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作者：刘行光

出版社：人民邮电出版社

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物理多大点事儿试读：

前言 一本书让你爱上物理

通过美丽的“光”，我们看到了五彩缤纷的大自然。旭日东升，摇曳的花草向我们点头问好；夜幕低垂，漫天的星斗向我们眨眼微笑……这些都是“光”传播的信息。

我们生活在运动的世界里。高空飞机翱翔、雄鹰盘旋，海面上波浪奔涌、船舰驰骋，陆地上列车飞奔、机器运转，这一切都是呈现在我们眼前的运动。就连静静地躺在家里，我们的身体也在随着地球一刻不停地绕着太阳运动着……

一年四季，“春”使我们感受到了舒适的温暖，“夏”让我们觉得酷热难耐，“秋”为我们带来了宜人的凉爽，“冬”让我们体验到了袭人的寒冷。我们就在这冷与热的交替变化中认识了温度、时间等概念。

微波炉、火柴、钢笔、听诊器、高压锅、体温表……这一切的一切无不彰显着物理的神奇，无不使我们感受着物理学的魅力。

其实，生活每时每刻都在“教”我们学习物理，如“不弯腿怎么跳不高？”、“是谁把海水变成蓝色的？”、“空心的竹子为什么不易折？”……当你提出这样的问题并想弄明白它时，你已经在研究物理了。“从学校到我家的路程很短。”、“你跑步的速度比我快多了。”、“电压低的时候日光灯亮度减弱了。”当你这样与同伴交流沟通的时候，你已经在用物理学的概念说明事物了。可见，学习物理并不难，物理就在我们身边。

学习物理是一件很有趣的事。那绚丽的彩虹、节日的礼花、隆隆的雷鸣、大海的潮汐等，这些现象我们平时司空见惯，习以为常，可是从物理学的角度来看，我们就会有深邃、令人惊奇的感觉和发现。

你想知道这一个个自然现象中蕴涵的奥秘吗？你想在探究自然奥秘的过程中不断提高自己的科学素养、培养自己的科学态度和勇于探究的精神吗？请和我一起打开《物理多大点事儿》吧。这本书从一个又一个有趣的话题谈起，生动活泼地用物理学知识解释我们身边那些常发生的现象和事情，从而由浅入深地讲述物理学原理，把我们带到精彩、有趣的物理学世界中。《物理多大点事儿》就是这样一本为孩子们而写的学习物理的入门小书。我们从孩子们的生活经验出发，按照物理学的发展过程，循序渐进地介绍了最基本的物理知识和学习物理的基本方法，引导孩子们主动学习、积极探究，从身边的事物、生活的经验、有趣的小实验着眼，观察物理现象、学习物理知识，探究物理的奥秘。

本书由高慧、沈敏庆、张华锋、张培举、霍朝沛等多位从事初高中物理学教学的高级教师参与资料搜集，由刘行光整理编写。书中的举例说明和分析陈述力求通俗易懂又不失严谨，研究和论证讲究逻辑性和基本规范，引用的数据科学准确，史料翔实可靠，实验和演示具有很强的趣味性和可操作性。本书不仅适合小学高年级学生阅读，对初中各年级学生学好物理也很有帮助。

希望本书能够激发孩子们探究物理的好奇心和学习物理的兴趣，帮助孩子们及早打开学习物理的大门，为今后的学习和发展铺路搭桥。

第一章 奇妙的物理世界

医生和啤酒匠的大贡献

能量守恒和转化定律的发现是和一个医生联系起来的。这名医生叫迈尔，德国汉堡人，1840年他在汉堡独立行医。他遇到事情总要问个为什么，而且必须亲自观察、研究、实验。

1840年1月至1841年1月，迈尔作为船医远航到东印度（印度和马来群岛），他发现在热带地区海员的静脉血液比在欧洲时要更红一些。根据拉瓦锡的燃烧理论，迈尔认为，在热带人的机体只需要吸收较少的热，从而机体中食物氧化过程减弱，静脉血液中留下了较多的氧，因此颜色较红。由此他得出：人体是一个热机关，体力和体热都来源于食物中所含的化学能，热的一部分变为体温，其他部分转化为筋肉的机械功能。也就是说，化学能可以转化为热能。另外，他又听海员们说，暴风雨来临时，海水的温度会升高，他认为这是狂风吹打海水的机械能转化成了热能。后来他还计算了一卡的热量等于365克·米，即3.58焦耳（现在的精确数值是迈尔（1814—1878）德国医4.184焦耳）。生、物理学家1842年，他的论文《论无机界的力》在德国著名化学家李比希主编的《化学和药杂志》上发表，他成为第一个发表能量守恒和转化定律的人。但是，迈尔的发现没有引起人们的重视，并且遭到当时一些权威专家的嘲讽和反对。

如果说迈尔通过理论思辨的方法得到了能量守恒定律，那么英国的一个啤酒匠焦耳则是用科学实验来确立能量守恒和转化定律的。

焦耳自幼在道尔顿门下学习物理、数学、化学，他一边经营父亲留下的啤酒厂，一边搞科学研究。1840年，他发现将通电的金属丝放入水中，水会发热。通过精密的测试，他发现，通电导体所产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比，这就是焦耳定律。随后，他又发现化学能、电能所产生的热都相当于一定的功。

1845年，焦耳带上自己的实验仪器及报告，参加了在剑桥举行的学术会议。他当场演示实验并宣布，自然界的力（能）是不能毁灭的，哪里消耗了机械力（能），总会得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家都对这种新理论摇头，连英国物理学家法拉第也说：“这不太可能吧。”

焦耳没有把人们的不理解放在心上，他回家继续做实验，这样一直坚持了四年。1851年，曾经反对过焦耳的英国科学家汤姆生也接受了焦耳的学说，并且对能量守恒定律做了比较科学的论述。1853年，焦耳和汤姆生两人终于共同完成了能量守恒和转化定律的精确表述。

能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用，都是通过能量转化来实现的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。科学小链接迈尔的打击《论无机界的力》发表后，迈尔招来了学术上的第二次打击。权威们都攻击和嘲笑他的荒唐，一致反对他的观点。这使他在精神上受到了很大的刺激，加上他的两个孩子在1846年和1848年相继夭亡，这一系列的打击使他在1850年5月的一个夜晚跳楼自杀。虽然自杀没有致死，他却患上了精神错乱症。后半生中，迈尔长期在格平根的精神病院中疗养，并与世隔绝。

物质是永远存在的

物质世界是这样的奇妙有趣、光怪陆离、五彩缤纷。它是谁设想出来的？又是谁制造出来的呢？有人说，它是“造物主”或者说是“上帝”制造出来的，那么“造物主”或“上帝”又是怎么来的？他又用什么东西和办法造出了物质世界呢？这种说法实在难以自圆其说。相信辩证唯物主义观点的科学家们认为，物质是既不能创造也不能消灭的东西，它们在客观世界中原来就存在，并且还要永远存在下去。

18世纪中叶，俄国科学家罗蒙诺索夫通过无数次化学实验证实，每一次化学反应的前后，物质的总质量保持不变。23克的钠和35.5克的氯气相化合，恰好得到58.5克的氯化钠，反应前的钠和氯气都不存在了，它们的质量都转移到反应后的氯化钠中去了。罗蒙诺索夫根据化学实验的结论，提出了物质不灭和能量守恒的概念。罗蒙诺索夫（1711—1765）俄

并不是所有的人都能接受罗蒙诺索国百科全书式的科学家夫的观点，特别是对燃烧现象，许多人弄不清这到底是怎么回事：一大块木炭燃烧后只剩下一点点灰烬，而金属在火中燃烧后重量反而增加了，燃烧前后物质的质量总是不一样。这应该怎么解释呢？这个问题解释不清，物质不灭和能量守恒的说法就难以让人接受。

法国科学家拉瓦锡决定搞清楚这个问题。拉瓦锡一次又一次地重复着燃烧金属的实验。他比其他科学家的高明之处在于，他不仅称了金属的重量，还称了整个容器的重量。这样，他就很容易地确定了金属燃烧前后总重量不变，因为金属增加的重量刚好等于容器内空气减少的重量。

用同样的方法做木炭燃烧实验，拉瓦锡发现木炭在封闭容器内燃烧后确实只剩下一点点灰烬，但是木炭减少的重量恰好等于容器内空气增加的重量。

这些实验都说明，物体燃烧时同空气中的一部分物质起了化学作用，变成了别的物质，但是燃烧前后物质的总量仍然不变。

现在，物质不灭和能量守恒已被证明是一个科学真理，但有些人对此还有一些疑问，如植物种子种一粒，收百粒、工业生产制造出大批产品等，这些过程是不是产生了新物质呢？

这个问题的答案与前面讲到的化合反应的例子道理上是一样的。这些物质在变化中的确产生了新物质，但这些新物质并不是凭空产生、无中生有的，而是旧有的一些物质中的分子、原子重新组合排列，或者仅仅是一些外观上的改变，以一种新的面貌出现而已。反过来，想把某种物质“彻底”消灭也是不可能的。一个人去世了，我们再也看不到他了，他的生命是完结了，但组成他躯体的各种物质仍然存在。这些物质又会参加到自然界其他各种物质的变化中去，以新的面貌在其他地方出现。

