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今天我要给大家讲解的是七节极简物理学课
在所有自然科学中
物理学无疑是最能揭示世界本质的
欧内斯特
卢瑟福
英国物理学家曾经说过这样的话
科学要么是物理
要么是集邮
言下之意
其他的自然科学和物理学比起来
就像是集邮一样
这么说肯定会得罪其他领域的科学家
这学家们反应最为激烈
甚至为了报复卢瑟福
将诺贝尔化学奖颁给了他
很多人对物理学的了解其实还停留在一百多年前
中学物理课本上讲的那些东西
基本上都是二十世纪以前的东西
事实上
在二十世纪后
科学家们建造了一座全新的物理大厦
近几十年来
关于物理学新大厦的科普书籍层出不穷
如一九八八年霍金所写的时间简史
二零一四年
又有一本书在全球范围内掀起了一股科学狂潮
这就是极简物理学的七节课
二零一四年
该书出版于意大利
当年销量达三十万册
二零一五年
他在纽约时报的畅销书排行榜上占据了很长一段时间
并被诸如卫报杂志和其他杂志评为二零一五年年度最佳图书
目前
它已翻译成超过三十种语言
这本书是由意大利物理学家卡洛
罗维利写成的
罗威利在大学期间因参与学生政治活动而被捕入狱
他拿到博士学位后
又因为拒绝服兵役而再次被拘留
不过
罗威利出狱后不久
便与另外两位物理学家一起提出了圈量子引力理论
成为了这方面的开创者之一
在这本短短的一百多页的书中
罗威利用简洁的语言介绍了二十世纪以来物理学的一些新发现
这七堂课中
第一堂课讲的最美的就是广义相对论
爱因斯坦
第二堂量子课讲的是二十世纪物理学的两大支柱
量子力学
后面几节课讲到的宇宙
粒子
黑洞等等
都是以这两种理论为基础的
下面我将介绍广义相对论和量子力学这两个基本理论
首先我们要讲的是广义相对论
很多人在听到广义相对论的时候
都会吓得屁滚尿流
事实说
广义相对论的名字可以叫做爱因斯坦引力
先说说爱因斯坦的引力理论吧
牛顿发现了万有引力
它是十七世纪被苹果砸中的
假设世界上所有的事物都有一种互相吸引的力量
牛顿为了完善自己的理论
又提出了空间概念
空间就像一个巨大的容器
可以容纳所有的物体
这些物体的运动状态又被彼此间的引力所影响
但如果继续追问
引力是怎么来的呢
这是牛顿无法回答的问题
十九世纪时
法拉第和麦克斯韦两位英国著名物理学家给牛顿冰冷的世界增添了一种新的东西
即电磁场
电磁场是由运动的带电物体产生的
特定的运动带电物体能产生随时间变化的电场
下一步
随着时间变化的电场会激发磁场
而随着时间的推移
磁场又会激发电场
两者相互影响
形成电磁场
电磁场弥漫开来
就像是湖面上荡漾的涟漪
将电磁波传递到了周围
可见光和无线电波是我们日常生活中所熟知的电磁波
在二十世纪初期
爱因斯坦提出了引力与电磁场的概念
不过不像电磁场那样
引力场是不会扩散到整个空间的
因为它本身就是这个空间
换言之
在爱因斯坦的眼中
牛顿提出的承载物体运动的空间
其实就是它提出的引力传递场
因此
空间不再是有别于物质的东西
它是构成世界的物质的一部分
它可以波动
弯曲 变形
我们再也不是那种看不见的僵硬框架里了
而是深陷在一个柔软的可以弯曲的物体里
事实上
引力是由弯曲的空间产生的
这听起来可能很难理解
但没关系
让我们一起来做一个思想实验吧
想象一下
有一张很大很平的床垫
上面有个滚动的小玻璃球
现果没有其他干扰
玻璃球将沿着直线滚动
现在在床垫上放个大铁球
马上就会把床垫压的凹陷下去
很显然
如果小玻璃球正好经过大铁球
那么它的运动轨迹就会发生变化
如果一开始小球速度够快
小玻璃球就可以逃出这个洼地
如果球开始的速度较慢
它将沿着弯曲的床垫滚下去
最后撞到这个大铁球上
现在
请发挥你的想象力
