物理学的进化 The Evolution of Physics 阿尔伯特·爱因斯坦

　　编辑推荐
　　科学知识不是大量莫名其妙的结论，它是每个人按照正确的思维方式自己应当并且也能够推导出的结论。学习科学的过程，就是自己得出这个结论的过程。
　　1. 爱因斯坦写的经典科普书
0 M6 ^1 o' b9 {3 Y7 x. b　　书中不仅有伟大科学家的思维方式，更有其深刻的哲学思想。
　　2. 物理不难学，物理真好玩儿！
8 G& }$ _. \1 H　　用通俗易懂的浅显例子将物理学知识巧妙地关联起来，如侦探搜集线索发现罪犯一样令人着迷！全书没有数学公式，让你彻底摆脱对物理学的恐惧心理！
& R6 R9 j' u1 t/ P　　3. 高度概括物理学知识的精髓。
; q" q6 E8 p& o　　逻辑清晰，用进化的表述来串联物理学的发现发展，尤其将关键的科学脉络和分支关系梳理清晰4. 启发思考，保持对世界的好奇
) C1 G- _+ k' ~　　一代经典读本，鼓励和启发人们去发现问题，展示科学巨匠的思维方式，打通大量知识点之间的联系。满足几代人的好奇心，时至今日读来依旧是醍醐灌顶，脑洞大开5. 各地中学、大学考试题目来源，家长们、同学们一定要了解一下2016年全国高考文综政治江苏卷：
$ p3 S$ q% Z; i5 f　　许多科学家在回忆成长经历时,都会提起他们青少年时代读过的《十万个为什么》《趣味物理学》《物理学的进化》等科普作品，正是这些科普作品激发了他们对于科学探索的浓厚兴趣、埋下了科学的种子。材料表明 ①人创造了文化，文化也在塑造着人 ②优秀文化为人的成长提供精神食粮 ③文化多样性是人类进步的根本动力 ④科学技术是一个民族文明程度的标志 A.①② B.①④ C.②③ D.③④南开大学世界科技文化史期末试卷：
$ v' e$ L4 v+ K: Z& N  A　　评述下面一段文字：
% {) ?: U+ I9 s　　爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》中指出：“伽利略的发现及其推理方法，是人类历史上*伟大的成就之一，而且标志着物理学（科学）的真正诞生。”
　　评价伽利略在科学史上的地位1）物理学发现，包括自由落体，惯性定律，相对性原理以及它们在经典物理学中的地位（从古典力学向牛顿物理学的转变）2）科学方法论，包括实验方法（包括思想实验方法）、数学方法，这些科学方法对近代世界观、认识论的影响。
　　6. 设计独特，物理学的进化，破茧而出
　　进化是一种突破和生长，由无数物理学公式组成的英文书名The Evolution of Physics象征了这种破茧而出的思维创造。书里没有的物理学公式，全在封面上了。
. |. W7 C& d$ a) [　　内容简介
　　《物理学的进化》是美国科学家、物理学奠基人阿尔伯特?爱因斯坦和波兰物理科学家利奥波德?英费尔德合著的科普读物，首次出版于1938年。
　　在本书中，爱因斯坦不仅仅是一位物理学家，而更像是一位哲学家。他在开篇就写道：
- I. O8 p; d' \: T2 q  ]. y1 F8 P; b　　“我们的目的是用粗线条的轮廓说明物理学家的工作必须像侦探那样用纯粹的思维来进行。我们主要是叙述思维和观念在大胆地探求客观世界的知识中所起的作用。”
　　书中介绍物理学观念从伽利略、牛顿时代的经典理论发展到现代的相对论、量子论和场论的演变情况。其中选择了几个主要的转折点来阐明经典物理学的命运和现代物理学中建立新观念的动机所在，从而引导读者怎样去找寻观念世界和现象世界的联系。全书分为四章：机械观的兴起；机械观的衰落；场、相对论；量子。全书没有引用数学公式，文字通俗易懂、举例浅显，编写体裁别开生面，是一本生动有趣的科普书籍。
* \4 J# J2 f  V8 n1 s. }2 F　　作者简介
* S( P* ^2 B( O" }. T- R2 N　　[美] 阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）1879年3月14日出生于德意志帝国符腾堡王国乌尔姆市，1955年4月18日在美国新泽西州普林斯顿去世，被认为是科学史上*重要的理论物理学家之一。他对物质结构、空间和时间以及引力性质的研究，彻底改变了牛顿时代以来人们的世界观。他*为人知的是其质能等价公式E=mc2，因“对理论物理学的贡献，尤其是他发现了光电效应的规律”而获得1921年度诺贝尔物理学奖。爱因斯坦发表了300多篇科学论文以及150多篇非科学论文，留下了3万多封信件。他的智力成就和独创性使得“爱因斯坦”成为“天才”的代名词。爱因斯坦利用自己非凡的社会名望，致力于国际理解与和平。他称自己为和平主义者、社会主义者和犹太复国主义者。