还有人会问，“质量亏损”又是怎么回事？质量亏损就是质量减少，就是质量消失了呀！这样讲也是不对的。基本粒子结合时常常会以电磁波形式放出大量能量，实际上这个过程是实体物质变成了“场”态物质。同样，根据爱因斯坦的质速关系式：物质的质量随着运动速度的增加而变大，这里物质质量的增加也不是凭空造出了新物质，而是原有物质运动形式的一种十分高级而又复杂的变化。对这种变化的原因和规律，人们还在研究、探索和不断认识之中，也许不久的将来，又会有一些新的认识和理论出现。科学小链接时间、空间、质量和能量检验物质主要有四种量，即时间、空间、质量和能量。每一个具体的物质构成的物体，如一个茶杯、一个人、一座山、天上的太阳和月亮等等，无论是大或是小，无论是有生命的或无生命的，无论是人造的还是自然界中原有的，它们在空间上和时间上都是有限的，都不能永远地存在下去，都必定要经历产生、发展和消亡的过程。当它们存在的时候，必定会有一定的质量或能量。质量和能量间是相互转化的。

小粒子揭示大秘密

卢瑟福是进入20世纪之后出现的第一位科学伟人。正是他，确立了放射线的性质，提出了原子结构的有核模型。

1871年8月30日，卢瑟福出生在新西兰约尔逊偏僻的一户农民家庭。1889年至1894年，他先在新西兰大学坎特伯雷学院学习，在那里获得了学士和硕士学位；1895年，卢瑟福被选送到久负盛名的英国剑桥大学深造，成为卡文迪许实验室的第一名研究生。1903年，卢瑟福和助手索迪在深入研究放射线时发现，铀和镭放射出α、β和γ射线的过程，就是它们的原子分裂的过程。由于它们在分裂中放出了这三种射线，结果最后就变成了略轻一些的新原子。由此，他们提出了解释放射性现象的元素蜕变假说。这一假说无情地打击了原子永恒不变说，进一步阐明了原子内部存在着十分复杂的结构。那么，原子内部的结构究竟是怎样的呢？卢瑟福（1871—1937）英国科学家在此之前，卢瑟福的老师汤姆生曾提出过一个原子结构模型——“均匀模型”，人们又称它为“葡萄干-3蛋糕模型”。这一模型假定原子是一个半径为10厘米的球体，正电荷均匀地分布其中。如果球内只有一个电子，则这个电子就位于球心，只在球心附近做很小的位移摆动；如果原子的电子数较多，则这些电子就处在球内一个对称图形的角上，保持着平衡，并在自己的位置附近摆动。

卢瑟福对这个模型的人为性表示不满。为了弄清原子结构的奥秘，1907年，他在英国曼彻斯特大学任教授之后，便立即指导他的学生盖革和马斯登，进行α粒子穿过厚度仅有0.5毫米的薄金片的实验。在实验过程中，大多数入射α粒子都像子弹穿过树叶那样，顺利地穿过了薄金片。但也有极少数α粒子在穿过金片时，像台球被弹出中心一样，发生了大角度的轨迹偏转。大约在8000个入射粒子中，有一个被直线反弹了回来。用卢瑟福的话说，“这简直就像是对着一张卫生纸打炮，炮弹竟被弹回到炮筒里来一样。”卢瑟福将这些现象统称为“α粒子散射现象”。

1911年，卢瑟福解释了这种散射现象。他认为，在α粒子轰击金片时，只有极少数发生偏转或折回，是因为它们碰到了比它们大的粒子，这说明原子核的核心是极小的，大多数α粒子能直线通过金片就说明了这一点。因为一个入射粒子在穿入金片时必定会碰到数以万计的原子。

因此，卢瑟福提出了他的原子结构“核式模型”，又称为“行星模型”：原子有一个极小的可称为“原子核”的中心体，原子的质量几乎全部集中在这个核上。这个核只有原子大小的几万分之一，带正性电荷。核外有电子围绕旋转，它们的电性为负。由于核与电子电荷量相等，所以整个原子显中性或不显电性。卢瑟福在这里提出的原子“核式模型”和“原子核”的概念，为微观物理学奠定了重要的基石。科学小链接α、β和γ射线卢瑟福于1899年初发现铀射线至少由两种射线构成：一种仅能穿透1/50毫米厚的铝片，他称其为α射线；一种能穿透0.5毫米厚的铝片，他称其为β射线。与此同时，法国化学家维拉德又发现了铀的第三种放射线，它能穿透3英寸厚的固体铝，他将其称为γ射线。后来科学家们发现，α射线就是氦原子核，β射线是电子束，而γ射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线，是一种电磁波。

该重视那个“黑家伙”了

现在，人们知道世界的万物无一处不渗透着量子。在物理学家看来，量子几乎萦绕着每一个方程，支配着每一个实验。量子的发现及其概念的建立，无疑是物理学史上的一次重大革命，开创了物理学发展的新时代。多少年过去了，量子概念在科学中的意义和影响愈来愈重要，愈来愈深远。在此基础上建立的量子力学理论大厦，足以傲视人类整个20世纪史甚至更远。给这座大厦打下良好基础的人，是大器晚成的德国科学家马克斯·普朗克。

黑体辐射是热学中的一个问题，人类对这一问题的研究催生了量子论。我们知道，所有物体都会发射出热辐射，这种辐射是一定波长范围内的电磁波。对于外界的辐射，物体有反射和吸收的本领。如果一个物体对外界投射在它上面的辐射能够全部吸收而不反射，这个家伙就是黑体。

19世纪后半期，人们对黑体辐射问题进行了深入研究。四位德国物理学家马克斯·普朗克（1858—1947）维恩、瑞利、普朗克、鲁本斯精确测定德国物理学家了黑体辐射的能量随波长的分布，并画出了黑体辐射的实验曲线。为了从理论上探讨黑体辐射的本质，维恩求得了一个黑体辐射公式，接着，瑞利又求得另一个黑体辐射公式。由维恩公式绘制的曲线，在短波长区与实验曲线符合得很好，而瑞利公式则在长波长区与实验曲线符合较好，但在短波区却偏离实验值越来越远。

由于理论公式不能解释位于紫外光区（即短波长区）热辐射的特性，当时的物理学界把它称为“紫外光的灾难”。号称已经十分完美的经典物理学理论，竟不能求出一个统一的公式来描述黑体辐射实验，这使19世纪的物理学家感到十分难堪。

1900年10月19日，42岁的德国物理学家普朗克向德国物理学会提出了一个辐射的经验公式，这个公式用内插法把适合于长波的瑞利公式和适合于短波的维恩公式合在一起，使它适合于所有的波长，但是他的公式没有任何理论根据。

当天晚上，鲁本斯把自己曾经做过的实验数据，同普朗克的公式作了非常仔细地比较，他惊奇极了：经验公式与实验数据符合得非常精确！第二天早上他就去访问普朗克，告诉他这个公式孕育着极其重要的真理，而不是一般的巧合。于是普朗克开始寻找他的公式的理论基础。

两个月以后，为了解释他的公式，普朗克采取了一个决定性的步骤：假设微观系统中振子能量与振动频率成正比，它不能够连续发射而只能一份一份地发射出去，发射的最小单位就是一个能量子。就像我们买东西，付钱的最小单位是一分，不能再小了。这个发现对物理学来说具有划时代的重大意义。可是当时并没有引起人们的重视，因为能量子的假设与经典物理学相抵触。

1905年，瑞士专利局里有一位不出名的年青职员认为普朗克的奇想是稀世之宝，他用这项理论成功地解释了1888年霍尔瓦兹发现的光电效应（用波长长的光照射金属，光再强也无电子飞出；用波长很短的光照射时，光再弱也有电子飞出）。这位职员正是后来闻名全球的爱因斯坦。

从此，普朗克的量子理论才得到科学家们的公认，成为探索微观世界的强大支柱，我们现代社会的繁荣，多亏这一原理的发现！科学小链接普朗克常数普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小，它在量子力学中占有重要的角色。马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行，计算的结果才能和试验结果相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hν，ν为辐射电磁波的频率，h为常量，称为为“普朗克常数”。

小小实验击破旧理论

19世纪流行着一种“以太”学说，它是随着光的波动理论发展起来的。

以太观念的提出可以追溯到古希腊时代。古希腊哲学家、科学家亚里士多德认为，天体间一定充满某种介质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中引用了以太的观念。他认为“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质——以太。由于太阳周围以太出现漩涡，造成行星围绕太阳运动。1678年，惠更斯把光振动类比于声振动，把光振动看成是以太中的弹性脉动。后来由于光的微粒说压倒了波动说，以太理论受到压制。1800年以后，由于托马斯·杨和菲涅耳的光的波动说成功地解释了光的干涉、衍射和偏振等现象，使波动说重新占了上风。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要靠介质才能传播。光能通过万籁俱寂的虚空，必然有迈克耳孙（1852—1931）美国一种介质充满其间，这就是以太。他们物理学家把以太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性介质。

当时，许多物理学家们相信“以太”的存在，把这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系，因此，地球相对于以太应该运动。然而许多人做了有关的实验，却无法证实这种情况，而迈克耳孙—莫雷实验却明确地得到了否定的答案。

1879年3月，科学家麦克斯韦曾给美国航海年历局的局长托德写信，讨论测定地球相对于以太的速度问题。他在信中谈到，由于测量精度的限制，到目前为止，地球上所有测量光速的方法都检验不出地球的这种绝对运动。

这封信恰好被在那里工作的年轻人迈克耳孙看到，引起了他测量光速的兴趣。迈克耳孙首先改进了以前的测光速莫雷（1838—1923）美国物理的方法，利用凹面镜和透镜把光路延长学家、化学家到600米，获得了当时光速测定的最新记录。

