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第一節   科學的基本知識

一、熱力學三定律

熱是最普遍的能量傳遞形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運動的宏觀表現，固體的熱傳導是物質原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉化，并且遵循能量守恒定律。

熱力學第一定律，是能量守恒定律最普遍的形式。在歷史上，焦耳發現了熱功當量和I氈流的熱效應。開爾文給出了熱力學第一定律的數學公式。這一定律表明，熱力學系統如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內能；不可能造出既不需外界能量又不消耗系統內能的永動機。這個定律所表示的關系可推廣到電磁、化學等形式的能量轉化過程中，可被理解為廣義的能量守恒與轉化定律，是自然界最基本的定律之一。

熱力學第二定律：在卡諾研究蒸汽機效率的基礎上，克勞修斯提出，熱不可能獨立地、沒有補償地從低溫物體傳向高溫物體；在一個孤立系統內，熱總是從高溫物體傳向低溫物體的，而不是相反。開爾文提供了另外一種表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不產生其他影響。這兩種表述包含的共同結論是：熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，總要把一部分傳給低溫熱源。根據這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100％。

熱力學第三定律：在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(一273攝氏度)時，物質系統(分子或原子)無規則的熱運動將停止。盡管人可以用制冷技術降低物體的溫度，但絕對零度實際上是不可能達到的。

二、電磁理論

近代科學家發現磁極之間的斥力遵循平方反比定律，發明了儲存電荷的萊頓瓶。庫侖在此基礎上發現：兩個點電荷之間的作用力大小與它們的電量乘積成正比，與距離成反比，作用力在兩點連線上。庫侖定律形式上同萬有引力定律相同。

伽伐尼發表了《論肌肉運動中的電作用》一文，伏特對此作出了正確解釋，發現了電流，并發明了最早的電池，導致了電學研究的革命。奧斯特在做物理實驗時偶然發現電可以轉化為磁。法拉第、亨利則發現：磁也可以轉化為電，即電磁感應現象。

1872年，麥克斯韋提出一組(共4條)方程式，概括了電場、磁場本身，以及電轉化為磁、磁轉化為電所滿足的數學關系，并導出電磁場的波動方程，還預言光是電磁波。他的理論成為描述電磁運動的基本理論。

三、相對論

相對論是愛因斯坦創立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質，包括狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論假定：光的傳播不需媒介，真空中的光速在一切慣性坐標中均是一個常數(c)。在此基礎上進一步認為：一切客觀物體的運動規律，在各個不同的慣性坐標中均有相同的形式。也就是說，不存在以最簡單數學形式描述物理運動的特殊的慣性坐標。宇宙中不存在特殊的慣性坐標的假說，被稱為“相對性原理”，愛因斯坦的理論也因此被稱為相對論。根據狹義相對論，運動的尺子要縮短，運動的鐘會變慢，光速是物質運動的極限，兩個事件的同時發生是相對的。在物體運動速度遠小于光速的情況下，相對論力學也就變成了牛頓力學。在此基礎上，愛因斯坦提出，物體運動速度趨近光速時，質量會趨向無窮大(質一速關系式)。電子運動實驗證實了這一點。愛因斯坦還提出了質能關系式。質能關系式表明，質量的虧損伴隨著巨大能量的產生，這也得到了原子核物理學實驗的驗證。

愛因斯坦從牛頓第二定律中的慣性質量和萬有引力定律中的引力質量兩者相等的事實出發，提出著名的等效原理和廣義協變原理，建立了新的引力理論——廣義相對論。根據等效原理，一個加速度為a的非慣性系等效于含有均勻引力場的慣性系，也就是說，在一個加速系統中所看到的運動與存在引力場的慣性系統中所看到的運動完全相同。比如，地球引力場中自由下落的人的感覺與太空中的失重情況相同，這也得到宇航員的親身驗證。根據廣義協變原理，無論在慣性系中還是在非慣性系中，物理規律都有相同的數學形式。這樣，相對性原理由慣性系推廣到非慣性系，狹義相對論就變成了廣義相對論。

根據廣義相對論，時空的性質不但取決于物質的運動，而且也取決于物質在空間的幾何分布。物質和運動在決定時空性質方面有等價性。在引力場中，空間不再平直，而是彎曲的。物質密度高的地方引力場強度大，時空也彎曲得厲害，其中時間的彎曲是指時間流逝的節奏。根據牛頓的理論，月球圍繞地球運動的軌道是一個橢圓，維持這種運動的是萬有引力。根據愛因斯坦的理論，由于地球的質量使其周圍的空間彎曲，月球不過是在彎曲了的空間中沿最短路徑運動而已。“物質告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質怎樣運動。”物質、運動和時空三者之間有不解之緣。相對論不但引起了物理學革命，也深刻影響了人類的時空觀。