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本书特色

　　本书内容从物理学的诞生开始至牛顿力学、相对论为止。序章是从物理学形成的概括思想观点，来看物理学诞生的历史过程。因此，第1章之后即是从学习已完成之物理学理论开始，舍弃历史的辗转曲折，直接开启以合理形式出现的物理学大门。

　　本书内容主要是提供给一般害怕物理学、从未真正了解物理之美的读者的物理学入门书，因此尽可能不使用算数公式。期望能让更多人理解近代甚至是现代社会中，极为重要的知识之一，即物理学的思考模式。

作者简介

水崎高浩

　　1963年出生。理学博士。理论物理学者。

　　于东京大学理学系研究科博士课程终了后，先担任东京大学理学系研究科物理学科助教，现在为专修大学教授、以及东京大学客座教授。一方面也发表相当多论文，主要于Physical Review学志上发表。

译者简介

张萍

　　1995年始接触日文；翻译经验迄今已有七年。高科大应日系、云科大企研所毕，日本特别研究生一年。目前在新竹某大财团法人从事对日国际业务。喜好旅行看山看水、上网东张西望。译有：《图解半导体制造装置》（世茂出版）等。

《解构物理学：从现象到原理的深度透视》 图书简介 在浩瀚的自然科学领域中，物理学以其严谨的逻辑和对宇宙基本规律的探索，构筑了我们理解世界的基石。然而，对于许多初学者而言，物理学常被视为充满复杂公式和抽象概念的学科，让人望而却步。《解构物理学：从现象到原理的深度透视》并非一本常规的教科书，它是一次对物理学核心思想进行深入、直观剖析的旅程。本书旨在超越繁复的数学推导，直抵物理学概念的本质，带领读者以一种全新的、更具洞察力的方式去理解我们周围的世界。 本书的结构围绕物理学的核心支柱——力学、热学、电磁学、光学和现代物理学——展开，但其叙述方式摒弃了传统教材中先建立方程再进行应用的模式。我们相信，真正的理解源于对“为什么”的追问，而非仅仅是“如何计算”。 第一部分：运动的本质与力的哲学 我们将从宏观的牛顿力学世界出发，但重点不在于如何计算抛物线的轨迹，而在于探究“力”的概念本身是如何从亚里士多德的直觉描述演变为精确的数学语言的。 惯性与参考系： 惯性并非仅仅是一个定律，它是一种关于物体内在“惰性”的哲学宣言。本书将详细阐述伽利略和牛顿如何通过思想实验（如伽利略的斜面实验）来确立惯性系的重要性。我们将探讨相对性原理的早期萌芽，即在匀速直线运动的参考系中，物理定律的形式是不变的。这不仅仅是物理学的设定，更是对“绝对运动”概念的彻底颠覆。 功、能与守恒律的深层含义： 能量守恒定律是物理学中最深刻、应用最广泛的原理之一。本书将追溯这一概念如何从莱布尼茨的“生命力”思想到焦耳对热力学第一定律的量化。我们不会沉溺于 $E=mc^2$ 的计算推导，而是深入分析质量与能量之间的深刻等价性，以及这种等价性对宇宙物质循环的终极影响。我们将用直观的例子来展示，为什么在一个孤立系统中，能量的总量永远保持不变——这关乎宇宙的稳定性和可预测性。 角动量与对称性： 旋转的物理学常常被简化为 $L=Iomega$。然而，角动量守恒所揭示的物理学真谛在于宇宙的“旋转对称性”。本书将以花样滑冰运动员收紧手臂的现象为例，探讨内在的几何原理如何决定了宏观的运动轨迹。 第二部分：热力学与微观世界的秩序与无序 热力学被誉为物理学中最“反直觉”的部分，因为它首次将概率和统计引入了决定论的经典物理学框架。 熵的本质： 熵不仅仅是“混乱度”的代名词。我们将深入探讨玻尔兹曼对熵的统计力学定义 $S=kln W$。这个公式将宏观的温度、压力等可测量量，与微观粒子排列方式的数目 $W$ 关联起来。理解熵，就是理解时间的方向性——为什么宇宙总是趋向于更可能的微观状态。 热机的效率极限： 卡诺循环的意义远超效率计算。它确立了能量转换的不可逆性，揭示了“热寂”的可能性。本书将探讨为什么热量总是自发地从高温流向低温，以及这种不可逆性如何构成了我们日常经验的基础。我们将讨论热力学第二定律在信息论中的哲学投射。 第三部分：光与场的交织：电磁学的优雅结构 电磁学是物理学中最统一、最优雅的理论之一，它将电、磁、光统一在一个框架内。 从库仑到麦克斯韦的统一： 本书将重点放在麦克斯韦方程组的物理意义上，而非纯粹的数学形式。我们将描绘法拉第的“场”的概念如何从一种神秘的“超距作用”转变为一种真实存在的物理实体。库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律和麦克斯韦的位移电流是如何协同作用，自然而然地导向了电磁波的存在。 光的本质： 光作为电磁波的发现，彻底改变了人类对传输媒介的认知。我们将探讨光在介质中传播的本质，以及反射和折射现象背后的几何光学原理，着重于费马原理——“光总是走最快的那条路”——这种基于“最小作用量”的自然选择哲学。 第四部分：时空的弯曲与物质的量子幽灵 现代物理学彻底颠覆了我们对时间和空间的直觉认识。 相对论：时空的相对性： 爱因斯坦的狭义相对论并非关于“速度”的理论，而是关于“信息传播速度有限”的后果。我们将解析洛伦兹变换如何导致时间膨胀和长度收缩，强调这些效应是相互关联、不可分割的统一现象。广义相对论则将引力解释为时空几何的弯曲，而非简单的“拉力”。我们将探讨水星近日点的异常进动如何成为检验这一新几何观念的决定性证据。 量子世界的怪异性： 量子力学是关于确定性与概率边界的探索。本书将聚焦于德布罗意波粒二象性、海森堡不确定性原理的哲学含义，以及薛定谔方程描述的“概率波”。我们将避免复杂的矩阵运算，转而探讨双缝实验这一“终极思想实验”，阐释测量行为如何坍缩了叠加态，以及贝尔不等式如何挑战了我们对“实在性”的传统观念。我们探讨的重点是：在微观层面，粒子没有确定的属性，直到我们去观测它。 总结：物理学的思维方式 《解构物理学》的最终目的，是培养读者一种物理学的思维模式：敢于质疑常识，勇于用最简洁的对称性原理来概括最复杂的现象，并始终将数学语言视为描述自然规律的工具，而非规律本身。本书致力于揭示，物理学的伟大不在于公式的复杂，而在于其描述自然界统一性的深刻洞察力。读者将获得一种全新的视角，去重新审视日常生活中那些习以为常的现象背后的深刻物理学原理。