　　[波兰]利奥波德?英费尔德/（Leopold Infeld）波兰理论物理学家，波兰科学院院士。1898年8月20日出生于克拉科夫，1921年毕业于克拉科夫大学。1936—1938年在美国普林斯顿高级研究院工作，与爱因斯坦共事。1939年起任加拿大多伦多大学教授。1950年回到波兰。1951年任理论物理研究所所长。与爱因斯坦、霍夫曼合作，在广义相对论中由场方程导出了物体吸引的满意理论（爱因斯坦一英费尔德一霍夫曼理论）。英费尔德还是一位科学评论家和作家。与爱因斯坦合著的《物理学的进化》享有盛名，被译成多种文字出版。
　　周肇威 译
　　山西师范大学物理与信息工程学院教授，祖籍广东顺德，1954年毕业于张家口中国人民解放军通信工程学院。1962年，翻译和出版《物理学的进化》，该书后多次再版。
  y+ J2 Q7 p% x0 R; h　　精彩书评
! O0 {5 ?/ d* ~" }$ z$ I6 K8 @　　【名人评论】
　　★张焕乔 中国科学院院士 北京大学物理学院教授 中国原子能科学研究院研究员★陈难先 中国科学院院士 清华大学物理系教授★褚君浩 中国科学院院士 华东师范大学信息科学技术学院院长 东华大学理学院院长★武向平 中国科学院院士 中国科学院国家天文台研究员★方在庆 中国科学院自然科学史研究所研究员 《我的世界观》编译者科学不是一本定律汇编，也不是一本把各种互不相关的论据集合在一起的总目录，它是用来自由地发明观念和概念的人类智力的创造物。
　　——阿尔伯特?爱因斯坦
9 s7 d- z. k5 P5 S8 _　　20世纪上半叶，量子理论改变了物理学的景观，就像电磁学理论在一个世纪前所做的那样。在《物理学的进化》中，爱因斯坦和英费尔德从风暴中心描述了这场革命。今天我们已经很习惯接受量子力学的概念，从而很容易忘记当初我们要从量子角度来思考时所需要的具有纪念意义的思想转变。
# D2 Z7 }% U% c& l# \) \　　——霍金
　　爱因斯坦也曾著有《物理学的进化》一书，即使没有数学基础的民众也能从中了解“人类的智力如何寻找观念世界和现象世界的联系”。
6 R  d, z* A) U) P) n　　——中国科学院院士 中国科学院国家天文台研究员 武向平《物理学的进化》是霍金的《时间简史》之前*为畅销的通俗科学读物。与后者的持续热销相比，前者没有受到应有的关注。爱因斯坦与他的合著者英费尔德试图用粗线条来描绘人类如何寻找观念世界和现象世界的联系，试图阐明迫使科学建立起符合客观实在观念的内在动机。与平铺直叙描绘物理学概念的演进方式不同，他们更强调新老概念之间的嬗变。在相信世界的内在和谐性，以及我们的理论结构能够领悟客观实在的前提下，强调科学是人类思维的自由构造，而不是纯粹的事实积累，科学是一场永无止境的智力冒险。无论从作品的有趣性，还是思想深度，这本书都非常值得推荐。
　　——中国科学院自然科学史研究所研究员 《我的世界观》编译者 方在庆这本书以*少的*简单的物理知识为基础，让你明白物理是什么。
　　——北京师范大学系统科学学院教授 吴金闪
3 u  j" Y& [1 x' h　　目录
2 [& K! k0 R6 |( H9 \% V　　原序 1
+ J/ @7 U7 a' t7 B$ O8 p　　1 机械观的兴起 1
　　奥妙的侦探故事 3
9 B9 C, z9 X5 F　　第一个线索 5
. N) R- u4 f% X4 w7 s+ i0 s7 }! f# v　　矢量 12
　　运动之谜 19
　　还有一个线索 32
) k& M! H, o3 U$ P, f) s　　热是一种物质吗？ 36
　　升降滑道 45
& Q. _% T5 o; o7 P) C3 U' t8 V$ D　　转换率 49
　　哲学背景 53
　　物质动力论 57
6 ?- {+ p0 }4 x# s) @; s　　结语 64
0 ~/ \7 O3 f* s: n　　2 机械观的衰落 65
7 ^  }7 c' A' l9 M- i　　两种电流体 67
　　磁流体 78
1 {* T2 @4 G- S2 W5 g. l4 f8 c' ]　　第一个严重的困难 82
3 m. k& F5 p! j1 i$ ]. G  @% y, `; x　　光的速度 88
- R& X0 x  R  c1 A/ [5 |　　作为物质的光 91
　　色之谜 95
　　波是什么 99
　　光的波动说 104
　　以太与机械观 116
　　结语 118
