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第16页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第16页,页面无弹窗的全文阅读!

    事实是,生命的出现对于我们生活的狭义的世界来说确实是更有“秩序”的,然而对于广义的世界即整个宇宙来说,它仍然会使“世界更加混乱”。生物体为了维持生命,即维持一种远离热力学平衡态的“秩序”,必须不断向体内注入“高秩序”的低熵食物,并排出“低秩序”的高熵产物,才能平衡体内不断发生的不可逆的熵增过程,表现出“活力”。也就是说,生命创造出来的局部“秩序”是以不断牺牲生命系统之外的“秩序”为代价的。对于宏观的生态系统来说,最初的“食物”主要来自太阳的电磁辐射(以可见光为主),绿色植物通过光合作用可以对它们加以利用。而最终的“产物”包括两部分,一大部分是所有生物因呼吸作用而产生的热辐射(以红外线为主),比如人体的37摄氏度体温辐射;另一小部分则是远古动植物尸体转化成的各种化石燃料。整体上看,这是一个熵增的过程,因为根据黑体辐射理论,等量红外热辐射的熵远大于等量可见光热辐射的熵(虽然它们不是严格的黑体辐射,但定性的结论不会改变),而化石燃料的熵则介于这两者之间,因此生命的出现并没有违背热力学第二定律。
    
