第1章原子的运动 一个动态过程，犹如同蒸发的情况，它取决于水中的盐的含量是超过还是少于形成平衡所 要的数量.所谓平衡我们指的是这种情况，即原子离开晶体的比常正好与回到品体的比率 相同.假如在水中儿乎没有什么盐，离开的原子就比回去的原子多，食盐就溶解.但另一方 面，如果水里的“食盐原子”太多，那么回去的就多于离开的，食盐就结品. 我们顺便说一下，物质的分子这个概念只是近似的，而且只是对某些种类的物质才有意 义，很清楚，在水的情况下，三个原子彼此确实粘在一起.但是在固体的氯化钠情况下就不那 么明确了.在氯化钠中钠离子和氯离子只是以立方体的形式排列.这里没有一种把它们自 然分成“食盐分子”的方式 现在回到我们的溶解与淀积的讨论上。如果增加食盐溶液的温度，那么原子离开的比 率就会增加，而原子回来的比率也会增加，结果是一般很难预言会朝哪一个方向发展，周体 溶解得多一些还是少一些.当温度提高时，大多数物质更易溶解，但是某些物质则更不易溶 解. §1-4化学反应 到现在为止，在我们所描述的一切过程中，原子和离子的伙伴并没有变更，但是当然也 有这种情况，原子的组合的确改变了，形成新的分子图 18就是说明这一情况的.在一个过程中如果原子的伙伴 重新排列，我们就称之为化学反应.其他前面所描述的过 C● 程称为物理过程，但是二者之间并没有明显的界限.（大自 然并不关心我们究竞如何去称呼，她只知道不断地进行工 作.)图1-8表示碳在氧气中的燃烧.在氧气中，两个氧原 88 子紧紧地吸引在一起.（为什么不是三个甚至四个吸引在 碳在氧气中的燃烧 起？这是此类原子过程的一个很典型的特征.原子是非 图1-8 常特别的：它们喜欢一定的伙伴，一定的方向，等等。物理学的任务就是要分析每一个原子 为什么想要它所希望要的东西.无论如何，两个氧原子形成了一个饱和的、适宜的分子.) 这些碳原子应该处于固态晶体之中（可以是石墨，也可以是金刚石）.现在，比如说有 个氧分子跑到碳这边来，每个氧原子可以抓住一个碳原子而以一种新的组合 “碳 氧” 一起飞走，这就是所谓的一氧化碳气体分子，它的化学名称是C0.这种气体分子很 简单字母“C0”实际上就是这个分子的一个画象.但是碳吸引氧的能力比氧吸引氧或者 碳吸引碳的能力更大.因此在这个过程中氧原子可能在到达时只带有一点点能量，但是氧 和碳的结合却是非常彻底而剩烈的，所有靠近它们的原子都吸收能量。于是就产生了大是 的分子运动的能量 一动能.当然，这就是燃烧.我们从氧和碳的结合得到了热量.这种 热量通常是以热气体的分子运动的形式存在的，但是在某些情况下，由于热量非常大而发出 了光这就是怎样产生火焰的过程 此外，一氧化碳分子并不感到满足。它可能再缚住另一个氧原予，因此，可能出现远为 复杂的反应：氧与碳会结合起来，同时偶而又与一氧化碳分子碰撞.于是一个氧原子可能结 合到一个C0分子上，最终形成另一个分子，它包含一个碳原子和两个氧原子，称为二氧化 碳，并以C0,表示.假如我们以很快的速度在很少的氧气中燃烧碳的话（例如，在汽车引擎 金石在空气中也可以燃烧
费曼物理华讲义（第一卷） 中，炸是如此迅速，以致没有时间形成二氧化碳)就形成了大量的一氧化碳.在许多这种 重新排列的过程中，大量的能量被释放出来，依反应条件的不同而形成爆炸、火焰等等.化 学家研究了这些原子的排列情况，发现每一种物质都是某种类型的原子的排列， 为了说明这个概念，我们来考虑另一个例子.如果我们走到一个紫罗兰花圃里去，我们 知道那是一种什么香气.这是某种分子或者说原子排列钻进了我们的鼻子.首先，这种分 子是怎样钻进来的呢？这很容易。假如香气是飘浮在空气中的某种分子，它们就会到处晃 动，四面八方地撞来撞去，很可能偶而钻进了我们的鼻子.肯定分子并不想特别进入我们的 晾觉器官在挤成一雄的分子中，大家都无目的地到处徘间，而巧有一些分子却发现自己 原来已到达人的鼻子中了. 