物理大师:从伽利略到爱因斯坦

**章 物理学的黎明 物理这个学科的源头是很难追溯的，就像很难寻找到一些大河的源头一样。一些细小的水源从南方热带植被绿叶底下汩汩流出，或者是北方贫瘠土地上布满苔藓的石头下面一滴一滴落下；汇聚成的一束束小水流欢快地顺着山涧流下汇合形成了小溪，这一条条小溪再汇聚出更多的水量，多到足以称得上“河流”这个名字。不知道多少条这样的支流汇入了大河，所以，大河就扩展得越来越宽，*终水量非常庞大，就像密西西比河和伏尔加河、尼罗河和亚马孙河一样，*终把河流中的淡水注入了大海。 而给予物理学科这条大河生命的那个源泉分布在“智人”（Homo sapiens）所生存的地球表面的各个角落，而这些“智人”即可以思考的人类。然而，看起来大部分的智人集中在巴尔干半岛的南端，那里的居民现在被称为“古希腊人”；或者至少对于我们这些继承了古希腊早期“知识分子”文化的人来说，看起来是这样的。我们注意到很有意思的一点，其他的古代王国，比如古巴比伦和古埃及，他们都对数学和天文学的早期发展有很大的贡献，唯独对物理学这个领域发展的贡献是空白的。与希腊科学相比这部分缺失的一个可能的解释是，古巴比伦和古印度的神居住在远高于星星所在的地方，而古希腊的神居住在海拔仅仅10，000英尺左右的地方，在奥林匹斯山的顶端，接地气得多，于是他们的科学也就离实际问题近得多。根据一个传说，“磁”这个术语来自于一位希腊牧者马格尼斯，他惊奇地发现他的铁质钉掌的尖端是被路边的一块石头（磁铁矿石）吸引的。而“电”这个术语同样来自于希腊文??λεκτρον（琥珀的意思），可能是因为另外一位希腊牧者有一天拿着一块琥珀试着在他的其中一只羊身上蹭一蹭，想要把这块琥珀磨得更光亮一些，从而注意到它因此获得了吸引松散的碎木屑的神秘特性，因而发现了电。 毕达哥拉斯弦定律 虽然刚才提到的希腊人发现电和磁的传说已经无从证实，但是生活在公元前6世纪中期的希腊物理学家毕达哥拉斯的发现却被很好地记录在案。他相信世界是被数字所统治的，于是他开始调查乐器产生悦耳和弦时，发出声响的琴弦之间具有何种长度关系。为了达到这个目的，他使用了一种叫“单弦琴”的东西。顾名思义，这种琴只有一根弦，而且它的弦长是可以改变的，弦的张紧程度也可以通过改变负重来调节。负重重量相等的情况下改变弦长进行实验，他发现当弦长调整到简单的数字关系时会奏出一对谐音。弦长度比为2：1时，对应着所谓的“八度音阶”，弦长度比为3：2时，对应着“5度音阶”，弦长度比为4：3时，对应着“4度音阶”。这个发现可能是从物理规律归纳出的**个数学公式，而这个发现也被认为是当今理论物理学发展中的**步。现代物理术语中，我们会把毕达哥拉斯的这个发现转述为：“对于给定张紧程度的弦，它的振动频率（即每秒振动次数）与它的长度成反比。”因此，如果图中第二根弦的长度（图1-1b）是图中**根弦（图1-1a）长度的一半，那么第二根弦的振动频率将是**根弦的二倍；同样，如果两根弦的长度比是3：2或者4：3，它们的振动频率之比将是2：3或者3：4（图1-1c，d）。因为接收从耳朵而来的神经信号的这部分大脑是按以下这个设定处理信息的：简单的振动频率比例，比如3：4，会使人感到“愉悦”，而复杂的频率比例，比如137：171，会使人感到“不快”（这个现象留给未来的大脑生理学家来解释），所以才有了“完美和弦一定有着简单的弦长比”这样的结论。