# G5 a9 V+ Q# y. w6 W& U( F% Q　　3 场，相对论 119
　　场的图示法 121
　　场论的两大台柱 133
　　场的实在性 138
　　场与以太 145
　　力学的框架 148
' U4 C2 o; v3 w# \8 @& K% @& c" j4 K　　以太与运动 159
　　时间、距离、相对论 173
: Q# @8 z7 k. O7 y) U5 {2 a　　相对论与力学 188
　　时—空连续区 194
　　广义相对论 204
: |& ~# w# Z+ Q( |# r( |1 x. i　　在升降机外和升降机内 209
; ~% l# ]4 a2 c　　几何学与实验 218
　　广义相对论及其实验验证 230
　　场与实物 235
! e3 L; V) d' O; ]+ d. D　　结语 238
  ]3 j% Q1 {! B) k: T; {0 [　　4 量子 241
  a# X: v" c, }　　连续性、不连续性 243
3 \2 ~/ f  Q  I　　物质和电的基本量子 245
　　光量子 251
( Z% Y9 J' O. Z# }" J: a# w2 }0 N　　光谱 258
　　物质波 263
" B/ x# i" v6 r1 I' A9 l　　几率波 271
　　物理学与实在 284
' v2 Z% V9 k1 M$ L8 o　　结语 287
　　致谢 292
　　精彩书摘
" R9 o! ?! q+ E- E( l+ n  j, ]& r. t* ]　　热是一种物质吗
　　现在我们来着手了解一个新的线索，它是在热现象的范围内起源的。可是我们不能把科学分割成若干独立的、无关的部分。事实上，我们很快就会看到这里所介绍的新概念是和那些已熟知的概念以及我们将来还要遇到的概念交织在一起的。在科学的一个分支中发展起来的一种思想方法往往能够用来解释表面上完全不同的结果。在这个过程中，原来的概念往往须加以修改才能帮助我们既可理解这个概念得以产生的那些现象，也可理解目前正有待这个概念来解释的那些现象。
　　用来描述热现象的最基本的概念是温度和热。在科学史上，人们花了非常长的时间才把这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，科学就得到了飞速的发展。虽然现在每个人都熟悉了这两个概念，我们仍对其进行细致的考察，并且着重指出两者的区别。
　　我们的触觉会很清楚地告诉我们，一个物体是热的，而另一个物体是冷的。但是这纯粹是定性上的判断标准，还不足以做定量的描述，而且有时甚至会含糊不清。这已经从大家所熟知的一个实验中得到了证明：设有三个容器，一个装冷水，一个装温水，一个装热水。如果我们把一只手浸入冷水，而另一只手浸入热水，那么我们得到的感觉是，第一个容器里的水是冷的，而第二个容器里的水是热的。如果随后我们把两只手同时浸入温水里，那么两只手得到的两种感觉是相互矛盾的。同样的道理，如果北极国家的一个居民和赤道国家的一个居民于春季时在纽约会面了，他们对于气候是冷是热也持有不同的意见。我们用温度计来解决所有这些问题。最早期的温度计是伽利略（又是那个熟悉的名字！）设计的。温度计的使用是以某些明显的物理学假说为基础的。我们可以引用大约在150年以前布勒克（Black）的讲义中的几行文字来温习一下这些假说。布勒克在对于扫除热和温度这两个概念混淆在一起的困难问题上有很大的贡献：
# s5 j; {4 G8 o' E" p1 P+ C% i　　由于应用了这种仪器，我们发现，假如我们取一千种甚至更多不同种类的物质，例如金属、石子、盐、木头、羽毛、羊毛、水和各式各样的液体，把它们一起放在一个没有火、没有阳光照射进去的房间内。虽然它们原来的热各不相同，但在被放进这个房间以后，热会从较热的物体传到较冷的物体中。经过几个小时或一天以后，我们用一个温度计一一检查这些物体，温度计所标出的度数都是相等的。
　　引文中有一个黑体的“热”字。按照现代的术语，这个字应该用温度来代替。
$ T4 j" |  ?+ h) h' j  b2 \　　一个医生从病人口中把温度计拿出来，他可以做这样的推理：“温度计用它的水银柱的长度指出它自己的温度。我们假定水银柱长度的增加与温度的增加成正比。但是温度计和我的病人接触了几分钟，所以病人和温度计具有相同的温度。因此我推断我的病人的温度就是温度计上所记录的那个温度。”医生也许只是在做无意识的工作，然而他没有想到他已经在运用物理学的原理了。