第0章 欢迎来到物理学的世界
0-1 提倡「非常理假说」的学者们
0-2 第1次变革──奇妙且崭新的假说所引发的中世纪末之战
0-3 第2次变革──近代科学发展中所累积的矛盾
0-4 20世纪初物理学的两大革命

第1章 运动法则
1-1 惯性法则
1-2 运动方程式
1-3 自由落体
1-4 伽利略相对性原理
1-5 抛射体运动
1-6 惯性力
1-7 柯氏力

第2章 守恆量
2-1 冲突
2-2 运动量
2-3 能量
2-4 角动量(angular momentum)

第3章 万有引力
3-1 万有引力
3-2 开普勒行星运动定律
3-3 牛顿力学与行星运动
3-4 宇宙速度
3-5 太阳系探勘
3-6 潮汐力

第4章 流体物理
4-1 变化球
4-2 马格纳斯力(Magnus Effect)
4-3 扬力
4-4 流体物理

第5章 电与磁
5-1 电与磁
5-2 电与磁及原子
5-3 制造电流的磁场
5-4 电磁力
5-5 电磁感应
5-6电磁感应的应用
5-7 电磁波
5-8 地球磁场

第6章 相对论
6-1 光速
6-2 光速恆定原理
6-3 特殊相对论
6-4 质量与能量的关系
6-5 等价原理证
6-6 一般相对论
6-7 一般相对论
6-8 一般相对论与宇宙

