作者：牛马
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小铁球吓倒大皇帝试读：
前言
从出生的那天起，我们就与物理结下了不解之缘：在母亲的怀抱中，在悠荡的摇篮里，我们得到了“力”的关爱和呵护；听着那纯朴无华的自然声响，听着那舒缓悠扬的音乐旋律，我们感受了声音世界的美妙。
由于“光“的美丽，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。高空上飞机的翱翔、雄鹰的盘旋，海面上浪的奔涌、舰的驰骋，陆地上列车的飞奔、机器的运转，这一切都是呈现在我们眼前的运动，就连我们静躺在家里，也在随着地球不断地绕着太阳运动着……
一年四季，“春”使我们感到了宜人的温暖，“夏”让我们感受了炙人的炎热，“秋”为我们带来了快人的凉爽，“冬”让我们体验了袭人的寒冷。我们就在这冷与热的交替变化中接受了温度、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：“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。
学习物理又是很有趣的事。那绚丽的彩虹、节日的礼花、隆隆的雷鸣、大海的潮汐等等，虽然我们平时司空见惯，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《小铁球吓倒大皇帝》吧。《小铁球吓倒大皇帝》这本书，就是从这一个又一个自然有趣的话题谈起，生动活泼地用物理学的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的道理，把我们从小就带到物理学的世界中。《小铁球吓倒大皇帝》就是这样一本为孩子们而写的学习物理的入门小书。作者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、主动探究，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。
本书写作中参考了初、高中物理教科书等可靠资料，书中的举例说明和分析陈述力求通俗易懂又不失严谨，研究和论证讲究般逻辑性和基本规范。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。本书不仅适于小学高年级学生阅读，而且对初中各年级的学生学好物理也很有帮助。
希望《小铁球吓倒大皇帝》这本小书，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
你知道什么是物理吗?你以为只有拿到了物理课本才能学习物理，才会与“物理学”打交道吗？看到物理学中那么多的概念、定义、公式、原理等，你以为它非常深奥难懂吗？其实，物理学是一切自然科学中最基本、最广泛的学科。物理学不一定能解释生活中的一切现象，但生活中一切现象，其最本质的原因最终都要归结到物理学上来。因为物理学的一切分支：力学、热学、光学、电磁学等等，归根到底都是在探究物质运动的规律和物质间的相互作用。
揭开点石成金的奥秘——原子论的创立
古时候，西方有许多炼金术士从事炼金术的研究，希望能“点石成金”，企图通过化学的方法，将随处可见的廉价金属变成珍贵的黄金，但无一例外地都失败了。随着高科技的发展，古代梦寐以求却又无法实现的“点石成金”梦，在今天已经成为可能。
众所周知，各种物质的性质之所以不同，完全是由于物质原子不同的缘故。如果用人工的方法，便可以使一种物质的原子转变成为另一种物质的原子。这就是说，可以“点石成金”，昂贵的金原子可由其他廉价物质的原子经人工改造而获得。
可见，世间万物都是由原子组成的，它们的差别仅仅在于组成物质时原子的种类、数目和结合方式的不同。那么，原子理论又是如何创立的呢？
在历史上率先明确提出原子概念的，是古希腊的哲学家德谟克里特。他是一个善于观察自然现象而又爱动脑筋的人。当他看到，植物在粪土上长得特别旺盛的时候，他就在想，是不是粪土中的什么小微粒进入到植物中去了？当他发现，盐溶解在水里以后，盐不见了，水却有了咸味，他就想到，是不是盐的小微粒分散在水里了？当他看到，鱼在水里游动的时候，他就断定，水这种物质，绝不是结构紧密的整体，就像沙堆是由沙粒构成的那样，水也是由水的微粒构成的。只有这样，当鱼游过来后，水微粒向两边散开，鱼才会自由地游来游去。德谟克里特对大量的自然现象加以分析和推测之后，便得出了这样的结论：物质都是由一些坚硬的、不可再分的微粒构成的。他给这种小微粒起名叫做原子（按照希腊文的原意，就是不可再分的意思）。这就是原子概念的由来。
但是，德谟克里特的原子概念提出后，并未得到重视和发展。因为，这种朴素的古代原子论，是靠观察、推测而得出的结论，并没有被科学实验所证实，未能得到公认。
最先在科学的原子论方面做出了卓越贡献的，是著名的英国化学家道尔顿（图1-1）。这位乡村教师出身的化学家，是以研究气体为终生爱好的。他通过对气体的研究，不仅发现了有关气体的一些重要定律，而且从密度不同的气体可以均匀扩散的现象中得到启发，提出了著名的道尔顿原子论。（图1-1）道尔顿
他认为，一切物质都是由极小的微粒——原子组成的，但原子并不都是一模一样的小球；不同的物质含有不同的原子；不同的原子具有不同的性质、大小和不同的原子量。在这里，他首先创立了原子量的概念。道尔顿原子论的重大意义，不在于他重申了两千多年前就提过的原子概念，而在于他提出了不同原子具有不同原子量的观点。正因为如此，当年道尔顿在一次学术会上宣读论文之后，便立刻引起了科学界的震动。人们听了他的论述，思想豁然开朗，因为有了原子量的概念，使化学上一些定量的实验现象和基本定律都得到了合理的解释。这是化学发展史上的一个重要里程碑。恩格斯曾高度评价这一成就，他说，化学的新时代开始于道尔顿的原子论。
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中国古代的原子概念
在我国，战国时代（公元前四世纪），人们对于物质结构的探讨，就十分活跃。不同学派持有不同见解。庄子的《天下篇》中写道：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。 ”意思就是，一尺长的短棍，若每天截取一半的话，是永远也截取不完的，这就是说，物质是无限可分的。以墨子为代表的另一派则提出了相反的主张，认为物质不是无限可分的，分到最后总会有个“端”，到了“端”也就不能继续分割了。这种物质有“端”的说法，就接近于原子的概念。
小医生和啤酒匠的大贡献——能量守恒和转化定律发现
能量守恒和转化定律的发现是和一个小医生联系起来的。这个医生叫迈尔（图1-2），德国汉堡人，1840年在汉堡独立行医。他对万事总要问个为什么，而且必亲自观察、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，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。他由此得出：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，海水温度会升高，这使他想到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（现在精确有数值是4.184焦耳）。1842年，他的论文《论无机界的力》终于在德国著名化学家李比希主编的《化学和药杂志》上发表，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，并且遭到一些权威的嘲讽和反对。（图1-2）迈尔
如果说迈尔主要是从理论思辨的方法得到了能量守恒的定理，那么英国的一个啤酒匠焦耳则是应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化学、数学、物理，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，他带上自己的实验仪器及报告，参加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），总得到相当的热。可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头，连法拉第也说：“这不太可能吧。”
