第一节   科学的基本知识

一、热力学三定律

热是最普遍的能量传递形式。气体温度是大量气体分子热运动的宏观表现，固体的热传导是物质原子在平衡位置附近机械振动时的能量传递，热辐射是物体内部带电粒子热运动时引起的电磁辐射。所以，热、电磁、光等现象和机械运动都是能量的不同形式，可以相互转化，并且遵循能量守恒定律。

热力学第一定律，是能量守恒定律最普遍的形式。在历史上，焦耳发现了热功当量和I毡流的热效应。开尔文给出了热力学第一定律的数学公式。这一定律表明，热力学系统如不吸收外部热量却对外做功，须消耗内能；不可能造出既不需外界能量又不消耗系统内能的永动机。这个定律所表示的关系可推广到电磁、化学等形式的能量转化过程中，可被理解为广义的能量守恒与转化定律，是自然界最基本的定律之一。

热力学第二定律：在卡诺研究蒸汽机效率的基础上，克劳修斯提出，热不可能独立地、没有补偿地从低温物体传向高温物体；在一个孤立系统内，热总是从高温物体传向低温物体的，而不是相反。开尔文提供了另外一种表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用功而不产生其他影响。这两种表述包含的共同结论是：热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分传给低温热源。根据这个定律，任何热机的效率都不可能达到100％。

热力学第三定律：在科学家研究固体、液体、分子和原子的自由能的基础上，能斯特提出，在温度达到绝对零度(一273摄氏度)时，物质系统(分子或原子)无规则的热运动将停止。尽管人可以用制冷技术降低物体的温度，但绝对零度实际上是不可能达到的。

二、电磁理论

近代科学家发现磁极之间的斥力遵循平方反比定律，发明了储存电荷的莱顿瓶。库仑在此基础上发现：两个点电荷之间的作用力大小与它们的电量乘积成正比，与距离成反比，作用力在两点连线上。库仑定律形式上同万有引力定律相同。

伽伐尼发表了《论肌肉运动中的电作用》一文，伏特对此作出了正确解释，发现了电流，并发明了最早的电池，导致了电学研究的革命。奥斯特在做物理实验时偶然发现电可以转化为磁。法拉第、亨利则发现：磁也可以转化为电，即电磁感应现象。

1872年，麦克斯韦提出一组(共4条)方程式，概括了电场、磁场本身，以及电转化为磁、磁转化为电所满足的数学关系，并导出电磁场的波动方程，还预言光是电磁波。他的理论成为描述电磁运动的基本理论。

三、相对论

相对论是爱因斯坦创立的物理学理论，描述物体的高速运动和相关的时空性质，包括狭义相对论和广义相对论。

狭义相对论假定：光的传播不需媒介，真空中的光速在一切惯性坐标中均是一个常数(c)。在此基础上进一步认为：一切客观物体的运动规律，在各个不同的惯性坐标中均有相同的形式。也就是说，不存在以最简单数学形式描述物理运动的特殊的惯性坐标。宇宙中不存在特殊的惯性坐标的假说，被称为“相对性原理”，爱因斯坦的理论也因此被称为相对论。根据狭义相对论，运动的尺子要缩短，运动的钟会变慢，光速是物质运动的极限，两个事件的同时发生是相对的。在物体运动速度远小于光速的情况下，相对论力学也就变成了牛顿力学。在此基础上，爱因斯坦提出，物体运动速度趋近光速时，质量会趋向无穷大(质一速关系式)。电子运动实验证实了这一点。爱因斯坦还提出了质能关系式。质能关系式表明，质量的亏损伴随着巨大能量的产生，这也得到了原子核物理学实验的验证。

爱因斯坦从牛顿第二定律中的惯性质量和万有引力定律中的引力质量两者相等的事实出发，提出著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论——广义相对论。根据等效原理，一个加速度为a的非惯性系等效于含有均匀引力场的惯性系，也就是说，在一个加速系统中所看到的运动与存在引力场的惯性系统中所看到的运动完全相同。比如，地球引力场中自由下落的人的感觉与太空中的失重情况相同，这也得到宇航员的亲身验证。根据广义协变原理，无论在惯性系中还是在非惯性系中，物理规律都有相同的数学形式。这样，相对性原理由惯性系推广到非惯性系，狭义相对论就变成了广义相对论。

根据广义相对论，时空的性质不但取决于物质的运动，而且也取决于物质在空间的几何分布。物质和运动在决定时空性质方面有等价性。在引力场中，空间不再平直，而是弯曲的。物质密度高的地方引力场强度大，时空也弯曲得厉害，其中时间的弯曲是指时间流逝的节奏。根据牛顿的理论，月球围绕地球运动的轨道是一个椭圆，维持这种运动的是万有引力。根据爱因斯坦的理论，由于地球的质量使其周围的空间弯曲，月球不过是在弯曲了的空间中沿最短路径运动而已。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动。”物质、运动和时空三者之间有不解之缘。相对论不但引起了物理学革命，也深刻影响了人类的时空观。