物理學的範疇

2007/03/14 14:36

　　物理的領域，有時並不容易去界定與清楚畫分，而也不必一定要區分清楚，看要討論的是哪部分，特別強調即可。由內容的討論的適用範圍，分成理論物理與應用物理學。以1901年為界，分成古典物理學與近代物理學。而近代物理中的相對論，其實看的是速度接近真空中光速時，是對力學的相對論修正，其實也算是古典理論。所以也可以由考慮量子效應與否，分成古典物理學與量子物理學。
　　如針對某一體系之研究，有：流體力學、氣體分子動力論、凝態物理學、液晶物理學、近代光學與基本粒子等的。針對量子效應的研究，有：量子電動力學、量子統計力學、量子光學與量子混沌等的。而近來有研究介於量子尺度與古典尺度間的介觀物理學。如針對基本作用力之研究，有：引力論、廣義相對論、大統一場理論、弦理論與超弦理論等的，所以有各式各樣的分類。
　　而最基本的分類是：古典力學、電動力學、統計力學與量子力學，此四大力學。古典力學─研究質點運動的物理學，內容包括：Newton力學、 Lagrange力學、Hamilton力學、相對論力學與非線性力學。電動力學─研究電磁場與帶電質點運動的物理學，即電磁學，內容包含：靜電學、靜磁學、Maxwell電磁理論、電磁波理論。統計力學─利用系綜與機率觀念，研究大量質點組成之熱物理現象的微觀描述。量子力學─由四個基本假設出發，研究微觀系統的物理學。
　　物理的發展，最初是基於對日常現象的好奇而發展起來的，但卻在有意無意之間，加速了科技之發展，形成了現在便利美好的生活，也因此我們忽略並破壞了賴以維生的自然。也許宇宙中真的存在著某種與氣功的氣類似或相同的氣，是萬物都有的。如可將此自然界中最原始的氣作運用，完全的取之於自然用之於自然，說不定這才是真正的高科技。

序

　　雖然物理所學甚淺，而對於佛法多為聽來的經驗談，雖對兩者所識不深，僅是初步了解，但作為科學的物理，與作為心靈科學的佛法相遇時，其間似乎有著不少共通處，有許多的巧合意外的重疊，形成了一個有趣的關聯。雖只能就目前所體會的來敘述，除了充滿想像空間之外，也許還可獲得不少有用的結論。將物理跟日常之一切與佛法聯繫起來，也是相當的有趣的。歡迎來到物理與佛法的領域。

量子觀點

　　1901年Planck由能量量子化假設，成功解釋了黑體輻射能譜，開啟了量子力學的研究。而Einstein利用Planck的能量量子化觀念，提出光量子(光子) ，成功解釋了光電效應。Bohr並利用角動量量子化等假測，提出Bohr原子模型，且解釋了Rutherford的原子模型。並提出對應到古典情況的 Bohr對應原理。之後de Boglie根據Einstein的光量子假設，寫下de Boglie的物質波假設，認為粒子也應該有波的性質。
　　Planck的能量量子化假設、Einstein的光量子假設、de Boglie的物質波假設，加上對應原理與量子化法則，形成了量子論。但其內容並不完整，並且缺乏重要的運動方程。
　　在Schrödinger寫下著名的Schrödinger方程之後，開啟了量子力學的研究。當時有Schrödinger的波動力學與 Heisenberg的矩陣力學，Schrödinger之後還證明了兩者是等價的。而當時的學者對矩陣較不熟悉，故對波動力學較為親切。之後Dirac 以更抽象與更一般的形式表示出來，成為現在討論量子力學最常用的詮釋方式。
　　當時以為Schrödinger方程的解描述的即是粒子本身的運動，但隨著時間演化後，竟然會膨脹造成了不合理。而Max Born提出其實Schrödinger方程描述的是發現粒子機率的運動方程。Born的機率詮釋，讓整個理論架構核心明顯的確定下來。形成了現在的量子力學。
　　量子力學的建立，除了帶動物理本身的發展外，進一步也帶動其他科學領域之發展與應用。相對論雖幾乎由一己之力完成的，但仍是屬於古典理論，與之不同的量子力學是近代許多有名的科學家共同努力的有別於古典的新理論，但此二者都是近代物理中重要的理論基礎。

