第3章物理学与其他科学的关系 定频率的光，这有点象乐器的音色是具有确定的音调或频率的声音。当我们听见儿种不同 的音调时，可以分别说出它们来，但是当我们用眼睛观察混合的颜色时，却无法说出它由哪 儿种颜色组成，因为眼睛的辨别能力在这一点上远远比不上耳朵.然而，利用分光能我们可 以分析光波的频率，这样就可以看见各个不同星体上的原子所发生的真正“音调”，事实上 有两种化学元素在地球上被发现之前就已经在星体上发现了.氮是在太阳上发现的，它的 名称就是由此而来的：得是在一种冷却的星体上发现的.这当然使我们在理解星体方面取 得了一定的进展，因为它们也是用限地球上同样的原子组成的.今天，我们已经知道了许乡 有关原子的知识，特别是它们在高温而密度不太大的条件下的行为，这样我们就能用统计力 学的方法来分析是体物质的性能，即使我们无法在地球上复现有关的条件，但是应用基本 的物理定律往往能精确地或十分接近地说出会发生什么事情.这就是物理学帮助了天文学 看来令人奇怪的是，我们对太阳内部物质的分布情况的了解远胜于对自己脚下的地球内部 情况的了解.我们对星体内部发生的情况的了解要比在人们必须通过望远镜来观察小小的 光点这种困难的情况下可能推测出更多一些，因为在大多数情况下，我们可以计算出星体里 的原子应当做些什么 给人印象最深的发现之一是使星球不断发出光和热的能量来源问题.有一个参与这项 发现的人，在他认识到要使恒星发光，就必须在恒星上不断地进行核反应之后一天晚上和他 的一位女朋友出去散步。当这个女朋友说：“看这些星星闪烁得多美啊！”他说：“是的，在此 刻我是世界上唯一知道为什么它们会发光的人。”他的女朋友只不过对他笑笑.他并没有对 于同当时唯一知道恒星发光原因的人一起敢步产生什么深刻的印象。的确，孤单是可悲的， 不过在这个世界上就是这个样子， 正是氢原子核的“燃烧”给太阳提供了能量，这时氢也就转变成了.而且，最终从氢制 造出各种化学元素的过程是在恒星的中心进行的、组成我们身体的各种元素在一个星体上 一次“烹调”好后，就被抛出，存在于字宙之中.我们是怎么知道的呢？因为这里有一条线 缴.化学反应永远改变不了不同的同位素的比例一 一多少C”,多少C3等等，因为化学反 应对二者而言都是大致相同的。这个比例纯粹是核反应的结果.看看，在熄灭的、冷却的 余烬一一比如我们自己就是这样的产物一一里同位素的比例，就可以发现在构成我们身体 的材料的形成时期熔炉象什么样子.这个熔炉很象恒星，所以很可能我们的元素是在恒星 上“制造”出来，而在我们称为新星和超新星的爆炸中被喷吐出来的.正是因为天文学与物 理学是这样密切相关，所以我们学下去时将要研究许多有关天文学的知识. 83-5地质学 我们现在转到所谓的地球科学或地质学.首先是气象学和天气.当然气象学的仪器是 勿理仪器，就象前面所说的那样，实验物理学的发展使得提供这些仪器成为可能.然而，物理 学家从来没有得出满意的气象学理论.“怎么：”你们会说：“这里除了空气以外什么东西都 没有，而我们已经知道了空气的运动方程.”我们的确知道.“那么，如果我们知道了今天的 (Palomar)的巨大眼睛[指安装在美国威尔逊(W% 英寸光学望远 泽音注]来 赛夜空，那么就会到原来或许紧靠在 的含义，它的感恩是什么？人们对这些问题有 理 更为奇妙为什么现在的诗人 木星)象一个人，诗人就 会欧颂它