Column  专栏
「我是猫」中，猫咪所说的牛顿运动方程式
重量
牛顿的发现
是谁发现惯性法则的？
守恆量
力
以分割的方式思考困难的问题
椭圆运动的地球
加速度感应
描绘金星的图形──五芒星
波霎与角运动量守恆法则
发电
再启动制动器
回旋加速器实验
夸克(quark)
牛顿力学与电磁学间之矛盾
爱因斯坦奇蹟的一年
素粒子加速器实验
双胞胎的反论
不可思议的扭转空间
GPS与相对论

前言

　　「如果我能看得比别人远，那是因为我站在巨人的肩膀上。」

　　这是非常着名的物理学家　　牛顿（1643~1727）所说过的话。有些天才虽然能够在艺术、哲学、文学等领域创作出相当杰出的作品，然而他们却并非是在完全「没有」的状态下，突然有傲人成就的。他们大多是凭借过去所累积的经验，进而逐渐发展出来的成果。牛顿所说的这句话，正是想要表达如此的涵义。值得一提的是，这句话并非牛顿的原创，他只是将前人所说过的话换个方式再说一次。

　　这世界上有许多的事情，都是直接或间接师法过去的历史，而有今日的面貌。科学及物理的世界当然也不例外。本书希望能将物理学相关的内容以简单易懂的方式介绍给大家。内容主要是从17世纪以牛顿为首的物理学开始介绍，直至20世纪初的相对论及量子论。

　　本书将为你解说从物理学的诞生至牛顿力学、相对论为止的一切。序章是从物理学形成的概括思想观点，以此来看物理学诞生的历史过程。因此，第1章之后即是从学习已完成之物理学理论开始，舍弃历史的辗转曲折，直接开启以合理形式出现的物理学大门。

　　本书希望能让非理工科系出身的读者更贴近物理，因此尽可能不使用算式。借此期望能让更多人理解近代甚至是现代社会中，极为重要的知识即物理学的思考模式。

水崎高浩

3-5太阳系探勘
借由绕行星变轨（Swing-by）的方法，即可利用行星的重力使太空探测器加速，而使得运用较少的燃料进行行星探勘的工作变得可能。

行星探勘
为了更有效率地进行行星探勘，行星的位置就显得相当重要。若是欲进行探勘的行星们是并行在一起的，那么就可以用一台太空探测器同时进行探勘。以木星与土星为例，探勘时必须考虑两颗行星朝相同方向前进的时间点。

木星公转週期为11.86年，土星为29.5年。既然木星与土星朝同一个方向前进，我们就可以求得它们朝下一个相同方向前进的週期（会合週期）。两颗行星各自公转的角速度分别为 及 。角速度是由公转週期除以360°＝2 得来。公转角速度差即为 ×01.0504。求得的会合週期为2 ×0.0504＝ ，因此为19.8年。若木星与土星在同一个方向，一台探勘机可以同步进行两种探勘，对行星探勘来说是非常宝贵的机会，这样的机会约20年才会遇到一次。

也可以用同样的方法来计算其他两种行星的会合週期。由于较远的行星公转週期较长，这些行星的会合週期也非常之长。多数行星朝向同一方向运行，遇上会合週期时，对行星探勘来说即是非常宝贵的机会。

这种探勘机会曾经在距今约30年前出现。1977年人类发射了太空探测器　　航海家号（Voyager）太空船，当时可以观察相同方向的木星、土星；转个方向还可以观察天王星、海王星，并且航向太阳系之外。之所以能够如此，其实是利用当时行星位置配置的优势，并且巧妙地运用力学定律。

绕行星变轨
观察太空探测器的飞行路径（图3　12）可以得知，为了能够一次探勘数个行星，势必改变探测器的航行方向。由于改变航向也会改变速度的方向，因此就必须要有加速度运动。因此，必须必需在探测器上增加作用力。

其中一种改变探测器方向的方法是用喷射燃料。但是这样的方法必须要装载大量的燃料，实际上会有困难。另一种方法是利用欲探勘行星本身的重力。若这个方法可行，就不只可以方向改变，甚至还可以加速前进。该方法称为「绕行星变轨」。