你觉得这个小玻璃球沿着凹陷的床垫滚下来的时候
会不会被铁球系
确实很像
那么现在我们把床垫当做空间
把小玻璃球当做地球
把大铁球当做太阳
爱因斯坦证明了
太阳会使空间自身发生弯曲
空间弯曲对周围物体的影响与引力作用等效
换句话说
引力是如何产生的
其实就是一个物体把周围的空间都给压弯了
而空间的弯曲又会对物体产生引力
爱因斯坦引力或者说
广义相对论的核心思想就是空间弯曲
广义相对论向人们展示了一系列不可思议的预言
广义相对论首先提到了时空弯曲
由于太阳巨大的质量
空间发生了弯曲
这种弯曲不仅使太阳系中的许多天体都围绕着它旋转
从它身边掠过的光线也在这一刻发生了偏移
英国天文学家艾丁顿于一九一九年率领两个科考队前往非洲及南美观测日全时
他们确实发现了光线的偏转
这与广义相对论的预测一致
这一发现让广义相对论名扬四海
不仅空间受到太阳巨大质量的影响
时间也受到影响
广义相对论预测
太阳附近的时间流速更快
距离太阳较远的地方
时间流速就慢了许多
这个预言也是哈佛大学在六十年代进行的重力红衣实验中得到证实的
第二个关于广义相对论的预言是黑洞
当一颗巨大的恒星燃烧完所有的燃料之后
就会发生剧烈的爆炸
将外层的物质抛入太空
而剩下的物质就不会再有燃烧产生的热量来支撑了
它们会在引力的作用下崩溃
导致空间发生剧烈的扭曲
最终变成真正的动物
嗯
它就像一只潜伏在宇宙中的可怕怪兽
离得太近
即使是最快的光也逃不出它的魔掌
因为它周围的光无法逃脱
我们也看不到它
因此
美国物理学家约翰
惠勒称这种可怕的天体为黑洞
虽然不能直接看见黑洞
但是科学家们可以通过它的引力效应来探测黑洞
现在天文学家们普遍认为
宇宙中存在着大量的黑洞
即便是在银河系的中心
也存在着比太阳质量高出四百万倍的黑洞
第三个广义相对论预言是宇宙膨胀
物理学家亚历山大
弗里德曼与乔治
勒梅特利用广义相对论发现
空间是不可能永远保持静止的
美国天文学家哈勃在一九二九年发现
宇宙确实在膨胀
既然宇宙在膨胀
那么它肯定是在一个很小的空间里
换句话说
宇宙膨胀是由过去的大爆炸引起的
这个理论被称为宇宙大爆炸
宇宙大爆炸将留下一种古老的光子
即宇宙微波背景
一九六四年
彭吉亚斯和威尔逊是贝尔实验室工程师
他们证实宇宙微波背景是存在的
并由此证明宇宙大爆炸理论是正确的
一九七八年
他们获得了诺贝尔物理学奖
第四个广义相对论预言是一九一六年
爱因斯坦自己提出的重力波
他提出
空间本身可以像海平面一样上下起伏
产生波纹
这个空间的波纹被称为重力波
当引力波出现时
小到一把尺子
大到整个地球
都会周期性的收缩
但是引力波是很难测量的
因为它可以让物体的伸缩变小
如果你的尺子有十万光年那么大
那么它的直径就是银河系
那么引力波大概只能改变你的尺子一米
但是值得庆幸的是
在二零一五年九月十四日
人类利用著名的激光干涉引力波天文台第一次发现了引一波
美国物理学家雷纳维斯
基普索恩
巴里
巴里什获得二零一七诺贝尔物理学奖
一百年后
所有关于广义相对论的预言都被实验所证实
因此
广义相对论被物理学家称为世界上最美丽的理论
这是最美的理论
它引导着我们去探索宇宙
改变着我们的生活
GPS是我们日常生活中不可或缺的一部分
他利用了相对论的修正效应
接下来
我们来谈谈量子力学的第二个理论
不同于爱因斯坦独立完成广义相对论
量子力学是几代物理学家的智慧结晶
量子力学是什么
我做一个比较
你会更清楚
我们生活在一个宏观世界里
微个世界有无数的东西
但他们都遵循着牛顿力学的运动规律
在宏观世界之外
还有一个小到肉眼无法看到的世界
那就是微观世界
微观世界中还有许多事物
如分子
原子以及构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叫做量子力学
