一、缘起
在追寻了解宇宙人生道理、了解自己的道路上，一本本书的出现满足了自己的渴求，最近对各种学科的发展史产生了兴趣，于是便相遇了《物理学的进化》这本书。最初发现这本书时，看到作者的名字叫做爱因斯坦，带着惊异和怀疑，几分钟后就确认了，对，正是那位相对论的创立者爱因斯坦，是他写的这本物理科普读物《物理学的进化》，这本书首次出版于1938年，合作作者是波兰物理学家利奥波德.英费尔德。
二、观念世界和现象世界
我们生活在这个世界，我们具有眼、耳、鼻、舌、身的感觉器官感知着这个外在世界，我们用语言思维着这个世界，交流沟通着这个世界，我们逐步形成对这个世界的各种认知和观念。物理学理论的发展一直在试图做出一个实在的图景，并建立起它和广阔的感觉印象世界的联系。
可以说物理学起源于哲学，早在物理学成为一门独立的学科之前，古代先哲们就开始了对宇宙世界的追寻和思索。古希腊哲学家们思索着宇宙万物的本原和生成演变的过程，哲学始祖泰勒斯（Thales）说宇宙的本源为水，取其无定形的形象；赫拉克利特说其为火，取其流变性，突出是运动变化的永恒性；毕达哥拉斯学派，认为数是万物的本原，理由是万物中普遍存在着数据结构，已具有相当的普遍性和抽象性；巴门尼德强调静止不动，主张存在是一，强调逻辑上在先的本质。
预示了后来物理学理论发展的是德谟克利特的原子论，他以原子和虚空作为自然万物的本原，他认为原子的是“不可分”的微粒，“虚空”并不是空无所有，而是原子运动的场所。
三、曾经的机械论的宇宙图景
从古希腊哲学到现代物理学的整个科学史中，不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系，机械论的宇宙图景就是这样一种企图。
在经典力学中，假如知道一个运动物体现在的运动状态和作用在它上面的力，那么它未来的路径是可以被预言，而它的过去也是可以被揭示的。利用经典力学原理，成功地计算出了所有行星的未来路径，而且热现象也用粒子间相互作用着的力的原理成功地进行了解释。对于19世纪初的物理学家来说，我们的外部世界的实在是由粒子组成的，在粒子之间作用有简单的力，这些力只与距离有关。机械的世界观用物质和作用于物质之间的力来解释一切事物，认为世界服从于机械因果律。
四、机械论的衰落
科学研究的结果常常迫使人们对哲学问题的看法发生变化，随着物理学家们对于电现象、光现象的研究，用普遍机械论去解释这些领域的现象遇到了严重的困难。整个机械观是建立在一个信念上，即认为一切现象都可以用粒子之间只与距离有关而与速度无关的力来解释。但是电学中有这样一个实验，它展现出来的现象推翻了这个信念，具体来说就是在通电线圈的周围对磁针产生力的作用，这种力不在连接导线和磁极的直线上，且力的强度与带电体的运动速度有关。
在光学中，存在微粒说和波动说两种理论学说。光的微粒说虽能用机械观去解释光的折射等现象，但太阳光的光谱现象，使得光的物质论变得更复杂化：一是要为每种色引入一种物质，二是所有光的微粒在真空中都有完全相同的速度，这两个假说似乎很牵强。光的波动说虽能很好地解释光的折射、衍射和光谱现象，但人们在自然界中观察到的波的传播需要介质作为媒介，于是便提出了真空中存在以太作为光波传播介质的假说。而这又需要探索理解以太的力学性质，但发现在力学中以太与物质之间竟然没有力学现象。
光学与电学展现的现象搅动了机械观的宇宙图景。
五、场——物理学创造的新“实在”的图景
