第1章 宇宙物理屬性的簡介 001

第2章 物理學研究方法 008

第3章 等高線理論及其物理學應用 017

第4章 變量 032

第5章 運動 049

第6章 物質的運動 081

第7章 物質的屬性 103

第8章 引力 109

第9章 氣體的性質 127

第10章 液體的性質 137

第11章 固體的屬性 148

第12章 物質的構成 157

第13章 物質的動力學理論166

第14章 聲音173

第15章 光的強度、速度和理論193

第16章 光的反射、折射和色散198

第17章輻射和吸收：光譜分析、反常色散和熒光227

第18章干涉和衍射239

第19章雙折射和偏振263

第20章熱的本質292

第21章熱輻射和熱吸收296

第22章吸熱效應：膨脹及其實際應用304

第23章吸熱效應：溫度及物態變化318

第24章熱傳導和對流338

第25章熱力學：熱和功348

第26章熱力學關繫362

第27章靜電學369

第28章熱電學403

第29章電流414

第30章磁429

第31章電磁學450

第32章光的電磁理論467

第33章以太475

1.宇宙中發生的所有過程可以分為兩類：物理的和非物理的。這些過程可以發生在非生命物質中，也可以發生在生命體及其體內。當然，上面提到的說法隻是人們對“物理”一詞的定義，人們通常並不認為它與生命有所瓜葛。然而，當我們在生命或其體內觀察到與無機自然界類似的過程時，我們將這些過程納入純物理學研究的範疇；當兩種過程完全不同時，我們將問題留給生物學家做進一步探索。

2.物理學領域博大精深。顯然，人們窮盡一生，也難以窺盡它的全貌。曾幾何時，科學家們也許還會仿效弗蘭西斯·培根（Francis Bacon）的豪言，“我已經掌握了本人所在領域的所有知識”，但這在今天幾乎是不可能的了。從本質上講，所有涉及各種物質相互結合和反應的問題都是純物理問題，但如今研究這些問題的往往是化學家；天體運動的研究和預測，以及天體物理成分的推定工作等交由天文學家來完成；地球的構造則由地理學家來研究。同樣，航海和船舶設計、工程學、礦物學、地質學（在很大程度上）、氣像學等也都屬於純物理學。這些學科是由許多學者共同研究的，因為它們所涵蓋的知識是如此龐大，任何一個人都無法獨自研究其全部內容。因此，隨著知識的增長，物理學出現了分支，“物理學”“自然哲學”“物理”等學科術語在語義上縮小了———如今，它們隻能代指高應用性和高專業度的物理學下的單一基礎科學。

3.宇宙是客觀存在的還是非客觀存在的？在研究物理學之初，我們從未思考過這些形而上學的問題，而隻是簡單地假設它獨立於我們的主觀意識而存在，繼而研究構成整個宇宙中的事實和現像。但在進行一切詳細研究之前，我們好先把宇宙這一研究對像作為一個整體來看待，以便了解它的全貌及其各局部之間的已有聯繫。這也是為什麼，在陌生的國度旅行時，旅行者往往要登高望遠，借助有利地勢進行觀察，從而纔能在腦海中清晰地規劃出接下來的旅程。

4.研究伊始，我們便遇到了一個棘手的難題——該如何區分出宇宙中哪些是客觀存在的，哪些隻是徒有其表？換句話說，我們該如何區分出真實景觀和海市蜃樓呢？在觀察者眼中，這兩者實在太相似了。那麼，我們又該用什麼來檢驗事物是否客觀存在呢？

除了假設物理的宇宙客觀存在之外，人們還認為宇宙中的一切都遵循著規律，而後者有據可依。那些“嚴謹的科學”透漏出的一絲可能性，都可以被作為證據，來證明存在本身的真實性。牢記這一觀點，我們便能明白，一切客觀的事物都不會在宇宙中憑空出現或隨意消失。因此，在證實某物體為恆量之前，或者（用一般的科學說法），除非我們能夠證明該物體可以守恆，否則我們便不能將其認定為客觀存在。因此，守恆是物質是否客觀存在的重要檢驗標準之一。