　　但是一个温度计所包含的热量是不是和一个人的身体所包含的热量一样呢？自然不是。假如因为两个物体的温度相等，便认为它们的热量也相等，像布勒克所指出的，这是把问题看得太马虎了。这是把不同物体中热的量和热的一般强度或密集度混淆了。很明显，这是不同的两件事。在研究热的分布时，我们应当经常加以区别。
" Q1 f" ]2 b$ j1 B* c　　只要考察一个很简单的实验，我们就可以理解这种区别。把1磅水放在火焰上加热，要使它的温度从室温达到沸点需要一些时间。如果同一个容器装上12磅水并且用同样的火源加热，要使它达到沸点，那么，需要的时间就多得多了。我们把这个论据解释为现在需要更多的“某种东西”，而我们称这个“某种东西”为热。
　　从下面的实验中得出了一个更重要的概念—比热：一个容器中装1磅水，而另一个容器装1磅水银，将它们用同样的方式加热。水银热起来要比水快得多，这表明使水银的温度升高1华氏度[1]所需要的“热”较少。一般来说，把质量相等的不同种类的物质，例如水、水银、铁、铜、木等加热1华氏度，例如从40华氏度加热到41华氏度，它们所需的“热”的量是不同的。我们说：每一种物质都有它独自的热容量或比热。
) P! r7 f9 ^6 _* a* E　　一旦有了热的概念，我们就可以更细致地研究它的本性了。设有两个物体，一个是热的，另一个是冷的，或更确切地说，一个物体的温度比另一个高些。我们使它们进行接触，并使它们不受任何外界影响。我们知道，最后它们会达到同样的温度。但是，这个情况是怎样发生的呢？从它们开始接触起到它们达到同样温度的时间里，究竟发生了什么呢？我们可以在脑海中想象这么一个图景：热从一个物体流向另一个物体，正如水由较高的水位流向较低的水位一样。虽然这个图景似乎很原始，但它跟很多论据相符，因此可以提出这样的类比：
　　水—热
! R5 L6 C) Y$ L7 U6 b　　较高的水位—较高的温度
　　较低的水位—较低的温度
　　流动一直要继续到两个水位，也就是说两个温度相等时才停止。这个朴素的观点在定量的考察上更有用处。如果把各自有一定质量和一定温度的水和酒精混合，那么知道了比热，就能预言混合物最后的温度。反之，只要观察到最后的温度，用一点儿代数知识就可以求出这两个比热的比率。
　　我们看到，这里所出现的热的概念，和其他的物理学概念有相似之处。根据我们的观点，热是一种物质，就像力学中的质量一样。它的量可以改变，也可以不改变；正如钱一样，可以被储存在保险柜里，也可以被花掉。只要保险柜始终锁着，柜里面钱的总数就始终保持不变；和这一样，一个被隔离的物体中的质量的总数和热的总数也是不变的。理想的保温瓶就和这样的保险柜类似。而且，在一个孤立系统中，热即使从一个物体流向另一个物体，整个系统的热量也是守恒的；这正和一个孤立系统即使发生了化学变化，质量也保持不变一样。热即使不是用来提高物体的温度而是用来溶化冰或把水变成水汽，我们仍然可以把它想象为物质，因为只要把水冻结为冰，或把水汽凝为水时，又可以重新得到它。溶化潜热或汽化潜热这一类旧名称都表明这些概念是由于把热想象为一种物质而产生的。潜热是暂时潜伏，正如把钱存放在保险柜里，如果有人知道开锁的办法，就可以把它拿出来用。
　　但是，热肯定不是一种与质量有相同意义的物质。质量是可以用天平来测定的，而热怎样呢？一块炽热的铁是不是比它在冰冷的时候重一些呢？实验证明并不如此。如果热是一种物质，那么它应该是一种没有重量的物质。“热物质”通常被称为卡路里，这是我们认识一整族没有重量的物质中最先认识的一种。以后我们还将有机会研究这一族的兴起和衰落的历史，目前只要注意这一种无重物质的诞生就够了。
. a. Q0 ~; K1 T6 u& ?2 |! b　　任何一种物理学理论都要将现象的范围解释得愈广愈好。只要它使得各种现象能被理解，就证明它是正确的。我们已经知道，物质论解释了许多热现象，但是很快就会明白，这又是一个错误的线索。热不能被看作一种物质，即使被看作一种没有重量的物质也不行。我们只要回想一下标志着人类开化初期的几个简单的经验，便能明白这一点。
2 j. ~1 x( T0 w" I6 J  a+ T　　我们把物质看作一种既不能被创造也不能被毁灭的东西。但是，原始人用摩擦的方法创造出足够的热，用来点燃木材。用摩擦生热的例子实在太多、太熟悉了，因而不必再一一列举。在所有这些例子中都创造出一些热量，这是一件很难用物质论来解释的事情。诚然，这个理论的拥护者还会想出一些论证来解释这件事情。他的推理可能是这样的：“物质论可以解释表观上的热的创生。举一个最简单的例子：拿两块木头来相互摩擦。摩擦影响了木头并改变了木头的性质。木头的性质很可能是这样被改变的，即热的量并不改变而能产生较前为高的温度。总之，我们见到的只是温度的升高。可能是摩擦改变了木头的比热，而不是改变了热的总量。”
