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物理学在迅速发展，不断地揭示新的现象和规律，征服新的领域，还向
相邻的学科交叉渗透，并在高新技术园地里开花结果.这就促使大学基础物理
课程作相应的改革，以适应科学发展的新形势.值此新旧世纪交替之际，广大
物理学工作者和教师所面临的一项重大挑战，乃是写出一本面向21 世纪的大
学物理教材.
卢德馨教授曾从事理论物理的科学研究多年，取得了第一手的科研经验，
有良好的物理素养.近年来他主持了南京大学基础学科教学强化部的工作，并
承担了其中大学物理学的教学任务，致力于基础物理学课程的教学改革.他对
此深思熟虑，自有一套创新性的见解，而且有足够的能力和毅力，将这些概
念付诸实践.这本书就是他多年教学经验的结晶，既新颖可喜，又脚踏实地，
是一本优秀的基础物理学课程的教材.
基础物理学改革的浪潮是全球性的，持续了好几十年，既有成功的经验，
也有失败的教训.理论物理大师费曼（R.P.Feynman）的例子就是颇有启发性
的：他于60 年代初介入了大学基础物理的教学改革，曾在美国加州理工学院
教过大学一、二年级的物理课程.称著于世的三大卷《费曼物理讲义》就是这
段经历的见证.他对于物理学的许多方面做出了富有创造性的重大贡献，随之
而来的是他对物理学的透彻洞见和精辟理解.他在上物理课时，若天马行空，
纵横驰骋；即物穷理，多蕴妙悟；且谈笑风生，挥洒自如.以此，这部讲义对
广大物理工作者和教师，深富启迪和教益，成为被引证最多的一部物理著作，
在物理学界产生广泛的影响.从这个意义上来说，这个教改的尝试是成功的.
但是应该看到事物的另一面：这本讲义，陈意过高，使得刚入大学的学生难
以掌握，因而不适宜作为实际施教的教科书.可以这么说，这是一本为教师而
写的，而不是为学生而写的教科书.对学生来说，显得高不可攀，难以理解其
底蕴.作为教材，在可接受性上出了问题.随之而来的多卷本《伯克莱物理教
程》虽在可接受性上略有改进，但仍有问题.因而可接受性成为了评衡教材的
另一重要标准.瑞斯尼克（R.Resnick）与哈立德（D.Halliday）的《物理学》
虽然没有费曼那样高的独创性，但稳打稳扎，更贴近于传统教材，可接受性
良好，受到广大教师的青睐，遂成为美国应用最广泛的大学物理学教材.革新
性教材的另一个问题，是由于要增加很多新的内容所引起的.适应科学发展的
需要，必然要增添许多反映新的进展的内容，而作者往往喜新不厌旧，对于
传统的内容舍不得抛弃，结果就会使教材的内容臃肿，篇幅浩繁，也不利于
施教.
本书作者力图推陈出新，变革教材的陈旧面孔.在这一点上，显然受到费
曼的影响，但是他并不沿袭费曼的具体做法，而是有自己的新意.例如在第四
章，他采用透视历史的方法来引入万有引力定律，娓娓道来，引人入胜.然后
讨论了引力的现代问题，诸如引力质量与惯性质量的等同性，引力红移和引
力塌缩等，和物理学的前沿相衔接；然后再回过来处理二体开普勒问题的理
论，使得学生能切实地掌握相应的理论方法.整章读下来，从历史到现实，从
概念到理论，有融会贯通的乐趣.又如在第二十七章叙述玻色-爱因斯坦统计
之后，紧接着引入最新的实验结果来讨论玻色-爱因斯坦凝聚问题，使学生不
是单纯被动地接受一些知识，而是置身于物理学发展的动态环境之中，有身
历其境之感，培养了学生对物理学的参与意识.
本书作者一方面对创新下了不少功夫，同时清醒地意识到可接受性的重
要.篇章的顺序是力学——热物理——电磁学——近代物理，大体上符合循序
渐进的教学原则，不会使学习者产生太大的跳跃和脱节的感觉.本书作者也注
意到学生容易犯错误的地方，例如在教矢量的地方，着重提醒哪些表达式是
非法的，这一细节反映出作者是一位经验丰富的教师.另外全书的篇幅控制在
600 页左右，使得这一教材可以游刃有余地在180 小时课堂教学中完成，避
免了篇幅过大的毛病.
