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《七堂极简物理课》摘录     所属分类 read 浏览量 107
第一课最美的理论
第二课量子
第三课宇宙的构造
第四课粒子
第五课空间的颗粒
第六课概率、时间和黑洞的热

Seven Brief Lessons on Physics
意大利物理学家卡洛·罗韦利
20世纪以来现代物理学的伟大理论发现
相对论 量子力学 宇宙的结构 空间的颗粒 时间的本质


大自然和它的规律深藏在黑夜里,上帝说,让牛顿出世吧!于是一片光明!
于基础物理知识

1900年普朗克  提出了对物理学科“小小的疑问”
著名的漂浮在物理世界天空的两朵乌云

爱因斯坦   狭义相对论 广义相对论


狭义相对论
双生子佯谬
著名影片《星际穿越》中年轻男主角见到老年的女儿就是这个理论的体现
速度变大 质量变大 时间变慢
物体的运动速度会影响其质量、空间以及时间

超过光速即可以逆转时空?
没有东西的速度可以超过光速 !

牛顿 万有引力
广义相对论  
因为大球(太阳)的出现弯曲了“宇宙”、所以对“小球”产生了“引力”
空间扭曲的本身产生了“引力波”

卫星上的时钟每天要比地球快38微妙,就是因为较远的位置,地球引起的时空弯曲较小

美国物理学家惠勒,给广义相对论了一个最经典且简单的概括:物质决定空间如何弯曲,空间决定物质如何运动。
不仅空间会弯曲、时间也会弯曲


量子力学
量子世界,就是微观世界,这个世界从分子、原子到原子核、电子、光子 ... 越来越小,
小到一定程度,从前的所有规则都不好使了,包括牛顿力学

两个世界、两套规则
宏观世界  经典力学  
微观世界  量子力学 不确定性

上帝掷骰子
量子跃迁 量子纠缠 量子幽灵

一条直线依次有A、B、C三点,在宏观世界A到C必须经过B,在量子世界不需要,这就是有名的“不连续性”
量子世界里面,物质会跳跃瞬移
电子双缝干涉实验  
薛定谔的猫

20世纪物理学的两颗明珠是广义相对论和量子力学
前者是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞以及其他许多研究的起源
后者则是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础
这两个理论带来了丰富的成果,奠定了当代科技的基石,彻底改变了我们的生活方式
但这两个理论不可能同时正确 ,至少依照目前的形式,它们是相互矛盾的



英国物理学家 法拉第(MichaelFaraday)和麦克斯韦(JamesMaxwell)
电磁场 
所谓“电磁场”,是一种无处不在的真实存在,它可以传递无线电波,可以布满整个空间
它可以振动,也可以波动,就像起伏的湖面一样;它还可以将电力“四处传播”

引力场不“弥漫”于空间,因为它本身就是空间。这就是广义相对论的思想。


空间不再是一种有别于物质的东西,而是构成世界的“物质”成分之一,一种可以波动、弯曲、变形的实体。
我们不再身处一个看不见的坚硬框架里,而更像是深陷在一个巨大的容易形变的软体动物中。
太阳会使其周围的空间发生弯曲,所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转,
而是在一个倾斜的空间中行进,就好像弹珠在漏斗中滚动一样:漏斗中心并不会产生什么神秘的“力量”,是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动的。
所以无论是行星绕着太阳转,还是物体下落,都是因为空间发生了弯曲。

黎曼论文的结论是,任何一个弯曲空间的特征都可以用一个数学量来描述,如今我们称之为“黎曼曲率”,用大写的“R”来表示
后来爱因斯坦也写了一个方程,将这个R与物质的能量等价起来,也就是说:空间在有物质的地方会发生弯曲


不仅是空间,时间也同样会发生弯曲
爱因斯坦曾预言,离太阳更近的地方,时间会过得比较快

当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料(氢)时,它就会熄灭。
残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑,会因为自身的重量而坍塌,导致空间强烈弯曲,最终塌陷成一个真真正正的洞
这就是著名的“黑洞”

