是去探求這個自然規(guī)律，而且是找所有規(guī)律的規(guī)律，即共通的規(guī)律，最好不只是物理學(xué)，是人類所有自然現(xiàn)象、所有學(xué)科的這么一個普遍規(guī)律。那是從誰開始呢？就是從牛頓開始的。從牛頓開始，人類在物理學(xué)或者自然科學(xué)上的研究開始步入了正軌。在接下來大概300年的時間里面，產(chǎn)生了比過去2000-3000年都大的效果。這就是因為走上了正軌，而且這個正軌有它的科學(xué)性。
牛頓運動定律
我們來總結(jié)一下牛頓的運動定律。
第一，任何物體只要沒有外力改變他的狀態(tài)，便永遠保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)。
第二，運動總量的變化與施加的動力成正比，并沿該力的作用方向發(fā)生變化，f = ma。
第三，任何作用力都會有一個大小相等方向相反的反作用力。
那這個時候，人們對星星的認識，已經(jīng)從第一層只是把觀測到的現(xiàn)象說清楚的定律，深化到了為什么是這么一個現(xiàn)象的定律了，因為受力。此時，最重要的一點就是天上跟地下大一統(tǒng)了。牛頓告訴你，天上星星受的力跟我們在地球上受到的重力其實是一回事。這個對人們觀念又產(chǎn)生了沖擊。因為之前人們認為天上是神的地方、很完美，跟我們的肯定是不一樣的。而牛頓從物理公式出發(fā)，從用他的的模型告訴你，天上跟地下都是一回事，天上星星受力跟地上蘋果落地的受力是一樣的，它們遵循一樣的公式、一樣的參數(shù)，甚至連數(shù)值都是一樣的。
機械宇宙觀
引力定律的普遍運用恢復(fù)了牛頓宇宙的物理統(tǒng)一性，同時也賦予了它理智的統(tǒng)一性。同樣的關(guān)系把同樣的內(nèi)容結(jié)合在一起。換句話說，支配無限宇宙中所有運動的乃是同一組定律：既是蘋果落地的定律，也是行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的定律。
那此時就形成了一個機械宇宙觀。機械宇宙觀，從這個角度來理解，是說萬物都有它的規(guī)律，天上、地下所有東西都受到同樣規(guī)律的影響?？梢砸钥茖W(xué)上著名的一個人物為例，來給大家說一下機械宇宙觀。
拉普拉斯是著名的數(shù)學(xué)家，他在微積分上，做過很多重要的工作。拉普拉斯是牛頓力學(xué)的擁躉，他很擁護這個理論。他說：我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構(gòu)成的物件的位置，假如他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進行分析，那宇宙里最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。對于這智者來說沒有事物會是含糊的，而未來只會像過去般出現(xiàn)在他面前。
也就是說我如果知道你這個東西現(xiàn)在的狀態(tài)了，我就能夠用這條規(guī)律去發(fā)掘它的未來、反推它的過去。就像機器一樣，沿著軌道往前走，或者沿著軌道往后走，這是牛頓機械觀最好的詮釋。
大家想一想，如果這個世界從此不再需要神了，只需要有這么一條物理定律，沿著這個物理定律星星可以轉(zhuǎn)、蘋果可以落地、車也可以走。那這個就是完全從古典的宇宙觀--所有的東西都有它自己的屬性，都要往它自然的位置來變化，這么一個觀念徹底的轉(zhuǎn)變了。只有一條物理定律，人和人之間、物體和物體之間、人和物體之間的關(guān)系就會變得很單純，只是受力、作用、改變你的運動。那這個其實也是很符合當(dāng)時社會上的思潮--人人獨立的想法。