8 费曼物理学讲义（第一卷） 空气欲态，为什么就不能计算出明天的空气状态？”首先，我们并不真正知道今天的状态究竟 是怎样的，因为空气到处旋转.结果它非常敏感，甚至不稳定。 假如你们看到过水流平稳 地流过水坝，然后当它下落时一下子变成大量的水珠和水滴的话，你就会懂得我所说的不稳 定是什么意思了.你们知道水在流出溢水口之前的情况，它是十分平滑的：但是在它开始下 落的一瞬间，水滴从哪里开始溅出？水滴将会有多大，并且在哪里的因素是什么？这些都 无法知道，因为这里水是不稳定的.而对于空气来说，即使是平稳地运动着，但当它越过一 座山时就变成了复杂的旋涡.，在许多领域中都出现这种湍流现象，我们在今天还无法对之 进行分析.现在，赶快离开天气问题，回到地质学上去吧！ 对于地质学而言，位的基本问颗是，究意是什么使地球成为现在议个样子？最明显的过 程就在你们的眼前，这就是河流、风等等的侵蚀过程.要理解这些事是相当容易的，但是要 知首，对于每一片得纯都有等最的另外一些东西出现平均而言，今天的山脉并不比过 的低，因此必定有一种造山过程.假如你们学过地质学，你们就会知道，确实存在着造山过程 以及火山作用，这些现象没有人懂得，但却占了地质学的一半内容.实际上，火山的本质并 没有被人们所理解。造成地震的原因是什么最终也不了解。我们所知道的是，如果一个东 西推动另外一些东西，那么就会奕然断裂，并且产生滑动，这当然是对的。但是什么东西在 推？为什么会这样？有一种理论认为，在地球内部存在着环流，它是由于内外温度上的差别 而造成的，也就是它们在运动过程中轻微地推着地球的表层.这样假如有两股相对的环蔺 在某个地方碰上的话，物质就会在这个区域里堆积起来而形成山脉，这些山脉处于非常不相 宜的受到应力的状态，这样就会引起火山爆发，造成地震 那么地球内部的情况是怎样的呢？关于地震被在地球里的传播速度以及地球的密度分 布已经了解得很多.然而，关于物质处于我们预期在地球中心所应有的压强之下会有怎样 的密度，物理学家没有能够提出一种有效的理论。换句话说，我们还不能很好地解决在这种 情况下的物质的性质问题.我们在地球方面所做的事比在星体的物质条件下所做的事要差 得多.这里所包含的数学到现在为止看来似乎过于复杂，但是也许不要很长时间就会有人 认识到这是一个重要的问题，并且真正着手于解决这个问题.当然，另一方面，即使我们确 实知道了密度，还是不能判断环流，也不能真正得知高压下的岩石的性质。我们无法说出岩 石要多快才会“融化”；这必须通过实验来解决. §3-6心理学 接下来，我们考虑心理科学.顺便提一下，心理分析并不是一门科学，它充其量不过是 一个医学过程，也许更象巫术。它有一个疾病起源的理论 一据说有许多不同的“幽灵”等 等.巫医有一个理论说象疟疾那样的疾病是由进入空气中的幽灵所引起的：但是医治疟疾 的药方并不是洛一条蛇在病人头上晃动，而是查宁.所以，如果你的身体感到有什么不舒 服，我倒劝你到巫医那儿去，因为他是对疾病知道得最多的那批人中的一个.然而，他的知 识不是一种科学.心理分析没有用实验仔细地检验过，因此没有办法知道，在哪些情况下它 是有效的，在哪些情况下则是无效的，等等。 心理学的其他一些分支，包括感觉的生理学 一在眼睹里出现一些什么情况，在大陆中 出现一些什么情况—可以说，是并不令人感到兴趣的。但是在它们的研究中取得了一些 微小的然而是真正的进展.有一个最有趣的技术性问题可以归之为心理学，也可以不归之
第3章物理学与其他科学的关系 为心理学.即有关大脑一如果你愿意的话，或者说神经系统的中心问题是：当某种动物学 到了某件事后，它就能做一些以前不会做的事，所以它的大脑细胞也一定会有变化 一只要 大脑细胞是由原子构成的，那么，差别表现在哪里呢？当一件事锵被记在大脑里后，我们不知 道在哪儿去找它，或者去找些什么东西.如果一件事情被学到了，它意味着什么，或者说神经 系统有些什么变化，我们都不知道.这是一个很重要的问题，但根本没有解决.然而，假设存 在着某种记忆的物质的话，那么大脑恰恰就是这么多的连线和神经的集合体，这种巢合体大 概是无法用简单的方式来分析的.