1881年，迈克耳孙研制出一种干涉仪，现在称作“迈克耳孙干涉仪”，他利用这个干涉仪，用光的干涉的方法测量地球相对于以太的运动，实验得出的结果是否定的。然而这次实验由于测量精度不够，未能被物理学界所接受。

1884年，两位英国著名物理学家开尔文和瑞利访问美国时，鼓励迈克耳孙提高精度，重新做这个实验。于是迈克耳孙与莫雷合作，-10改进了实验装置，把测量精度提高到25×10，即一百亿分之二点五。

他们反复进行测量，得到的结果仍然是否定的。对迈克耳孙和莫雷来说，得到否定的结果是令人扫兴的。但这个结果是可靠的，因此引起了物理学界的极大关注。这个否定的实验结果揭示了现有理论的矛盾，宣布了以太旧理论的破产。

这个实验实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。科学小链接瑞利英国物理学家瑞利生于埃塞克斯的威特姆，他在物理的理论和实验方面都有杰出才能，他所做的研究工作几乎遍及当时经典物理学的各个领域。他首次精确测定了气体的密度。1895年，他发现了从液态空气中分馏出来的氮与从亚硝酸铵中分离出来的氮有极小的密度差异。这一事实导致空气中的一个稀有元素——氩的发现，因而他获得了1904年的诺贝尔物理学奖。他在1900年得出一个关于热辐射的公式，在长波区域，同实验符合得很好，为量子论的出现准备了条件。

数学与物理齐创新

许多人都曾经设想过，如果有一天，摩擦定律突然发了脾气，不起作用了，地面上将会发生什么现象？如果有一天万有引力定律突然发了脾气，不起作用了，那么地面上将会发生什么现象？我们不妨设想一下，如果有一天量子力学突然发了脾气，不起作用了，那么将会发生什么现象？

如果量子力学突然不起作用，那么地面上的一切物体，从花、草、树木到人类，从棉花到最硬的金刚石，包括地球本身，都要解体变成一个个的分子，分子又要解体变成一个个原子，而原子的电子说不定一齐掉到原子核上……

那么，什么是量子力学呢？

量子力学是微观世界的规律，特别是微观世界的成员如何组成宏观世界的规律。有了量子力学，才有我们周围的一切，才有我们人类本身，才有生命。当然，量子力学是不会突然不起作用的。

量子力学是微观世界的根本规律，正如牛顿定律和库仑定律等是宏观世界的根本规律一样。量子力学是微观世界中能量不太高的微观粒子，特别是电子所服从的运动规律。不同的原子核和电子构成各种原子，几种原子又能构成千百万种形形色色的分子，原子或分子构成各种各样的固体物质，其中各种微观粒子的构成规律统统受量子力学的支配。所以说量子力学是微观世界中低能量的微观粒子运动的根本规律。

量子力学是如何创立的呢？概括来讲，量子力学是数学与物理齐创新的结果。

量子力学诞生于1925年末和1926年初，是由两组物理学家相互独立地，通过不同途径得出的同一结果。

一组以德国的海森伯格和美籍奥地利科学家泡利为代表，他们主要根据原子的离散能级，希望改造当时的经典力学，找到一种新的力学去解释能级离散的规律。另一组以奥地利人薛定谔为代表，他主要根据电子的波动性，给这种波找一个波动方程来表示电子运动的规律。结果两组几乎同时达到了各自的目的。海森伯格等人建立了矩阵力学，薛定谔建立了波动力学。但是这两种理论看起来完全不同，看不到它们之间有什么联系。他们分别用自己的理论去计算氢原子的能级，结果得到了完全一致的、符合实验检验的结果，这就是第一个关于微观世界的理论的诞生。不久之后，薛定谔证明了这两种外貌很不相同的理论实际上是等价的，是同一种物理规律的两种不同的数学表现。经过英国人狄托克从理论上整理加工，这些理论成为一门完整的、描述低能量的微观粒子的运动规律的学科，这就是量子力学。科学小链接电子的波性薛定谔（1887—1961）奥地利1887年，科学家发现电子之后，人们物理学家一直认为电子是有一定质量、带一定负电荷的一粒一粒的东西。但在20世纪初，科学家确定了光不仅有波动性，还具有粒子性（光子）之后，法国物理学家德布罗意在1924年提出，光子既有波动性又有粒子性，那么我们一直认为是粒子的东西，如电子，是否也有波动性呢？三年之后，实验果然证实了这一想法是正确的。

小小职员有高论

科学巨星爱因斯坦的盛名无人不知，他以超凡的智慧揭示了宇宙的基本规律，成为科学家中的佼佼者。有人说“爱因斯坦对于20世纪一如牛顿对于18世纪”。科学家朗之万认为：“他也许比牛顿更伟大，因为他对科学的贡献深入到人类基本思想概念的结构中。”朗之万所言主要体现在爱因斯坦对相对论的构建上。

现在一提爱因斯坦大家都知道，但在创立狭义相对论时，爱因斯坦只是一个小职员。原来大学毕业后，爱因斯坦找不到工作，为了谋生，他向各地中学写求职信，希望能找到一个教师的职位，但是没有结果。1901年，爱因斯坦在大学同学的帮助下，找到了一份在瑞士伯尔尼联邦专利局工作的机会，当上了三级技术鉴定员。专利局的职责是审核申请专利权的各种技术发明创造，这使爱因斯坦有机会接触到许多最新的科学成就，从而促进了他对物理学方面的研究与探索。1905年，爱因斯坦提出狭义相对爱因斯坦（1879—1955）论，建立了不同于牛顿体系的相对时空观。狭义相对论有两条基本原理。

第一条是相对性原理。早在16世纪末，意大利物理学家伽利略就提出，物体的静止和运动都是相对的。比如人们平时所说的物体的运动或静止，是指它相对于地球而言是运动或静止的。如果某人在行进中的火车里垂直向上抛出一个物体，它还是会落在某人手里，并不会因为火车在运动而发生偏向。但是爱因斯坦通过对光的实验，得出了更广泛的结论：不但物体的运动和力的作用的规律如此，就是光、电磁波等的规律也是如此。

第二条是光速不变原理。爱因斯坦认为，光在真空中的传播速度是一个不变的常数——每秒30万千米。它和光源的运动速度没有关系，和观察者本身的运动速度也没有关系。

根据狭义相对论的这两条基本原理，爱因斯坦推导出很有趣的现象，预言了一个奇妙的世界：在高速运动的情况下，物体的长度会缩短，时钟会变慢，即通常所说的“尺缩钟慢”效应。

1905年9月，爱因斯坦又根据狭义相对论预言，物体的质量会随着运动速度的增加而增大，并推导出了著名的质量能量关系式，即E2＝mc（能量等于质量乘以光速的平方）。科学小链接狭义相对论被证实狭义相对论提出的原理和推导出的具体结论，被后来的大量实验所证实。1971年，美国飞行员海尔弗和凯尔丁把校好的铯原子钟放在超音速喷气飞机上，分别向东和向西绕地球飞行一周后，返回地面与一直放在地面上的同样的铯原子钟比较读数。比较的结果是：向东飞行的原子钟慢了59毫微秒，向西飞行的原子钟却快了273毫微秒。除去各种干扰因素影响的误差外，与狭义相对论的结论符合。如果飞机接近光速的话，那将完全与狭义相对论的结论相符。

日全食便是铁的证据

爱因斯坦建立了狭义相对论之后，并未就此止步，他于1907年就着手创建广义相对论。经过近10年的艰苦探索，爱因斯坦终于在1916年单独完成了总结性论文《广义相对论的基础》，酝酿了10年的广义相对论终于建立起来了。

这一理论的创立与包括狭义相对论在内的其他物理学理论的建立完全不同，它既不是为了解决理论与实验间存在着的差异，也不是为了满足理论发展的迫切需要。它是一项个人工作，是爱因斯坦独自发现的，这在现代物理学史上是非常罕见的。

在《广义相对论的基础》这篇论文中，爱因斯坦认为既然非匀速运动系统里的惯性力可以看作是匀速运动系统里的引力，那么经过一些适当的变换形式，各种物理定律在非匀速运动系统里同样可以适用。由此推导出有引力的空间和时间是弯曲的，而万有引力的产生就是由于时空弯曲造成的。于是，爱因斯坦宣称：在引力场中传播的光线将要发生弯曲。他预言接近太阳的恒星光线将会偏离1.75弧秒。他还建议，在下一次日全食时，通过天文观测来验证这个理论。

这篇极有创见的论文引起了著名天文学家、剑桥大学教授爱丁顿的注意。他决定在日全食时进行观测，来验证爱因斯坦的新的引力理论。

根据天文预报，1919年5月29日将发生日全食。刚好，金牛座的毕宿星团在太阳附近，如果天气晴朗，用照相的办法至少可以照出13颗很亮的星。英国皇家学会接受了爱丁顿教授的建议，派出两支观测队，分别到西非洲的普林西比岛和南美洲的索布腊尔进行实地观测。去西非的观测队由爱丁顿教授率领，去南美洲的观测队由另一位美国天文学家带领。

预报日全食的那天早上，非洲观测点的上空布满了阴云，不久大雨倾盆。爱丁顿对此忧心忡忡，生怕无法进行观测。中午过后，雨停了下来。云虽然还未散尽，但日食现象已开始出现。爱丁顿举起右手有力地往下一挥，轻声地说：“照相开始！”节拍器“啪啪啪”地响了起来，在五分钟的日食过程中，他们一共拍了16张照片。