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? ? 三、力與運動
這個時候人們把力和運動的關(guān)系搞明白了。天上、地下所有東西都受到同樣規(guī)律--力的影響。
接下來，我們又升華了。古代的人覺得這個力一定是看得見、摸得著的，我推一輛車一定我得推它才行。那我們現(xiàn)在的思想呢？這個力不一定是看得見摸得著的了。地球離太陽這么遠，但也會被它的引力所吸引而轉(zhuǎn)動。那這個力到底是什么東西呢？人們永遠不滿足于表面的現(xiàn)象，要再往下挖，這個力到底是什么東西呢？怎么去量度、表征它了。
運動的量度
我們來看一看運動的量度問題，比如，1000克的物體以5米每秒的速度和5000克的物體以1米每秒的速度運動，這兩個運動是一樣的嗎？
第二，用1牛頓的力推著10千克的物體運動1s 和用1牛頓的力推著1千克的物體運動10s，這兩個東西一樣嗎？
第三，用1牛頓的力推動10千克的物體運動1m和用1牛頓的力推著1千克的物體運動10m，這兩個一樣嗎？
大家現(xiàn)在不一定能直接回答這些問題，因為這些問題是困擾了當(dāng)時世界上最聰明的那些人很長時間的問題。怎么來表征運動、怎么來量度力對運動的作用？此時，人們就從這里推廣出來了動量這個概念，動量是什么呢？就是質(zhì)量乘以速度。
所以，你看人們這個時候把力更抽象了，不但這個力看不到摸不著了，往上又有了一個動量的概念，再往上，人們又發(fā)現(xiàn)，不光是M×V有用，還有一個東西叫做動能M×V2也有作用。
電磁學(xué)
我們先把這個力學(xué)這條線路先暫停一下，因為這個時候，人們在牛頓力學(xué)的指引下，走向了正軌，接下來得到了非常大的發(fā)展，而且它的這種研究問題的方式、方法和思維影響到了物理學(xué)及其他很多的領(lǐng)域，比如電磁學(xué)。
大家知道現(xiàn)在電磁很重要。人類很早就發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象（?λεκτρον）和磁現(xiàn)象（Magnesia）。中國很早就是指南車，而且古希臘神話當(dāng)中有磁山這個概念。
電現(xiàn)象也是一樣，電現(xiàn)象這個詞，在古希臘語當(dāng)中是琥珀，然后就用琥珀這個詞來引申為電，為什么呢？因為最早發(fā)現(xiàn)有電這種現(xiàn)象的是琥珀，摩擦的琥珀可以吸引小東西，而且大家意識到了這種現(xiàn)象，叫琥珀的這種現(xiàn)象和磁是不一樣的，但是從那個時候，雖然大家就知道了有電磁現(xiàn)象，但是之后的兩千多年人們對電和磁的理解一直處于定性的初級階段。原因我覺得有兩個：
原因一，社會生產(chǎn)力的發(fā)展，還沒有對電磁這種效應(yīng)的應(yīng)用提出需求，當(dāng)時靠機械已經(jīng)夠了。
原因二，人類對電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象的規(guī)律還沒有深入的認識。
但是到了文藝復(fù)興之后，隨著力學(xué)的發(fā)展，尤其是天文學(xué)的發(fā)展，大航海時代（大航海時代，又被稱作地理大發(fā)現(xiàn)，是15世紀(jì)末到16世紀(jì)初，由歐洲人開辟橫渡大西洋到達美洲、繞道非洲南端到達印度的新航線以及第一次環(huán)球航行的成功）下，整體社會的生產(chǎn)力得到了很大的發(fā)展，那么這個時候，人們才能有這種技術(shù)去對電和磁現(xiàn)象，進行進一步的研究。