爱因斯坦的方程还指出,空间不可能一直保持静止,它一定是在不断膨胀的
1930年,人们确确实实观测到了宇宙的膨胀
这个方程还预测,这个膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引发的
这就是我们所说的“宇宙大爆炸”


爱因斯坦的理论描绘了一个绚丽多彩而又令人惊奇的世界
在这个世界里有发生爆炸的宇宙,有坍塌成无底深洞的空间,有在某个行星附近放慢速度的时间,还有像大海扬波一般无边无际延展的星际空间

量子跃迁
原子核内电子的能量跟光能一样,只能是特定值,
电子只有在特定的能量之下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上,并同时释放或吸收一个光子

在量子力学中,没有一样东西拥有确定的位置,除非它撞上了别的东西
为了描述电子从一种相互作用到另一种相互作用的飞跃,就要借助一个抽象的公式,它只存在于抽象的数学空间,而不存在于真实空间。
更糟的是,这些从一处到另一处的飞跃大多是随机的,不可预测
无法预知一个电子再次出现时会是在哪儿,只能计算它出现在这里或那里的“概率”


布满星系、富有弹性的浩瀚宇宙是大约150亿年前由一个极热极密的小星云演化而来的
宇宙诞生的时候就像一个小球,大爆炸后一直膨胀到它现在的规模

光由光子组成,这是爱因斯坦凭直觉想出的光的微粒
物体由原子组成的
原子由一个原子核和围绕它的电子组成,原子核由紧密聚集在一起的质子和中子构成
质子和中子则由更小的粒子构成
美国物理学家默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann)为它们取名“夸克”(quark)

分子,原子,质子,中子,电子,光子,胶子,夸克

量子力学的奇特定律:存在的每样东西都是不稳定的,永远都在从一种相互作用跃迁到另一种相互作用

世界是物体连续的、永不停歇的涌动,是稍纵即逝的实体不断地出现和消失,是一系列的振荡

迄今为止,标准模型仍然是解释物质世界最好的理论,它的预测全都得到了证实
除了暗物质和广义相对论中被描述为时空曲率的引力之外,它很好地解释了已知世界的方方面面

一个大学生如果早上听了广义相对论的课,下午学了量子理论,可能会觉得教授们犯糊涂了,
或者怀疑他们是不是至少有一个世纪没有交流过了,
不然为什么早上世界还是弯曲的空间,所有东西都是连续的,下午它就成了一个能量量子跃动的平直空间

物理学已经不是第一次面对两个看起来完全对立的伟大理论了
而过去每一次成功地将相互矛盾的两个理论统一时 ,产生了巨大的飞跃

牛顿整合了伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动,发现了万有引力
麦克斯韦将电和磁的理论结合起来,提出了电磁场方程
爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时,发现了相对论。

时间的流逝发生在世界之内,从构成世界的量子事件之间的相互关系中产生,这些量子事件本身就是时间的源头

当宇宙被压缩到极限的时候,根据量子理论会产生一个反作用力,造成大爆炸,
这个著名的大爆炸很可能实际上是大反弹
宇宙在自身重量下坍缩到非常小,然后反弹,开始膨胀,变成现在不断扩张的宇宙
宇宙被压缩到坚果壳大小,开始回弹的那一瞬间,就真正进入了量子引力的领域:时间和空间一起消失了,世界融化成一团涌动的概率云

只有存在热量的时候,过去和未来才有区别。能将过去和未来区分开来的基本现象就是热量总是从热的物体跑到冷的物体上

爱因斯坦在他的意大利好友米凯莱·贝索(MicheleBesso)去世后给他的妹妹写了一封感人至深的信:
米凯莱从这个奇怪的世界离开了,比我先走一步,但这没什么。像我们这样相信物理的人都知道,过去、现在和未来之间的分别只不过是持久而顽固的幻觉。

黑洞的热如同物理学中的罗塞塔石碑,它用量子、引力和热力学三种语言写就,仍在等待解读,以告诉我们时间的本质

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