伴随电磁现象的发现，最初，场的概念作为便于从力学的观点去理解现象的一种工具被使用，场不是对带电体本身而是对带电体间力的作用的描述。具体来讲，场就是某种空间区域，其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力，并且这种力是有结构的。
人类对于场这种新概念的认识是逐渐加深的，现在场已成为了一种新的实在，一个变化的磁场总产生电场，一个变化的电场也总产生磁场，我们人类的感觉器官虽不能感知到电磁场的存在，但基于电磁场的理论发展起来的广播、电视等应用已深深融合进了人类的生活。
在机械观的宇宙图景看来，只有物质和物质的变化，场概念的出现，给这个宇宙图景中添加进了空间结构的特性，我们开始不仅领会物体的行为，而且领会位于物体之间的某种东西（场）的行为。
六、走出柏拉图发洞穴，相对论启蒙
本书在讲解相对论的时候，举了一个精彩的假设案例，让我想到了柏拉图的洞穴学说。
设想一个物理学家在一个与外界完全隔绝的房间里，做平滑桌面上推动小圆球的运动力学实验，以验证惯性定律。这个房间如果是静止不动的，实验会得到符合惯性定律的结论，但如果这个房间绕一根穿过它中心的轴旋转，平滑桌面上小球的运动轨迹将出现尽量离开房间中央而向墙壁移动的运动轨迹，惯性定律将宣告不成立。设想这个物理学家毕生都在一个转动的房间内度过，并且在里面进行各种实验，那么他所得到的物理学定律将完全不同。另一方面，如果他在进入房间以前对于物理学的原理已经有了很深的知识，那么它就能解释力学定律之所以被推翻，是因为房间在转动。用力学的实验，他甚至能测定房间是怎样转动的。
我们所做试验的结果脱离不开所处环境的物理特性的影响，用物理学的专用术语，就是坐标系，也就是说任何观察必须在一定的坐标系中进行，力学实验的结果跟我们所选定的坐标系有关。以刚才叙述的假想情况来看，在某种程度上，我们生存的地球就是这样一个房间，我们所得出的经典力学所有定理的坐标系是地球。那么离开地球后会是什么样子的物理定律呢？离开太阳系、离开银河系呢？我们能否走出那一层层嵌套的柏拉图的洞穴呢？我们能否建立一个物理定律在任何的坐标系中都有效呢？广义相对论完成了这个任务。
七、绝对的光速颠覆了绝对的时间和空间（距离）
物理学家们已经通过实验确定了，光在真空中的速度永远是个不变的标准值（约30万公里/每秒），与光源及光的接受者的运动无关。从极致的情况来理解这个绝对光速的概念，就是地面上测量以光速运动的飞行器上发射出的光的速度仍是30万公里/每秒，和在飞行器上测量的光速是一样的，并不会像声速那样叠加上飞行器的移动速度。这就是在所有的坐标系中光速都是相同的。
在经典物理学中，时间和长度标准具有与任何坐标系无关的绝对意义，即，在地球的钟表走动一秒钟和一米长的硬杆，在任何坐标系场景下保持不变。但如果光速是绝对不变的，那么在不同的坐标系统中，比如上述光速运动的飞行器上和地面上，观察同一束光的运动特性，根据速度、时间、距离的关系公式，就推导出时间和距离是不同的结论。
狭义相对论使我们接受了相对的时间和空间的概念，而这对于我们感性的认知是颠覆性。在我们的日常感知世界中，由于任何物体运动的速度都远远小于光速，而导致了我们对于绝对时间和距离的直觉认知。伴随物理学的发展，一再证实了直觉认知的不可靠。运动的钟表和静止的钟表的步调不同，运动的硬杆和静止的硬杆的长度不同，这个结论已被电磁场现象的观察间接地证实。一个运动的杆，当速度等于光速时，它的长度会为零。一个运动的时钟，当速度等于光速时，它就会停止。我在想，那在以光速为参考系的空间，时间就是停止的，那也就是说在光的世界里没有时间。