这本教材自1989 年起即在南京大学强化部大学物理学课程中试用，1993
年起又用于南京大学天文系的学生.历次教学的效果良好：它激发了学生对物
理学的兴趣，也培养了思考物理学问题的能力，这从学生们所做的小论文工
作取得良好成绩得到了验证.当然，强化部的学生素质较高，也为这一教学改
革顺利进行提供了良好的条件.总之，这是一本令人耳目一新、适于实际施教
的大学物理学教材，值得向物理教学界推荐.
冯端
1996 年10 月
前言
本书是作者在南京大学基础学科教学强化部讲授的“大学物理学”课程
基础上写成的.强化部有天文、物理、生物物理、化学、生物、生物化学等学
科方向.“大学物理学”作为一门公共基础课，很难根据现有的“本系”或“外
系”教材来讲授.因此需要一本全新构思的书.普通物理教科书的基本内容往
往仍然是以17 世纪、19 世纪的为主，这在世纪之交是很不适宜的.学制的缩
短、双休日制度的实施使课时过多的矛盾更加突出.作者尝试撰写一本以20
世纪内容为主导的教科书，篇幅适合两个学期的课程，希望能够作为多个学
科学生的公共基础课教材.
从当前科学发展的趋势看，学科的交叉、渗透相当普遍.在教材中努力体
现这种倾向是值得尝试的.在本学科中各分支间的关联以至融会贯通也是应
该强调的.当然寻求物理学与其它学科、物理学各分支间的“枝连”是颇为艰
难的事.再者作者本人相信前沿课题应该在基础内容中有其“根”，寻根的工
作也是相当艰难的.但是一旦发现前沿课题中有适合基础教学的内容，则务求
能纳入教材.希望这种搜索寻根的工作使教材更为丰满、充实.实际研究工作
者的思路、方法对于初学者来说是很有价值但又难以获得的.例如在研究工作
中如何获取和处理信息、处理好数学和物理的关系、不断调整研究步骤、深
入理解结果的意义、扩大成果等等，本书试图通过实际问题向读者展示.
传统的基础课强调基础知识、基本理论和基本技能.实践证明完全可能通
过课程达到进一步的目标：培养学生的探索精神和创造精神.可以通过历史、
展示现实作出示范.同时还可以创造条件使学生有向内容的深度和广度发展
的余地.讲授应该不局限于一本教材，提倡开放式.本书引用一定数量的文献
和参考书，展示一些悬而未决的问题，都是基于这种考虑.列出的一些经典文
献和专业文献主要是供给教师研究用.标有*的节和段落可以作为参考内容.
在本书的辅助材料电子版中列举了作者对题解、文献阅读、课程论文等环节
的观点并包含了有关参考材料.
基于以上考虑，本书的选材、表达不同以往.例如光学和电路没有纳入；
提出了不少新的观点和处理问题的方式；尝试对物理定律的美学价值进行思
考等等.读者可以见仁见智，加以评论.本书写出初稿已有8 年了，首次在教
材建设组披露部分内容也已有4 年.但是仍不能臻于理想，错误、不当仍然难
免.
成书过程中曾先后得到陈祖福、冯端、冯致光、江元生、许敖敖、邓崇
光诸位的鼓励和支持.作者还得到江元生、梁昆淼、陈廷扬、黄天衣、沈健、
赵其昌、潘大谦诸君不少有益的意见和帮助.冯端先生通读全书、作序，对内
容的调整和增补提出了宝贵的意见，使我获益非浅.在此一并表示感谢.我的
助教和学生在教和学的过程中对本书的形成起了重要作用，石名俊选编了部
分习题。希望本书能唤起他们美好的回忆.
卢德馨
1996 年10 月于南京
第一章 绪论
§1.1 什么是物理学
物理学是研究自然界基本规律的科学.它的英文词physics 来源于希腊
文，原义是自然，而中文的含义是“物”（物质的结构、性质）和“理”（物
质的运动、变化规律）.中文含义与现代观点颇为吻合.现代观点认为物理学
主要研究：物质和运动，或物质世界及其各部分之间的相互作用，或物
质的基本组成及它们的相互作用.