现在，化学家可以取一些象紫罗兰香气这样楼殊的分子进行分析，然后告诉我们原子在 空间的精确排列.我们知道二氧化碳分子的结构是简单而 对称的.O一○一O.(议也很容易用物理方法来确定.)然 而，即使对化学中那些非常复杂的原子排列，人们也可以通 0g8P 过长期的、卓越的探索工作来查明其排列方式.图19是空 气中紫罗兰香气图.我们再一次发现有氮、氧以及水蒸气。 (为什么这儿有水蒸气？因为紫罗兰是湿的.所有的植物 空气中的策罗兰香气分子 都会蒸发水气.)然而，我们还看到一个由碳原子、氧原子及 图1-9 氢原子组成的“怪物”，它也选择了一种特殊的排列形式.这 种形式比二氧化碳的#列远为复杂：事实上，它是一种极为复杂的排列.遗憾的是，我们无 法画出所有那些在化学上已确实知道的情况，因为所有的原子的精确排列都是三维的，而我 们的画面只是二维的.六个碳原子组成了一个环，但它不是肩平的，而是一种“皱榴”的环」 环的所有角度和间距都已知道，所以一个化学式只是这样的分子的一个画象当一位化学家 把它写在黑板上时，粗略地说，他是在二维空间里“画”图.比如，我们见到六个碳原子组成 的一个“环”，在一个端点还悬挂着一条碳“链”，链的第二个端点的碳上有 一个氧原子，还有 三个氢原子连在那个碳原子上，两个氢原子和三个碳原子竖在这儿，等等 化学家是怎样发现这种排列的呢？他把几瓶东西混合起来，如果变红了，就说明，在某 处有两个碳原子与一个氧原子联结在一起；如果变蓝了，就说明根本不是那么一回事.这是 所做过的最奇妙的探索工作之一 一有机化学.为了发现极其复杂的阵列中的原子挂列， 化学家观察两种不同的物质混合后究竟会发生什么事？当化学家描述原子的排列时，物理 学家从来不怎么相信化学家了解他在谈论的是什么.大约在0年前就能在某些情况下用 物理方法来研究这些分子的排列（不完全象我们这个分子那样复杂，只包括了它的一部分）】 而且能通过测昼而不是观察颜色来确定每个原子的位置，囀！你瞧！化学家几乎总是正确 的 结果，实际上紫罗兰的香气里有三种略为不同的分子，其差别仅在于氢原子的排列不 同 化学的一个任务是给物质命名，从而使我们知道它是什么.给这种形状起个名字看看】 这个名称不仅要表明形状，而且还要说出这里是一个氧原子，那里是一个氢原子 一确切地 说出每个原子的名称和位置.所以我们可以设想，为了全面起见，化学名称一定是十分复杂 的.你们看！这个东西的比较完整的名称是4(2,2,3,6四甲基-5-环己烯基)子丁烯
第1章原子的运动 2-酮，它告诉你这样东西的结构，还告诉你这就是它的排列方式.我们可以意识到化学家所 遇到的困推，也懂得这样长的命名的理由.化学家们 并不想把名称搞得这样晦涩难解，但在试图用词汇来 描写分子时，他们却遇到了非常棘手的问题！ CH, 图1-10是a鸢尾酮香斜的分子结构图 我们怎么知道存在着原子呢？可以用上面提到过 的一种技巧：我们假设存在着原子，而一个又一个的结 果与我们的预言相符合，如果事物真是由原子组成的 图1-10紫岁兰香a鸢尾的 话，它们就应当如此.此外，也多少有点更为直接的证 香斜的分子结构图 据，下面就是一个很好的例子.由于原子是如此之小，你用光学显微镜观察不到它，事实上 即使用电子显微镜也不行.（用光学显微镜，你们只能看到大得多的东西.）要是原子一直在 运动，比如水中的原子，那么如果我们把某种较大的球放到水中去，这个比原子大得多的球 就会晃来晃去一就象玩球时，一个很大的球被许多人打来打去一样.人们向各个方向推 球，结果球在场地上作不规则的运动。同样，“大球”也将运动，因为它在各方面受到的碰撞 不等，在各个时刻受到的碰撤也不等.因此，如果我们用很好的显微镜观察水中很小的粒子 (胶粒)，就能看到微粒在不停地跳动，这是原子碰撞的结果.这种运动称为布朗运动 我们在晶体结构上也可看到进一步的证据.