八、静止的四维时空连续宇宙图景
我想在绝大多数人的世界观中，运动是在空间中发生的一系列事件，但是相对论改变了这个观点，它发现当时间失去了在不同坐标系中的绝对性时，空间与时间已不可分，把运动表示为存在于时空连续区中的某种东西，是描述实在的一幅更客观的图景。广义相对论建立起了一种能适用于一切坐标系的物理学定律，把时间和空间的概念进一步推广，将引力场解释成时空的弯曲。用几何的语言描述引力场就是，本身平直的时空中，有物体存在的地方，时空的结构会被弯曲，从而让我们观测到了引力现象。从这个角度可以说，广义相对论是一种关于万有引力本质的理论。而这也解开了我在机械论时的一个疑问：力只与距离有关系，与时间毫无关系，难道说力是永恒存在，不需要时间传播的？
九、概率的世界
我们知道所有的实物只是由少数几种粒子组成的，而这些粒子有怎样的物理特性呢？在原子领域内的大量各种不同的现象，再一次迫使物理学建立新的概念，探索新的理论。
目前，量子物理学的规律都是统计性质的，它不是关于一个单一个体的规律，而是关于许多个体集合的规律，这些规律不能由对一个个体所做的测量来验证，而只能用一系列重复的测量来验证。现代量子物理学放弃把个体作为在空间和时间里的客观对象来描述，而是引入了统计性的概率规律。“这一个物体是如此这般的，它具有如此这般的一种性质”这样的说法在量子物理学中没有地位，代替的说法是“有了如此这般的概率，个别物体是如此这般的，而且具有如此这般的性质”。
这让我想起了自己曾经读过的一本书《隐藏的逻辑》，我们人类社会，同样具备这种统计学的概率规律，我们无法预计某一个特定人的行为，但我们可以预计人类群体的行为，概率数学模型已应用到人类社会生活中的许多领域。概率的世界图景中个体失去了意义，这是否就是佛家所说的空呢。
色不异空、空不异色，色即是空，空即是色。
十、结语
回想自己在学校中学习了6年的物理，感觉自己仅仅学习了物理学的结论，知其然而不知其所以然。“没有深厚的数学功底，怎会懂得高深的物理学呢？”正是这样的观念，让我仅知道相对论三个字，仅知道太空旅行时间会变化的结论，但这时间变化的事情对我只是科幻电影或小说中出现的一种遐想，而对其然不知，其实在骨子里也可说在潜意识或感性层面并没有这样的认可，所以世界观还是那个世界观。
《物理学的进化》这本书没有一个数学公式，作者引导阅读者在头脑中去完成一个个物理实验，就像历史上的物理学家们曾经做的那样。当我按照爱因斯坦的指引，把物理学的进化在头脑中演绎一遍后，豁然开朗的明亮照射内心，就像自己突然来到了一个新奇的仙境般，好奇而喜悦地看着这个陌生的熟悉世界。
十一、后记——对自己启发性大的几个物理概念专题
一些耳熟能详的概念质、能、热、波、光等等，在看过这本书后，发现原来后面隐含如此深的奥秘。
专题一：两个质量的问题
这里要提到的一位伟人就是伽利略。伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。我们都知道伽利略在比萨斜塔上做过两个铁球同时落地的实验，这个实验的结果颠覆了这之前人们对于重物体比轻物体下落快的直觉经验，他的发现告诉我们根据直接观察所得出的直觉的结论常常是不可靠的。
