七堂極簡物理課

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[意] 卡洛·羅韋利

七堂極簡物理課

《七堂極簡物理課》

這是一本很短小的書,只有100多頁。內容簡單一句話就能概況,就是書名:七堂物理課。但說實話並不簡單,雖然這本書的定位是給小白們普及用的。於是決定還是結合其他網絡資源進行整理掃盲。

先說下作者,卡洛·羅韋利:一個被稱為讓物理變得性感的男人。他的文筆不同於純科普文章,還夾帶著更偏向於文學化的優美。另外他是意大利理論物理學家,相對於實驗物理學家而言前者更偏重於理論,如愛因斯坦等。2019年中國上市新書《時間的秩序》,豆瓣評分9.1,有時間可以拿來拜讀一下。

本書開門見山,由以下七章組成:① 廣義相對論;② 量子力學;③ 宇宙的構造;④ 粒子;⑤ 空間的顆粒;⑥ 概率、時間和黑洞的熱;⑦ 我們(略)。開始進行詳細解釋

廣義相對論

相對論是對於牛頓力學的一個修正:牛頓力學是在速度遠小於光速下的一個特例。首先讓我們說一下狹義相對論:稱為狹義是因為只在慣性參考系中有效。而它的出現源於光速不變。即不論以什麼為參考系,光的速度均是c。比如在速度為v1的車上發出一束光,在牛頓力學看來這時光的速度會是v1+c,但實驗表明此時的速度仍為c,完全不符合牛頓力學中的速度疊加原理。於是愛因斯坦以在任何參考系中光速不變為假設,重新推理了牛頓力學中除萬有引力外的東西,得出了運動物體時間會變慢,長度會增加,質量會增加的結論。

而廣義相對論是將狹義相對論的理論擴展到了非慣性系中。愛因斯坦提出:“局部引力場中自由下落的參考系與無引力場的慣性系不可區分”。打個比方:一個人在自由下落的電梯裡,那麼他是感受不到重力的,就像懸浮在裡面一樣。那麼其實就是當你懸浮在電梯裡,從裡面完全無法區分是懸浮在太空裡(慣性系),還是在一個自由落體運動的電梯裡(有地球引力的非慣性系),無法區分就是等價,就是說兩者的在物理上是一樣的。因此提出了等效原理。而等效原理則可以把引力場變為一個特殊的慣性系,則就可以直接使用狹義相對論的原理了。

廣義相對論的核心就是凡是有質量的物體都會造成周圍時空的彎曲,然後這個物體在彎曲時空中做慣性運動;而如果彎曲的太厲害光都出不來就被稱為黑洞;兩邊彎曲相接就會稱為蟲洞。

量子力學

二十世紀最偉大的科學一個是之前說的廣義相對論,另一個就是量子力學。首次瞭解是之前看過的《貓、愛因斯坦和密碼學》,也是一本寫關於量子力學的書,看完後不誇張地說真的三觀崩塌,完全超出了現有認知。下面通過幾個關鍵詞來簡單瞭解下量子力學:

① 疊加態與坍縮:薛定諤的貓,在未被觀測下這隻貓是疊加態的,即即是死的又是活的。而當真正去打開盒子看到的時候,其疊加態會坍縮成一個狀態。如雙縫干涉實驗也已證明這種猜想;

② 量子糾纏:首先說下自旋守恆,簡單理解就是一種守恆定律。想象有一個自旋為0的粒子,某時突然分裂成了A、B兩個粒子,並超相反方向運動。此時根據自旋守恆定律,兩個粒子的總自旋為0,那麼如果其中一個自旋為1/2,另一個一定為-1/2。但在測量之前並不知道其自旋量,測量的一瞬間就會坍縮成某個值,而測量之前描述其自旋的信息被稱作糾纏態。不論相隔多遠,一個被測出,另一個同時會坍縮。簡單理解就是超距作用。簡單總結下量子糾纏的意義——如果兩個地方的物質處於糾纏態,從糾纏的一方的所有信息可以瞬間傳遞到糾纏的另一方去,這種傳輸沒有時間空間的限制,是瞬間傳播的。

宇宙的構造

這一章比較簡單,主要說了下人類對於宇宙的認知進化:地在下 人在上 → 天圓地方 → 地心說 → 日心說 → 大爆炸說,不再詳細贅述

粒子

高中就學過,所有物體都是由原子組成。原子由原子核和核外電子構成,原子核是由質子和中子組成,而質子和中子又是由最小的基本單位夸克構成。夸克之所以彼此間聯繫,是通過一種叫做“膠子”的物質。而像這些電子、夸克、膠子就是物理學中的基本粒子。另外還有其他一些不常見的粒子,如中微子、希格斯玻色子等

而粒子理論最終建立在量子力學的基礎上,得出了基本粒子標準模型。該模型規定了61種基本粒子,它是由不同的理論和方程集合而成。描述了某些場,通過某些常數決定的某些力相互作用,表現出某些對稱性

空間的顆粒

“相對論認為時空應該是連續的、平滑的,但是由於量子力學的本質是微觀粒子的不確定性,所以量子力學的時空觀是間斷、起伏、不斷漲落的,這種現象被稱為量子漲落,它是指在空間任意位置對於能量的暫時變化,這種能量的暫時變化會出現在空間中的任何一個地方,所以說相對論是一種絕對論理論,而量子力學的不確定性原理則更像是一種概率學。愛因斯坦一直對於量子力學表示質疑,愛因斯坦稱:上帝是不會擲骰子的”。

而圈量子理論試圖把廣義相對論和量子力學結合起來。何為圈量子理論?圈量子理論認為宇宙是破碎的,我們的世界,包括空間和時間,是由無數的微小“積木”搭建而。我們周圍連續的空間和時間只是這些密集發生的基本過程產生的模糊景象。就像阿爾卑斯山上平靜而清澈的湖泊,其實是無數微小的水分子快速舞動形成的。

概率、時間和黑洞的熱

什麼是熱,熱的物體其中並不包含熱質,而是其中分子運動更快;那為什麼熱量會從熱的物體傳遞至冷的物體,這就涉及到概率:熱量從熱的物體跑到冷的物體上發生的概率比較大,原因在於,從統計學的角度看一個快速運動的熱物體的原子更有可能撞上一個冷物體的原子,傳遞給他一部分能量,而相反過程發生的概率則很小。在碰撞的過程中,能量是守恆的,但當發生大量偶然碰撞時,能量傾向於平均分佈,就這樣相互接觸的物體溫度會趨向於相同,熱的物體和冷的物體接觸後溫度不降反升的情況並非完全不可能,只是概率小的可憐。而這一現象關係到時間的本質,在所有不發生熱交換或熱交換可以忽略不計的情況下,我們看到的未來和過去是一模一樣的。可是一旦有熱量存在未來和過去就不同了。舉個例子,如果沒有摩擦鐘擺可以永遠擺動下去,如果我們把這個擺動過程錄下來倒著播放,也不會覺得有任何問題,但是如果存在摩擦,鐘擺微微加熱的底座損失的能量運動,速度就會減慢,這就是摩擦生熱這時我們立刻就能分辨未來鐘擺變慢的方向和過去。我們從來沒有看到過一個鐘擺吸收的底座的熱量從靜止突然開始擺動,只有存在熱量的時候過去和未來才有區別,能將過去和未來區分開來的基本現象。

我們

作者文學性的有感而發,略。


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