焦耳不把人们的不理解放在心上，他回家继续做着实验，这样一直做了4年。1851年，曾经反对过焦耳的英国科学家汤姆孙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，焦耳和汤姆孙两人终于共同完成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。
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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。这使他精神上受到很大的刺激，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，幸未致死，但患了精神错乱症，长期在格平根的精神病院中疗养，与世隔绝。
小粒子大秘密——原子核的发现
卢瑟福（图1-3），是科学进入20世纪之后出现的第一位伟人。正是他，确立了放射线的性质，提出了原子结构的有核模型。
卢瑟福，1871年8月30日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个研究生。（图1-3）卢瑟福
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如何的呢?
在此之前，卢瑟福的老师汤姆逊曾提出过一个原子结构模型——“均匀模型”，人们又称它为“葡萄干蛋糕模型”，这一模型假定原子是一个半径为10-3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，只在球心附近作很小的位移摆动；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，他于1907年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粒子都像子弹直线穿过树叶那样，顺利地穿过了薄金片，但是也有极少数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。大约在八千个入射粒子中，有一个被直线反弹了回来。这种奇怪现象，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，而大多数α粒子能直线通过金片也说明了这一点，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的“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。
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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。后来发现，α射线就是氦原子核，β射线是电子束，而γ射线则相当于X射线
该重视那个黑家伙了——量子论的产生
现在，人们都知道，我们这个世界的天地万物无一处不渗透着量子。在物理学家方面，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美誉，无疑应落到大器晚成的德国科学家马克斯?普朗克（图1-4）头上。（图1-4）马克斯?普朗克
量子论的“催生婆”是人类对黑体辐射问题的研究，这是热学中的一个问题。我们知道，所有物体都发射出热辐射，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。如果一个物体能够全部吸收而不反射外界投射在它上面的辐射，这个黑色的家伙就称为黑体。
十九世纪后半期，人们对黑体辐射问题进行了深入的研究。四位德国物理学家精确测定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，这使十九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的比较，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，告诉他说这个公式孕育着极其重要的真理，而不是一般的巧合。于是普朗克就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，可是在当时并没有引起重视，因为能量子的假设是与经典物理学相抵触的。
1905年，瑞士专利局里有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，多亏这原理的发现哩！
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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，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的，计算的结果才能和试验结果是相符。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为一常量，叫为普朗克常数。
小小实验击破旧理论——以太说的破产
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。亚里士多德认为天体间一定充满有某种介质。在笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。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，造成行星围绕太阳的运动。1678年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性脉动。但是后来由于光的微粒说压倒了波动说，以太理论受到压抑。1800年以后，由于托马斯?杨和菲涅耳的波动说成功地解释了干涉、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，必然有一种介质充满其间，这就是以太。他们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。（图1-5）迈克耳孙
1879年3月，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。信中谈到，由于测量精度的限制，直到目前为止，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（图1-5）看到，导致他毕生从事光速测量的工作。他首先改进了以前的测光速的方法，利用凹面镜和透镜把光路延长到600米，获得了当时光速测定的最新记录。1881年，他研制出一种干涉仪，现在称迈克耳孙干涉仪，他利用这个干涉仪从光的干涉的方法测量地球相对于以太的运动，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。（图1-6）莫雷
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，重新作这个实验。于是迈克耳孙与莫雷（图1-6）合作，改进了实验装置，把测量精度提高到25×I0-10，即一百亿分之二点五。然而他们反复进行测量，仍然得到的是否定的结果。对于迈克耳孙和莫雷来说，得到否定的结果是扫兴的。但这个否定的结果是可靠的，因此引起了物理学界的极大关注。因为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。
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瑞利
英国物理学家瑞利生于埃塞克斯的威特姆，他在理论和实验方面都有杰出才能，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密度，1895年发现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，因而获得1904年诺贝尔物理学奖。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。
数学物理齐创新——量子力学的创立
