物理原来很有趣

1. 用读一本书的时间，快速建立起对物理学的认知全貌，经典力学、热学、电磁学、量子力学、相对论里的重要发展节点一个不少。

2. 以有趣的方式梳理解物理学里不能错过的公式定理，还有关于物理学家的奇闻轶事，让你再聊起牛顿定律、量子力学、薛定谔的猫、相对论、引力波等知识点时，干货满满，有料又有趣。

3. 鬼魂真的存在吗？人类是更高维度空间生物的试验品吗？时间变慢真的不是心理作用吗？万物皆可弯吗？量子传输能实现人类运输吗？薛定谔的猫到底是死是活……淼懂物理学，特别涨知识！带你突破认知边界，改变看世界的方式。

4. 爱因斯坦竟让居里夫人跳悬崖？薛定谔躺在玻尔家的床上与玻尔争吵？法拉第受到哪个物理学家的折磨和打击？数学不好的海森堡靠猜拿到了物理博士学位？麦克斯韦是个富二代？玻尔是个足球运动员？第谷有个假鼻子……大物理学家们的生平趣事，让物理学更加生动有趣。

5. 文津图书奖获得者、《<三体>中的物理学》作者、著名理论物理学家李淼全新力作。大物理学家的30堂极简物理通史课，构建逻辑完整的知识体系！一本书搞定物理！

6. 重新绘制了50幅精美插图，辅助我们更好地学习物理学知识！

李淼

理论物理学家、畅销科普作家、文津奖得主。

1982年毕业于北京大学天体物理专业，1984年获中国科学技术大学理学硕士学位，1989年赴丹麦哥本哈根大学玻尔研究所学习，1990年获哲学博士学位。

1990年起先后在美国加州大学圣塔芭芭拉分校、布朗大学任研究助理教授，1996年在芝加哥大学费米研究所任高级研究助理，1999年回国任中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师。

物理看起来离我们很远，其实不然，我们不仅可以用一些简单的物理学知识解读生活中的神奇现象，也能从物理学中洞察到人生的哲学。听淼叔讲物理，发现世界更多的可能性，也发现你的更多可能性。

——知名主持人 汪涵

物理，不止是公式定理，更多的是一种全新的思考方式。它的颠覆性在于彻底打破你的固定思维，突破认知的盲区，让你拥有对于人生所有领域都有用的系统性思维。相信你从李淼老师的这门物理课中一定会获得全新的思考。

——通识教育项目童行学院创始人 郝景芳

音乐让我们听到了世界上最美的声音，而物理让我们破译了世界的源代码。在这套课程中，李淼老师将会讲解物理学中基本的学问，从万有引力到不确定性原理，再到引力场，让你释放“脑电波”，看到物理的“音符”，看透世界的真相。

——音乐作家 作曲博士 田艺苗

《物理原来很有趣 ：李淼的30堂物理课》

序 言

第1章 经典力学

1．水中的力量：阿基米德定律

2．行星的旋转轨迹：开普勒行星运动三大定律

3．感知加速度：伽利略动力学

4．巨人肩膀上的胜利：牛顿三大定律

5．埋葬哲学家的真理：牛顿万有引力

第2章 热学

6．鬼魂是否存在：能量守恒定律

7．从有限到无限：热力学第二定律

第3章 电磁学

8．同性相吸，异性相斥：库仑定律

9．感应电流的方向：楞次定律和法拉第定律

10．囊括宇宙所有的电磁现象：麦克斯韦电磁场理论

第4章 量子力学

11．量子的猜测：普朗克量子假设

12．爱因斯坦的创举：光电效应

13．量子的诞生：玻尔的原子模型

14．世界是矛盾的：波粒二象性

15．量子世界里的物理运动：薛定谔波动力学

16．海森堡的量子力学

17．靠实验确立起来的：哥本哈根诠释

18．又死又活：薛定谔的猫

19．一场思想实验：EPR悖论

20．泡利不相容原理

21．一种独特的现象：量子纠缠

22．孤芳自赏的费米子和爱凑热闹的玻色子

23．破解需要一亿年：量子通信

24．改变世界的量子计算机

第5章 相对论

25．时间与空间的绝对独立：伽利略变换式

26．宇宙中的新传播介质：以太假说

27．时间会膨胀，长度可收缩：相对论

28．改变世界的质能关系

29．爱因斯坦的惊奇发现：等效原理

30．万物皆可弯：引力场

第11课 量子的猜测：普朗克量子假

从本堂课开始，我们要用 14 堂课来讲量子力学及其应用。 量子力学的第一堂课，当然是关于量子论的开山鼻祖普朗克的。 那么，普朗克到底做了什么呢？ 他认为，光里面的能量是一份一份的。什么意思呢？比如，我们可以说水波的能量可大可小， 波浪小的时候， 它的能量小， 波浪大 的时候， 它的能量大。 而且， 波浪的能量从 0 到无限大， 中间是连 续的。