  Q- C5 w) @; z% J) E6 \　　在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辩论是无益的，因为这件事只能通过实验来解决。我们设想有两块各方面完全相同的木头，并且设想用不同的方法使这两块木头发生同样的温度改变：例如，一种是用摩擦的方法，而另一种是让它与放热器接触。如果两块木头在新的温度下有相同的比热，那么整个物质论就被推翻了。我们有好多测定比热的简单方法，而这个理论的命运正取决于这些测量的结果。在物理学史上，通常有一些实验能宣判一个理论的生死，这种实验被称为判决实验（crucial experiment）。评价一个实验所具有的判决意义只能从提出问题的方式上得到启示，而且只是讨论现象的一种理论才可以用这种实验来判断。同一种类的两个物体，一个用摩擦的方法，另一个用传热的方法，使它们达到相同的温度，然后测定它们在这个温度下的比热，这就是判决实验的一个典型例子。这个实验大约是在150年前由伦福德[1]完成的，它给热质说致命一击。
6 C  m0 l3 s% c# I5 q* q　　现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下：
1 r; M( E( ~. ^/ ^1 ~2 r+ T　　人们的日常事务和工作往往会提供他们思索自然界的一些最奇妙的作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，只要利用工业生产上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科学实验。
　　我常常有机会做这一类观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有用的怀疑和研究与改进方面意义深远的计划。这些情况有的是突然发生的，有的是在思索极普通的现象时所进行的飘逸的遐想中发生的。这样所引起的怀疑和研究改进的机会，比那些整天坐在书房里专门从事科学研究的哲学家全神苦思时所能引起的还会多些。
0 d% L+ A) v6 D, ~3 A& b3 j　　最近我应邀去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短一段时间以后，就会产生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的铜屑更热（正如我用实验所证实的，它们比沸水还要热）。
　　在上述的机械动作中实际产生的热是从哪里来的呢？
　　它是由钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑供给的吗？
　　如果真是这样，那么根据潜热和热物质的现代学说，它们的热容量不仅要变，而且要变得足够大，才能解释所产生的全部的“热”。
5 o  x6 a4 @  c3 k- e1 O　　但是，这样的变化不会发生，因为我发现：使这种金属屑和用细齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片的重量相同，并把它们在相同的温度（沸水的温度）下各自放进盛有冷水的容器里，冷水的重量和温度也都相同（例如在59.5华氏度）；放金属屑的水看起来并不比放金属片的水热些或冷些。
　　最后，我们来读伦福德的结论：
　　在推敲这个问题的时候，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情况，就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。
　　自不待说，任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体能无限地连续供给的任何东西绝不能是具体的物质；并且，如果不是十分不可能的话，凡是能够和这些实验中的热一样被激发和传播的东西，除了把它认为是“运动”以外，我似乎很难形成把它看作其他东西的任何明确的观念。
　　这样一来，我们看到旧的理论是崩溃了，或者说得更严格些，我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此像伦福德所指出的那样，我们得重新寻找新的线索。要做到这点，让我们暂且抛开热的问题，再回到力学上来。
　　热是一种物质吗