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，那么地面上将发生什么现象？我们也不妨设想下，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？
如果真的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，其中有很复杂的规律。几种原子又能构成千百万种形形色色的分子，有很复杂的规律，原子或分子构成各种各样的固体物质，也有很复杂的规律，而这许多复杂的规律统统要受量子力学的支配。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达到同一结果的。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。另一组由奥地利人薛定谔（图1-7）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。结果两组几乎在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、符合实验的结果，这就是第一个关于微观世界的理论的诞生。（图1-7）薛定谔
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。又经过英国人狄托克从理论上的整理加工，成为一门完整的、关于低能量的微观粒子的运动规律，这就是量子力学。
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电子的波性
1887年发现电子之后，人们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，光子既然又有波性又有粒子性，那么我们一直认为是粒子的东西，如电子，是否也会有波性呢？三年之后，果然在实验上证实了这想法是正确的。
小小职员有高论——狭义相对论的创立
科学巨星爱因斯坦（图1-8）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更深入到人类思想基本概念的结构中。”朗之万所言主要体现在爱因斯坦对相对论的构建。（图1-8）爱因斯坦
虽然现在一提爱因斯坦大家都知道，但在创立狭义相对论时的爱因斯坦却只是个小职员。原来大学毕业后，爱因斯坦没有立即找到工作，因为他是犹太籍出身，加之不修边幅，很受人歧视。为了谋生，爱因斯坦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，被瑞士伯尔尼联邦专利局聘用，当了个三级技术鉴定员。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，总是指它相对于地球而言的。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，而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E＝mc2（能量等于质量乘光速的平方）。
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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。
太阳便是铁的证据——广义相对论的创立
爱因斯坦建立了狭义相对论之后，并未就此止步，于1907年就着手创建广义相对论，经过近十年艰苦探索，终于在1916年单独完成了总结性论文《广义相对论的基础》，酝酿了十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，并且它是一项真正个人的工作，是爱因斯坦独自的发现，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，也同样可以适用。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。于是，爱因斯坦宣称：在引力场中传播的光线将要发生弯曲，并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的预见。
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（图1-9）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。去西非的一支由爱丁顿教授率领，去南美洲的一支由另一位美国天文学家带队。
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。（图1-9）日全食验证了广义相对论
去南美洲观测的结果，与在非洲观测的基本一致。于是，爱因斯坦的广义相对论的预言得到了证实：光线确实呈现出弯曲，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。
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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象，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，这个公式正是爱因斯坦科学生活生动而形象的概括。
散步时的灵感——原子核裂变的发现
如今，星罗棋布的核电站在世界不断的出现，核能为我们提供了大量的清洁的能源，但我们也不会忘记，第二次世界大战时，在日本广岛和长崎的投掷的原子弹。这就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，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，又能使别的原子核接着发生核裂变……使过程持续进行下去，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，是德国的科学家奥托?哈恩（图1-10）及他的助手奥地利-瑞典的女原子物理学家莉泽?迈特纳在1938年发现的。（图1-10）奥托?哈恩
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，还重新测量了镭的确切衰变速度和衰变模式，这花了他们3个月的时间。
1周后，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。她几乎从想象中就能感到原子核的跳动。她立即认识到已经找到了答案，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?迈特纳踉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。
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莉泽?迈特纳
莉泽?迈特纳是一位奥地利-瑞典原子物理学家，她的众多成绩中最重要的是她第一个理论解释了奥托?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Lise?Meitner（莉泽?迈特纳）。
一纸命令致惨祸——原子弹的爆炸
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年初，美国已得到了德国根本就没有研制原子弹的消息。按理说，担心既已消除，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月爱因斯坦为此又给罗斯福总统写了一封信，但他的信还没来得及拆封，罗斯福逝世了。
杜鲁门上台后，一意孤行，置科学家们的多次呼吁于不顾，在德寇已经投降和日寇即将投降的情况下，竟悍然下令向日本城市投掷原子弹。当时美国只有两颗刚刚制出的原子弹，一颗铀弹，名曰“小男孩”或“瘦子”，重四吨；一颢钚弹，名曰“大男孩”或“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%建筑物被彻底摧毁，这个30万人口的城市，有七万一千人当场死亡，六万八千人受伤。三天后(8月9日)，他们又把钚弹投到长崎，使这个山城约50%建筑物被摧毁，三万五千人死亡，六万人受伤。真是空前浩劫啊!