光也是波，这个事实在 19 世纪初就被物理学家发现了。因此，我们想当然地认为，光的能量和波浪一样，也是从 0 到无限大且连续不断的。

普朗克却说，不对，光的能量是一份一份的。比如，你打开激光 笔，激光的波长或者频率是固定的。普朗克的发现告诉我们，这个激光的能量有一个最小的部分，这部分的能量与激光的频率成正比，系 数就是普朗克常数。当然，普朗克常数非常小，因此，一个光子的能 量也非常小。

聪明的你很快就会推导出，激光的能量就是最小能量的整数倍。 没错，你的推导是正确的。不过，普朗克在 1900 年左右就推导出这个 结论了。

接下来，我们说说普朗克是如何推导出这个结论的，以及这个结 论的具体意义是什么。

回顾一下玻尔兹曼的统计力学，任何气体都是由分子或者原子构 成的，玻尔兹曼发现了其中的一个重要规律，即物体中分子的能量和 物体本身的温度是成正比的。

19 世纪末 20 世纪初，物理学家们想把玻尔兹曼的理论应用到光 的研究领域。我们知道，1888 年，赫兹用实验证明了电磁波的存在。 所以，19 世纪末 20 世纪初的科学家们想要对光，也就是对电磁波具 有的能量进行研究。

太阳光照射到地球上有固定的能量。 太阳的表面温度大约有 6000℃，因此太阳发出的光的温度也是 6000℃左右。如果把太阳光和 地球上的光做类比，就会知道地球上的光也有温度。比如，我们将一 个炉子里的火点燃，并把炉子密封起来，那么它里面就会产生光。当 这些光的能量和燃烧的物体之间取得一个平衡时，就有了温度，就像 太阳光一样。

这个时候，物理学家们就想把麦克斯韦的理论和玻尔兹曼的分子 原子理论结合起来。他们设想：如果给气体设定一个温度，能够计算 出它包含多少能量，那么给光和电磁波设定一个温度，应该也能计算出它有多少能量。 当物理学家们把这个公式应用到麦克斯韦理论中时，发现这个能量是无限大的。当然，如果一个物体有无限大的能量，这倒是一件好 事，因为这样我们就会有取之不竭的能源。但事实是，没有一个物体 有无限大的能量。

那么， 物理学家们怎么会计算出光和电磁波拥有无限大的能量 呢？这是因为，光和电磁波与普通物体之间存在着一个根本的不同之 处——物理学家们并没有假设光和电磁波是由分子和原子构成的，而 认为光是连续的。这就像我们不会去分解一杯水一样，因为我们认为 一杯水是连续的。物理学家也假定在空间里充满了光，这些光是连续 的。按照麦克斯韦的理论，光呈现出的是连续的波的状态。简单应用 一下玻尔兹曼的理论，物理学家们发现光有无限大的能量。

而普朗克认为，物体的热辐射所发出的光的能量并不连续，而是 一份一份的，一份光的大小等于光的频率乘以一个很小的常数。这个 常数后来就被叫作普朗克常数。其实我们所说的量子，就是指这种物 理量本身不连续、总是一份一份分布的特性。

这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门。 普朗克将光的最小能量叫 quantus，也就是我们今天所说的量子。

这就意味着，虽然这些波从表面上看是不可分割的，但其实它具有的 能量是可以分割的，并且能分割到最小的单位——量子，这个量子有 固定的能量。因此，尽管光不像普通物体那样包含分子和原子，但是 它的能量是由量子组成的。这样一来，通过已知的由麦克斯韦、玻尔 兹曼等人建立起来的理论，就能计算出电磁波和光的能量，这个能量 是有限的。普朗克常数非常小，小到什么程度？一个普通的白炽灯，每秒钟就会释放万亿亿个光量子。 普朗克还给出了一个新的公式，解释了光的能量与温度之间的关