这和计算机以及计算单元很类似，它们也有大量的布线， 有某种单元，大概就类似于神经元触点，或者说一根神经到另一根神经的联结点。思维和计 算机之间的联系是一个非常有趣的课题，但我们在这里没有时间作进一步的讨论、当然，必 须懂得这个课题在有关人们一般行为的真正复杂性上所告诉我们的东西是非常之少的.每 个人之间存在者如此巨大的差别.，为了要达到那种理解将需要很长的时间，我们必须把研 究起点退到更后面的地方.假如我们总算能多解决狗是怎样活动的，我们就已经走得够远 了.狗是比较容易理解的，但是今天还没有一个人懂得狗是怎样活动的. §3-7情况何以会如此？ 为丁使物理学不仅在仪器的发明方面，而且在理论方面对其他科学也有所裨益，有关 的科学就必须向物理学家提供用物理学家的语言描述的研究对象。人们或许会问：“青蛙习 什么会跳跃？”吻理学家对此就回答不出：如果人们告诉他背蛙是什么，这里有这么多的分 子，那里有神经，·等等，情况就不同了，假如人们或多或少地告诉我们地球或者星是是怎料 的，那么我们就能够把它们想象出来.要使物理理论有点用处，我们就必须知道原子的位 置.要理解化学，就应当确切知道存在着哪些原子，不然就无法分析.当然，这只是限制因 素之 在物理学的姐妹科学中存在着另一种物理学中不存在的问题，因为没有更好的措词，我 们可以称它为历史问题.情况何以会如此？假如我们懂得了生物学的一切，就会想知道 现在地球上的所有生物是怎样发展的.这就是生物学的一个重要部分一一进化论.：地质 学中，我们不仅要知道山脉正在怎样形成，而且要知道整个地球最初是怎形成的，太阳系 的起源，等等.当然，这就会使我们想要知道在字宙的彼时有什么样的物质.恒星是怎样演 化的？初始状态又是如何？这些都是天体的历史问题.今天我们已经弄清楚许多有关恒星 的形成及有关组成我们身休的元素的形成的知识，甚至还知道一些有关宇宙起源的率. 目前在物理学中还没有这种历史问题要研究.我们不会问：“这里是物理学的定律，它 们是怎样变化而来的？”我们此刻不去想象物理定律以某种方式随时间而变化，不认为它们 在过去与现在是有差别的。当然，不能排除这种可能，而且我们一旦发现果其如此时.物理 学的历史问题就将与宇宙发展的其余历史问题交织在一起，于是物理学家就要谈论天文学 家、地质学家和生物学家同样的问题。 最后，在许多领域中普遍存在者一个物理问题，这是一个很古老的问题，但是还没有得 到解决。这并不是寻找新的基本粒子的问题，而是好久之前一大约一百多年前就遗留下 来的一件事情。在物理学上没有一个人能够真正令人满意地对它进行数学的分析，尽管它 对于组妹科学来说是一个重要问题.这就是环流或湍流的分析.如果我们注视着一个恒是 的化，就会发现这样的情形，我们可以推断出将要出现对流，但在这以后我们就再也无法
吃 费型物理学讲义（第一卷） 推断会有什么事发生了.几百万年后这个星体会发生爆炸，但是我们想不出是什么道理，我 们不能分析气候，也不知道地球内部的运动.这类问题的最简单的形式就是取一根很长 的管子，使水高速通过.我们问：使一定量的水通过管子需要多大的压力？没有人能从基 本原理和水的性质出发来分析它。如果水流得非常慢，或者用的是蜂蜜那样的粘性物质，那 么我们可以分析得很不错.在你们的教科书上就有这方面的内容.我们真正不能处理的是 实际的水流过管子的问题.这是一个我们有朝一日应当解决的中心问题，但是现在还没有 解决 有一位诗人曾经说过：“整个宇宙就存在于一杯葡萄酒中.”我们大概永远不可能知道他 是在什么含义上这样说的，因为诗人的写作并不是为了被理解.但是真实的情况是，当我们 十分接近地观察一杯葡萄酒时，我们可以见到整个宇宙.