投在广岛和长崎的原子弹给无辜的百姓带来深重的灾难，其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（图1-11）。（图1-11）原子弹爆炸时的蘑菇状烟云
火球直径约百把米，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，人连同他的劳动成果都将被摧毁。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，就将长期储积在骨骼里，锶的半衰期为28年，过量的锶90，会引起严重的辐射病，甚至死亡，并会给下一代造成这样或那样的缺陷。
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野蛮武器的存在。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更加广泛地团结起来，进行不懈地斗争。
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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分按动引爆装置。瞬间，好像无数的太阳同时放射出耀眼的光芒，立时出现了一个直径为2千米的巨大火球向空中升腾，转眼之间变成高达10 000米的庞大蘑茹云，由于爆炸引起了飓风，并像地震一样震撼着沙漠的大地。安放原子弹的铁塔，已被几百万度的温度蒸发得无影无踪，留下了巨大的深坑，估计原子掸的爆炸当量约相当于2万吨TNT炸药。
进入核能时代——第一个原子反应堆的诞生
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（图1-12）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，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而产生的新能源从此诞生。（图1-12）费米
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，并可能是个巨大的能源。
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。
要实现自行维持下去的链式反应，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，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，而且不允许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l日，最后一层终于全都铺好。
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，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；第三组当遇到意外时，可使其滑入反应堆。万一这些措施都不顶事，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。
下午二点钟，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!
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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，对新兴的量子理论知之不多。费米却已经在钻研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。
歪打正着弄错成真—— 天然“放射性”的发现
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，而是贝克勒尔（图1-13），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。他自幼就受科学的熏陶，天资又很聪慧，加上刻苦好学，并且有着顽强的进取精神。这些都是他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。后来他取得了工程师的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，取得了可喜的成绩。
他的父亲老贝克勒尔一直致力于磷光现象的探索和研究。不少自然界的物质在阳光照射下，会发出磷光，这是他长期琢磨的一个问题。在父亲的影响下，小贝克勒尔对此也发生了浓厚的兴趣，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。（图1-13）贝克勒尔
一天，他用黑纸把一张感光底片包严，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，他就准备把它们拿到阳光下去晒，以便底片能感光。但很不凑巧，偏偏一连几天乌云密布，不见太阳露脸。他心里一个劲地怨这鬼天气，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。小贝克勒尔分外高兴，中断的实验又可继续进行了。他是个挺细心的人，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？问题可能出在铀身上，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”。
真正的科学家都是非常细心和敏感的人，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。
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玛丽?居里
玛丽?居里，出生于波兰，因当时波兰被占领，转入法国国籍，是法国的物理学家、化学家。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，被人称为“镭的母亲”，一生两度获诺贝尔奖（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3年零9个月才从成吨的矿渣中提炼出了0.1g镭。第二章走进力学的天地
力是我们物理学学科中,一个举足轻重的研究性课题。力是这个世界的基础。我们可以想象出一个没有任何力存在的世界。如果没有了重力，苹果还会落地吗？如果没有了摩擦力，汽车还会停止吗？如果没有了力的相互作用，地喷式火箭还会升空吗？没有力的世界，我们可想而知。力的存在，影响着我们的生活，我们的生活离不开力。今天我就带大家走进力的世界，用生活去揭开力学的神秘面纱。
小铁球吓倒大皇帝——大气压强的发现
1640年，意大利的佛洛伦萨有一位叫做托斯坎斯基的贵族，请人打了一口深井，使用了当时最优良的水泵，结果水只抽到十米高，再就抽不上来了。一切努力都是白费。检查一下吧！机器完好无缺，引水管亦无漏洞，是什么原因呢？工程师们学识、技术有限，解决不了这个问题，于是托斯坎斯基就以这个难题去请教大物理学家伽利略，遗憾的是那时伽利略已经老迈，还受着宗教势力的迫害，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，这问题未获解决。