    学习篇
    
    01.基本的物理常识有哪些?
    简单的物理常识有很多(牛顿定律啊,热力学定律啊,等等),但物理君觉得最重要的是这三条:
    (1)物理是一个以实验为基准的实证学科,不是一门光靠空想和思辨的“哲学”。
    (2)物理不是真理。
    (3)但物理更接近真理。
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    02.在学习物理的过程中最应该重视的是什么?
    脚踏实地。不要天天想着宇宙啊,量子力学啊,相对论啊,这些看起来很“酷”的知识,而不屑于思考牛顿力学和生活中常见的现象。首先,相对论没有那么难;其次,牛顿力学没有那么简单。
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    03.物理公式太多了,都要记住吗?
    哈哈哈哈!同学,就算把公式全部背下来,你也不一定学会了物理。一般来说,比较好的办法是:(1)找出最基本的几个公式;(2)推导出其他所有的公式——这个办法不但不用记,还能检验你是不是真的把物理学懂了。
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    04.不用数学公式,只靠语言描述,能使一个智力正常但不懂数学的人理解物理吗?
    一般我们认为,真正的物理大师可以不用数学公式,只靠语言描述清楚物理图像。但物理是离不开数学的。我们认为不用数学公式讲清楚物理的第一步,就是用数学公式讲清楚物理。
    同时,我们认为不用数学公式讲清楚物理的必要非充分条件是讲者与听者都会用数学公式讲清楚物理。
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    05.现在物理学研究领域最具活力和发展前景的内容有哪些?
    这个问题就好像问一大群淘金者:真正的大金矿在哪里?看起来似乎每一个人都知道,其实每一个人都不知道。
    不过我们仍然可以给你一个建议:跟着自己的兴趣走,follow your heart!
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    06.基础物理在最近百年几乎没有根本性的突破和飞跃,现在的条件好得多了,但是科学家仍旧在验证以往的成果(比如引力波)。物理学就是在等待天才吗?
    基础物理近百年的突破挺多的,包括量子场论、QED、非阿贝尔规范场论、QCD、标准模型、弦理论、超对称、超弦、暴涨理论、朗道相变理论、朗道费米液体理论、超导BCS理论、超流、拓扑绝缘体、量子霍尔效应……不过都超纲了(物理君露出了微笑)。
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    07.上大学学习物理能干什么?以后有什么用?
    这是一个非常有价值的问题!大学物理系的第一批专业课叫普通物理,包括力学、热学、电磁学、光学、原子物理学五门课。在这个阶段,你会学到大量的物理现象,以及根据这些现象总结归纳出来的大量公式。这个阶段的物理是以现象为主的,或者是“唯象的”。这种从实验现象不断抽象出物理公式的训练过程,是最能培养物理图像的。
    接下来,你会上升到一个更高的等级,开始学习四大力学,包括理论力学、电动力学、量子力学和热力学统计力学四门课。与基于现象归纳的唯象理论不同,你在这一阶段学习的物理是基于数学演绎的形式理论。也就是说,这时候的理论是从几个基本假设或者基本公式出发(比如麦克斯韦方程组),用数学推导得到以前学习过的所有的实验现象。以前的理论是基于实验的,现在实验是基于理论的。从归纳到演绎的升华过程中,理论变得更加严格的同时,也获得了预言实验的能力。到这个阶段,你一定会发现以前学过的数学(微积分线性代数概率统计)根本不够用了,所以你会学习一门数学物理方法。(一些数理要求高的学校会把这门课分成复变函数论和微分方程两门课。)
    四大力学学完再往上走,你会发现数学又不够用了。不过这时候路就不止一条了,根据你选的方向,粒子物理啊,凝聚态物理啊,天体物理宇宙学啊,遇到了问题再学需要的数学就是了,比如李群、微分几何、代数拓扑,等等。
    最后一个问题:学物理能干什么?大学物理系的教育初衷是为研究系统输送后备人才。但学物理能做的事比研究多多了。物理专业在大学各个专业中学习难度一级高,物理系四年近乎苛刻的数理训练才是你得到的最宝贵的东西。这能让你在绝大多数工作中迅速上手,并且游刃有余。
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    08.电动力学讲了什么?
    电动力学是电磁学的高级课程。如果电磁学只是一堆实验的堆砌,那么电动力学就是数学成分更多的形式理论。它会从几个简单的方程出发,用数学推导出电磁学中的所有实验现象,顺便把相对论协变形式也讲了。
    一个很好玩的问题是,为什么电磁学的高级课程叫电动力学而不是高等电磁学?因为电动力学会教你,电动起来就是磁了!哈哈!
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    09.作为物理学家,你如何看待化学和物理的关系?我是学化学的,我发现身边不少学物理的人觉得化学是物理的一个分支,他们认为学物理的人必然了解化学,但是学化学的人却无法理解物理。我觉得化学和物理息息相关,但是对于问题的着手点和研究方向大为不同,在现实中的应用也大为不同,物理和化学不是父子,而是兄弟。你怎么看?
    哇,一个物理学家要回答物理和化学谁更重要。要我说当然是物理了。(隔壁的数学家们是不是要表示一下情绪稳定?)
    看到你的问题,我默默地翻开了自己这些年看过和想看的化学书。回想兄弟当年在英国的时候,听说学校的有机化学课很有名,特意去旁听有机化学导论,结果很痛苦……就我个人的失败经历来说,“学物理的必定会化学,学化学的无法理解物理”是不成立的。
    从学术传承上讲,我的祖师爷是个有名的物理化学家,他的物理功底许多知名的物理学家也未必比得上。
    科学追求世界的本原问题,这种追求来源于人的好奇心和探索精神。幸运的是,我们发现自然规律都建立在质能守恒、动量守恒、熵增原理、电荷守恒、电磁理论、力场理论、薛定谔方程、海森堡测不准原理、泡利不相容原理、对称定律等基础原则上。这些原则构成了我们认识世界运行的基础。在这些基础上,物理学家更关注物质内在的性质和物质为什么有这些性质。而化学家更关注物质的转化和如何转化。热力学和量子力学是现代化学必教内容,但就像“条条大路通罗马”并不能解释“人们为什么总走这条路”或者“人们为什么不走向米兰”一样,物理不能代替化学,反之亦然。作为一个热爱科学的化学家,这位读者没必要纠结谁是谁的父亲这样的问题(说起来化学的历史可是悠久得多)。这并不能帮助你收获更多。畅游在科学的海洋里,偶尔获得前人没有发现的知识,利用新知推动社会的发展,这难道还不够让人高兴吗?
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