照片很快冲洗出来了。头几张照片上，看不见星星的影像，直到第13张，星星的影像才开始清晰起来。最后一张照片上面，有几颗星清楚地显现出来，其中太阳周围的几颗都向外偏转，其角度与爱因斯坦的预言非常相似。

去南美洲观测的科学家得到的结果与另一组在非洲观测的基本一致。于日全食验证了广义相对论是，爱因斯坦的广义相对论的预言得到了证实：光线确实呈现弯曲，弯曲的程度和数值与爱因斯坦计算出来的完全一样。

全世界都被这些小小的光点所震动。1919年11月6日，英国皇家学会和皇家天文学会在伦敦正式宣布，日全食的观测精确地证实了爱因斯坦的广义相对论。科学小链接成功公式爱因斯坦一生谦虚平和。相对论发表后，他成了世界千百万人崇拜的偶像，许多人询问他是如何成功的，对此，爱因斯坦总结了这样一个公式：A＝X+Y+Z，其中A代表成功，X代表艰苦的劳动，Y代表正确的方法，Z代表少说空话。可以说，这个公式正是对爱因斯坦科学研究活动的生动而形象的概括。

散步时产生的灵感

如今，星罗棋布的核电站在世界各地不断地出现，核能为我们提供了大量的清洁能源，但我们也不能忘记，第二次世界大战时，美国在日本广岛和长崎投掷原子弹对人类产生的影响。这是核裂变赐给人们的双刃剑。

核裂变又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。它是由重的原子，主要是铀或钚，分裂成较轻的原子的一种核反应形式。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等，才能发生核裂变。这些原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成2个或更多个质量较小的原子核，同时放出2个到3个中子和很大的能量；这些释放出来的中子又能使别的原子核接着发生核裂变……就像多米诺骨牌一样，核反应持续进行下去且基数越来越大，这种过程称为链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。1克铀235完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。

这一核反应形式是德国科学家奥托·哈恩及他的助手女原子物理学家莉泽·迈特纳在1938年发现的。

莉泽·迈特纳和奥托·哈恩同为德国柏林威廉皇家物理研究所的研究员。作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起来显而易见，却一直没能成功。最后，哈恩想到了一个办法，用非放射性的钡作标奥托·哈恩（1879—1968）德国物理学家记，不断地探测和测量放射性的镭的存在。如果铀衰变为镭，钡就会探测到。他们先进行前期实验，确定在铀存在的条件下钡对放射性镭的反应。他们还重新测量了镭的确切衰变速度和衰变模式，这花了他们三个月的时间。

由于担心受到德国纳粹分子的迫害，1938年冬天，迈特纳逃亡到荷兰。一天，迈特纳穿着雪鞋在初冬的雪地里散步，这时一个画面从她心中一闪而过：原子将自身撕裂开来。在她的想像中，她几乎能够感受到原子核的跳动。她立即意识到她到已经找到了答案，质子的增加使铀原子核变得很不稳定，从而发生分裂。他们又做了一个实验，证明当游离的质子轰击放射性铀时，每个铀原子都分裂成了两部分，生成了钡和氪，这个过程还释放出巨大的能量。

于是，莉泽·迈特纳跟她的外甥弗里施一起对这一实验结果做出了理论解释，并以来信的形式发表在1939年元月出版的《自然》杂志上。在这篇著名文章里，莉泽·迈特纳跟弗里施一起提出了一个物理学上的新概念：一类新的核反应——裂变。科学小链接莉泽·迈特纳莉泽·迈特纳是一位原子物理学家，她的众多成绩中最重要的是她第一个用理论解释了奥托·哈恩1938年发现的核裂变。1994年5月，国际纯粹化学与应用化学联合会通过一项决议，建议把第109号元素命名为Meitnerium（元素符号Mt，尚无中文名称），以纪念核物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）。

一纸命令致惨祸

从原子核能的发现到原子弹的爆炸，科学家们已经悄悄地进行了半个世纪的探索。爱因斯坦和西拉德等人当初建议美国着手研究、制造原子弹，目的是防止纳粹抢先，以免人类遭受无穷的灾难。可是在1945年年初，美国得到了德国根本就没有研制原子弹的消息。按理说，担心既然已消除，研制和使用原子弹的理由便不复存在。这时，一些科学家（如西拉德等）转而担心美国使用原子弹轰炸别的国家。于是他们开始为反对研制和使用原子弹而奔走呼吁。1945年3月，爱因斯坦为此给美国总统罗斯福写了一封信，但他的信还没来得及拆封，罗斯福就逝世了。

杜鲁门上台后一意孤行，置科学家们的多次呼吁于不顾，在德国法西斯已经投降和日寇即将投降的情况下，悍然下令向日本城市投掷原子弹。

当时美国只有两枚刚刚制出的原子弹：一枚铀弹，代号“小男孩”，重四吨；一枚钚弹，代号“胖子”，重四吨半。1945年8月6日，美国把铀弹投到了日本广岛，使广岛60％的建筑物被彻底摧毁。这个30万人口的城市，有71000人当场死亡，68000人受伤。三天后（8月9日），他们又把钚弹投到长崎，使这个山城50％的建筑物被摧毁，35000人死亡，60000人受伤。

投在广岛和长崎的原子弹的破坏力是以前的炸弹所不曾有过的。原子弹爆炸的一瞬间，产生白炽刺目的闪光，爆炸中心温度高达几千万度，同时产生几十万个大气压力，闪光迅速化为火球，火球持续的时间长达好几秒钟。火球是炽热的气体，当它不断上升，不断被冷却时逐渐变成一团烟云。由于对流的原因，在火球上升的同时，地面上卷起灰尘和烟的“柱子”，“柱子”和烟云衔接起来构成蘑菇状烟云。火球直径约百米，强烈的光辐射可使人双目失明。爆炸产生的高温使得气体急剧上升，变成杀伤力很大的冲击波，巨大的气浪加上地面的剧烈晃动，可使方圆数千米之内的房屋倒塌。爆炸的高温还在许多地方引起火灾，把那些未被气浪和地面晃动所破坏的东西烧毁。而看不见的强中子流和γ射线，可引起贯穿辐射，破坏人体的分子，使人受到伤原子弹爆炸时的蘑菇状烟云害。

最严重的危害是放射性散落物。爆炸后的放射性散落物进入土壤和空气，并被带到高空的云层中。然后，风再把这些放射性同位素带到数百或数千千米之外。这些放射性散落物具有很强的放射性，它们继续衰变并产生高能辐射。其中最危险的是锶90，人体吸收了锶90，它就会长期储积在骨骼里。锶的半衰期为28年，过量的锶90会引起严重的辐射病，甚至致人死亡。辐射病患者会生出缺陷儿童。

广岛的爆炸既向全世界宣告了核时代的到来，也提醒人们原子弹这种有着惊人破坏力的武器的存在。为了反对使用核武器，制止核战争，全世界爱好和平的人民正广泛地团结起来防止核扩散。科学小链接第一颗原子弹的爆炸试验1945年7月16日，美国在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中进行了世界上第一颗原子弹的爆炸试验。清晨，5点30分人们按动了引爆装置。瞬间，好像无数的太阳同时放射出耀眼的光芒，立刻出现了一个直径为2000米的巨大火球向空中升腾，转眼之间变成高达10000米的庞大蘑菇云。由于爆炸引起了飓风，并像地震一样震撼着大地。安放原子弹的铁塔被几百万度的温度蒸发得无影无踪，留下了巨大的深坑。科学家们估计原子弹的爆炸当量约相当于两万吨TNT炸药。

进入核能时代

核能是20世纪的一项伟大发现。1942年12月2日，在意大利著名科学家费米的领导下，几十位科学家在美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆，这标志着人类从此进入了核能时代。当核能进入人们的生产和生活后，一种通过原子核变化产生的新能源从此诞生。

反应堆是人们长期科学实践的结晶。1934年，费米用中子轰击铀，发现了一系列半衰期不同的同位素。1938年，德国一位化学家用中子轰击铀时，发现铀受到中子轰击后的一种主要产物是质量约为铀原子一半的钡。瑞典物理学家于1939年初阐明了铀原子核的裂变现象。由于铀235裂变后会释放出大量的能量和中子，费米等人认为，铀的裂变有可能形成一种链式反应而自行维持下去，这一反应方式可能是一个巨大的能源释放方式。为了论证实现链式反应的实际条件，美国决定建造一座可控的链式反应装置——原子反应堆。1941年12月，费米来到芝加哥，领导美国一批物理学家在芝加哥大学斯塔格运动场的西看台下，开始建造世界上第一座原子反应堆。费米（1901—1954）美国物理要实现自行维持下去的链式反应，学家有两个中心环节：一是为了有效地激发核反应，需要用“慢中子技术”将快中子慢化（减速）。在美国，费米等人主要用石墨作减速剂。二是必须严格控制裂变反应速率。因为，万一链式反应进行得太快，整个装置就有可能爆炸，并带来灾难性后果，所以必须采取措施防止太多的中子放出。

