下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
在本章中我们将考察有关物理学的最基本观念，即我们在目前所知道的事物的本性。这里将不去论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，假如我们站在岸边眺望大海，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——风；在海边有沙粒，不同色纹和硬度的岩石；在海里浮游着生物，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，也同样出现种种纷繁复杂的事物和影响。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？也许沙粒只不过是大量的细小石块？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？风是否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。我们就是试图这样逐步分析所有的事情，把那些乍看起来似乎不相同的东西联系起来，希望有可能 减少不同类 事物的数目，从而能更好地理解它们。
几百年以前，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为 基础物理 中的基本观点，或者在科学方法的应用中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像是天神们所下的一盘伟大的国际象棋，我们则是这盘棋的观众。我们不知道弈棋的规则，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。这些弈棋规则就是我们所说的 基础物理 。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，情况也正是如此，而且只会更难一些。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所有规则（时而还会出现弈棋中“王车易位”之类的令人费解的情况）。除了我们还不知道所有的规则以外，我们真正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，更无法预言下一步将要怎样。所以，我们必须使自己只限于这种游戏规则的比较基本的问题。如果我们知道了这些规则，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：大自然安排得，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，我们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；但是在某个时候，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。
第三种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，但随着时间的推移，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，在弈棋的任何一个阶段，看起来总是相当凌乱。大量事实被归并了，但总还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，运动得越是剧烈，系统所包含的热量就越多，因此， 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个事物的不同方面，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，并且发现整个世界只是体现了 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。除非有那么一天终于把图拼成了，否则我们就永远不会知道事情的究竟。在这里我们要做的是，看看哪种综合已进行到什么程度，在借助于最少的一组原理来理解基本现象方面，现状又是如何。简言之， 事物是用什么构成的 ？ 总共存在多少基本元素 ？