继伽利略之后，托里拆利（图2-1）对这个问题作了深入的研究。当时人们信奉的是亚里斯多德“自然惧怕真空”学说。水泵为什么能抽水呢？根据亚里斯多德的学说，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。”根据这一学说，人们应该把水提到任意高度上。可是，现在抽水机把水提至10米后水再也不肯上升，亚里士多德的信条不灵了。托里拆利决定亲自动手实验了，那是1643年的事。（图2-1）托里拆利
托里拆利用一根1米长玻璃管，灌满水银后密封一头，然后用手指堵住口子。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，水银柱上方一端出现了真空，人称托里拆利真空。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，不再从管子里流出，—直保持在这个高度。1644年6月托里拆利写信给朋友，详细介绍了这个实验，并认为：环绕地球周围的气体，不仅很厚而且有很大压力，大气产生的重量向下压在槽内液体上，恰好和管子里760毫米水银柱的压强相等。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，承受的大气压力约有10牛。这一革命性思想，推翻了亚里士多德空气没有重量，大自然厌恶真空的概念。
当实验结果发表后，遭到保守势力的围攻。不仅人们不信，就是科学家们，除了很少数的而外，也持否认的态度。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，不惜代价，私人破费四千英磅，请人用铁精心制作了两个直径为三十七厘米的半球壳，中间垫上胶皮圈，合在一起就成为不漏气的空心铁球。制好后他马上发出邀请，皇帝、贵族、大官与平民百姓都来了，实验场上十分拥挤，好不热闹。他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，两半球就浑然一体了。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，这两边的马在马夫皮鞭的指挥下奋力向相反方向拉去，但是这几匹马的力量太小了，拉不开这二个合拢来的半球壳，格利克命令再增加马匹，一直增到十六匹马时，两个半球壳才免强被拉开了。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、大官与平民百姓，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，托里拆利的理论才为人们所接受。
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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就有2万千克左右重。怎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，这内压力恰与大气压力相平衡。
苹果砸出来的大发现——无处不在的万有引力
一提到万有引力，人们就会想到牛顿（图2-2）从苹果落地的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，树死后又移到牛顿纪念馆里供人们参观。
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？（图2-2）牛顿画像
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、风车等类的小玩具，不同的地方是他有个遇事爱独立思考的特点。在学生时代，他专心致志地刻苦读书，掌握了牢固的基础知识。大学毕业后，他在伽利略落体试验研究成果的基础上，进一步深入研究物体的运动规律，总结出著名的牛顿三大定律。为了计算物体的运动及其轨道，牛顿还创立了微积分，为进一步探索自然奥秘提供了锐利的工具。
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，开普勒的学说还没能解答。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，突然打开了他的智慧之窗，使他的思路顿时明朗起来。他想：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，就是因为地球对月亮有引力的缘故。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亮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：在同一时间里，月球向地球下落距离是苹果下落距离的三千五百五十分之一。也就是说，引力的减弱同距离增加的平方成反比。
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。
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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十万分之五克。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，否则稍一走近就会粘到一起了，像铁屑和磁石一样。但是，当质量很大时（比如两个天体之间），这个力又是非常大的，太阳与地球之间的引力达3.6×1022牛顿。要想经受得起这么大的一个力，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。地球也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。
洗澡产生的灵感——发现比重和浮力
两千二百年前，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成功的敬谢，让金匠打制了一顶献给永恒的神祗的金冠。
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十分恼火，发誓要严惩不贷。可是，苦于找不到确凿的证据。怎样才能既不损坏金冠又能辨出真伪呢？他把这个难题交给了当时的著名学者阿基米德（图2-3）。（图2-3）阿基米德
阿基米德虽然知识渊博，但这类难题也是第一次碰到，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，仆人把澡盆里的水放得太满了，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，并且感到水对他身体的托力也越大。这本来是十分平常的现象，阿基米德从未对它注意过。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，他高兴得几乎是喊了出来：“知道了！知道了！”不等洗完澡，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，沉入的愈多，浮力就愈大。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。每一件物质和相同体积的水都有个固定的重量比，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。结果呢？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，使金匠受到了惩罚。阿基米德也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年生于西西里岛的叙拉古，公元前212年被罗马入侵者杀害。阿基米德的数学主要成就是在纯几何方面。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，他是数学史上首屈一指的大数学家。按照罗马时代的科学史家普利尼的评价，数学界称阿基米德是“数学之神”。