若能够借由欲採勘行星的重力，以好像要钻入行星内部的状态，应该就可以「改变方向」。然而，关于「可以加速」这件事情，你不觉得好像有点奇怪吗？接着就来说明一下其中的奥秘。

某个物体A在速度 的情况下，撞到非常重且顽固的墙壁B，因此它被同样的速度 反弹回去。此时，若墙壁以速度 接近物体，则物体的反弹速度会变成是原有速度 ，再加上墙壁接近速度 的两倍。也就是说，若与运动中的物体碰撞后反弹，则反弹速度就会变成是以对方的速度再加速。这部分可以运用运动量与能量守恆定律来表示。

太空探测器虽然没有直接冲撞木星，但是却可以利用木星所拥有的强大重力改变其方向并予以加速。也就是说，航海家可以用木星的公转方向转到木星的另一侧；也可以借由木星的重力，利用力量互相牵制的方式来改变其行进方向，同时利用木星公转速度来加速。虽然实际的运作有些复杂，但是应该可以大致理解其中的架构。航海家在探勘木星并加速后，便继续探勘土星、天王星以及海王星，并且进行反覆地加速，最后成功甩掉太阳重力、航离太阳系。

描绘金星的图形　　五芒星
畅销小说「达文西密码」是一部意义深远的作品，其中有提到「金星每八年在黄道带上所形成的轨迹是个五芒星图。」我想「这究竟是怎么一回事呀？」所以就试着去找出解答。

所谓五芒星，如下页图所示，是可以用一笔划画完的星型。虽然其有许多种象征的意义，但是和物理却毫无相关。在此，我们试着来思考金星与该图形间的关系。

相对于地球公转週期为1年，金星的公转週期由于公转半径较小，因此速度较快，仅有225天。我们可以借由这两个数字，来计算行星的「会合週期」。从计算结果可以发现2/225 2/365＝2/587，因此，每约1年7个月，金星就会接近地球一次。

如果用直觉式的思考模式来看上述的会合週期。365天乘以8等于2,920天。另一方面，225天乘以13等于2,925天。虽然两个结果有点差距，但是差不多可以视为一样，这表示当地球进行8次公转时，金星就会进行13次的公转。用会合週期的587天除以2,925天，结果就会得到5次，由此可知，8年之内金星会接近地球5次。因此，若将金星的位置以直线连结后，就会发现其刚好和五芒星用一笔划画完的顺序一致。在黄道带上，因为金星与地球之间拥有再次接近的特殊关系，因此连结金星的位置即可得到这个有点抽象的五芒星图形。这是单纯观测天空、金星实际运动也无法了解的情形。将金星与五芒星间的关系连结起来的古人们，好像就已经能够得知地球与金星环绕太阳的公转週期比率为（13：8）了。

「达文西密码」中还提到了牛顿的名字，以及会在第6章中提出相对论的爱因斯坦。爱因斯坦在该作品中，虽然只是被作为一个比喻；但是，牛顿就不是因为物理，而是因为与内容相关而被提及。

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对于我这样一个长期远离物理学，甚至有些畏惧物理学的读者来说，《图解不需算式的物理学》简直是一股清流。《图解不需算式的物理学》的语言风格非常亲切，就像一位经验丰富的老友在跟你聊天，分享他对这个世界的独特见解。它没有那些官方、刻板的术语，而是用大量生动形象的比喻来解释物理概念。例如，在讲解“万有引力”时，作者并没有直接抛出一个吸引力公式，而是用一个皮球掉落的简单情景，然后将其类比到地球和月球之间的相互吸引，让我瞬间理解了引力是如何作用的。书中大量的插图设计更是匠心独运，每一幅图都恰到好处地捕捉了物理现象的核心，让我能够一目了然地理解文字所要表达的意思。我尤其喜欢作者对于“波”的解释，它用海浪的传播和声波的共振来做类比，让抽象的波动概念变得触手可及。读这本书，我感觉自己不再是被动地接受知识，而是主动地去探索和发现，这种学习的乐趣，是其他很多书籍都无法给予的。