为了能够准确地控制中子的产生，并因此而控制链式反应的速度，反应堆应配备可以移动的镉棒。镉能够吸收中子并使它们变得无害，而且能够阻止不需要的核反应发生。

1942年11月，一切准备就绪，费米带领两个科学家小组，开始昼夜不停地营建反应堆。这个反应堆是由石墨层和铀层相间堆砌而成，共计57层，堆高6米，呈扁球形。堆的中间有许多小孔，内插镉棒，镉棒深入的尺寸可以调节。

12月2日凌晨，所有参与这项秘密计划的人员都聚集在第一座反应堆旁，在费米的指挥下各就各位。为了防止反应堆爆炸，科学家们采取了广泛的安全措施——由电动机操纵的第一组镉棒在反应堆开始工作时由指挥台直接控制；第二组镉棒在反应开始时，可以用手抽出；当第三组遇到意外时，可使其滑入反应堆。万一这些措施都失灵，还有一个三人小组随时准备把大量的镉盐溶液放出，倾泻在反应堆上。

下午两点钟，镇定自若的费米指挥工作人员撤出了一根又一根镉棒，最后只剩下一根了。过了一会儿，这最后一根镉棒也抽出了一部分。顿时，中子释放频率达到相当高的程度，在场的人都觉得心惊肉跳，只有费米一个人一边迅速拉着计算尺，一边发出命令“把镉棒再撤出6英寸”……一分钟又一分钟过去了。下午三点三十五分，根据各种仪表的指示，费米郑重地宣布：“现在已是链式反应！”由于极度兴奋，他的声音都颤抖了。

从此，原子能时代开始了！科学小链接费米轶事费米在比萨大学读书时，教授们还在讲授牛顿经典力学和电磁学，他们对新兴的量子理论知之不多，费米却已经在量子理论方面颇有心得。所以教授们有了疑难问题时，还要经常向身为学生的费米请教。

歪打正着发现天然放射性

一说到放射性，不少人马上就想到了居里夫人。其实，首先发现放射性的并非居里夫人，而是贝克勒尔，他才是在科学实验中认识放射性的鼻祖。

贝克勒尔出生在一个物理学世家，自幼就受科学的熏陶。他天资聪慧，加上刻苦好学，并且有着顽强的进取精神，这些都是他能够成为科学家的先决条件。

1872年，贝克勒尔考入巴黎理工大学，后转入桥梁建筑学院。大学毕业后他取得了工程师资格并受聘为理工大学的教师。1899年，贝克勒尔当选为法兰西科学院院士。他一生坚持边教学边科研，并取得了可喜的成绩。

不少自然界的物质在阳光照射下会发出磷光。他的父亲老贝克勒尔一直致力于磷光现象的探索和研究。在父亲的贝克勒尔（1852—1908）法国物理学家影响下，小贝克勒尔对此也产生了浓厚的兴趣，并自己开始动手做起实验来。在众多的实验材料中，他选中了氧化铀为主要研究对象。

一天，他用黑纸把一张感光底片包裹严实，在底片上放几块铀盐和钾盐的混合物，并在中间夹放一枚银元。放好以后，他准备把它们拿到阳光下去晒，以便底片能感光。很不凑巧的是，当时偏偏一连几天乌云密布，不见太阳露脸。他心里一个劲地埋怨这鬼天气，只好把准备实验的东西原封不动地放进抽屉。

一直等了好些天，天气总算放晴了。中断的实验又可以继续进行了，小贝克勒尔分外高兴。贝克勒尔是个挺细心的人，他拿出实验的材料，并没有马上拿到阳光下，而是先检查一下。果然他发现了意外：密封的两张底片上竟然都已经感光。他喜不自胜，几乎跳起舞来。

欣喜之余，他开始思索了：这是怎么回事呢？底片是密封的，又没有用光照射，也不存在其他磷光物质，怎么会感光呢？问题出在铀身上，可能铀本身能产生一种看不见的射线。

这一发现使小贝克勒尔激动不已，兴奋异常。他连夜继续研究，并准备论文。他认为，铀射线同X射线一样，可以使气体变成导体，这样就可以解释为什么密封的两张底片上竟然都已经感光。后来他又用继电器对铀射线进行了定量研究。

在那个时候，研究“看不见的射线”的科学家不知有多少，小贝克勒尔却捷足先登，成为世界上第一个发现自发放射现象的人。为了表彰他的这一划时代的杰出成就，人们把放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线”。

科学家都是非常细心和敏感的，小贝克勒尔的发现立即引起居里夫妇的极大兴趣，他俩也马上着手这方面的研究。玛丽·居里相信，除了铀之外，肯定还有别的放射性元素。经过反复研究、提炼，这对夫妇终于提取了镭等放射性物质。正因为在放射性领域的研究成就卓著，1903年，小贝克勒尔与居里夫妇一道荣获了诺贝尔物理学奖。科学小链接玛丽·居里玛丽·居里出生于波兰。作为世界著名科学家，玛丽·居里研究放射性现象，发现镭和钋两种天然放射性元素，被人们称为“镭的母亲”。她一生两度荣获诺贝尔奖（第一次获得诺贝尔物理学奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。在研究镭的过程中，她和她的丈夫用了三年零九个月才从成吨的矿渣中提炼出了0.1克镭。

第二章 走进力学天地

小铁球震惊大皇帝

1640年，意大利的佛罗伦萨有一位叫作托斯坎斯基的贵族请人打了一口深井，他使用当时最优良的水泵，结果水只抽到10米高就再也抽不上来了。怎么努力都是白费工夫。检查一下吧，机器完好无损，引水管亦无漏洞，为什么抽不上来呢？

当时的工程师们学识、技术有限，解决不了这个问题。于是，托斯坎斯基就去向大物理学家伽利略请教这个难题。遗憾的是，那时伽利略已经老迈，还受着宗教势力的迫害，他已双目失明，没有精力去寻求答案。1642年，惨遭罗马教皇迫害的伽利略饮恨而亡，这个问题未获解决。继伽利略之后，托里拆利对这个问题进行了深入研究。当时人们信奉的是亚里士多德“自然惧怕真空”学说。水泵为什么能抽水呢？根据亚里士多德的学说，人们解释道：“当活塞上拔时，管内形成真空，而‘自然是惧怕真空’的，所以水就升上来填补这个空缺。”根托里拆利（1608—1647）意大据这一学说，人们应该能把水提到任意利物理学家兼数学家高度。可是，现在抽水机把水提至10米后，水就再也不肯上升，亚里士多德的理论不灵了。1643年，托里拆利决定亲自动手实验。

托里拆利给一根1米长的一端密封的玻璃管灌满水银，另一头用手指堵住开口。把它倒转过来，让密封的一头向上，插入水银槽中；把手松开后，管子里的水银柱迅速下降流入槽内，水银柱上方出现了真空。可是不论把管子垂直或者倾斜，管子里的水银柱长度总在760毫米上下。

1644年6月，托里拆利写信给朋友，详细介绍了这个实验。他认为：环绕地球周围的气体，不仅很厚而且有很大的压力，大气产生的重量向下，压在槽内液体上，这个压力恰好和管子里760毫米长的水银柱的压强相等。所以水银柱总是保持在这个高度，不会再下降。也就是说，在一平方厘米的面积上，物体承受的大气压力约有10牛顿。这一革命性思想，推翻了亚里士多德空气没有重量，大自然惧怕真空的概念。

当实验结果发表后，托里拆利遭到保守势力的围攻。人们不仅不信，就是科学家们也对这一结论持否定态度。

1654年，德国的马德堡市市长奥托·格利克作为杰出的业余科学家，不惜私人破费八千马克，请人用铁精心制作了两个直径为37厘米的半球壳。他在两个半球中间垫上胶皮圈，两个半球合在一起就成为不漏气的空心铁球。制好实验用具后他马上发出邀请，皇帝、贵族、高官与平民百姓都来参观了，实验场上十分热闹。

格利克先把两个半球灌满水合了起来，然后把水全部抽出，球内形成了真空，两半球浑然一体。他把气嘴上的龙头拧死后，再在每个半球的耳环上套上结实的带子，两边各拴上几匹马。两边的马在马夫皮鞭的指挥下奋力向相反方向拉，但是这几匹马的力量太小了，拉不开这两个合拢的半球壳。

格利克命令再增加马匹，一直增到16匹马时，两个半球壳才勉强被拉开了。在分开的一刹那，外面的空气以巨大的力量、极快的速度冲进球内，发出震耳的巨响。

在场的人们——皇帝、贵族、高官与平民百姓，无不为这科学的力量而惊叹，这就是著名的马德堡半球实验。

自此以后，托里拆利的理论才被人们接受。科学小链接一个成年人的身体表面面积为2平方米，合2万平方厘米。如果按每平方厘米承受1千克物体的重量计算，压在人体表面的大气大约有2万千克重。为什么我们没有被压得粉身碎骨呢？这是因为所有的生物都习惯了这个压力，自从地球上有生命以来，生物体的各部分乃至各个细胞，都有一个向外膨胀的内压力，内压力恰好与大气压力相平衡。

苹果砸出来的大发现

一提到万有引力，人们就会想到牛顿从苹果落地现象受到启发的故事。据说英国人在牛顿死后，还精心地保护着那棵苹果树。那棵树死后人们又把它移到牛顿纪念馆里供人参观。

苹果落地是人们常见的事，牛顿是受到什么启发从而发现了万有引力呢？

据说牛顿在幼年时，并不特别聪明。他和其他儿童一样，爱玩风筝、风车之类的小玩具，不同的地方是，他有遇事爱独立思考的特点。上学时，牛顿刻苦读书，掌握了牢固的基础知识。大学毕业后，他在伽利略落体试验的基础上，进一步深入研究物体的运动规律，并总结出了著名的牛顿三大定律。为了计算物体的运动及其轨道，牛顿还创立牛顿画像（1643—1727）英国了微积分，为人类进一步探索自然奥秘科学家提供了锐利的工具。

