《The Feynman Lectures on Physics》第二章 基礎物理是什麼？

（《The Feynman Lectures on Physics》已經被加州理工學院（CalTech）放到網上，很容易搜尋到，大家可以免費閱讀。因為是口語化的，建議大家閱讀英文原版，可以學一下英文，又能品嚐原汁原味的“費曼物理”。）

這一章所謂的基本物理指的是粒子物理，費曼的老本行，所以他是滔滔不絕但又幹貨滿滿。粒子物理研究的是物質的基本結構，中子，質子是由什麼更基本的粒子構成的，這些基本粒子間的相互作用是什麼？這是當時物理學研究熱點。楊振寧和李政道也是當時這個領域中的佼佼者，並且他們很早就獲得到了諾貝爾物理獎。讀講義時請注意，費曼是一個理論物理學家，所以講義中對實驗涉及很少。不知道當時有沒有大型的粒子加速器，從本章的內容可以看出，當時的粒子物理實驗用到了來自宇宙的高能射線，發現了一大推新的粒子需要解釋，但當時又缺乏有效的理論來有序的分類這一大堆粒子，用費曼的話說是“is the horrible condition of our physics today”，但正是這種情況，給理論物理學家提供了一個大舞臺。

有趣的是，大約60年後，2013年的諾貝爾物理學獎，頒給了粒子物理學家Franois Englert 和Peter W。 Higgs。物理學家知道，在粒子物理理論中有一個很有名的標準模型，它預測出的一個個粒子分別在加速器中找到。在11年左右，這個理論所預言的一個新的粒子Higgs Boson，居然在歐洲的大型加速器中被找到了。在那場狂歡後，是否意味著人類對這個領域已經瞭解得比較透徹了，沒有更大的發現在等著我們，又或者還能找出新的金礦？我們國家現在有了些錢，是否應該再建一個大型加速器，這個就是現在大物理學家楊振寧和哈佛的數學家丘成桐教授爭論的背景。

但距費曼的講課50年後，基礎物理，或者說理論物理，還限制在粒子物理領域嗎？我想大多數物理學家的回答是否定的。讀博士時，我所在的中國科學院理論物理研究所研究的範圍早已不只是粒子物理了。當時研究所的教授辦公室在2樓和3樓，其中，研究粒子物理學的那幫傢伙在3樓的一邊，另外一邊是研究弦論，宇宙學，總之，3樓研究的是看不見，摸不著的東西。而在2樓，則是研究凝聚態物理學，生物物理學的。我猜所有這些領域的專家都認為自己是物理學家。至於是不是基礎物理學，這個名詞上的爭論就留給那些書呆子吧。

把物理學家分為理論物理學家和實驗物理學家，並且理論物理學家在物理學中佔一個尊榮的地位（還記得美劇《生活大爆炸》中有一個片段，當理論物理學家謝耳朵考察他未來的室友時，得知他是一名實驗物理學家，鼻子裡哼了一聲），是物理學這門學科獨有的景觀。物理學相對於其他學科來說，不但可以解釋發生的現象，更令物理學家趾高氣揚的，是根據理論可以預測發生的現象。想一想，如果你從一箇舊信封上解方程算出的結果，與一臺幾層樓高的大型儀器測量對準宇宙的測量結果一致，有時甚至可以精確到小數點後10位，你的那種興奮估計也會爆棚。

2-1

開場白

費曼在這一節的開始已經談到了科學方法是用觀察，理論分析與預測，實驗檢驗。作為大學新生的物理課，這幾項值得好好介紹。可是費曼作為物理學高手，他不屑於解釋這些普通物理學家都會說的概念，他更深了一步，並以下國際象棋為例，說明我們要發現基本物理，他所謂下棋的基本規則，的三個方法，

1， 拋開細節。太多的因素會令我們迷惑，我們需要一個相對簡單的系統來研究。where nature has arranged， or we arrange nature， to be simple and to have so few parts that we can predict exactly what will happen，用簡單的例子可以詮釋，預測自然。比如我們研究單擺的時候，不用去管空氣的阻力。

2， 發現自然現象中違反現有自然規律的例子，這是發現新物理的好機會。他以國際象棋中象的所在位置為例說明。其實，這一條几乎是不言自喻的，比如量子力學的發現來源於不能把黑體輻射的能量看做是連續的，而混沌的發現是因為發現小數點的數字，傳統上認為可以忽略不計的，作為初始條件時可以對結果產生極大的影響（或者非線性的影響）。

3， 運用近似。在我看來和第一條差別微妙，也許費曼做規模巨大的計算時（計算費曼圖時的計算很恐怖），他會忽略掉一些高階的小項。他知道運用近似做計算的妙處。

這幾點也許是費曼作為理論物理學家的經驗總結，所以他在講臺上滔滔不絕，可是這次他似乎忘了他的聽眾是大一和大二的學生。

2-2 （量子力學）1920年前的物理

在這一節費曼還是用它的氣體分子間的作用力重點討論了分子內部的電磁力。因為單個的氣體分子的質量小，而且是中性，所以相互間的引力效應很小，它們只是隨機的運動。但分子內部的電磁力效應顯著，它把核子（帶正電，由質子和中子組成）和電子緊密的結合在一起。這種力的來源是電荷在其周圍產生的電場和磁場。在這一節的最後，費曼告訴我們如果電磁場（或者製造出電磁場的梳子）加速運動，會引發電磁波。

如果是我講，我會泛泛的說，彼時物理學中重要的成就是牛頓力學，電磁學理論，熱學，統計力學，相對論（狹義和廣義），以及光學，讓大家也許第一次聽到這些名詞。

2-3 量子力學

在費曼做研究的時代，量子力學框架已經建立好。雖然當時對於量子力學的基礎還有爭議，但這已經是主流物理學家運用的一個得力工具了。費曼本人還發明瞭量子力學的一種形式，被稱為路徑積分。

在這一節中，費曼只是簡單的介紹了量子力學中最重要，也最不好理解的不確定關係

並且把這條原理應用到原子的構造中，因為原子核幾乎是整個原子全部重量，所以根據這條原理，可以相應的佔據原子中相應的一個小角落。由於量子力學的機率關係，不再是精確的預測結果是多少，而是其分佈，這些對哲學有莫大的影響。

簡單介紹完量子力學後，費曼開始簡單介紹起了量子電動力學，它被費曼稱為“物理學中的珍珠”，它融合了狹義相對論，量子力學，電磁場理論。用它可以討論光與物質相互作用，電場和電荷的作用。

2-4

抱歉這部分我也不太瞭解，只能和大家一起看講義。