這時，萊頓瓶（萊頓瓶（Leyden jar）：是一種用以儲存靜電的裝置，最先由Pieter van Musschenbroek（1692年－1761年）在荷蘭的萊頓試用）出現(xiàn)了，它可以比天然琥珀蓄電更長時間，這個時候才能夠進行深入研究了，從這個角度，也說明了實驗技術(shù)的進步，對你整個科學(xué)觀念的提高，還有對這門學(xué)科的提高，是有重要的價值的。
庫侖相互作用
接下來，我們看一下如下圖所示的庫侖相互作用。正電荷與負電荷的同行相斥、異性相吸是一個眾所周知的現(xiàn)象。但對電荷的定量研究是從庫侖（查利·奧古斯丁·庫侖，法國工程師、物理學(xué)家，主要貢獻有扭秤實驗、庫侖定律、庫倫土壓力理論等，同時也被稱為“土力學(xué)之始祖”。電荷的單位庫侖就是以他的姓氏命名的）開始的。
真空中的兩個靜止的點電荷之間的相互作用力與它們電荷量的乘積成正比，與它們距離的二次方成反比，作用力的方向在他們的連線上。電荷之間的相互作用力稱之為靜電力或庫侖力。那么，電荷庫侖力的公式和萬有引力的公式的區(qū)別在哪呢？第一，萬有引力和質(zhì)量成正比，庫侖力和兩電荷電荷量的乘積成正比；第二，它們前面的比例系數(shù)是不一樣的，萬有引力的系數(shù)是萬有引力常數(shù)G，電荷庫侖力的系數(shù)是常數(shù)K，大家可以看到這兩個參數(shù)差別很大，K等于8.99×10的9次方，
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而萬有引力常數(shù)G等于6.67×10的-11次方。自然界或者說我們所處的宇宙當(dāng)中有很多的常數(shù)。常數(shù)其實也是一個非常神奇的東西，它把我我們能夠感受到的自然現(xiàn)象，圈定在了一個范圍里面。
比如，由于萬有引力常數(shù)非常非常的小，所以萬有引力一定是在質(zhì)量很大的物體之間才能感受到，比如說我們兩個人之間，是感受不到萬有引力，雖然有，但它很弱。但相反的是，電荷庫侖力系數(shù)K很大，即使是在很小的電荷之間也會有很強的這么一個力。
物理相似性
在萬有引力、電磁現(xiàn)象，力學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)里都有平方反比率這么一個規(guī)律，我們又回到了剛才說的這個問題，我們對物理學(xué)的認識是：我們永遠都是想要去找一個簡單的、美的，對于各個領(lǐng)域都有價值的這么一個普遍規(guī)律，我們不滿足于膚淺的第一層的規(guī)律，我們還要問為什么、為什么，為什么這兩個力的形式不一樣？
在回答這個方式的時候，我們解釋一下物理相似性，它是指：在一門科學(xué)的定律和另一門科學(xué)的定律之間的局部類似，利用這種局部類似可以用其中之一說明其中之二。
其實相似性大家在自己的生活工作當(dāng)中經(jīng)常會感受到，我們在某個領(lǐng)域?qū)W到的一些東西或經(jīng)驗，可以類似的用在其他領(lǐng)域當(dāng)中。這也是為什么大家愿意學(xué)習(xí)物理學(xué)的一個原因。
同時，我們?nèi)菀卓闯鋈f有引力和電荷庫侖力是相似的，而且力學(xué)系統(tǒng)受到的規(guī)律和電荷系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)受到的規(guī)律也是一樣的。
接下來，尤其是靜電，主要是電磁學(xué)當(dāng)中的靜電學(xué)，就沿著牛頓力學(xué)的那套研究方式，快速的發(fā)展，當(dāng)然也有技術(shù)上的進步，比如說伏打（伏打一般指亞歷山德羅·伏特，意大利物理學(xué)家，因在1800年發(fā)明伏打電堆而著名）發(fā)明了電池，進而人們終于可以不止有電荷了，還可以有穩(wěn)定的電流，有了電流之后，可以研究的事情就多了。
電場與磁場