一尊斜塔辨真假——自由落体定律的发现
如果将一块石头和一片羽毛在同一高度同时下放，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。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。在一个长长的时期内，对他提出的这个“落体定律”，谁也没有怀疑过。
到了十六世纪，在文艺复兴运动蓬勃兴起的意大利，年轻的伽俐略却在科学研究中对亚里士多德的论断产生了怀疑。伽俐略这样想：假定A、B两个物体，A重，落得快，B轻，下落慢。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，拴在一起对A的下落速度有一定的牵阻作用，所以，（A+B）又应比A落得慢。然而，这不是矛盾吗？正像河中的行船，大船快，小船慢，把两者拴在一起难道会比大船的速度更快吗？因此他认定，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。
伽利略揭示了亚里士多德的理论中的矛盾因素，说明了他的自由落体定律是错误的，不能成立的。但是，由于当时的意大利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。伽利略坚信自己的看法是正确的，他决定通过实验来对自己的观点进行证实。
1590年的一天清晨，26岁的比萨大学数学家伽利略，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（图2-4）。他让两个铁球（一个重l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!（图2-4）伽利略在比萨斜塔演示自由落体实验
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，是由于受到地心的吸引力。据实验，在地球表面附近，各种物体的加速度都约等于9.8米／秒2。物体不管形状如何，石头也好，鸡毛也好，在真空中从同一高度同时落下时，下落的速度总是相同的。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，里面放着石头、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，可以看到这些物体下落的速度是相同的。如果不抽出空气，则它们下落的速度就不同。由此可以说明，鸡毛等轻物体在空气中所以比石头等重物体下落得慢，是因为受到空气的阻力，而不是它们本身重量的大小。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。
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自由落体
自由落体的“落体”，顾名思义是指物体从高空下落，关键是“自由”二字，其含意为：其一，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，其二，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）。
想撬动地球的人——杠杆原理的发现
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）上秤。另外，古时候的船都是用桨来划动的，并且用舵来操纵，而桨和舵也都是杠杆。
古代的技术家们都知道，凭借这些简单的机械，就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，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。阿基米德却不乱说什么圆的“魔性”。他懂得：自然界里的种种现象，总有自然的原因来解释。杠杆作用也有它自然的原因，他想把这样的解释找出来。
最简单的杠杆是一条金属的或木质的直棍。如果把它在中点上支持起来，它就能保持平衡。当我们在杠杆的两端挂上同样重的物体的时候，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：它的一个臂就要下沉，另一个臂就要上升。想要恢复平衡，就必须把支点向较重的物体那边移动。阿基米德懂得，两个物体的总重量好像集中在枉杆的某一点上似的。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做重心。
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”。按句话税，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—个力臂有它五倍长，就是100厘米长。那未，如果在短力臂上挂上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这力臂所受的力的乘积是相等的”。例如，就我们前面所取的杠杆的力臂长度和重量来说，就有：5×20=1×100。
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，那末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费五倍。
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！”（图2-6）这句话，成为代表着阿基米德的性格和自信心的一句名言，随同着阿基米德的名字，一直流传到今天。（图2-6）给我一个支点，我就能撬起地球！
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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，例如剪刀、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。
让足球拐弯——流体动力学的创立
第13届丰田杯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”踢进了世界级门神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。所以重大比赛中，“香蕉球”往往能置对手于死地。“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（图2-7）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，就会导致球体两边压力的不同。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。（图2-7）“香蕉球”分析图
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、美索不达美亚和印度，它是随着水利灌溉和舟船航行的需要对水进行治理而出现的。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，阿基米德才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，还是等到17、18世纪时开始建立起来。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、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。