古典極限

　　十九世紀末，當時的學者認為物理已經完全的掌握了！剩下的只是精密度的問題，但當時有些現象卻無法以當時的理論來圓滿解釋，甚至可能完全無法解釋。
　　對黑體輻射能譜的理論解釋，不是無法整體描述，就是造成與實際不符的紫外災難。光電效應的實驗結果完全無法由理論來解釋。Rutherford由α粒子撞擊金薄的實驗，提出的原子有核模型，由電磁理論卻得到原子的生命是相當短暫的不合理結論。固體的比熱在低溫時不是常數，而是與絕對溫度的三次方成正比。
　　由以上的一些現象，當時的物理看來並不是那麼的完美。因而讓科學家懷疑是否還有未知的領域還沒有被發現。量子力學的觀念，逐漸的在醞釀準備萌芽。

四大基本作用力

　　描述了生活的時空、物質的組成與物質作用的場的觀念後，物質的相互作用力可簡單的分成四大基本作用力：萬有引力、電磁作用力、弱作用力與強作用力。
　　強作用力，是將質子與中子束缚在原子核中的短距離作用力，比質子間的Coulomb力大的多，故稱之。弱作用力，是物質在某些輻射衰變時所產生的短程作用力，比一般的Coulomb力弱的多，故稱之。電磁作用力，即Lorentz電磁作用力，為帶電物質所受的電力與磁力的合力。我們稱為摩擦力的力，其實就是電磁力。萬有引力，也就是重力，只要有質量的物質就會受萬有引力的作用。在基本粒子的領域中是最弱的作用力。
　　由Newton第二定律知道，質量很單純的只被當成一個物體對外力作用之抗拒特性，故以外力作等加速直線運動，似乎仍可以讓物體的速度無限的增加，甚至超過光速。而Einstein的特殊相對論告訴我們，當速度接近光速時，質量也可看成能量，速度越快，物體所蘊含之能量越大，而此能量將轉換成質量，讓物體越來越難移動，而要用更大的力量（更大的能量）才能拉動！
　　先前提到有質量之物體會在空間形成重力場，只不過要如地球一般的星體的我們才能明顯感受重力場的作用，故在如此巨觀之系統，量子效應其實相當不顯著。但在考慮黑洞時，黑洞是物質受重力作用極端壓縮的微觀系統，故應該有量子效應，所以應發展所謂的量子重力理論，即要設法將量子力學與廣義相對論結合。
　　如果巨觀與微觀之情況，重力都強到須考慮，那理論涉及之尺度變化相當龐大，這也是為何四大基本作用力想要統一描述，重力總是很不合群的原因！而現在的超弦理論企圖統一四個基本作用力，並提出不少理論預測，但可惜的是目前還沒有真實的現象來驗證！在我們日常生活中，看似平常的重力，其實是相當不平凡的呢！

場的觀念

　　Newton整理Galileo的結論，加上自己的研究，將物體受外力作用所做的運動，整理成著名的三大運動定律─慣性定律、F=ma與作用力與反作用力定律。並引入慣性質量的概念。由地表附近的物體都往地面掉落之現象，Newton發現了萬有引力(即一般所說的重力)，並引入所謂的重力質量。可以證明慣性質量等於重力質量！由萬有引力可知：有質量的兩個物質，都有萬有引力相互吸引著。
　　關於靜電學之研究，Coulomb發現兩個點電荷，相互間有Coulomb靜電力作用，其關係與Newton萬有引力的公式類似，差別是電荷間還會相互排斥。原以為靜磁也有類似的性質，結果發現似乎沒有磁荷的存在(即磁單極不存在)，有N必有S，反之亦然。而不論萬有引力、Coulomb靜電力或磁鐵間的作用，描述的都是兩個相應物質的相互作用力，沒有涉及內在因素。
　　Faraday認為一個靜止的電荷會在空間建立一個稱為「場」的物理量，且此物理量會影響其他的電荷，並使之受力，這個場即現在常稱的靜電場。這個場的觀點，成為現在物理學中一個重要的觀念！如將場的來源稱為場源，則一個靜止的帶電粒子，其攜帶的電荷量即靜電場源，會在空間建立靜電場，影響其他的帶電粒子。一個靜止的質點，其質量為引力場源，會在空間建立引力場，影響其他質點。
　　上述看的只是最簡單之情況─不隨時間變化且不生不滅的穩定場源相對(觀察者)靜止，且也不考慮場的傳播速度的靜場情況。考慮的或描述的都是場已經存在了的結果！在電磁波理論中，將考慮電磁場的傳播速度，與運動點電荷之情況。如進一步考慮場源的生或滅，即核分裂與核融合之情況也須考慮進來，但這或許不是各個理論的簡單相加即可完成的。
　　還有一點值得一提，上述的場源在空間中建立了作用場，其實應該改變了空間結構了！但由場與空間的函數關係，似乎只是單純的在空間中建立了一個稱為場的作用空間仍是以前的空間源泉沒有變化。而由Einstein的廣義相對論會發現有質量的物體，會使其存在的四維的時空扭曲變形，而此一幾何形狀就是引力場，將引力場之作用幾何化了！

