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探索物理世界:从经典到量子的奇妙之旅

1. 探索基础现象的拼图

在对基础现象的理解中,我们仿佛在拼凑一幅巨大的拼图。没人知道这幅拼图究竟有多少块,也不清楚它是否有边界。我们只能在探索的过程中,不断尝试将各个碎片组合起来,有时能顺利拼接,有时则会遇到无法契合的部分。我们的目标是了解这种组合过程已经进展到何种程度,以及当前在以最少的原理理解基础现象方面的情况。简单来说,就是探究事物是由什么构成的,以及构成元素究竟有多少。

2. 1920 年前的物理学图景

直接从当下的观点开始理解较为困难,所以我们先回顾 1920 年左右的物理学状况。当时,人们认为宇宙的“舞台”是欧几里得所描述的三维几何空间,事物在被称为时间的介质中发生变化。舞台上的元素是粒子,例如原子,它们具有一些特性。
- 惯性特性 :如果一个粒子在运动,除非受到力的作用,否则它将继续沿相同方向运动。
- 力的种类 :当时认为力主要有两种。一种是极其复杂、详细的相互作用力,它以复杂的方式使各种原子形成不同的组合,比如决定了升高温度时盐溶解的快慢。另一种是长程相互作用,即引力,它是一种平滑而稳定的吸引力,与距离的平方成反比,且这个定律简单易懂。不过,当时并不清楚为什么物体在运动时会保持运动状态,也不明白引力定律存在的原因。

从对自然的描述角度来看,气体以及所有物质都是由大量运动的粒子组成的。在海边观察到的许多现象都能与这些粒子的运动联系起来:
- 压力 :来自原子与墙壁或其他物体的碰撞。
- :原子平均朝一个方向的

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