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马氏效应的其他应用
一些善打高尔夫球的好手们，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。这就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。
离奇的船祸——伯努利原理
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，防止火车开过来时会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？当小朋友学了物理知识识后，方知这是有道理的。的确，太靠近疾驶的火车就真会发生危险，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，这时在距其一百米左右处有一艘“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，竟向这远洋轮冲去。巡洋舰的舰长大惊，连忙纠正航向，但是一切努力都归于失败，“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，之间约有十几厘米的距离。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，两张纸非但未分开，而且靠得更近了。（图2-8）丹尼尔?伯努利
为什么会出现这种现象呢？原来吹气时两张纸之间的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（图2-8）提出来了，但是没有引起人们的重视，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，由于船头尖、船身宽，而在两船之间的各处，水的流量要保持不变，以免水形成在船的中部堆高起来，因此在两船身之间水的流速变大了，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，人们才从这事故中学到了知识，吸取教训，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，它附近的空气都被带动跟着前进，人若站在这行驶的火车跟前时，前面流速快而后面空气不动，这个压力差就会把人推向火车而发生危险。
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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3代人中产生了8位科学家，出类拔萃的至少有3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?伯努利是著名的伯努利家族中最杰出的一位，曾十次荣获法国科学院的年度奖。
小弹簧蕴涵大道理——胡克定律的发现
小时候你用钢丝在直棍上卷过弹簧吗？做成的弹簧可以拉伸又可以压缩，很好玩的。在实际生活中可见到各种弹簧，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、沙发床和椅上的弹簧等等。
弹簧具有怎样的性质呢？为了研究问题方便，假定弹簧是很轻很轻的（不考虑弹簧自身的质量），并且弹簧形变后，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牛力，形变量是0.2厘米；
给弹簧施加2牛力，形变量是0.4厘米；
给弹簧施加3牛力时形变量是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，是个不变的值。
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有同样的结论。早在1676年英国物理学家胡克（图2-9）做了大量的实验发现了这一规律。（图2-9）胡克
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。实际的弹簧都有一定的弹性限度（发生最大弹性形变时所对应的弹力大小），在弹性限度以内弹力与对应发生的形变才满足正比关系。
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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，根据能的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——伽利略相对性原理
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。这究竟是怎么一同事？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。如果子弹是从机舱后打进来的，和飞行的方向又正好一致，那么子弹和飞机就几乎是以同一个速度，沿同一个方向运动。这样的子弹对飞行员当然不会具有杀伤力了。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。用力学的话说就是，子弹相对于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。因此，所谓接子弹的“功夫”，只是在特定条件下的偶然现象。（图2-10）伽利略
其实早在1632年，伽利略（图2-10）就认识到了相对性的道理。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，让水一滴一简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，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右的摆动，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。
这个实验道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是在运动还是在停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。
相对性原理这个力学概念，并不是所有的人都能精确地描述的。但地球上所有的生物，包括人类，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米的速度作圆周运动（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。
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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？这就是破坏了“相对静止”。本来汽车和乘客以同样的速度前进着，人、车处于相对静止。突然车遇险情紧急停车，人却还在以惯性向前运动。如果汽车以每小时50千米的速度行驶（正常速度），突然停车时，人相对于汽车就会产生一个约每秒钟14米的向前运动速度。由于鞋底和汽车间的摩擦，使脚不能随人一起向前运动，人就必然纷纷摔倒了。
比萨斜塔不倒之谜——压力的作用