物質之組成

　　對於宇宙之生成，目前以霹靂大爆炸模型最有名。但宇宙生成之前是什麼情形呢？形成今日宇宙的物質是由何而來的呢？還有黑洞理論所謂的反物質…。如果一定要去追究原因，那可就沒完沒了！而且說不定有些問題，其實並不是那麼的重要。
　　古今中外，對物質之組成都下過一番研究，並提出一套說法。而當時最常見的分類是分成─風、火、水與土四個元素。其實這是物質的四種狀態─固態(土)、液態(水)、氣態(風)與等離子態(火)。不久發現到，物質其實是由可編列成元素週期表的元素，如：氫、氧、碳、鈉與鐵等多種不同元素組成的。而元素是由不可分割的原子組成。
　　為解釋靜電現象，引入了正負電荷之觀念。有學者猜想，或許原子是由帶正負電量相同的物質組成，原子並非不可分割的，電子論誕生。不久J. J. Thomson由陰極射線確認電子之存在。所以可猜想原子的組成模型，Rutherford由金箔實驗，提出Rutherford的原子模型。 Millikan由油滴實驗，測出電子帶電量e，並發現到電荷的帶電量是量化的。
　　Rutherford的原子模型─原子的正電荷量與質量集中在中心一非常小的區域，稱為原子核，電子繞著原子核轉動。但由當時的古典電磁理論發現，此模型原子的生命將很短暫，電子很快會打在原子核上，明顯與現實不同。而此在量子力學建立後，才給了一個目前認為最合適的說明。
　　原以為原子核是無法分割的，但後來發現是由帶正電的質子與不帶電的中子組成，並發展核力理論，預測並發現介子的存在。開啟了基本粒子之研究，發現到質子與中子等是由帶分數電荷稱為垮克的一系列粒子組成的。由狹義相對論的質能守恆與動量守恆等，發現核分裂與核融合的現象。並預測了微中子、反微中子、反電子(正子)、反質子與反中子的存在，所以我們的世界還有反物質存在。而對基本粒子之研究，還有所謂的Higgs粒子，只是這一新的粒子目前還沒有真正的找到。

絕對與相對時空

　　由Galileo變換可得到Newton的絕對時間與絕對空間的觀念，即對所有慣性座標戲中的人事物，無論處於何種情況下，看任兩點的時間差與位置差都相同。所以可以認為，時間與空間是相互獨立無關的。並且可由Galileo變換得到Galileo的相對速度公式。
　　既然只要是等速運動的系統就可當成慣性座標，如果速度是光速的話呢？Einstein思考了此提後，提出了狹義相對論（或稱為特殊相對論），發現時間與空間是密不可分的，兩個不同慣性座標系統的時間差與位置差有顯著的不同，而有了Einstein相對時間與相對空間的觀念。而此四維時空，其實不是單純的四維Euclid空間，而是Minkowski空間。而造成這一切的因素是，速度有一個極限值─真空中的光速。
　　也因為光速是有限的，所以一般天文觀察到的天體資訊其實是歷史的資料！假設一顆恆星的光到地球是十光年，在某一時刻的夜晚，它被某個繞它旋轉的行星遮住了十分鐘！在地球上的我們，卻要十年後才知道它被某個星體遮住了！也就是說除非到現場觀測，否則我們觀察到的資訊都是歷史的資料。也因為光速的有限，我們在某一時刻看運動的火車的視長度會比火車靜止時長。如火車向我而來，在某一時刻打開車上的光，車尾的光需比車頭多跑一段距離，故要花多點時間到我們眼睛，故在同一時刻我看到的火車的頭與尾，因為尾部是更早之前的位置的光訊息，故整條列車看來會比較長。此時傳播的先後順序很重要。