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这本书给我最大的惊喜在于，它让我重新认识了物理学，原来物理学并非是冰冷的公式堆砌，而是隐藏在生活中的点点滴滴，是解释我们周围一切现象的钥匙。《图解不需算式的物理学》就像一位技艺高超的魔术师，将那些原本晦涩难懂的物理概念，通过巧妙的图示和生动的语言，变幻成一个个引人入胜的故事。我记得其中关于“动量守恒”的讲解，作者并没有直接给出公式，而是通过两个碰撞的台球，形象地展示了动量如何在碰撞中传递和守恒。这种“看得见”的物理，让我一下子就抓住了核心。以前学物理，感觉像在背诵一本密码本，而这本书却像一本通俗易懂的说明书，教会我如何解读这个世界的运行规律。我特别喜欢作者在每一章节结尾都会设置一些小小的思考题，它们不像考试题那样有明确的答案，而是引导我去观察生活中的现象，去思考这些现象背后的物理原理。比如，它会问你，为什么在超市里，推购物车会越来越费力？通过这样的引导，我发现物理学离我如此之近，它就在我的身边，在每一次的出行，每一次的观察中。

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我一直认为，学习物理需要扎实的数学基础，所以对那些“不需算式”的书籍总持怀疑态度。但《图解不需算式的物理学》彻底颠覆了我的认知。《图解不需算式的物理学》这本书的结构安排得非常有条理，从最基础的力学概念开始，逐步深入到电磁学、光学甚至近代物理的部分，而且每一个概念的引入都是层层递进，不会让人感到突兀。它没有那些冗长的数学推导，取而代之的是一系列精美的插画和生活化的例子。我记得书中关于“能量守恒”的解释，它用了一个水循环的例子，从太阳照射到蒸发，再到降雨，最后汇入河流，整个过程没有出现一个复杂的公式，却清晰地展示了能量在不同形式之间的转化和总量的守恒。这种“无招胜有招”的教学方法，让我深刻体会到，理解物理的本质，比死记硬背公式更加重要。这本书不仅教会了我物理知识，更重要的是，它培养了我一种用物理学的思维去观察和理解世界的能力。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，《图解不需算式的物理学》这本书在细节处理上做得非常出色，它不像市面上很多同类书籍那样，仅仅停留在表面概念的介绍，而是深入到每一个知识点的根源，用最易于理解的方式将其阐释清楚。《图解不需算式的物理学》的作者显然是花了大量的心思去思考如何让读者能够轻松地掌握物理学。《图解不需算式的物理学》这本书中，关于“压强”的讲解，作者没有直接给出公式，而是通过潜水员在深海的体验，以及气球在高空的变化，生动地展示了压强随深度的变化以及气压对物体的影响。这种结合生活经验的讲解，让我觉得物理学不再是遥不可及的科学，而是与我们息息相关的生活常识。让我印象深刻的是，书中还穿插了一些关于物理学发展史的小故事，例如牛顿的苹果落地，爱因斯坦的相对论的诞生过程，这些故事不仅增加了阅读的趣味性，也让我对这些伟大的物理学家产生了由衷的敬意。总的来说，这本书让我对物理学产生了浓厚的兴趣，也让我对未来的学习充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

最近有幸读到一本叫做《图解不需算式的物理学》的书，虽然书名听起来挺高大上的，但我拿到手的时候，说实话，有点忐忑。我一直觉得自己是物理学小白，中学时代的物理课就像一场噩梦，各种公式看得我头晕眼花，什么F=ma，什么E=mc²，对我来说都是天书。所以当朋友推荐这本书的时候，我还在犹豫，不需算式？真的能讲明白物理吗？拿到书后，翻开第一页，我看到的是一幅幅生动形象的插画，各种场景、各种比喻，瞬间把我拉回了那个充满好奇心的童年。我感觉自己就像一个初生的婴儿，第一次看到这个奇妙的世界，而这本书就像一位耐心温和的老师，用最简单、最直观的方式，一点点地揭开物理学的神秘面纱。我尤其喜欢书里对于“惯性”的解释，它没有直接丢给我一个公式，而是用一个推箱子的例子，让我体会到物体运动状态改变需要力的作用，而保持原有状态则不需要。这种“润物细无声”的讲解方式，让我慢慢地放下对物理的恐惧，开始真正地去理解和感受它。