在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。中间曾经几度停工，历经178年才建成。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年间，平均每年倾斜3.8毫米。1918-1958年间，平均每年倾斜1.1毫水；1959-1969年间，平均每年倾斜l.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”（图2-11），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，构成了一幅凤凰单展翅的美丽画面。（图2-11）单排椅造型
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作成对称形体，认为这才是美；并认识到，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。
一个物体被支承在另一个物体上时，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（图2-12-a）。因为，这时重力和支面的合反作用力（支承力）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，重力与支承力就不再共线了（图2-12-b），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!（图2-12）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：在莽莽苍苍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，并都独县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
热现象是人类生活中最早接触到的现象之一。在有史以前人类已能钻木取火，由于火的广泛应用，人们就逐渐认识了许多热现象。但是，在古代社会生产力很低，人们在生产和生活中对热的利用还只限于取暖煮熟食物，最多也不过制造一些简单的金属工具。直到18世纪前，人类对热现象仅有粗略的了解。18世纪初，正是资本主义发展的初期，生产中遇到的热现象大大增多因而提供了许多关于热现象的知识。当时生产上需要动力，因而产生了利用热来获得机械功的企图。于是，就开始了对热现象进行比较广泛的研究。19世纪中叶以后，热学的理论和实践都取得了突飞猛进的发展
创立开尔文温标——汤姆生有关热学的发现
热学的发展与汤姆生的贡献是分不开的，略加思索我们便能想起开尔文温标、热力学第二定律的开尔文说法、焦耳-汤姆生效应等等。
1824年6月26日，威廉?汤姆生出生在英国贝尔发斯特。父亲老汤姆生是皇家学院的数学教授，性情温和，治学严谨。在几个兄弟姐妹中，他最受父亲宠爱。汤姆生从小十分聪明，智力过人，十岁就进入大学。1845年，汤姆生毕业时获得数学学士的学位，后来又获得史密斯奖章。1846年，他到格拉斯哥大学任讲师，不久就升为教授。1851年，年仅二十七岁的汤姆生被选为伦敦皇家学会会员。由于他在科学事业上屡有建树，得到各界人士的尊敬与爱戴。从1890年起，他被选为皇家学会会长，并且连选连任。1866年，他因建成大西洋海底通信电缆有功，被英国政府封为爵士。1892年，又被授予“开尔文勋爵”的封号。从此，人们就把威廉?汤姆生称为开尔文爵士（图3-1）。（图3-1）威廉?汤姆生
1847年，在牛津召开的英国科学协会会议上，开尔文结识了焦耳。在焦耳的鼓励下，开尔文把精力用到热学研究方面。就在他们相识的第二年，即1848年，开尔文就创立了热力学温标，或者叫开尔文温标，简称开氏温标。
有一段时期，关于温标的定义很混乱。我们知道，要建立一种温标需要选择某种测温物质，并利用它的某个随温度变化的属性来标志温度。当时比较普遍的是利用水银或气体的热胀冷缩特性。但是，利用水银温度计来建立摄氏温标的话，就要求水银在常温范围内是随温度升高而均匀地膨胀的。然而，怎样来确定这种“均匀膨胀性”呢？如果我们假定气体是均匀膨胀的，以此为依据来测定水银的膨胀特性的话，就会发现后者并非完全均匀的。反之亦然，以水银为标准去测定气体的膨胀特性，会发现它也不是均匀膨胀的。这表明，测温特性是因物质而异的。能不能建立一种不依赖于任何测温物质及其测温特性的“绝对温标”呢?开尔文第一个想到这个问题的重要性，并在卡诺定理的基础上，建立了“热力学温标”，即绝对温标。为了纪念他的功绩，后人将这一温标也称为“开氏温标”。在1927年第七届国际计量大会上，将这一温标定为最基本的温标，1960年第十一届国际计量大会规定用单一固定点(水的三相点273.16 K)来定义，其符号T，单位为开尔文(K)。同时摄氏温度t定义为T－273.15。由这一定义知道，热力学温度相差1度，摄氏温度也相差1度。
除此之外，开尔文在1851年独立的发表了热力学第二定律的开尔文氏说法。
1854年开尔文发现了汤姆逊热电效应，并运用刚刚建立的热力学理论把1821年与1834年分别发现的塞贝克效应、珀耳帖效应和他自己所研究发现的汤姆逊效应的三种热电现象联系起来，用数学公式的形式描述出了它们之间的相互关系。这项工作不仅促进了热电偶材料的研究，而且也丰富了热电偶测温的理论基础。
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绝对零度
把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度。绝对零度是理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。没有一个地方有这个温度，即使是宇宙的最深处,温度也比绝对零度高3度，人类也不可能制造出来这个温度，只能无限的接近。
不懈的400多次实验——焦耳热功当量
焦耳（图3-2）出生在一个啤酒酿造商的家庭里，少年时代勤奋好学，喜欢思索问题。上学以后，他受到老师——著名化学家道尔顿的影响，更加热爱科学，特别喜爱科学实验，有了问题，总想通过实验求得解决。（图3-2）焦耳
在焦耳生活的那个时代，人们普遍认为，热是包含在物体中的一种物质，物体的温度越高，包含的热越多。这种关于热的本质的学说，叫“热质说”。根据“热质说”，可以解释热从温度高的物体传导到温度低的物体的现象，就是说：热质从温度高的物体流到温度低的物体中去了。但是，假如“热质”是一种包含在物体里的物质，那么两个本来没有热质的物体互相摩擦，温度会升高，也就是摩擦可以生热，它们的“热质”是从哪里来的呢？这一点，用“热质说”就解释不通了。因此，一些人产生了怀疑，他们认为，热不是一种物质，而是能量的一种形式。焦耳就是这样想的。
当时，人们已经可以计算出能量从甲物体传到乙物体时所做的功。焦耳想，既然能量可以做功，也可以转变为热，那么，功和热之间的关系，是不是也可以找到一个公式把它表现出来呢?为了探索功与热转换中的数量关系，焦耳设计了400多次实验。他让水通过很细的管道，由于水与管壁摩擦生热，水温升高，然后根据水的多少、水温的变化，测出水获得的热量。同时，也测算出使水通过管道时所作的功，研究热与功之间的关系。为了测算碍更加准确，焦耳设计了一个很著名的实验：用一个重锤，通过一套类似钟表的传动机构，带动轮具在液体中转动。轮翼转动时与液体摩擦生热。这样，焦耳就可以准确地分别测量出液体因摩擦而得到的热量，和重锤下落时所失去的势能——也就是重力所作的功。焦耳比较了水和水银这两种不同的液体所得到的热量。结果发现，只要重锤是从同一高度落下，即所作的功是相同的话，那么，不管什么液体(水或水银)，都将获得同样多的热量。
经过十年的苦心研究，大量的实验事实使焦耳得到一个结论：不管用什么方式作功，一定量的功总会转化为一定量的热。热能与机械能之间的数量关系是：使一磅(454克)重的华氏55度-60度之间的水，
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