物质可以小至微观粒子— — 分子、原子以至“ 基本” 粒子
（elementaryparticles）.所谓基本粒子，顾名思义是物质的基本组成成分，
本身没有结构.然而基本与否与人们的认识水平以及科学技术水平有关，因此
对“基本”的理解有阶段性.有鉴于此，物理学家简单地称之为“粒子”.有
时为了表达认识的层次，我们仍然可以说：“现阶段的基本粒子为⋯⋯”.
当前我们认为基本粒子有轻于（lepton）、夸克（quark）、光子（photon）
和胶子（gluon）等等.科学家们正在努力寻找*夸克.此外，分数电荷、磁
单极也在寻找之列.我们周围的物体是物质的聚集状态.人们可以用自己的感
官感知大多数聚集状态的物质，并称它们为宏观（ macroscopic）物质以区别
前面所说的微观（microscopic）粒子.居间的尺度是介观（mesoscopic），
而更大的尺度是宇观（cosmological）.场（field）传递相互作用，电磁场
和引力场就是例子.
在物理学的范围内，物质的运动是指机械运动、热运动、微观粒子的运
动、原子核和粒子间的反应等等.运动总是发生在一定的时间和空间.时间和
空间首先是作为物质运动的舞台，但最后也成了物理学研究的对象.
现在知道物质之间的相互作用有四种，即万有引力、弱相互作用、电磁
相互作用和强相互作用.
爱因斯坦（A.Einstein，1879—1955）生前曾致力于统一场论的工作，
试图用统一的理论来描述各种相互作用.在60 年代，走向统一有了突破性的
进展.格拉肖（S.L.Glashow）、温伯格（S.Weinberg）和萨拉姆（A.Salam）
等人发现弱相互作用和电磁相互作用可以统一， 用弱电相互作用
（electroweak）来描述.鲁比亚（1983[1]，C.Rubbia）等提供了实验支持.
大统一理论（Grand Unification Theory，GUT）试图将强相互作用也统一进
去，而超对称理论更企图将引力也纳入其中.还有人在寻求其他的相互作用.
对此，在Physics Teacher 期刊上曾有一篇文章题为“存在第五种基本力吗？”
专门讨论这一命题[6].在高级的理论中，相互作用只不过是交换物质，如电
磁作用交换光子、强作用交换胶子.
物理学的一个永恒主题是寻找各种序（orders）、对称性（symmetry）
和对称破缺（symmetry-breaking）[10]、守恒律（conservation laws）或
不变性（invariance）.物质的有序状态比我们想象的要广泛得多.除了排列
整齐的位置序以外，还可以有指向序.超导态也是一种有序状态.对称性通常
指静止的空间几何对称，如太极图、八卦、晶体中的平移和旋转对称.实际上，
对称性还可以是动态的，可以是时间反演对称、物质—反物质对称以及更为
抽象的规范对称等等.
就物理学和其他科学的关系而言，我们可以说：
·物理学是最基本的科学.
·物理学是最古老、发展最快的科学.
·物理学提供最多、最基本的科学研究手段.
最基本的体现是在天文学、地学、化学、生命科学中都包含着物理过程
或现象.在这些学科中用到不少物理学概念和术语是很自然的.最基本还意味
着任何理论都不能和物理学的定律相抵触.例如，如果某种理论破坏能量守恒
定律，那么这一理论就很成问题.当然，某些物理理论本身或一些阶段性的工
作本身也是在不断地完善.
19 世纪中叶之前，物理学曾是完完全全的实验科学.力学中的理论问题
被认为是数学家的事.19 世纪末，在当时处于世界物理学中心的德国的大学
里，开始设置理论物理学教授的席位.此后，随着人类的认识能力逐步深入，
逐步深入到不能靠直觉把握的微观、高速、宇观现象，20 世纪初建立了狭义
和广义相对论，以及量子力学这些深刻的物理理论.到了20 世纪中叶，物理
学已经成为实验和理论紧密结合的科学.20 世纪后半叶由于电子计算机的发
展，既改变了理论物理的工作方式，也扩大了实验的涵义.目前物理学已经
成为实验物理、理论物理、计算物理三足鼎立的科学.实验提供的条件比
自然界出现的更富变化和更灵活可控，而物理理论则给出了对自然界的数学
描述.计算物理学是重要的新分支，有自己独特的研究方法.计算机实验可以
提供比通常的实验更为变化丰富和灵活控制的条件.不过通常需要用到超级
计算机.