系：一个单位体积里的光的能量，是随着温度的四次方变化的。也就 是说，光的温度提高到 2 倍，它的能量就提高到 16 倍；光的温度提高到 3 倍，它的能量就提高到 81 倍。由此一来，普朗克终于得到了一个 不朽的公式，这就是普朗克公式。

通过普朗克公式，我们知道了光的能量和温度之间的关系，还能 计算出不同频率之间的光的能量。波的频率越大，或者说波长越短， 波的能量也就越大。

序言

2017 年，应“知乎”的邀请，我在“知乎”平台上开设了一个栏目。这个栏目共有 30 堂课，内容是物理学通识。 据我所知，直到我开设这个栏目为止，还没有人试图将古往今来的物理学知识融入仅有 30 堂的通识课中。根据我的经验，在大学课程中，如果仅开一门 3 学分的小课，这些知识也得讲 36 个学时。按照我的语速，1 个学时的内容差不多有 4500 字，是我在“知乎”上每堂课内容的 1.5 倍还多。

但是，将最为精华的物理学知识囊括进 30 堂通识课之中，我还是做到 了。而促使我这么做的原因，有以下几个：

第一，“知乎”本来希望我至少讲 60 堂课，甚至更多。但我觉得，大型 课已经过时了，很少有听众能够坚持堂堂不落地听下来。为了高效，我 建议 30 堂课是上限。

第二，既然是通识课，那么我们就没有必要像讲专业课那样面面 俱到。如果一堂课提炼一个重要的知识点，那么 30 堂课确实足够了。 第三，如果我的课足够生动、足够通俗，那么每堂课让听众记住一个知识点就是高效的做法。

接下来，讲讲我为什么要做 30 堂物理学通识课。 物理学通识课讲的其实就是科普物理知识，它用最有趣的方式给大家讲述看似高冷的物理知识。 物理是什么？从字面意思来说，物理是研究万物运行的规律、提

出“为什么”，并寻找答案的一门学科。比如，要解释为什么手机能 进行通信，就要搞清电磁波的原理。

我写过《〈三体〉中的物理学》。《三体》里说量子纠缠能实现 瞬时通信，而实际上量子纠缠是无法超过光速的，所以这算是一个小 bug（漏洞）。

站在学科角度来看，物理学是基础，学好物理，再学习其他很多 学科就是小菜一碟了。 比如， 可以用统计物理学研究股票价格的分 布， 用布朗运动模拟股票价格的运行轨迹， 这就衍生出一门新的学 科——经济物理学。

再比如， 物理学可以用于提高机器学习的能力。 阿里巴巴已经 开始布局量子计算和量子通信， 用以提升数据计算的速度和数据的保密性。

当然， 物理学的思维方式也影响着人类， 作为一种思维方式， 量子不确定的动态属性已经被应用到企业管理中。 比如， 企业家张 瑞敏大力推荐《量子领导者》这本书；日本东京大学的物理学家上 田正仁基于自己深厚的物理学基础， 写了一本名为《思考力》的畅 销书。

经常有人问：“学习物理学到底有没有用？”当然有用！不仅对当 下的生活有用，对规划未来、理解世界的本源和本质，物理学都发挥 着巨大的作用。

这就是学习物理学的意义，也是我做这 30 堂物理学通识课的目的。

这 30 堂课的内容可以分为以下几个部分：

首先是与生活紧密相关的经典物理学， 比如力学、 热学和电磁 学，学习它们可以帮助我们发现生活中错过的小细节。

接下来是现代物理学，包括具有革命性意义的量子物理学以及搅 动时空的相对论。想必大家都听过这两个词，但能够真正理解它们的人可能并不多。这些理论可以帮助大家重建三观、刷新认知。 很多人可能会觉得这些理论很高深。其实完全不必担心，作为一名专注于物理科普的专家，我会用最贴合生活的例子、时下最有意思 的科幻技术、当下最时髦的话题，用文科生也能听懂的语言、普通人 也能明白的解释，为大家讲解物理。

作为人类， 我们与其他生物的不同之处主要有两个：一个是我 们具备语言能力， 这种能力能够促进合作；另一个是我们具备逻辑 推理能力， 这种能力让我们认识了宇宙运行的规律， 让人类个体具 备了解决日常生活中遇到的问题的能力。 也许学习物理学不能对每 个人的生活都有帮助， 但它却是我们掌握逻辑推理能力的一个有效途径。