有了電流之后，人們對電場、磁場現(xiàn)象的研究就更為深入一些了，為什么萬有引力離的這么遠，有力，而兩個電荷之間離這么遠也能有力？這個相似性之間的規(guī)律到底是什么？解答這個問題的人，叫做法拉第（邁克爾·法拉第 （Michael Faraday），英國物理學(xué)家、化學(xué)家，他的發(fā)現(xiàn)奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，是麥克斯韋的先導(dǎo)，被稱為“電學(xué)之父”和“交流電之父”），他被愛因斯坦評價為電磁學(xué)發(fā)展的里面最重要的兩個人之一。
法拉第數(shù)學(xué)功底不太好，但是他的抽象能力超一流，他具有把這個物體或事物抽象建模的一種極強的能力。法拉第把兩個電荷之間的受力想象成周圍有一個場一樣的東西的作用，這是第一次有場這樣的概念，好像有場這么一種東西聚集在我的電荷周圍。下圖雖然是用線進行示意，但是如果我們在磁鐵周圍撒上鐵粉，晃一晃，這個鐵粉就會排布起來了。法拉第就是從這個里面抽象出了一個模型，力是不是沿著這樣的一個形狀才能讓鐵粉沿著此方向來排布，如果磁場是這樣，按照相似性的原則，是不是電場也是這樣？
麥克斯韋方程組
場的概念出現(xiàn)之后，人們對電和磁現(xiàn)象，有了更深入的認識，電動機、發(fā)電機等漸漸都發(fā)明出來了。然后，又到了一位很厲害的人，愛因斯坦評價為電磁學(xué)發(fā)展的里面最重要的兩個人之二 -- 麥克斯韋（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），出生于蘇格蘭愛丁堡，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一）。麥克斯韋有超一流的數(shù)學(xué)功底，他把之前人們研究電磁現(xiàn)象所得到的這些規(guī)律，整理到一起，找出了普遍的、統(tǒng)一的規(guī)律，這就是著名的麥克斯韋方程組（Maxwell's equations，是英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在19世紀(jì)建立的一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。它由四個方程組成：描述電荷如何產(chǎn)生電場的高斯定律、論述磁單極子不存在的高斯磁定律、描述電流和時變電場怎樣產(chǎn)生磁場的麥克斯韋-安培定律、描述時變磁場如何產(chǎn)生電場的法拉第感應(yīng)定律），如果說在力學(xué)當(dāng)中，牛頓定律是主宰一切的，那么在電磁學(xué)當(dāng)中，麥克斯韋方程組就是主宰一切的。
麥克斯韋方程組，成功的預(yù)言到了電磁場的傳播，這是麥克斯韋最為重要的一點。以前，大家不知道電荷它到底是怎么作用的，雖然說這個電荷之間的庫侖相互作用和牛頓的萬有引力作用是一樣的，但它到底是怎么作用的還是沒有人知道。但是，從麥克斯韋方程組大家認識到了一個叫做電磁場的東西，如下圖所示，藍色的是豎直的，這個叫電場，紅色的是橫著的，是在這個面上的，叫做磁場，構(gòu)成了電磁場。
? ? 電磁場的傳播
有一個非常好的例子來說明波的傳播。比如，把一個石頭扔到水里，可以看到這個水波是有紋路的，這是不是某一種物質(zhì)在往前走呢？比如說水分子往前跑。這當(dāng)然不是。類似的，大家可以看到，如下圖所示的每個人的位置都沒有發(fā)生移動，但是每個人都只是在他自己的位置上上下在動，我們就能夠看到波紋。