慣性座標系

　　點的觀念完全是理想的，不佔任何體積、面積與線段長，但卻可確認其存在。二維中，直線有平行與相交之情況，還多出曲線與圓錐曲線的觀念。三維中，平面有平行與相交之情況，還多出了曲面與歪斜線之觀念。似乎越高維，低維的種類與性質就越豐富。而這只是單純的空間概念，數學上稱為Euclid空間。
　　而所謂的慣性，其實是物體為維持原來運動狀態所表現出來的。以汽車為例，忽然加速時，會往後頓一下，這就是身體為維持先前等速的狀態，而表現於外的短暫現象或感覺。忽然減速時，會往前頓一下，這就是身體為維持先前加速的狀態而表現於外的。這種短暫的不協和感覺就是慣性。所以如感受到了慣性，就表示有力在作用在自己身上。
　　Galileo在一連串的實驗觀察與生活體驗後，認為靜止與等速運動的座標系都可以稱為慣性座標系，並提出Galileo相對原理：而在慣性座標系中，所有的力學現象與結果都相同。而聯繫兩個慣性座標的變換稱為Galileo變換。值得一提的是，之前所說的靜止是絕對在整個宇宙中的靜止，是理想的，其實可能是不存在的，也不具有特別的意義。重要的是相對的觀念，即兩個等速相對運動或相對靜止的座標系都可看成慣性座標系。
　　而我們所居住的地球會繞太陽公轉與自轉，是加速系統。那照上一段的說法，我們生活在非慣性座標系上，但實驗與生活中的觀察都是在地球上做的，難道都不正確，但在地球上驗證的實驗其實依然是對的。所以關於慣性座標系的定義，看來要重新修改。Einstein重新詮釋所謂的慣性座標系：在感覺不出加速度作用的系統，即可稱為慣性座標。

時間與空間

　　「天地四方謂之宇，古往今來謂之宙。」這是前人對宇宙的描述。當時就認為宇宙是空間與時間的組合。而這可能是日常生活中所遭遇的、觀察的經驗所做的紀錄，而日常的感覺，似乎就是這樣的世界。
　　古今中外，有不少人都企圖找出世界的運轉規則與生命的奧妙。經由觀星、日升日落、生命之生老病死等現象。似乎世間有形的物體皆在生滅間循環，且整個歷經過程無法回頭，也無法偷跑。是什麼原因使萬物都在改變？這個原因，我們稱呼它為時間！似乎很自然的就可以接受。
　　也就是由日常之現象，設法去尋找出規則，且不同人有不同的體悟。有人讓科學與數學誕生；有人化成舒發情感的文學；有人用來算命；有人建立宗教；有人深刻體驗發現佛法。
　　我們生活的，萬物所佔據的，也是我們可真實感覺，並容易想像與接受的，我們稱呼它為空間！似乎也很自然的就可以接受。數學上，以點表示零維、直線表示一維、平面表示二維與立方體表示三維。所以說我們生活在三維空間中。最直觀的研究就是幾何圖形，如Euclid的幾何原本。而自然界放眼望去，都是可感受到立體的、平面的、曲面的、曲線的、直線的自然美景與人工建築。
　　以下來聊聊單位。以地球自轉一圈為一天，規定一天是二十四小時，用六十進位，規定一小時有六十分，一分有六十秒，來做時間的標準度量，於是時鐘誕生了！然而發現地球自轉似乎漸漸慢，故現在用銫原子的振盪來定義秒，但依然要估計誤差，原因是無法整除。至於長度、面積、容積與體積的度量，並無統一標準，各國都有其慣用的單位，一般物理常用SI制（國際標準制）與Gauss單位制來描述。