当时，天文学家开普勒已总结出了行星运动的三定律，但太阳系里的各个星体为什么能如此和谐地运转，开普勒的学说还不能解答。牛顿决心解开这个谜，他不分昼夜地苦心琢磨。

一天，他正在沉思，突然一个熟透了的苹果从树上落下来，正好掉在他面前的草地上。这件人们熟视无睹的小事突然打开了牛顿的智慧之窗，使他的思路顿时明朗起来。牛顿想：苹果为什么偏偏往下落、不往左也不往右落、更不会飞上天去呢？

牛顿立即进行了推论：一个人站在山崖上，把一块石头轻轻地抛出去，石头就会落到不远处的地上；如果他用的力更大，石头就会落得更远；当用力足够大时，这石头就将围绕地球运动而不会掉下来。要是地球没有引力，这石头就会朝着他抛出的方向一直飞去。推而广之，月球以一定的距离绕地球转动，就是因为地球对月球有引力的缘故。这种情景就像小孩手中拿着一根一头挂着小石头的绳子，牵引着小石头滴溜溜地转圈。

牛顿豁然开朗：要证明各种星体都有相互吸引的结论，只要证明地球对月球的吸引力确实就是月球绕地球运行所需的向心力就可以了。牛顿通过计算证明了引力的存在，还找出了计算引力的公式。

牛顿由此证明，地球吸引苹果的力和地球使月球围绕自己转动的力，以及太阳使行星围绕自己转动的力都是相同的。

就这样，牛顿把一切物体的运动与天体的运动，概括在一个严密的理论之中。由于任何两个物体之间都具有这种引力，所以牛顿发现的这种引力又被称为“万有引力”。它开创了一个科学上的光辉时代。科学小链接万有引力的大小万有引力是极其微小的，如果两个体重为85千克的大胖子相距一米，他们之间的引力等于5/100000克。细想起来这是很幸运的，要是这个力很大，你就得处处小心，随时随地地注意与他人保持一定的距离，否则稍一走近两个人就会粘到一起了，就像磁石吸引铁屑一样。但是，当两个物体质量很大时（比如两个天体之间），这个力又是非常大的，22太阳与地球之间的引力达3.6×10牛顿。要想经受得起这么大的力，钢丝绳的直径就需要数千千米，也就是说这根钢丝绳要和地球一样粗。地球就是凭借它对周围物体的万有引力把它附近的万事万物牢牢地抓住，使人类得以在地球的表面上脚踏实地，行动自如，而不用担心掉到太空中。

洗澡时产生的灵感

2200年前，意大利西西里岛上一个小小的王国——叙拉古王国国王即位后，为了表示对神灵祐佐他的敬谢，他让金匠打制了一顶献给永恒的神祇的金冠。

国王看着精巧玲珑、熠熠闪光的金冠高兴得眉开眼笑。可是，一位大臣却告诉国王：“金匠的手艺的确高超。不过，金冠并非纯金。据臣得到的情报，金匠克扣了一部分金子，换成了等量的白银。”

国王对金匠竟敢欺骗他感到十分恼火，他发誓要严惩不贷。可是，怎样才能证明金匠贪污呢，怎样才能既不损坏金冠又能证明金冠中参杂了白银呢？他把这个难题交给了当时的著名学者阿基米德。阿基米德知识渊博，但这类难题他也是第一次碰到，一时不知从何下手。他仔细观察，反复思索，一连数日一筹莫展。一天，仆人叫他去洗澡。仆人给澡盆里放了太多的水，阿基米德刚把身子浸入水里，水就向外溢出来。阿基米德慢慢地把身子往下缩，他发现身子没入的越多，水流出的也越多，并且他感到阿基米德（公元前287年—公元水对他身体的托力也越大。前212年）古希腊哲学家、数学家、物理学家这本来是一个十分平常的现象，阿基米德以前从未注意过。可是此刻，他好像突然发现了什么奇迹一样。是的，他发现了秘密！他把身子浸入水中，接着又抬起来，然后又浸下去。他一边浸一边仔细地思索。最后，他高兴得几乎喊了出来。不等洗完澡，阿基米德就急急忙忙跑出了洗澡间。

原来，阿基米德发现，身子浸入水中的多少不同，受到水的浮力也不同，身子沉入的越多，浮力就越大。由此他联想到，如果王冠没有掺假，那么它排出的水量就应该与同样重量的黄金的排水量相等，否则，就意味着掺了假。就是说，同等重量的东西泡进水里而溢出的水不一样，肯定它们就是不同的物质。每一种物质和相同体积的水都有一个固定的重量比，这就是比重。

阿基米德据此进行鉴定，他叫人取来三种东西——金块、银块和皇冠。三者的重量相等。只见他依次把它们浸在盛水的容器里，观察每次各溢出多少水。结果他发现，皇冠排出的水，多于金子排出的水，而少于银子。于是，他断定皇冠不是纯金制作的，并准确测出了掺兑白银的数量。

阿基米德以此为起点继续研究，终于提出了著名的阿基米德定律——浮力定律。科学小链接“数学之神”阿基米德是古希腊大数学家、大物理学家。公元前287年，他生于西西里岛的叙拉古，公元前212年，他被罗马入侵者杀害。阿基米德的主要数学成就是在纯几何方面的研究。他善于继承和创造，他运用穷竭法解决了几何图形的面积、体积、曲线长等大量计算问题，其方法是微积分的先导，其结果也与微积分的结果相一致。阿基米德在数学上的成就在当时达到了登峰造极的地步，对后世影响的深远程度也是任何一位数学家无与伦比的。罗马时代的科学史学家普利尼称阿基米德为“数学之神”。

一座斜塔辨真假

如果将一块石头和一片羽毛在同一高度同时放下，那么到底哪一个先落地呢？也许有人会脱口而出：“当然是石头先落地。”也许有人会说：“同时落地。”那么究竟哪一种回答正确呢？

还是让我们先看看亚里士多德对这个问题的论述吧。古希腊哲学家、科学家亚里土多德说：“重的东西落地快，轻的东西落地慢。”这也就是说，他认为重物体先着地。在一个很长的时期内，谁也没有怀疑过他提出的这个“落体定律”。到了16世纪，在文艺复兴运动蓬勃兴起的意大利，年轻的伽利略在科学研究中对亚里士多德的论断产生了怀疑。伽利略这样想：假定A、B两个物体，A重，落得快；B轻，下落得慢。那么把两物组合在一起让它下落，会出现什么情况呢？一方面，（A+B）比A重，应该比A落得更快；另一方面，因为B落得慢，拴在伽利略（1564—1642）意大利一起对A的下落速度有一定的牵阻作用，科学家所以，（A+B）又应比A落得慢。这不是自相矛盾吗？

因此，伽利略认定，亚里士多德的理论是错误的。他认为，在不计空气阻力的情况下，物体自由下落的速度与其重量无关，即轻重不同的物体下落的速度是相同的。

但是，由于当时意大利人把亚里士多德的学说奉为金科玉律，伽利略的观点不但没有得到应有的重视，反而遭到了很多有名望的神学家、哲学家和物理学家的嘲讽和责难。伽利略坚信自伽利略在比萨斜塔演示自由落体实验己的看法是正确的，他决定通过实验证实自己的观点。

1590年的一天清晨，26岁的数学家伽利略在好奇者的惊讶目光里，在守旧者的嘲笑声中，登上了高大的比萨斜塔。他让两个铁球（一个重1磅，一个重100磅）同时从塔顶落下。根据亚里士多德的“落体定律”，一定是100磅的铁球先落地；但是，实验的结果却是两个铁球同时落地！

这是怎么回事呢？

原来，在真空中，初速为零的落体叫自由落体。物体所以下落，是受到地心吸引的缘故。据实验，在地球表面附近，各种物体的加速2度都约等于9.8米/秒。物体不管材质如何，石头也好，鸡毛也好，在真空中从同一高度同时落下时，下落的速度是相同的。

为了演示这种现象，可用一根一端封闭、一端有管塞的1.5米长的玻璃管，里面放上石头、羽毛、纸片、铝币等。先将管中空气抽去，然后把它倒转过来，使各种物体降落。我们可以看到，这些物体下落的速度是相同的。如果不抽出空气，则它们下落的速度不同。

由此可以说明，鸡毛等轻物体在空气中比石头等重物体下落得慢，是因为受到空气的阻力，而不受它们本身重量的影响。由于伽利略在比萨斜塔进行落体实验用的铁球，其本身的重量比空气的阻力大得多，可以近似看作自由落体运动，所以两个铁球几乎同时落地。科学小链接自由落体自由落体的“落体”，顾名思义是指物体从高空下落。“自由”二字，其含意为：一，物体开始下落时是静止的，即初速度为0；如果给物体一个初速度竖直下落，不能算自由落体。二，物体在下落过程中，除受重力作用外，不再受其他任何作用力（如空气阻力）的影响。

