物理老師為什麼凈講一些實際上不存在的東西？

最新 09-14

美劇《生活大爆炸》中Leonard講過一個笑話：有一個農民養了一群雞，但都不下蛋了。於是他找了一個物理學家來解決問題，物理學家做了一些計算，然後說「我找到了解決辦法，但只對真空環境下的球形雞適用」。這則笑話揭露一個事實：物理學家在處理實際問題的時候，會對複雜問題進行簡化——也許是看起來很「過分」的簡化。

圖片來源：《生活大爆炸》

這種簡化在我們的課本中並不少見：質點、點電荷、空氣沒阻力、導線沒電阻……也許你會質疑，科學技術發展到今天，我們還需要依賴各種簡化才能解決實際問題嗎？事實是絕大多數實際問題過於複雜，當前的技術根本無法處理。

如果你讀過劉慈欣的《三體》，就會知道三體問題無解。而充斥著無數物質的真實世界其實是更為複雜的N體問題，例如12克碳就有約1023量級的碳原子，宇宙中擁有約1022量級的恆星。針對N體問題，物理學家通常做法是將它簡化為單體問題或者兩體問題。

三體問題可以表述如下：計算已知質量、初始位置和初始速度的3個可視為質點的天體，在萬有引力作用下的運動軌跡。作者製圖

N體問題簡化之後，科學家依然可以準確算出日全食的時間，預言某種新材料的特性等。這多虧了不斷地修正理論模型和縝密的邏輯推理。發現海王星、鐵球落地實驗就是兩個很好的例子。

太陽系八大行星中，海王星位於最外側。圖片來源：wikipedia

在發現海王星之前（1846年9月23日人類首次觀察到海王星），人們所知的太陽系由太陽和7大行星構成，其它星體由於質量小，對系統影響不大，忽略不計。當人們利用萬有引力公式去計算天王星的軌跡的時候，發現和實際觀測數據不一致。有兩種可能的解釋：萬有引力定律是錯誤的；天王星附近還存在一顆行星，它影響了天王星的運動軌跡。後來的觀測證實，天王星附近確實存在另外一顆行星——海王星，萬有引力是正確的。

另一個例子是爭論幾千年的問題——不同質量的物體同時開始下落，落地時間嗎？不論是古代還是現在，都很難通過日常條件下的實驗來判斷，原因在於完美的「同時開始下落」很難做到，相差0.001秒也會使結果存疑。

比薩斜塔的鐵球實驗是否發生過尚存疑。另外，用手拋落的實驗方法並不嚴謹。圖片來源：人教版課文《兩個鐵球同時落地》插圖

但是理論很早就可以回答這個問題。如果重的物體A比輕的物體B下降速度快，那麼把A和B綁在一起，總質量增加，下降應該更快；但既然B下降得比A慢，那麼綁在一起後B必然會拖累A，所以總的下降速度應該比A慢。這兩個結論是矛盾的，因此假設不成立，正確的結論應該是兩者下降速度一樣。

科學是經得起觀測和邏輯推理的，但是現實生活中，也有可能會出現結果和理論不吻合的情況。任何簡化方法都是有使用前提的。比如握筆的時候，三根手指通過不同部位、不同角度對一支筆施力，就不能把筆當成質點來分析。帶電的避雷針，即使個頭不大也不能當作點電荷來處理，因為避雷針存在很尖銳的端點，尖端更容易帶電，因此更加容易被雷擊，以這種方式達到保護其它物體的目的。

另外，有時初始條件十分微小的變化，隨著時間推移被不斷的放大，也會導致最終狀態不可預測。就像蝴蝶效應所說，「一隻南美洲熱帶雨林中的蝴蝶扇動幾下翅膀，可以在兩周以後引起美國的一場龍捲風。」現實生活中股票、天氣就屬於這種情況。

科學在用兩條腿前進：一條腿是理論，大膽建模、合理簡化，找到複雜現象的本質規律；另一條腿是實驗，通過實打實的現象、數據來驗證理論模型是否正確。經過理論與實驗反覆互相補充，科學終將把真空中的球形雞變成一隻正常雞。

知識點物理高中必修1

在某些情況下，我們可以忽略物體的大小和性狀，突出「物體具有質量」這個要素，把它簡化為一個有質量的物質點，這樣的點稱為質點。

編輯：張帥琰