物理学中最重大的基本理论有下面5 个：
·牛顿力学或经典力学（Mechanics）研究物体的机械运动；
·热力学（Thermodynamics）研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等；
·电磁学（Electromagnetism）研究电、磁以及电磁辐射等等；
·相对论（Relativity）研究高速运动、引力、时间和空间等等；
·量子力学（Quantum mechanics）研究微观世界.
后两个理论主要是在20 世纪发展起来的，通常认为是现代物理学的核心.
以上理论中没有一个被完全推翻过，也没有一个是永远正确的.例如，牛顿力
学在高速情形下，应该用狭义相对论来代替；而对于强引力，它又偏离于广
义相对论，但在它的适用范围内仍然是精确的.科学的理论总是要发展的，需
要根据新发现的事实进行修正.在教科书中只介绍一种版本的做法很可能导
致“理论是唯一的”这样的观念.事实上，理论决不是唯一的.科学理论往往
在美学上令人赏心悦目，在数学上优雅而普适，但是仅仅有这些是决不可能
流传下来的.理论和思想必须经受实验的检验和验证.物理学中的理论和实验
在相互促进和丰富中得到发展.
一个没有思想的实验工作者可以发现无穷无尽的事实，不过毫无用处.
理论家如果不受实验检验这一约束也可能产生出极其丰富的思想，不过与大
自然毫无关系而已.
通常的科学研究方法是：
·通过观测、实验、计算机模拟得到事实和数据；
·用已知的可用的原理分析这些事实和数据；
·形成假说和理论以解释事实；
·预言新的事实和结果；
·用新的事例修改和更新理论.
上述的后3 步都是关于理论的.以上所说的科学研究的步骤是常规的.有
时候，有的人可能并不遵循这样的过程.常常直觉（intuition）或者预感
（premonition）会起相当的作用.有时候，机遇（运气或偶然）对于成功也
会起作用，使你获得一则重要的信息或发现一个特别简单的解.要学会在恰当
的时机提出恰当的问题，并找到问题的答案.有时还必须忽略一些“事实”，
原因是这些并不是真正的事实或者它们无关紧要、自相矛盾；或者是由于它
们掩盖了更重要的事实或考虑它们使问题过于复杂化.据说，有一次有人问爱
因斯坦：如果迈克耳孙-莫雷（Michelson-Morley）实验并不导致光速不变你
怎么办？他说：他将忽略那些实验结果，他已经得到了结论，光速必须被认
为是不变的.关于爱因斯坦1905 年提出狭义相对论时是否知道迈克耳孙-莫
雷实验，曾发生过长时间的争论.有人认为爱因斯坦在他的著作中没有留下他
知道迈克耳孙-莫雷实验的丝毫痕迹，他可能纯粹通过理论推理和他们（迈克
耳孙与莫雷）得出了相同的结论.爱因斯坦的首席传记作家培斯（Abraham
Pais）筛选了许多历史记载，得出结论说，爱因斯坦确实知道这一实验.新近
有一篇爱因斯坦在1922 年的演说的英文翻译稿刊登在Physics Today 上[8].
此文是根据原来的德语演讲的日文记录整理、翻译的[见第九章参考文献
（13）].译者让爱因斯坦“本人”表示，他知道这一实验.
在大学物理的学习中，除了学习事实、定律、方程和解题技巧外，还必
须努力从整体上掌握物理学.要了解各分支间的相互联系.现代观点认为，应
该从整体上逻辑地、协调地来把握物理学.学习中，对于基本物理定律的优美、
简洁、和谐以及辉煌应该有所体会，要学会鉴赏其普适程度，了解其适用范
围.还要学会区别理论和应用，物理思想和数学工具，一般规律和特殊事实，
主要和次要效应，传统的和现代的推理方式等等.