想撬动地球的人

人们从远古时代起就使用杠杆，并且懂得巧妙地运用杠杆。在埃及建造金字塔的时候，奴隶们就用杠杆把沉重的石块往上撬。造船工人用杠杆在船上架设桅杆。人们使用汲水吊杆（一种带平衡锤的杠杆）从井里取水。罗马人把货物挂在精工制造的杠杆秤（杆秤）上称量重量。另外，古时候的船都是用桨来划动的，并且用舵来操纵，而桨和舵都是杠杆。

古代的工匠知道，凭借这些简单的机械，可以用很小的力量推动很大的重量。但是杠杆为什么能做到这一点，却没有人能解释。至于哲学家们在谈起这个问题的时候，就一口咬定说，省力的关键就在于圆的“魔性”上，因为杠杆的两端在工作的时候是沿着圆弧运动的。

阿基米德不乱说什么圆的“魔性”。他懂得自然界里的种种现象，都可以用自然原理来解释。杠杆的作用也有它的自然原因，他想解释这一现象。

最简单的杠杆是一条金属的或木质的直棍。如果在中点把它支持起来，它就能保持平衡。当我们在杠杆的两端挂上同样重的物体时，平衡仍旧保持不变。

但是，假如在杠杆的一端挂上一个较重的物体，而在另一端挂上一个较轻的物体，那么杠杆就要失去平衡：它的一个臂下沉，另一个臂上升。想要恢复平衡，就必须把支点向较重的物体移动。

阿基米德懂得，两个物体的总重量好像集中在杠杆的某一点上似的。如果把杠杆在这一点上支起来，杠杆就能保持平衡。阿基米德把这一点叫作重心。

后来，阿基米德确立了杠杆的平衡定律：“力臂和力（重量）成反比例”。按句话说，小重量是大重量的多少分之一重，长力臂就应当是短力臂的多少倍长。

假设杠杆的一个力臂是20厘米长，另一个力臂有它的五倍长，即100厘米长。那么，在短力臂上挂上5千克，在长力臂上只要挂上1千克，杠杆就能保持平衡。

这个规则也可以用另外一种说法来表达：“每边的力臂的长度和力臂所受的力的乘积是相等的。”

另一方面，如果我们用手握着杠杆的长臂向下按，那么我们的手在空中画出的路径，却比短力臂的末端所画出的路径长。杠杆的两端所走过的路径，也是和力成反比例的。假如长力臂的末端走过了半米的距离，那么，短力臂的末端就只走10厘米的距离。在用力方面省五倍，在所走的距离上就反过来长五倍。

阿基米德确立了杠杆定律以后，就推断说．只要能够取得适当的杠杆长度，任何重量都可以用很小的力量举起来。据说他曾经说过这样的豪言壮话：“给我一个支点，我就能撬起地球！”这句话，成为代表着阿基米德的性格和自信心的一句名言，伴随着阿基米德的名字，一直流传到今天。给我一个支点，我就能撬起地球！科学小链接杠杆原理的运用杠杆原理亦称“杠杆平衡条件”。杠杆原理在日常生产、生活中运用广泛，如剪刀、启瓶器、撬棒、天平（平衡）、跷跷板（平衡），还有人的骨骼、羊角锤、镊子（费力）、钓鱼竿（费力）、指甲刀等物品都利用了杠杆原理。

如何解释“香蕉球”原理

第13届丰田杯足球赛决赛时有一个精彩镜头：巴西著名球星苏格拉底的弟弟拉易以似左而右的一记“香蕉球”踢进了世界级门将比塞莱塔把守的龙门，使圣保罗队战胜巴塞罗那队而捧得丰田杯。“香蕉球”的最大特点是，走向扑朔迷离，弧度变化莫测，即使最有经验的门将也难以捕捉到它。所以在重大的足球比赛中，“香蕉球”往往能置对手于死地。“香蕉球”分析图“香蕉球”原理，是德国科学家马格努斯首先发现的，故称为“马格努斯效应”，简称“马氏效应”。我们可以从流体动力学的观点来进行解释：当球旋转时，与它直接接触的那部分流体会被带动着一起旋转，并会相继带动相邻的流体产生同样的影响。于是，在球体周围就会产生一个跟它一起旋转的附面层。在上页图中，箭头A和B分别代表球体及其附面层的旋转方向。

球左边附面层中的空气，方向与气流方向相同，而在另一侧，方向则相反。这样，附面层与气流运动方向的差异，就会导致球体两边气压的不同。在右侧，即附面层的空气与气流方向相反的一边，由于流速降低，而形成一个高压区域。在左侧，因附面层的空气与气流方向相同，流速增大，从而产生一个低压区。球两侧压差所产生的结果是，球受到一个从右向左方向的合力作用，故使球偏离直线路径而沿曲线轨道飞行。

那么，流体动力学是一门什么学问？又是怎么建立起来的呢？

流体动力学是流体力学的一门子学科，研究的对象是运动中的流体（流体指液体和气体）的状态与规律。

流体动力学这门科学起源于古代中国、埃及、美索不达米亚和印度，它是随着水利灌溉和舟船航行的需要而出现的。虽然这些文明之邦都谙熟河道水流的本质，但尚无根据说明他们曾经提出过什么定量、规律以指导其工作。

直到公元前250年，阿基米德发现并记载了有关水静力学及浮力方向的一些定理。尽管水动力学方面的实际知识始终不断地促使人们改进并推动流体机械的发展，造出更好的帆船，建成日益错综复杂的运河水系，然而作为经典水动力学方面的一些基本定理，等到17、18世纪时才开始建立起来。牛顿、丹尼尔·伯努利、列昂纳德·欧拉都曾为建立这些定理作出过巨大的贡献。

20世纪以来，现代工业发展突飞猛进，新技术不断涌现，现代流体动力学获得飞速发展，并渗透到现代工农业生产的各个领域，例如在航空航天工业、造船工业、电力工业、水资源利用、水利工程、核能工业、机械工业、冶金工业、化学工业、采矿工业、石油工业、环境保护、交通运输和生物医学等广泛领域，都应用到现代流体动力学的有关知识。科学小链接“马氏效应”的其他应用一些善打高尔夫球的高手们也很会利用马氏效应为其帮忙。他们往往会打出一种非常漂亮的后旋球，使球的下方形成一个高压区，让球受到一个向上的升力，从而延长球的飞行时间。网球运动员和乒乓球运动员打上旋球所产生的“马氏效应”结果与此完全相反。这时，合压力向下作用，因而缩短了球的飞行时间，对手回球时间也就随之缩短，常常迫使对手于奔跑中仓促回球，造成失误。这就是运动员广泛采用上旋球作为进攻性打法的力学依据。

无辜的“奥林匹克”号

在靠近铁路的地方，大人们常告诫小朋友不要到铁路边去玩耍，防止火车开过来时产生一股吸引力把人吸了进去。开动着的火车为什么会产生吸力呢？当我们学了物理知识后，方知这一说法是有道理的。的确，靠近疾驶的火车就会发生危险，这是什么原因呢？我们先看看下面的故事吧。

1912年的秋天，当时世界上的一艘最大远洋轮“奥林匹克”号正在向前疾驶，这时在距其100米处有一艘“豪克”号巡洋舰与之同向前进。突然，吨位小的巡洋舰好像被一只无形的巨手推动似的，竟向远洋轮冲去。巡洋舰的舰长大惊，连忙纠正航丹尼尔·伯努利（1700—1782）瑞士物理学向，但是一切努力都归于失败，家、数学家、医学家“豪克”号终于把无辜的“奥林匹克”号撞了一个大窟窿。

是什么力量酿造了这场祸事？我们不妨做个简单的实验：取两张普通纸，用两只手拎着平行相对放置，纸张之间保持大约十几厘米的距离。我们用嘴向它们之间吹口气，试图使二者分开的距离更远些，结果恰恰相反，两张纸反而靠得更近了。

为什么会出现这种现象呢？原来吹气时两张纸之间空气的流动速度变大了，气体流动速度变大时压强就会变小。两张纸外侧空气保持着大气压强，而内侧气体压强变小了，外侧压力大于内侧压力，两张纸必然向内侧运动了。

这个原理早在1726年就由瑞士的一名大物理学家丹尼尔·伯努利提出来了，但是没有引起人们的重视。人们根本没有察觉到它的“威力”，直到“奥林匹克”号与“豪克”号两船相撞，人们才认识到“伯努利原理”的力量。

原来当两船高速并排前进时，两船内侧的水流速度由于船体带动、叠加而相对变大，水压相对较低；两船外侧水流速度相对较低，水压大。这就使得两船的外侧受的压力比内侧大，在压力差的作用下，遂发生了惨案。后来，人们从这一事故中吸取了教训，在水面航行的高速船只，都严格地避免两船并排同向航行。

我们再来看火车吧！其实，人们太靠近行驶的火车容易被火车吸引是不够确切的。正确的说法是：当火车高速前进时，它附近的空气被带动跟着前进，人若站在行驶的火车跟前时，靠近火车一面气流流速快而远离火车一面空气不动，这个压力差就会把人推向火车而发生危险。科学小链接伯努利家族在科学史上，父子科学家、兄弟科学家并不鲜见。然而，在一个家族跨世纪的几代人中，众多父子兄弟都是科学家的较为罕见，其中，瑞士的伯努利家族最为突出。伯努利家族三代人中产生了八位科学家，出类拔萃的至少有三位。他们在数学、科学、技术、工程乃至法律、管理、文学、艺术等方面享有名望，有的甚至声名显赫。丹尼尔·伯努利是伯努利家族中最杰出的一位，他曾十次荣获法国科学院的年度奖。