这一实验的结果还为物理学的后续发展提供了一个重要的线索，就是两个质量的问题。看这本书之前，我从来没有质疑过物体的质量竟然也存在疑问。用同样的力推动不同质量的物体，获取的速度不同，想当然认为是物体过重带来的后果，将质量混同于重量。从来没有设想过，如果在没有重力存在的环境下，推动物体将与重力没有任何关系，那质量大小和推动的后果有关吗？头脑说有关。这里就出现了两个质量的问题，惯性质量和引力质量是否相等的问题。两个质量不同的铁球同时落地，说明任何落体的运动与质量无关，用物理学家的表述就是，一个落体的加速度与其引力质量成正比而增加，而与其惯性质量成反比而减小。因为所有的落体都具有相同的不变的加速度，所以引力质量和惯性质量必定是相等的。那么惯性质量和引力质量是永远相等还是偶然相等，就是这个问题将物理学引向更深远的领域——广义相对论。
专题二：质与能的问题
在物理学发展的路途上，曾经把热看成是一种没有重量的物质。但摩擦生热的自然现象否定了热是某种物质的假设，因为这与物质既不能被创造又不能被毁灭的特性相矛盾。那如何去理解热现象呢？物理学家们研究运动物体的运动特性时创造了一种新的概念——能，定义了动能和势能，这两个概念可以从云霄飞车的实例中去体会。物理学家们通过运动物体因摩擦产生热的现象，将热与能相连接，通过实验证明了机械能（动能和势能）和热能具有稳定转化关系，由此热成为了能量的一种形式。在自然界的每一种现象中，一种形式的能总是以一个完全确定的转换率转变为另一种形式的能，这就是众所周知的能量守恒定律。
到此，我们就有了物质和能量这两个概念，此二者都遵守守恒定律（质量守恒和能量守恒）。但伴随新的物理学的发展，这两个概念发生了与相对论有关的进一步改变。根据相对论，质量和能之间没有重要的区别，能同样具有质量，而质量代表着能量。但人类感觉的世界中，由于能的质量太小（能把3万吨水变为蒸汽的热量称起来只有1克重），而一直被认为没有重量，也因此认为能量不是物质。在认识了质能相当性以后，纯实物的概念被放弃了，我们的感觉器官作为实物来感受的东西，事实上只不过是大量的能集中在比较小的空间而已。
专题三：光的困难----光的波动说和粒子说
光是我们日常生活中一刻也离不开的现象，但由于太过熟悉，而被忽略了去追问光的物理性质是否也符合机械论呢？直到伽利略在《两种新科学》的书中，提出了光的运动是瞬时的还是需要时间的疑问，正式提出了测定光速的问题。之后牛顿通过三棱镜折射将日光分散出七彩，使得光的物质论变得更复杂化：一是要为每种色引入一种物质，二是所有光的微粒在真空中都有完全相同的速度，这两个假说似乎很牵强。与牛顿同时代的惠更斯提出了光的波动说，虽能很好地解释光的折射、衍射和色的多样性现象，但人们在自然界中观察到的波的传播需要介质作为媒介，使得惠更斯提出了真空中存在以太作为光波传播介质的假说。这又需要理解以太的力学性质，而发现以太与物质之间竟然没有力学现象，使得人们不得不放弃以太的假设，而姑且认为真空具有传播光（电磁波）的物理性能，那进一步的问题是，空间还有那些性能我们人类没有感知或探知到呢？
伴随物理学的发展，当物理学家们深入到量子微观的世界时，发现微观的世界对于光竟然展现出矛盾的特性：同样是一束光，在有些物理实验中展现出来的现象，只能用粒子说来解释，而不能用波动说来解释，比如光电现象；而一些现象，比如衍射现象就只能用波动说来解释而不能用粒子说来解释。这就是物理学现代发展中所遇到的最基本的困难问题之一，今后一旦发展出的理论能把波和粒的对立统一起来，相信这一定会大大地促进科学的进步。
物理学发展道路上遇到的新困难迫使物理学理论愈来愈抽象，许多预料不到的现象仍然等待在发展的道路上，而物理学家们的最终目的一直是要更好地了解实在。物理学展现出的外在世界的图景愈简单，它所包括的客观现象愈多，它愈能在我们的脑海中鲜明地反映出宇宙的融合与一致。