因此，就像水波等機械波一樣，圖中每個人在這個空間里面，只是在他自己的位置上振動，但由于這種振動，卻把能量傳到了遠處，這就是現(xiàn)在大家生活當(dāng)中，每天都躲不開的電磁場。電磁場能量的轉(zhuǎn)播就是這樣傳播的，并且電磁場的能量是散布在整個空間的，越到遠處，當(dāng)然就越弱，直到你感受不到，但它實際還是存在的，只是你感受不到，太弱了。
如下圖所示，這就是現(xiàn)在我們?nèi)祟惢旧纤幍碾姶艌龅念l率范圍。波長的概念就是說從一個點到另外一個點，重復(fù)的最小單元叫波長，現(xiàn)在的手機信號波大概是像棒球這么大。當(dāng)然收音機、微波爐等的波長也是不一樣的。
我們大家讀知道收音機必須得有一個天線，并且天線足夠長信號才可能好，否則收音機所處的位置可能是波最弱的地方。比如，手機信號波很小，所以我們手機稍微晃一下信號就很強。我們?nèi)祟惪梢姷牟ù蟾攀窃诩t外這個范圍。再往上是可見光、紫外光、X光、高能射線等。人類現(xiàn)在能認識到的電磁場大概的范圍，就是從麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁場開始，發(fā)展到了現(xiàn)在這個狀態(tài)。
? ? 四、力如何作用
? ? 力與場
接下來又回到我們剛才講力學(xué)系統(tǒng)的時候，留下的兩個疑問。
疑問一：力如何作用？早期在古典物理學(xué)當(dāng)中有近距作用說，即力是近距離的作用，一定是近距離接觸才能感受到力。但是，萬有引力或兩電荷隔很遠也有力就打破了這一說法，這時人們就提出了超距作用說，即這種作用是遠距離的作用，無需媒介，也不需要時間。
繼而，人們也對此觀點提出了質(zhì)疑，提出了以太說（笛卡兒最先將以太引入科學(xué)，并賦予它某種力學(xué)性質(zhì)。），即空間被以太這種媒介物質(zhì)所充滿，以太雖然不能為人的感官所感覺，但卻能傳遞力的作用，如磁力和月球?qū)Τ毕淖饔昧Α?/p>
但后來的實驗證明，以太也是不存在的，那到底是什么？就是從這開始，大家有了場這個概念。
每一個有質(zhì)量的物體，在它周圍都會產(chǎn)生一個引力場，每一個電荷，也都會在它周圍產(chǎn)生這么一個電場和磁場，因此，只要其他的物體進到了場里面，它就會受到場的作用，這個作用就體現(xiàn)成了萬有引力或電荷力。
比如，下圖是一個球狀的場，這個場的形式跟我們得到的這些規(guī)律一樣嗎？事實證明這是一個非常非常好的圖像。
雖然自然界實際上這個場不一定像上圖一樣嚴絲合縫，但這個模型得到的理論跟我們其他的方式得到的結(jié)果卻是非常非常自洽的。比如，大家知道這個球的表面積公式是4πr2，r是它的半徑，這是一個平方律，那就是說隨著你半徑的增大，你的面積是以r2的方式來增大，同樣點電荷庫侖力和萬有引力也遵循平方律。
此時，我們從實驗上，已經(jīng)證明了這兩個力。
在力這個概念上，我們從最早的實打?qū)嵉牧?，升級到了引力、庫侖力這種可能看不見、但仍然有力的作用的力，最后抽象到場的概念。所以，現(xiàn)在我們分析電磁場問題的時候，我們不再用受受力這個形式了，對于大量的電荷，或者在某些天體上，我們用力這個概念是不合適的，但場這個概念，它的適用范圍更大。也就是說，場的這個概念，比起力來說，更為基礎(chǔ)、更為普遍。
所以人類對于物理學(xué)的想法，對于科學(xué)的想法，就是這種不停的追求更深層次的原理，以及更普遍的這么一個規(guī)律。那這個認識的提高，就不像古典物理學(xué)的那種只能是對這個世界，或者是社會生產(chǎn)提一點建議或者解釋了，這次是物理學(xué)的實質(zhì)上的進步。
第一次工業(yè)革命
第一次工業(yè)革命，又叫機械技術(shù)革命。這個是什么呢？即以蒸汽機技術(shù)為代表得機器對人工的取代。在紡織、采礦、航海、大船上應(yīng)用蒸汽機技術(shù)，從這個時候開始，生產(chǎn)力真的是得到了很大的提高。