小弹簧蕴涵大道理

小时候，你用钢丝卷过弹簧吗？做成的弹簧可以拉伸又可以压缩，很好玩。在实际生活中我们可以见到各种弹簧，如圆珠笔杆内装的弹簧、弹簧秤上的弹簧、自行车车闸和鞍座上的弹簧、沙发床和沙发椅上的弹簧等。

弹簧具有怎样的性质呢？为了研究问题方便，我们假定弹簧很轻很轻（不考虑弹簧自身的质量），并且形变后，如果撤去外力能够完全恢复到原来的状态。弹簧在外力作用下形变，施加拉力时弹簧变长，出现拉伸形变；施加压力时弹簧变短，出现压缩形变；无论是哪种形变，都属于弹性形变。

发生弹性形变时弹簧要对应产生弹力（弹力的大小与所加的外力大小相等），弹力大小与弹簧的形变量存在怎样的关系呢？我们取某一弹簧做实验，施加在弹簧上的力和形变量分别为：

给弹簧施加1牛顿的力，弹簧的形变量是0.2厘米；

给弹簧施加2牛顿的力，弹簧的形变量是0.4厘米；

给弹簧施加3牛顿的力，弹簧的形变量是0.6厘米；

……

我们发现施加的外力越大，弹簧发生的形变也就越大，而且，该弹簧每增加1厘米的形变，对应增加的弹力总是5牛顿，是一个不变的值。显然，这种关系是由弹簧自身的性质所决定的，与所加外力的大小无关。这说明弹簧的弹力大小与对应发生的形变量的大小成正比，换用其他弹簧做实验仍得出同样的结论。早在1676年，英国物理学家胡克做了大量的实验发现了这一规律。根据弹簧的特性，人们制成了弹簧秤，可以用来称量物体的重力。现实生活中弹簧都有一定的弹性限度（发生最胡克（1635—1703）英国博物大弹性形变时所对应的弹力大小），在弹学家、发明家性限度以内弹力与对应发生的形变才满足正比关系。科学小链接弹簧可以储存能量弹簧还有另一个重要特性，它可以储存能量。把重物挂在弹簧上使其上下振动，振动过程中弹簧长度不断变化，当重物到达最低点时弹簧被拉得最长，此刻重物的动能等于零，根据能量转化和守恒定律可知，弹簧以弹性势能的形式储存了能量。在振动过程中重物克服弹簧的弹力做功，就把动能转化为弹簧的弹性势能；弹簧的弹力做功时弹簧又可以将储存的弹性势能转化为物体的动能。

禁闭在船舱里的实验

一位法国飞行员在回忆第一次世界大战中的一场空战时，曾记录了这样一段经过。

在一次2000米高空的战斗中，这位飞行员觉得脑后有一只小虫干扰了他的飞行，于是他顺手一抓。等他一看却吓出了一身冷汗，原来他抓住的是一颗正在发热的德国子弹。这究竟是怎么一回事？是不是超人的传奇呢？不，这位法国飞行员确确实实抓住了一颗子弹。

其实从力学相对运动的角度来分析，这是完全可能的。我们知道，第一次世界大战时期，战斗机的飞行速度大约是每秒钟40米。子弹离开枪膛时的初速度，当时一般是800～900米/秒。当子弹运行一段距离，又穿透机舱，在阻力作用下，末速度降为每秒钟40米左右时，就接近于飞机的速度。如果子弹是从机舱的后方打进来的，和飞行的方向又正好一致，那么子弹和飞机就几乎以同一个速度，沿同一个方向运动。这样的子弹对飞行员当然不具有杀伤力。

因此，法国飞行员顺手抓住一颗子弹，就好像抽烟的人顺手取下夹在耳朵边的一支香烟一样。用力学的话来说就是，子弹和飞行员的相对速度接近于零。或者说，子弹相对于飞行员来说，处于相对静止的状态。因此，所谓接子弹的“功夫”，只是在特定条件下的偶然现象。

其实早在1632年，伽利略就认识到了相对运动的道理。他曾经做了一个实验，把一些朋友关在一条大船甲板的主舱里，再让他们带上几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫。舱内放一只大水碗，其中放几条鱼。然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。

船停着不动时，小虫向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴进下面的罐子中。一个人把任何东西扔给另一个人时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。

然后，让船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，舱内的人会发现上述现象丝毫没有改变，人们也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动或是停着不动。

这个实验得出一条极为重要的真理，即从船上发生的任何一种现象，你是无法判断舱究竟在运动还是停着不动。现在人们称这个论断为“伽利略相对性原理”。

相对性原理中这个力学概念，并不是所有的人都能精确描述的。但地球上所有的生物，包括人类，之所以能够生存，就是因为有一个相对静止的生存环境。

大家知道，地球一昼夜自转一圈。若取地球半径的近似值为6400千米，那么用最简单的圆周运动速度公式就可以计算出，在地球的带动下，处在赤道上的人、房屋、桥梁和所有的一切，每时每刻都在以每秒钟465米的速度做圆周运动（不考虑地球的公转）。

请读者千万不要小看这个速度，这个速度已经远远超过了目前一般超音速飞机的速度！幸亏我们的地球始终以一个恒定的速度运动着，才使地球上的一切，包括我们人类能一直随同地球一起运动，而处于一个相对静止的环境之中。科学小链接急刹车时乘客为什么会摔倒大家坐公共汽车也许有过这样的经历，当平稳行驶的公共汽车突然遇到险情而紧急刹车时，车内的乘客会纷纷摔倒。为什么呢？这就是破坏了“相对静止”的状态。本来汽车和乘客以同样的速度前进着，人、车处于相对静止状态。突然汽车紧急停车，人的头却还以惯性向前运动，脚由于摩擦力的作用已经减速，所以人的身体会失去平衡而摔倒。

比萨斜塔不倒之谜

意大利西北部的比萨古城，巍然矗立着一座已有600多年历史的古塔——比萨斜塔。比萨斜塔被誉为世界奇迹之一。1173年8月9日，比萨斜塔奠基。但是，动工五六年后，建好的三层塔就开始倾斜。建造期间曾经几度停工，历经了178年比萨塔才建成。

谁知建成后的比萨塔仍然不停地向南倾斜。据资料记载，1829—1910年，比萨塔平均每年倾斜3.8毫米；1918—1958年，平均每年倾斜1.1毫米；1959—1969年间，平均每年倾斜1.26毫米。此后，比萨塔平均每年倾斜1.19毫米。现在，塔顶中心点偏离塔基中心垂直线5米多，然而至今比萨塔并未倒塌。这是为什么呢？

回答这个问题之前我们先来谈一个杂技。利用“倾斜造型”获得惊险感和美感，是中国传统杂技艺术的一大特色。例如，在国内外享有盛誉的“单排椅造型”杂技，动作惊险，造型美观，令人叹绝！

演员将椅子由直立堆砌发展成斜叠的梯形，6把两脚悬空的椅子逐级斜叠上升，演员每人扣住一把，相互配合，在空中阶梯上一个个作挺拔的倒立，总的高度差不多已达7米，整个造型构成了一单排椅造型幅凤凰单展翅的美丽画面。

这个节目的编排，即遵循力学的平衡原理，也符合审美法则，而前者则是构成审美法则的物理基础。从人们的习惯来看，对称平衡感似乎是形体视觉美的一个要素。因此，人类很早以前就习惯于把器物做成对称形体，认为这才是美；人们认识到，在主体形象的两侧重叠地增添对称的陪衬形象就能增强整体形象的均衡、稳定和庄重感。

然而，自从力学中的杠杆原理、力矩平衡原理出现之后，人类审美法则的内容也大大丰富了。人们进一步认识到，在不对称形体上也可以得到美的感受，而且这种非对称平衡的形体美有时甚至比对称形体更生动活泼。所以无怪乎美学家要说，比萨斜塔具有一种“激动人心的非对称美”，这个赞誉真是恰如其分。试想，如果把比萨斜塔彻底“纠斜”而变直，岂不要大煞风景！

比萨斜塔之所以至今并未倒塌，是因为这里受着牛顿力学中一条平衡原理——力矩平衡原理所支配。

一个物体被支撑在另一个物体上时，支撑范围的大小叫作支面；支撑范围是一条直线或一个点的话，则称为支线或支点。力学原理告诉我们，如果物体的重力作用线通过支面、支线或支点，物体就能平衡。因为，这时重力和支面的反作用力（支撑力）都通过物体的重心，它们在同一直线上，大小相等而方向相反，故能使合力和合力矩都为零。

但是，当重力作用线越出了支面（支线或支点）之后，重力与支撑力就不再共线了，二者形成一个力偶，从而迫使物体绕着支点、支线或支面的一侧转动致使物体翻倒。力学上把这个力矩称为“倾覆力矩”。

比萨斜塔之所以尚未倒塌，原因就在于塔身的重力作用线至今尚未越出塔基这个巨大的支面。但据科学家推算，比萨斜塔如果按现在的速度继续倾斜下去，过不了多少年恐怕就要倒塌了！平衡与翻倒的判别科学小链接“平衡石”奇景大自然的鬼斧神工也为我们人类留下了令人叹为观止的“平衡石”奇景：在苍莽的非洲原野上兀立着一片巨大的砾石（旅行家称之为平衡石），堪称是非对称美的又一杰作。形状各异的每尊巨石上又层叠或斜堆着大小不等的石块，并都独具风姿地保持着一种非对称的平衡态。

第三章 探索热学的奥妙

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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