在许多情况下，由X射线分析推断出的结 构在空间“形状”上与自然界中的品体实际上显示出来的形状相符合，实际晶体的各个“面 之间的夹角，与从晶体是由多“层”原子构成的假设推断出来的角度之差在秒以下， 一切都由原子枸成。这就是关键性的假设.例如，在整个生物学中最重要的假设是：到 物所做的每件事都是原子做的。换句话说：没有一件生物所做的事不能从这些生物是用服 从物理定律的运动原子组成的这个观点来加以理解.这在开始时并没有认识到：提出这种 假设需耍作一些实验与推理，但现在它已被接受了，它是在生物学领域内产生新观念的最有 用的理论. 如果一块由一个挨一个的原子组成的或盐可以具有这种有趣的性质：如果水 只不过是些小滴，地球上到处都有一可以形成波浪和泡沫，这些波浪冲向水泥堤岸时会产 生冲击声和奇妙的浪花；如果一流细水永远只能是一堆原子，那么还会有什么呢？假设我们 不是把原子排成确定的型式，再三重复，不断反复，或者甚至形成象紫罗兰香气那样复杂的 东西，而是制造出一种各处都不相同的排列：不同的原子以不同的方式配置，不断改变，从不 重复，那么事情会变得更加不可思议吗？一那个在你面前走来走去与你攀谈的东西可能 是一大群排列得非常复杂的原子吗？这个东西的彻底复杂性可能动摇你对它产生一些什么 想象吗？当我们说，我们是一堆原子，这并不意味者我们只是一堆原子，当你站在镜子前，你 就能在镜子里看到，一堆并非简单地一个一个重复排列的原子所组成的东西将会具有如何 丰富而生动的内容！
2 基本物理 §2-1引 言 在本意中我们将考察有关物理学的最基本观念一即我竹在目前所知道的事物的本 性.这里将不去涉及我们如何知道所有这些观念是正确的那个认识过程；你们在适当的时 候会学习到这些具体的细节. 我们在科学上所关心的事物具有无数的形式和许多属性.举例来说，假如我们站在岸 边跳望大海，将会看到：这里有海水、拍击的浪花、飞溅的泡沫以及汹涌的波浪，还有太阳」 光线、蔚蓝的天空、白云以及空气的流动一风；在海边有砂粒，不同色纹和硬度的岩石；在 海里浮游者生物，此生彼灭；最后，还有我们这些站在海岸边的观察者；甚至还有幸福和怀 念。在自然界的其他场合，难道不也同样出现如此纷繁复杂的事物和影响吗？无论在哪里， 到处都是这样错综复杂和变化无穷.好奇心驱使我们提出问题，把事物联系起来，而将它们 的种种表现理解为：或许是由较少量的基本事物和相互作用以无穷多的方式组合后所产生 的结果 例如，沙粒和岩石是两回事吗？就是说，沙粒只不过是大量的细小石块吗？月亮是不是 一块巨大的岩石呢？如果我们了解岩石，是否就能了解沙粒和月亮呢？风是香与海洋中的 水流相类似，就是一种空气的流动？不同的运动有什么共同特征？不同的声音有什么相似 之处？究竟有多少种颜色？等等，等等.我们就是试图这样地逐步分析所有的事梢，把那些 乍看起来似乎不相同的东西联系起来，希望有可能诚少不同类事物的数目，从而能更好地理 解它们. 几个世纪以前，人们想出了一种部分解答这类问题的方法，那就是：观察，推理和实验 这些内容构成了通常所说的科学方法.在这里，我们将只限于对那些有时称之为基本物理 中的基本观点，或者由于应用科学方法而形成的基本概念作一描述。 现在我们要问：所谓“理解”某种事情指的是什么意思？可以作一想象：组成这个“世界 的运动物体的复杂排列似乎有点象是天神们所下的一盘伟大的象棋”，我们则是这盘棋的观 众，我们不知道奕棋的规则，所有能做的事就是观看这场棋赛.当然，假如我们观看了足够 长的时间，总归能看出几条规则来，这些奕棋规则就是我们所说的基本物理.但是，即使我 们知道了每条规则，仍然可能不理解为什么下棋时要走某一步棋，这仅仅是因为情况太复杂 了，而我们的智力却是有限的。如果你们会下棋，就一定知道，学会所有的规则是容易的，但 是，要选择最好的一着棋，或者要弄懂别人为什么走这一着棋往往就很困难了.在自然界 里，也正是如此，而且只有更难一些.但是，至少我们能发现所有的规则.实际上我们今天 还没有找到一切规则（时而会出现一些象奕棋中的“以车护王”那样的情况，使我们仍然感到 无法理解).除此之外，我们确实能用已知规则来解释的事情也是非常有限的，因为几乎所 有的情况都是极其复杂的，我们不能领会这盘棋中应用这些规则的走法，更无法预言下一步 这里指的是国际象棋。一—译者注