% C7 ?1 ^1 A. }6 ^　　现在我们来着手了解一个新的线索，它是在热现象的范围内起源的。可是我们不能把科学分割成若干独立的、无关的部分。事实上，我们很快就会看到这里所介绍的新概念是和那些已熟知的概念以及我们将来还要遇到的概念交织在一起的。在科学的一个分支中发展起来的一种思想方法往往能够用来解释表面上完全不同的结果。在这个过程中，原来的概念往往须加以修改才能帮助我们既可理解这个概念得以产生的那些现象，也可理解目前正有待这个概念来解释的那些现象。
# L# D2 |8 ?, H" \: p' \2 Y' M　　用来描述热现象的最基本的概念是温度和热。在科学史上，人们花了非常长的时间才把这两种概念区别开来，但是一经辨别清楚，科学就得到了飞速的发展。虽然现在每个人都熟悉了这两个概念，我们仍对其进行细致的考察，并且着重指出两者的区别。
　　我们的触觉会很清楚地告诉我们，一个物体是热的，而另一个物体是冷的。但是这纯粹是定性上的判断标准，还不足以做定量的描述，而且有时甚至会含糊不清。这已经从大家所熟知的一个实验中得到了证明：设有三个容器，一个装冷水，一个装温水，一个装热水。如果我们把一只手浸入冷水，而另一只手浸入热水，那么我们得到的感觉是，第一个容器里的水是冷的，而第二个容器里的水是热的。如果随后我们把两只手同时浸入温水里，那么两只手得到的两种感觉是相互矛盾的。同样的道理，如果北极国家的一个居民和赤道国家的一个居民于春季时在纽约会面了，他们对于气候是冷是热也持有不同的意见。我们用温度计来解决所有这些问题。最早期的温度计是伽利略（又是那个熟悉的名字！）设计的。温度计的使用是以某些明显的物理学假说为基础的。我们可以引用大约在150年以前布勒克（Black）的讲义中的几行文字来温习一下这些假说。布勒克在对于扫除热和温度这两个概念混淆在一起的困难问题上有很大的贡献：
　　由于应用了这种仪器，我们发现，假如我们取一千种甚至更多不同种类的物质，例如金属、石子、盐、木头、羽毛、羊毛、水和各式各样的液体，把它们一起放在一个没有火、没有阳光照射进去的房间内。虽然它们原来的热各不相同，但在被放进这个房间以后，热会从较热的物体传到较冷的物体中。经过几个小时或一天以后，我们用一个温度计一一检查这些物体，温度计所标出的度数都是相等的。
* ^3 l& l0 j% B2 t6 N$ E" m' M% K　　引文中有一个黑体的“热”字。按照现代的术语，这个字应该用温度来代替。
* j- j# a* L# x: q; r! S/ `　　一个医生从病人口中把温度计拿出来，他可以做这样的推理：“温度计用它的水银柱的长度指出它自己的温度。我们假定水银柱长度的增加与温度的增加成正比。但是温度计和我的病人接触了几分钟，所以病人和温度计具有相同的温度。因此我推断我的病人的温度就是温度计上所记录的那个温度。”医生也许只是在做无意识的工作，然而他没有想到他已经在运用物理学的原理了。
' e/ ^2 n9 o) m7 w/ F; l3 g　　但是一个温度计所包含的热量是不是和一个人的身体所包含的热量一样呢？自然不是。假如因为两个物体的温度相等，便认为它们的热量也相等，像布勒克所指出的，这是把问题看得太马虎了。这是把不同物体中热的量和热的一般强度或密集度混淆了。很明显，这是不同的两件事。在研究热的分布时，我们应当经常加以区别。
7 z2 f6 Z4 T4 w7 L　　只要考察一个很简单的实验，我们就可以理解这种区别。把1磅水放在火焰上加热，要使它的温度从室温达到沸点需要一些时间。如果同一个容器装上12磅水并且用同样的火源加热，要使它达到沸点，那么，需要的时间就多得多了。我们把这个论据解释为现在需要更多的“某种东西”，而我们称这个“某种东西”为热。
　　从下面的实验中得出了一个更重要的概念—比热：一个容器中装1磅水，而另一个容器装1磅水银，将它们用同样的方式加热。水银热起来要比水快得多，这表明使水银的温度升高1华氏度[1]所需要的“热”较少。一般来说，把质量相等的不同种类的物质，例如水、水银、铁、铜、木等加热1华氏度，例如从40华氏度加热到41华氏度，它们所需的“热”的量是不同的。我们说：每一种物质都有它独自的热容量或比热。
" c- \0 E. e9 t! ?0 o) I0 a　　一旦有了热的概念，我们就可以更细致地研究它的本性了。设有两个物体，一个是热的，另一个是冷的，或更确切地说，一个物体的温度比另一个高些。我们使它们进行接触，并使它们不受任何外界影响。我们知道，最后它们会达到同样的温度。但是，这个情况是怎样发生的呢？从它们开始接触起到它们达到同样温度的时间里，究竟发生了什么呢？我们可以在脑海中想象这么一个图景：热从一个物体流向另一个物体，正如水由较高的水位流向较低的水位一样。虽然这个图景似乎很原始，但它跟很多论据相符，因此可以提出这样的类比：