同時有一個現(xiàn)象，蒸汽機技術(shù)已經(jīng)發(fā)明出來了，但是人們不知道怎么去提高它的效率，即技術(shù)上已經(jīng)能做出來了，但是從科學(xué)上解釋不了這個問題。這個問題直到熱學(xué)發(fā)展才得以解決。熱學(xué)的發(fā)展極大的推動了蒸汽機的發(fā)展，瓦特是對蒸汽機進行了關(guān)鍵性重要的改進，然后完全引起了第一次工業(yè)革命。所以，第一次工業(yè)革命背后科學(xué)的進步是技術(shù)向科學(xué)提出了要求，“你得幫我們解釋這個問題，主要是蒸汽機熱學(xué)方面的東西?！?/p>
第二次工業(yè)革命
第二次工業(yè)革命也是在牛頓這一套經(jīng)典物理學(xué)的帶動之下產(chǎn)生的，即電力技術(shù)革命，電力對蒸汽機技術(shù)的取代。隨著電力發(fā)展走上正軌，第二次工業(yè)革命飛速帶動其他領(lǐng)域的發(fā)展。這時，從科學(xué)上來說，是由于庫侖、法拉第、安培等人在電學(xué)的科學(xué)性上的很多進展，一步一步刺激了電力技術(shù)上的進步，包括發(fā)電機、電動機、電報等等。
這兩次工業(yè)革命完全是由經(jīng)典物理學(xué)，也就是由牛頓力學(xué)引領(lǐng)的整套科學(xué)技術(shù)上的發(fā)展。此時的物理學(xué)不再是觀察+思辨了，而是思想+實驗+數(shù)學(xué)。實驗提升到了一個非常重要的位置，數(shù)學(xué)獨立的發(fā)展，并且微積分也融入進來了。那觀察與實驗，這有什么區(qū)別？它們非常大的區(qū)別：觀察是自然界當(dāng)中的現(xiàn)象，湊巧跑到你的眼睛里被你看到；而實驗是自己要創(chuàng)造新的現(xiàn)象。并且，也只有在實驗上，才能創(chuàng)造新的現(xiàn)象，用抽象的模型才能夠?qū)@些現(xiàn)象作出正確的解釋和預(yù)測。
楊振寧先生總結(jié)說：物理學(xué)或者是自然科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，是從實驗看到新的現(xiàn)象，然后靠唯象理論提出一個觀點，然后跟數(shù)學(xué)結(jié)合形成一個理論架構(gòu)。如下圖所示：
? ? 《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中的推理法則
牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中的推理法則是：第一，“除那些真實而已足夠說明其現(xiàn)象者外，不必去尋求自然界事物的其他原因。第二，對于自然界中同一類結(jié)果，必須盡可能歸之于同一種原因。第三，物體的屬性，凡既不能增強也不能減弱者，又為我們實驗所能及的范圍內(nèi)的一切物體所具有者，就應(yīng)視為所有物體的普遍屬性。第四，在實驗哲學(xué)中，我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運用一般歸納而導(dǎo)出的命題看做是完全正確的，或者是非常接近于正確的；雖然可能想象出任何與之相反的假說，但是沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更為正確或者出現(xiàn)例外之前，仍然應(yīng)當(dāng)給予如此的對待。
這些推理法則和原則，給我們之后物理學(xué)的發(fā)展起了非常重要的基礎(chǔ)和推動作用。
而麥克斯韋的信念是：精確科學(xué)的宗旨就是要把自然界的問題歸結(jié)為通過數(shù)學(xué)計算來確定各個量。剛才是講實驗、歸納和哲學(xué)的重要性，麥克斯韋講的是數(shù)學(xué)的重要性。
