《七堂极简物理课》|大咖解读
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李淼(中山大学天文与空间科学研究院院长):卡洛通过语言的穿透力将过去一百年中的物理学进展和成就传递给了读者,书里没有任何艰涩的表达,不会将对现代科学知之不详的读者拒之门外,同时洋溢着诗意与激情。


01 听前思考

你了解身处的宇宙么?

广义相对论为什么能被称作“最美的理论”?

量子力学是怎样诞生的?



02 书中金句

一个没有“浪费”过时间的人终将一事无成。


世间万物都在不断相互作用,彼此身上都会留下对方的印记。


人类满脑子都是偏见,我们对世界本能的认识是片面的、狭隘的、不合时宜的。世界在我们的眼前不断变化,我们对它的认识也在一点一点地不断深入。


无论是欣赏艺术,还是领悟科学,我们最终得到的将是美的享受和看待世界的全新视角。


03 精华笔记

在《七堂极简物理课》这本书里,作者罗韦利用诗一般简洁优美的语言,介绍了20世纪以来,现代物理学的理论发现。广义相对论和量子力学是20世纪物理学两大支柱。我们会介绍这两种最基础、也是最重要的理论。


第一种理论:广义相对论。


在17世纪,牛顿发现了万有引力,又提出了空间的概念,所有物体都在空间中运动,它们的运动状态又会受到彼此间引力的影响。到了19世纪,法拉第和麦克斯韦提出了电磁场的概念。电磁场是由运动的带电物体产生的。随时间变化的电场会激发磁场,随时间变化的磁场又会激发电场,两者互为因果,形成了电磁场。


到了20世纪初,爱因斯坦把引力和电磁场这两个概念结合起来,提出了引力场的概念。引力场并不会弥漫在空间中,因为它就是空间本身。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,是一种可以波动、弯曲、变形的实体。爱因斯坦证明,引力其实就是有质量的物体把它周围的空间给压弯了,弯曲的空间又对物体产生了引力的效果。空间弯曲是引力之源,这就是广义相对论最核心的思想。


广义相对论向人们展示了一连串神奇的预言。这本书里总共提到了其中的4个。


广义相对论的第一个预言是时空弯曲。


由于太阳的巨大质量,使空间发生了弯曲。这个弯曲不仅会让太阳系的众多天体都绕着它旋转,从它旁边路过的光线也发生偏折。不仅仅是空间,就连时间也会受到太阳巨大质量的影响。广义相对论预言,在离太阳比较近的地方,时间会过得比较快;而在离太阳比较远的地方,时间会过得比较慢。


广义相对论的第二个预言是黑洞。


当一个大质量的恒星燃烧完自己所有的燃料以后,会发生一场大爆炸,把外层的物质抛射到太空中。残留的部分不再有燃烧产生的热量支撑,会在自身引力的作用下发生坍塌,导致空间发生非常强烈的弯曲,最终变成一个真正的洞。它就像一个可怕的怪物,潜伏在宇宙之中,要是离得太近,就连跑得最快的光也无法逃离它的魔掌。因为它周围的光无法逃逸,我们就看不见它。所以美国物理学家约翰·惠勒就把这种恐怖的天体称为黑洞。


广义相对论的第三个预言是宇宙膨胀。


利用广义相对论,物理学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特发现,空间不可能一直保持静止。1929年,美国天文学家哈勃发现了宇宙确确实实处于膨胀的状态。既然宇宙现在正在膨胀,那么反推回去,它过去就一定处于一个很小的空间区域,宇宙的膨胀是由过去的一次大爆炸引发的。宇宙大爆炸会留下一个遗迹,那就是古老光子,也就是所谓的“宇宙微波背景”。1964年,两位工程师证实了宇宙微波背景的存在,进而证明了宇宙大爆炸理论的正确。


广义相对论的第四个预言是引力波。


爱因斯坦提出来,空间本身可以像海平面一样上下起伏,形成一圈圈的涟漪,这个空间的涟漪就是引力波。当引力波传来的时候,小到一把尺子,大到整个地球,都会发生周期性的伸缩。但引力波非常难测,因为它让物体伸缩的幅度特别小。在2015年,人类利用激光干涉引力波天文台,首次直接探测到了引力波的存在。


在一百年以后,广义相对论的预言都得到了实验的证实。因此,物理学家就把广义相对论,称为世界上“最美的理论”。


第二种理论:量子力学。


除了宏观世界,还有一个小到肉眼根本看不见的微观世界。微观世界里有分子、原子和一些更小的粒子,它们是组成宏观世界物体的基本单元。这些微观粒子遵循的运动规律,称为量子力学。


在《七堂极简物理课》这本书中,罗韦利介绍了量子力学发展史上的4个重要阶段。

       

第一个阶段,普朗克发现了光的能量并不连续。


公认的量子力学之父是德国物理学家普朗克。发热的物体可以向外辐射电磁波,我们熟悉的可见光,其实就是电磁波的一种。1900年,普朗克研究了一个发热的黑匣子所辐射的光。为了计算这些光的能量随频率的分布,普朗克做了一个很大胆的假设:光的能量其实分布在一个个“量子”上。用这个假设计算光的能量分布,计算结果和实际测量结果完全一致。


第二个阶段,爱因斯坦指出,光是由光粒子构成的。


1905年,爱因斯坦研究了光电效应。光电效应是德国物理学家赫兹在1887年发现的一个现象:用光照射金属,就可以从金属的内部打出电子。爱因斯坦认为,光本身就是由一个个叫“光子”的微粒组成。光子的能量取决于光的频率:频率越高,光子的能量就越大。如果一个光子的能量比较大,那么它传递给电子的能量也比较大,当这个能量大到足以挣脱金属原子的束缚,电子就会立刻从金属里跑出来。如果光子传递给电子的能量达不到逃出去所需要的最低能量,电子就会一直被束缚在金属内部。


第三个阶段,玻尔发现不只是光子,其他微观粒子同样也是量子化的。


玻尔从理论上研究了最简单的原子——氢原子的内部结构,并且提出了一个理论模型,这个模型和氢原子光谱观测数据高度吻合。在这个模型中,一个电子在绕着一个氢原子核旋转。电子的轨道是量子化的,电子只能在一些特定的轨道上运动,而且这些轨道是分立的。


不同的轨道有不同的能量:离原子核越近的轨道,能量越低,离原子核越远的轨道,能量越高。电子能从一个轨道跳到另一个轨道,同时释放或吸收一个特定频率的光子。这个过程就是量子跃迁。


第四个阶段,海森堡提出了不确定性原理。


海森堡认为,电子根本没有确定的运动轨道,甚至没有确定的位置。电子能同时出现在很多地方,而且在每个地方的存在都是真实的。把电子在每个地方存在的概率加在一起,就等于100%。这就是海森堡发现的不确定性原理。在不确定性原理的指引下,人们在上世纪20年代写出了量子力学的核心方程,从而找到了微观世界中种种现象的内在规律。这是人类科学史上最伟大的成就之一。


在最后一堂课,罗韦利跳出了冰冷的物理世界,聊了聊他对人类自身的一些认知。我们曾经认为自己住在宇宙的中心,但事实证明,我们不过是住在银河系的一个偏远的角落;我们也曾经认为自己是万物之灵,但事实证明,我们与周围的所有生物都有共同的祖先。那人类到底特殊在哪里呢?罗韦利认为,人类的特殊之处在于我们特别有好奇心。正是因为有好奇心,人类才会去探索世界的奥秘,最终发展出自然科学。



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