第2章蓝本物理 将要怎样.所以，我们必须使自己只限于奕棋规则这个比较基本的问题.如果我们知道了 规则，就认为“理解”了世界」 如果我们不能很好地分析这盘象棋游戏，那么又怎样来辨别我们“猜测”出的规则实际 上是否正确呢？大致地讲，可以有三种办法.第一，可能有这种情况：大白然安排得，或者说 我们将大自然安排得十分简单，只有少数几个组成部分，从而使我们能够正确地预测将要发 生的事，在这种情况下，就能检验我们的规则是怎样起作用的。（在棋盘角落里可能只有少 数几个棋子在移动，所以我们能够正确地解决.) 第二种检验规则的好办法是， 利用那些由已知规则推导出来的较一般性的法则来检验 已知规则本身.比如，象在棋盘中移动的规则是只许走对角线，因而我们可以推断，无论象 走了多少步，它总是出现在红方块里.这样，即使不能领会细节，我们也总能检验有关象的 走法的概念，只要弄清楚它是否一直在红方块里。当然，在相当长的时间里，它都将如此，直 到突然发现它出现在黑方块里（显然，这时发生的情况是这个象被俘获了，另一个卒走过来 成为皇后，红方块的象就变成黑方块的象.)这也就是物理学中出现的情况，即使我们不能领 会其中的细节，但是在相当长的时期内我们仍有在各方面都很好地起作用的规则：但是在某 个时侯，我们又会发现新的规则.从基本物理的观点来看，最有趣的现象当然是在那些新的 场合 那些已知规则行不通的场合中所出现的现象，而不是在原有规则行得通的地方发 生的现象！这是我们发现新规则的一条途径。 第三个鉴别我们的观念是否正确的方法比较粗糙，但或许是所有方法中最为有效的.这 就是用粗略的近似方法来加以辨别.我们可能说不出为什么阿莱克因(Alekhine)*要走这 步棋，但是我们或许能大致认为他或多或少地在调集一些棋子到王的周围来保护它.因为 这是在这种情况下明摆着的事.同样，根据我们对这盘棋的理解，即使不能看出每一步棋的 作用，也常常能对自然界多少有所理解。 人们首先把自然界中的现象大致分为几类，如热、电、力学、磁、物性、化学、光或光学、X 射线、核物理、引力、介子等等现象.然而，这样做的目的是将整个自然界看作是一系列现象 的许多不同侧面。这就是今天基础理论物理面临的问题：发现隐匿在实验后的定律：把各类 现象综合起来.在历史上，人们总能做到这一点，但随者时间的推移，新的事实发现了：我们 曾经将现象综合得很好，突然，发现了X射线，随后我们又融合了更多事实，但是又发现了 介子，因此.在奕棋的任何一个阶段，君起来总是相当陵乱大量事实被归并了，但总怀有 许多线索向一切方向延伸出去.这就是今天的状况，也就是我们将试图去描绘的现状. 历史上出现过的若干进行综合的情况有如下几个.首先，是热与力学的综合，当原子运 动时，运动得越是刷烈，系统所包含的热量就越多，这样，热和所有的温度效应可以用力学定 律来说明.另一个巨大的综合是发现了电、磁、光之间的联系，从而知道它们是同一件事物 的不同方面，即今天我们称为电磁场的那个东西的不同表现，还有一个综合是把化学现象 各种物质的各种性质以及原子的行为统一起来，这就是量子化学的内容 显然，现在的问题是：能不能继续把所有事情都综合起来，并且仅仅发现这整个世界体 现了一件事情的种种不同方面？无人知道答案如何.我们所知道的只是：这样做下去时，我 们发现可以综合一些事实，随后又发觉出现了一些不能综合的事实.我们继续尝试这种拼 图游戏.至于是否只有有限数量的棋子，甚至这场拼图游戏是否有底，当然不知道.除非有 ”世界著名委棋名手，系国际象棋特级大师，曾多次获得国际象棋世界冠军。—译者注