七堂极简物理课

七堂极简物理课

相对论

1．          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。

2．          任何一个弯曲空间的特征都可以用一个数学量来描述，即“黎曼曲率”，用大写的“R”表示。爱因斯坦将R与物质的能量等价起来，即空间在有物质的地方会发生弯曲。

3．          空间在恒星周围发生弯曲。光也发生偏折。

4．          在高空中，时间会走得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。

5．          当一个恒星燃烧完自身，残留的部分因为 没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成“黑洞”。

6．          整个宇宙空间可以膨胀和收缩。1930年，人们确实观测到了宇宙的膨胀。

7．          宇宙的膨胀是由一个极小、极热的年轻宇宙的爆炸引起的，即“宇宙大爆炸”。

8．          空间像海平面一样起伏。“引力波”已在双星上被观测到。

空间和引力场本是一回事。

要先学习和消化黎曼的数学才能解读和使用这个方程，要花些功夫、付出些辛苦才能做到。

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。

广义相对论是关于引力、空间和时间简洁而又统一的观点。

时间并不是普适的，空间是可以弯曲的。

量子力学

1.     普朗克把能量视为一个个能量包块的集合，只是计算上使用的一个特殊策略。

2.     爱因斯坦指出光是由成包的光粒子构成的，即光子。

3.     电子在特定的能量之下从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道上，并同时释放或吸收一个光子，就是“量子跃迁”。

4.     元素周期表中每一种元素都是量子力学最主要方程的一个解。整个化学学科都基于这一个方程。

5.     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。电子从一种相互作用到另一种相互作用的飞跃，它只存在于抽象的数学空间，而不存在于真实空间。

6.     飞跃是随机的，不可预测的。

宇宙的构造

1.     几千年前，人们认为：地在下，天在上。

2.     2600年前阿纳克西曼德提出，太阳、月亮和星辰都围着我们转。

3.     亚里士多德证明地球是圆的。（证明方法：1.地平线是弧形的；2.海平面远处先见桅杆，后见船体；3.日食、月食中地球的投影。）

4.     哥白尼完成了对宇宙认知的又一次飞跃：行星运动中心不是地球，而是太阳。地球一边高速自转，一边绕着太阳旋转。

5.     银河系本身只是众多星系间浩瀚星云中的一粒尘埃。世界是一片均匀的、没有尽头的疆域。

6.     宇宙布满星系，像海浪一样起伏，激烈处还会产生黑洞空穴。

7.     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。

粒子

1.     基本粒子：光子、电子、质子、种子、夸克、胶子、中微子、希格斯玻色子。

2.     量子力学描述了这些粒子的性质和运动方式。

3.     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。

4.     量子力学和粒子理论描述的世界：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，是一个由事件而非物体构成的世界。

5.     屈指可数的几种基本粒子，不断地在存在和不存在之间振动、起伏，充斥在似乎一无所有的空间中。

空间的颗粒

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。20世纪物理学的两颗明珠：广义相对论和量子力学目前来看也是相互矛盾的。

圈量子引力的核心结论：空间是不连续的，不可被无穷分割，而是由细小的颗粒构成的。圈或环因为它们环环相扣，形成了一个相互关联的网络，编织出了空间的纹理。空间就是一个个引力量子相互勾连而成的。

圈量子引力的第二个结论：在“空间是联系的、物体存在其中”这个观点消失后，“时间不受事物影响，一直流逝”这个基本而又原始的想法也不复存在了。

我们的宇宙在自身重量下塌缩到非常小，然后反弹，开始膨胀，变成现在我们周围不断扩张的宇宙。

概率、时间和黑洞的热

19世界中叶，人们认为热是一种流体，叫做热质。

麦克斯韦，波尔兹曼发现发热仅仅是因为其中的热原子运动速度更快。

只有存在热量的时候，过去和未来才有区别。能将过去和未来区别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。

热量从热的物体跑到冷的物体上并非遵循什么定律，只是发生的概率大而已。

时间问题的核心：时间的流动究竟是什么？

在引力、量子力学和热力学的纠葛中，时间位于中心。

霍金利用量子力学证明了黑洞总是热的。黑洞的热是发生在黑洞这种物体上的量子效应，而黑洞本质上是引力性的。一个个空间量子，空间的基本颗粒，即那些振动的分子加热了黑洞表面，使黑洞放热。

我们不仅要学习，还要更新我们的概念框架，使之与我们的认知相匹配。

我们可能会不断犯错，一旦有新的迹象出现，我们要能随时改变方向，如果我们足够聪明，就会做出正确的判断，找到我们追寻的东西。这就是科学的本质。

编故事和追寻踪迹发现事实是两种截然不同的人类活动，把这两者混为一谈，是当代文化中科学不被理解和信任之肇始。二者之间的分别很微妙：黎明时猎获的羚羊和前晚故事里讲的羚羊神话相距并不遥远，界限是模糊的，神话与科学相互滋养。

人类是自然不可或缺的一部分，我们就是自然，是它数不胜数、千变万化的表现形式之一。

让我们成为人类的那些特性并不意味着我们要与自然分离，它们也是自然的一部分。在我们这个星球上，自然可以进行无尽的组合，它不断调整，并使其各部分之间相互影响、彼此关联、交换信息，而人类只是它选取的一种形式。