4 D  e; J2 i8 U. R( |　　水—热
% M" O2 c# y0 R) y　　较高的水位—较高的温度
+ _" o* R: Z4 L7 X. \9 p　　较低的水位—较低的温度
　　流动一直要继续到两个水位，也就是说两个温度相等时才停止。这个朴素的观点在定量的考察上更有用处。如果把各自有一定质量和一定温度的水和酒精混合，那么知道了比热，就能预言混合物最后的温度。反之，只要观察到最后的温度，用一点儿代数知识就可以求出这两个比热的比率。
' E5 k7 M2 o" u+ W( {+ h　　我们看到，这里所出现的热的概念，和其他的物理学概念有相似之处。根据我们的观点，热是一种物质，就像力学中的质量一样。它的量可以改变，也可以不改变；正如钱一样，可以被储存在保险柜里，也可以被花掉。只要保险柜始终锁着，柜里面钱的总数就始终保持不变；和这一样，一个被隔离的物体中的质量的总数和热的总数也是不变的。理想的保温瓶就和这样的保险柜类似。而且，在一个孤立系统中，热即使从一个物体流向另一个物体，整个系统的热量也是守恒的；这正和一个孤立系统即使发生了化学变化，质量也保持不变一样。热即使不是用来提高物体的温度而是用来溶化冰或把水变成水汽，我们仍然可以把它想象为物质，因为只要把水冻结为冰，或把水汽凝为水时，又可以重新得到它。溶化潜热或汽化潜热这一类旧名称都表明这些概念是由于把热想象为一种物质而产生的。潜热是暂时潜伏，正如把钱存放在保险柜里，如果有人知道开锁的办法，就可以把它拿出来用。
　　但是，热肯定不是一种与质量有相同意义的物质。质量是可以用天平来测定的，而热怎样呢？一块炽热的铁是不是比它在冰冷的时候重一些呢？实验证明并不如此。如果热是一种物质，那么它应该是一种没有重量的物质。“热物质”通常被称为卡路里，这是我们认识一整族没有重量的物质中最先认识的一种。以后我们还将有机会研究这一族的兴起和衰落的历史，目前只要注意这一种无重物质的诞生就够了。
　　任何一种物理学理论都要将现象的范围解释得愈广愈好。只要它使得各种现象能被理解，就证明它是正确的。我们已经知道，物质论解释了许多热现象，但是很快就会明白，这又是一个错误的线索。热不能被看作一种物质，即使被看作一种没有重量的物质也不行。我们只要回想一下标志着人类开化初期的几个简单的经验，便能明白这一点。
: K1 i# y1 O7 T7 f" ]　　我们把物质看作一种既不能被创造也不能被毁灭的东西。但是，原始人用摩擦的方法创造出足够的热，用来点燃木材。用摩擦生热的例子实在太多、太熟悉了，因而不必再一一列举。在所有这些例子中都创造出一些热量，这是一件很难用物质论来解释的事情。诚然，这个理论的拥护者还会想出一些论证来解释这件事情。他的推理可能是这样的：“物质论可以解释表观上的热的创生。举一个最简单的例子：拿两块木头来相互摩擦。摩擦影响了木头并改变了木头的性质。木头的性质很可能是这样被改变的，即热的量并不改变而能产生较前为高的温度。总之，我们见到的只是温度的升高。可能是摩擦改变了木头的比热，而不是改变了热的总量。”
- t9 g( b4 J) W+ b　　在目前的讨论阶段来和一个物质论的拥护者辩论是无益的，因为这件事只能通过实验来解决。我们设想有两块各方面完全相同的木头，并且设想用不同的方法使这两块木头发生同样的温度改变：例如，一种是用摩擦的方法，而另一种是让它与放热器接触。如果两块木头在新的温度下有相同的比热，那么整个物质论就被推翻了。我们有好多测定比热的简单方法，而这个理论的命运正取决于这些测量的结果。在物理学史上，通常有一些实验能宣判一个理论的生死，这种实验被称为判决实验（crucial experiment）。评价一个实验所具有的判决意义只能从提出问题的方式上得到启示，而且只是讨论现象的一种理论才可以用这种实验来判断。同一种类的两个物体，一个用摩擦的方法，另一个用传热的方法，使它们达到相同的温度，然后测定它们在这个温度下的比热，这就是判决实验的一个典型例子。这个实验大约是在150年前由伦福德[1]完成的，它给热质说致命一击。
　　现在根据伦福德的笔记将经过情况引述如下：
& K3 F# ~" ]. [; q7 |　　人们的日常事务和工作往往会提供他们思索自然界的一些最奇妙的作用的机会，而且常常可以不必花多少精力和经费，只要利用工业生产上仅为完成生产任务而设计的机械就可以进行非常有意义的科学实验。
　　我常常有机会做这一类观察，并且我深信，只要养成一种习惯，时常去留心日常生活中所发生的一切事情，那么往往会引起有用的怀疑和研究与改进方面意义深远的计划。这些情况有的是突然发生的，有的是在思索极普通的现象时所进行的飘逸的遐想中发生的。这样所引起的怀疑和研究改进的机会，比那些整天坐在书房里专门从事科学研究的哲学家全神苦思时所能引起的还会多些。