後來，人們發現，這一檢驗標準適用於，且僅適用於物理世界的兩大類事物：維持宇宙運轉的物質和能量。

5.所有人都知道組成機體的“物質”或“材料”是什麼，同時，我們也無須試圖去為其下一個定義。乍看起來，物質顯然是不守恆的。如果我們通過稱重的方法來確定一塊石灰岩的物質質量，然後對其進行充分加熱，我們會發現，在加熱後，石灰岩的質量變少了。好像石灰岩中的一部分物質在這個過程中丟失了。但實際發生的是，石灰岩中的碳酸鈣在受熱時分解成氧化鈣和碳酸。碳酸無色，分解成二氧化碳和水，悄悄揮發掉了，沒有人注意到這點。第二次稱重時，我們隻稱得所剩石灰的質量。通過適當的方法，我們可以測定揮發氣體的質量，然後發現加熱後各成分質量之和等於石灰岩的原始質量，在這一過程中，物質並沒有丟失。我們會發現，無論多麼復雜的化學過程，都會出現以上相同的結果：事實上，隻有在嚴格的物質守恆條件下，化學反應纔會發生。因此，我們稱物質是客觀存在的。宇宙中存在各種各樣的物質，它們的各項物理屬性或多或少都有差別。在後續章節中，我們將詳細討論這些屬性，並提及個別特殊物質之間的變化；但對自然界中各種物質進行的統計、分類和研究等工作更多地分屬於化學，而非物理學。隻有當某些物質具備超級屬性，可以滲透到其他一切物質並蔓延到整個可見宇宙中，在物理上具有極其重要的意義時，纔要求我們必須單獨對其進行物理研究（參見第33章）。

6.除了守恆的屬性以外，物質還具有惰性或慣性。也就是說，一個物體無法自行改變自身的運動狀態，除非受到外界的影響，否則處於靜止狀態的物體無法運動，運動中的物體也無法停止運動或改變運動狀態。在第6章，我們將結合“牛頓運動定律”，對物質的這一屬性及其結果進行探討。物質的又一顯著特征是——一種物質可以與另一種物質結合，從而產生一種復合物，其屬性可能與原先的兩種成分截然不同，但是，如果沒有另一種物質的參與，這種變化就不會發生。

7.有充足的證據顯示，物質的慣性是無法克服的，意即，物質的運動狀態是無法改變的，除非物質的另一部分通過直接踫撞或其他方式施力於這一部分。一般來說，在這種情況下，物質的另一部分會對這一部分“做功”，或者物質的這一部分克服另一部分對其施加的力而做功。因此，“做功”實際上可以引發物質運動。我們可以一致斷言，物質的另一部分擁有“功”並將此“功”傳送給這一部分。通俗地講，“功”的傳送和轉移的過程即做功的表現。然而，我們通常采用一個更為簡便的術語來代替“功”——能量。因為，盡管在所有情況下，“功”或能量必然導致具有這些“功”或能量的物質繫統發生運動，但有時我們並不能覺察到這些繫統在運動。此時，我們好說，某些靜止的物體具有勢能，通過勢能的轉化，可以使另一部分產生運動（見下文）。

當質量不同的兩個物體以相同速度運動時，質量（物質的數量）小的物體做功較少；當質量相同的兩個物體以不同的速度運動時，速度小的物體做功較少。當速度或質量趨近於零時，物體做功趨近於零。目前的實驗（在技術所能達到的實驗條件下）結果顯示，運動物體做功的多少僅與質量和速度有關。

以規定速度運動時，每一單位質量的物體都具有相同的能量，因此，任何物體具有的能量都與它所含物質的總能量成正比。

現在，假設質量相同的兩個物體，在一條直線上以大小相等、方向相反的速度運動，兩者具有等量的能量E。可以推測，後的結果是兩個物體相互撞擊，然後靜止。在撞擊過程中，由於互相阻止對方繼續向前運動，兩個物體的能量相抵，總能量2E消耗為零。接下來，使一個物體處於靜止狀態，另一物體的速度加倍，則兩個物體的相對速度大小不變，因此兩者靜止時，被消耗的能量仍為2E。然而，實驗結果表明，當發生踫撞後，兩個物體會以之前運動物體速度大小的一半一起繼續運動，每一物體仍然具有1E的能量。因此，先前運動的物體應該具有的能量為4E。

通過以上及其他類似條件下對運動物體速度展開的實驗，我們得出結論：運動物體的能量與其運動速度大小的平方成正比。

如果E代表運動物體的能量，m是物體的質量，v是物體的速度，則研究結果可以用以下公式表示：

E＝kmv²

其中k為常量，可根據能量單位取任意值。在後續章節中，根據我們常用的能量單位，k值一般為1／2，因此有

E＝12mv²

8.在物理上，我們將上文中提到的能量稱為動能。但是，運動的繫統並不一定涉及動能在兩個物體之間的轉化。在一些條件下，具有動能的運動物體動能會越來越少，終在某一狀態下完全消失。如此，運動物體剩餘和消耗的動能可以分別通過其在運動繫統中的位置來表示。因此，基於本章第7節中的假設———靜止物體增加的能量等於運動物體減少的能量，這時運動物體處於繫統中的位置可以用靜止物體增加的動能來表示。在兩個物體位置無限接近、產生踫撞時，能量纔會在兩個物體之間重新分配。下面，我們來討論位能或勢能（分為可見和不可見兩種形式）。