牛頓力學(xué)的科學(xué)的思想立刻擴展到了全社會了。因為當(dāng)時人們需要一個科學(xué)的解釋，那他的科學(xué)解釋又這么的正確，而且又讓人們安心，我們只要按照這個規(guī)則就好了，這個是機械式的宇宙。
? ? 牛頓的世界圖景
牛頓的世界由如下三種要素所組成。
第一，物質(zhì)：無數(shù)彼此分離和孤立的、堅硬的、不變的——但互不相同的——微粒
第二，運動：運動不影響微粒的本質(zhì)，而只是把微粒在無限的同質(zhì)虛空中傳來傳去
第三，空間：無限的同質(zhì)虛空，微粒以及由微粒構(gòu)成的物體在其中毫無阻礙地運動
牛頓的世界主要是由虛空組成的。這是一個無限的虛空，僅有非常小的部分——無限小的部分——被物質(zhì)、物體填充或占據(jù)。這些物體冷漠而且彼此分離，在無界無底的深淵中完全不受阻礙地自由移動。但它卻是一個世界，而不是彼此無關(guān)的孤立微粒的混沌聚集。這是因為所有這些物體都是由一條非常簡潔的數(shù)學(xué)定律即引力定律聯(lián)系和整合在一起的——根據(jù)這條定律，其中每一個物體都與另一個物體彼此關(guān)聯(lián)和統(tǒng)一。于是，每一個物體都參與構(gòu)建宇宙體系，都為其發(fā)揮著自己的作用。
還有一個關(guān)鍵點就是還原論：牛頓力學(xué)試圖回答的問題是，某一時刻具有確定的位置和速度的物體的未來軌跡將是怎樣的？其答案是利用微分形式的運動方程去逐點地建構(gòu)起粒子的軌跡。由此，從出自牛頓力學(xué)的關(guān)于運動的即時性的局部描述，便可以過渡到時空中的整體性描述。
牛頓科學(xué)建立在微粒哲學(xué)的穩(wěn)固基礎(chǔ)之上，所以會遵循對整體事件和作用進行原子分析這樣一種特殊的邏輯方式，或者更恰當(dāng)?shù)卣f，是把這種方式發(fā)展到了完美的地步，即把給定材料還原為原子式的基本組分之和。
但雖然這么成功，但是人們覺得這里還是有一點問題。
五、混沌
霍金把這個問題整理得特別好：即使是相信一切都是上天注定的人，在過馬路時也會左右看。? ? ? ? ? ? ? 即便所有的東西都像拉普拉斯妖說的，“所有東西從古到今都已經(jīng)注定的，都已經(jīng)機械的發(fā)展了”，那應(yīng)該沒有什么意外呀，但是，你過馬路的時候要不要看著點呢，沒有人不會看。這個問題是一個很好的概念性的描述。
從科學(xué)上來說，這就引出了我們混沌的概念。即使你所有的參數(shù)都定下來了，但是，如果我的初值有一點點的變化。大家可以看如下圖所示的三條曲線。即使初值只有1%的變化，讓它運行一段時間之后就會發(fā)生天差地別的變化，而且再也回不去了。也就是說，你在一切都注定的系統(tǒng)里面，但是即使系統(tǒng)是有一點點的變化，可哪怕是1%，也會引起你一個巨大的變化，而且再也回不來了。所以，是不是也有經(jīng)典物理學(xué)解決不了的事情，并不是那么完美呢。
著名量子力學(xué)專家波姆認為，“人與人之間普遍存在的差別（種族、民族、家庭、職業(yè)）正在阻止人類為了共同的利益，甚至為了生存而攜手合作，而產(chǎn)生這種情況的主要因素之一是人們把萬物看成是本質(zhì)上分割的、分離的甚至分裂成更微小的組成部分的，每一部分都被認為是本質(zhì)上獨立的、自身存在的?！?/p>
另外還有一個很重要的問題，其實這個是在牛頓力學(xué)早期就有人問的，“那最開始是誰推動的星星呢？”所以這一系列的問題就告訴我們，其實用牛頓的這套機械世界觀，雖然能非常好的描述我們這個世界，但是好像還缺了一點什么，缺的是什么呢？我們在接下來的課程里面會給大家分別介紹。