+ f8 k/ M$ h0 k2 n2 O　　最近我应邀去慕尼黑兵工厂领导钻制大炮的工作。我发现，铜炮在钻了很短一段时间以后，就会产生大量的热；而被钻头从炮上钻出来的铜屑更热（正如我用实验所证实的，它们比沸水还要热）。
　　在上述的机械动作中实际产生的热是从哪里来的呢？
( ~% E) `" T1 j  I8 p7 ?　　它是由钻头在坚实的金属块中钻出来的金属屑供给的吗？
　　如果真是这样，那么根据潜热和热物质的现代学说，它们的热容量不仅要变，而且要变得足够大，才能解释所产生的全部的“热”。
　　但是，这样的变化不会发生，因为我发现：使这种金属屑和用细齿锯从同一块金属上锯下来的金属薄片的重量相同，并把它们在相同的温度（沸水的温度）下各自放进盛有冷水的容器里，冷水的重量和温度也都相同（例如在59.5华氏度）；放金属屑的水看起来并不比放金属片的水热些或冷些。
' p* K" g8 O, D; k' ?　　最后，我们来读伦福德的结论：
) H+ t% B" [% U# f$ g* G& v　　在推敲这个问题的时候，我们一定不能忘记考虑那个最显著的情况，就是在这些实验中由摩擦所生的热的来源似乎是无穷无尽的。
9 _1 C$ ^/ q5 G- l5 d" ]) |* O　　自不待说，任何与外界隔绝的一个物体或一系列物体能无限地连续供给的任何东西绝不能是具体的物质；并且，如果不是十分不可能的话，凡是能够和这些实验中的热一样被激发和传播的东西，除了把它认为是“运动”以外，我似乎很难形成把它看作其他东西的任何明确的观念。
　　这样一来，我们看到旧的理论是崩溃了，或者说得更严格些，我们认识到物质论不适用于热流的问题。因此像伦福德所指出的那样，我们得重新寻找新的线索。要做到这点，让我们暂且抛开热的问题，再回到力学上来。
　　前言/序言
　　原 序
. t4 o* l6 K+ I" G( ?　　在开始阅读以前，你一定期望我们回答几个简单的问题：写这本书的目的是什么？它是为什么样的读者写的？
　　一开始便要明确地回答这些问题是很困难的。如果在你读完本书后来回答便会容易得多，但到那时候这又将是多余的了。我们觉得，说这本书没有什么企图倒简单些。我们不是在编写物理学教科书。这里没有系统地讲述基本物理论据和理论。说得更恰当一些，我们的目的在于用粗线条描绘出人类如何寻找观念世界和现象世界的联系。我们试图说明是什么样的一种动力迫使科学建立起符合客观实在的观念。但是，我们的叙述必须简单。我们应当选择那些我们认为是最有特色和最有意义的重要路径来穿过论据和概念的迷宫。那些不在我们选择的道路上的论据和理论，我们都把它们略去了。本书的总的任务是叙述物理学的进化，因此我们不得不对论据和观念做一定的选择。 一个问题的重要性不应该根据它所占的篇幅来判断。有几种主要的思想方法没有得到反映，这并不是因为它们不重要，而是因为它们不在我们所选择的路径上。
. f3 t+ t7 v8 Y6 M9 k8 e8 X6 P　　在写这本书的时候，关于我们所想象的读者的特征，我们曾做过很长时间的讨论，并且处处都在替他着想。我们想象他完全缺乏物理学和数学的实际知识，但是却具有很强的理解能力，足以弥补这些缺憾。我们认为他对物理学和哲学的观念很感兴趣，同时他对努力钻研书中比较乏味和困难的部分很有耐性。他认识到，要理解任何一页，必须细读前面的每一页。他也知道，即使是一本通俗的科学书，也不能像读小说一样去读它。
- M1 N! |2 }4 ?7 W　　这本书是你我之间的亲切的交谈。你也许会觉得它讨厌或有趣、枯燥或令人激动，但是，如果本书能使你多少知道一些人类有发明能力和智力，以及人们为了更完善地了解、掌握物理现象的规律所进行的无穷尽的努力，我们的目的便达到了。
0 z! F( l+ o( t　　阿尔伯特?爱因斯坦
# w; V% ]0 R' L1 N7 S# @! u　　利奥波德?英费尔德
2 K, Z  I! d, H( G6 g8 k  ^

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物理学的进化 The Evolution of Physics  阿尔伯特·爱因斯坦
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趋势交易法(第三版) 布鲁克学院培训教材 鹿希武

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