这里出现了一些物理学的现象：弯 弯的液面，它的蒸发取决于天气和风；玻璃上的反射：而在我们的想象中又添加了原子.玻 璃是地球上的岩石的净化产物，在它的成分中我们可以发现地球的年龄和星体演化的秘密。 葡萄酒中所包含的种种化学制品的奇特排列是怎样的？它们是怎样产生的？这里有酵素 酶、基质以及它们的生成物.于是在葡萄酒中就发现了伟大的概括：整个生命就是发酵.任 何研究葡萄酒的化学的人也必然会象巴斯德(L.Past0ur)所做过的那样发现许多疾病的原 因.红葡萄酒是多么的鲜艳！让它深深地留在人们美好的记忆中去吧！如果我们微不足道的 有限智力为了某种方便将这杯葡萄酒一这个宇宙一一分为儿个部分：物理学、生物学、地 质学、天文学、心理学等等，那么要记住大自然是并不知道这一切的所以让我们把所有这些 仍旧归并在一起，并且不要忘记这杯酒最终是为了什么。让它最后再给我们一次快乐靶！喝 掉它，然后把它完全忘掉！
4 能量守恒 §4-1什么是能量 讲完对事物的一般性描述后，从这一章起，我们开始比较详细地研究物理学中各个方面 的问题.为了说明理论物理学中可能用到的概念和推理的类型，我们现在来考查能量守恒 定律，它是物理学最基本的定律之一， 有一个事实，如果你愿意的话，也可以说一条定律，支配着至今我们所知道的一切自然 现象.没有发现这条定律有什么例外—就我们所知，它是完全正确的.这条定律称为能 量守恒定律.它指出，在自然界所经历的种种变化之中，有一个称之为能量的物理量是不变 的，那是一个最抽象的概念，因为它是一种数学原理；说的是在某种情况发生时，有一个数 量是不变的。它并不是一种对机制或者具体事物的描写，而只是一件奇怪的事实。起先我 们可以计算某种数值，当我们看完了大自然要弄的技巧表旗后，再计算一次数值，其结果 是相同的。（有点类似于在红方格中的象，移动了几步后一一具体步骤并不清楚一它仍 然在某个红方格里.我们这条定律就是这种类型的定律.)由于这是一种抽象的概念，我们 将用一个比喻来说明它的含义， 没想有一个孩子，或许就叫他“淘气的丹尼斯(Dennis)”,他有一堆积木，这些积木是绝 对不会损坏的，也不能分成更小的东西.每一块都和其余的相同.让我们假定他共有28块 积木.每天早上他的母亲把他连同28块积木一起留在一个房间里.到了晚上，母亲出于好 奇心很仔细地点了积木的数目，于是发现了一条关于现象的规律 一无论丹尼斯怎样玩积 木，积木数目仍旧是28块！这种情况继续了好儿天.直到有一天她发现，积木只有27块 了，但是稍许调查一下就发现在地毯下面还有一块一为了确信积木的总数没有改变，她必 须到处留神.然而，某一天积木的数目看来有些变化，只有26块了！仔细的调查表明：窗户 已经打开，再朝窗外一看，就发现了另外的两块积木.又有一天，经过仔细的消点表明总共 有0块积木！这使她相当惊阁，以后才了解到布鲁斯(Bruce)这个孩子曾带着他的积木米 玩过，并留了几块在丹尼斯的房间里.自从丹尼斯的母亲拿走了多余的积木，把窗关上，并 且不再让布鲁斯进来以后，一切都很正常，直到有一次，她清点时发现只有25块积木.然而 在房间里有一个玩具箱，母亲走过去打开这个箱子，但是孩子大声叫喊道：“不，别打开我的 箱子，”不让她打开玩具箱.这时母亲十分好奇，也比较机灵，她想出了一种办法，她知道- 块积木重8英两，有一次当她看到积术有28块时曾经称过箱子的重量为16英两，这一次她 想核对一下，就重新称一下箱子的重量，然后减去16英两，再除以3，于是就发现了以下的 式子 (所见到的积木数)+箱重）-16英两一常数 8英两 (4.1) 接者，又好象出现了某种新的偏差，但是仔细的研究又指出，浴缸里的脏水的高度发生了变 化，孩子正在把积木扔到水里去，只是她看不见这些积木，因为水很混浊，不过在她的公式里