费恩曼物理学讲义:从星空俯视万物

费恩曼物理学讲义


这无疑又是科学史上一部绝佳的科普书籍,想要弄清学科的本质,多读一读这些科学著作其实是很有必要的。

从最小的分子谈到莫大的宇宙,我们站在星空的高点俯瞰这大千世界,有一种不可言明的顿悟——万物众生无非是粒子,作用力,运动三种因素达到和谐的相互影响相互作用之后的结果。

列文虎克为人类打开了一扇新世界的大门——细胞的结构第一次完整地展现在人类面前,自此对于细胞的研究脚步就从未停止,施莱登和施旺提出了细胞学说,动植物都是由细胞构成的这一学说将生物与物质联系起来,让人类意识到非生物与生物之间的联系。

随着电子显微镜的问世,细胞结构进一步被发掘,细胞器的结构展示在了人类眼前,双层膜内膜曲折的线粒体,类囊体堆叠如蒸笼的叶绿体,如同生产流水线一般不断加工蛋白质的核糖体,都让我们深深着迷。

而深藏在细胞器之中的,则是自然界中常常可以找到的分子和原子,他们在其中有序地溶解,扩散,碰撞,重新组合,然后产生出新的分子,喷涌,迸发出巨大的能量。

让我们将目光放在构成物质的原子上,它们有着密度极大的核心,周围则是受到电磁力作用高速运转在核外的电子,然而它们的运动状态快到不可思议,牛顿的苹果已经无法追上它们的脚步,只有玻尔创立的量子力学可以帮助我们理解这种模糊而又暧昧的运动状态——它们有概率出现在核的周围并且满足统计学定律,我们用统计学概率分布来理解它。

原子不满足自己的高能量状态,仿佛一个处于青春期的维京战士,迫不及待想要亮起自己的肌肉,和其他同样躁动不安的原子来一场激情满满的碰撞。在碰撞过程中,他们的电子云干涉,吸引,排斥,融合,最终握手言和回归平静——它们结合成为分子,如同一对恋人由婚前的热恋进入到婚姻后的平静生活,碰撞地有多激烈,释放的能量越多,最后的分子也就越稳定。

在生物体内,甚至在一个小小的细胞当中,这样爱恨交织掺杂在原子中间的爱恋和战争从未停止,由于生物体内充满了容易受外部环境影响的酶,它们在高温下的形态会出现不可逆的损伤,所以生物体内的反应对于温度的要求极高,对于人体来讲,发生反应的路径往往比体外的反应要复杂的多,体外不需要控制环境温度,将葡萄糖变成二氧化碳只需要点火就好,氧气在高温中的碰撞足以让葡萄糖分子变成飞散在空气中的二氧化碳。对于体内37度的恒定温度,人体用了至少几十步的反应才将葡萄糖转化成了二氧化碳,而且还要在反应物和产物中形成循环避免原料的浪费——一系列的复杂反应远超人类想象,我们如何观察清楚这些反应的过程?

答案在原子的放射性和同位素的发现之中。我们将C14这样的同位素搀入普通的碳十二原子中,让它们形成二氧化碳分子,这些搀了碳十四原子的二氧化碳分子如同被施加了一个魔法标记,对于捕捉放射性的仪器来说,它们明亮得如同漆黑夜空中的萤火虫,二氧化碳会参与各种各样的化学反应,而带有放射性的碳14原子会跟随着反应进行出现在其它的产物之中,我们可以借助碳14原子给我们揭示出的路径来探索反应进行的路径和机理。

然而我们的肉眼看不到这一切,我们可以感受到的,是叶片上的一滴露水,是森林中的一片迷雾,甚至是一次砸的我们头疼的冰雹。

没错,在自然界之中,我们最直观可以感受到的,应该就是无处不在的水了,我们出生的时候,包裹在母亲子宫的羊水中,我们体内的成分,70%以上是水分,水是一种绝佳的溶剂,可以溶解多种物质,并且可以加快物质溶解成更小的粒子,加快物质间的反应进程。水也是一种比热极大的物质,升高一度就可以储存巨大的热量,方便人体反馈调节自身温度。

而水的内部结构是怎样的?我们在显微镜下俯视它们,一种旁观众生的掌控感油然而生。我们可以看到这些水分子并不老实待在一个地方,它们会不断地运动,分子间存在着一些微妙的作用力,控制着它们之间的距离。气体状态的水分子,相隔千里,执手相望泪眼,如同银河两岸的牛郎织女,液体状态的水分子,若即若离,如同一对正在热恋的男女,笨拙地想要确认对方的心意,而固体状态的水分子,受到氢键作用的影响,它们结合在一起维持着冰的形态,如同一对夫妻,小心地保持彼此的距离,互相取暖又避免自己身上的刺伤到了对方。

如果我们用一个容器装下这些冰,它们在高温下融化,氢键被破坏,逐渐变成液态,最后一直到彻底分离变成水蒸气的状态——水分子又重新回到了起点的状态。

我们观察水的悲欢离合,只需要短短几分钟,上帝旁观一个人的喜怒哀乐,可能会用掉几十年,而如果我们要像创世者从星空俯视万物,可能需要人类一代又一代人的不懈努力,甚至需要我们可以破译时间的密码,穿梭在过去和未来。

佛说三千大千世界,有四大部洲,而我们渺小如尘埃,只愿一窥世界的前世今生。

真相只有一个——对于世界的真相,我们想要追寻到底。

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