也就是说
在微观世界里
量子力学就是牛顿力学
在极简物理学这本书中
罗卫力介绍了量子力学的四大阶段
普朗克发现
光能量在第一阶段是不连续的
德国著名物理学家普朗克被公认为量子力学之父
加热物体会向外辐射电磁波
普朗克在一九零零年对一个发热的黑匣子进行了研究
为了计算出这些光能量随频率的分布
普朗克大胆的假设
光的能量是分散在各个量子上的
换句话说
光的能量是断断续续的
它是由大量破碎的砖块组成
叫做量子
这个假设完全违背了当时人们的认知
但是利用这个假设计算出了光的能量分布
结果与实际测量结果完全吻合
就连普朗克自己也不知道为什么会这样
爱因斯坦指出
第二阶段
光由光粒子构成
一九零五年
普朗克提出假设后
爱因斯坦对普朗克提出的问题进行了解答
所以
爱因斯坦就是量子力学的养父
爱因斯坦当时在研究光电效应
一八八七年
德国物理学家赫兹发现了光电效应
用光照射金属
金属内部就会产生电子
这是正常的
因为光能把自己的能量传递给电子
从而获得足够的能量
从而摆脱金属原子的束缚
但是奇怪的是
这种现象取决于光的频率
用高于某一频率的光照射金属
就会产生电子
而低于此频率的光
无论照多久
都不会发出电子
这是怎么回事
是啊
爱因斯坦认为
那是因为光本身有许多微粒组成
称为光子
光子能量是由频率决定的
频率越高
光子能量越大
如果光子具有更大的能量
它将更多的能量传递给电子
只要这个能量足够强大
能够挣脱金属原子的束缚
那么电子就会立刻脱离金属
但是如果光子能量较小
那么它传递给电子的能量就会更少
如果这个能量足够小的话
一个小于逃出去需要的能量
那么电子就会一直被束缚在金属里面
这就像是高考一样
如果你能考上北大清华
北大清华都会给你面子
但是如果你考不上北大和清华的录取分数线
就算你考到天荒地老
北大和清华都不会要你
量子力学和世界上所有的孩子一样
长大后都会走上自己的道路
不管是普朗克还是爱因斯坦
都不能影响到这个孩子
量子力学进入第三阶段
波尔发现
原子核中的电子能量与光能量是相同的
除了光子之外
所有的微观粒子都有量子化的可能
波尔对原子内部结构进行了理论研究
并给出了理论模型
该模型与氢原子光谱观测数据有很高的一致性
在这个模型中
电子绕着氢原子核旋转
就像地球绕太阳一样
更重要的是
电子的轨道是量子化的
换句话说
电子只能沿着特定的轨道运动
并且这些轨道是离散的
你可以把电子想象成短跑运动员
把电子线路想象成运动场上的跑道
就像运动员只能在特定的跑道上跑步一样
电子也只能沿着特定的轨道运动
注意到
不同轨道的能量不同
轨道离原子核越近
能量越低
轨道离原子核越远
能量越大
我们可以拿现实生活中的例子做个类比
为了将火箭送入太空
离地球轨道越远
火箭燃料消耗越大
换句话说
离地球越远
火箭的能量越大
电子可以在同一时间释放或吸收某一特定频率的光子
这一过程称为量子跃迁
现在我们已经知道
所有微观世界的粒子
包括原子核
电子
光子都是量子
而且没有一个符合牛顿力学定律的
那么他们究竟满足了什么规律呢
海森堡在第四阶段给出了答案
不确定原则是由海森堡提出的
这个理论令人晕头转向
他认为
电子根本就没有固定的轨道运动
甚至连一个固定的位置都没有
真正的电子其实是分散在原子核周围的空间里
只有撞到什么东西才会出现
听起来很不可思议吧
让我们来比一比日本有一部名为火影忍者的漫画
漫画中的男主角是一位忍者
名叫鸣人
他最擅长的就是影分身术
一旦使用了影分身术
鸣人就能制造出大量的分身
并且将查克拉平均分配给每一具分身
换言之
鸣人能同时出现在许多地方
而且在任何地方都真实存在
而且每一具分身的查克拉总量都相当于查克拉家的总查克拉
微观粒子
比如电子
也需要同样的数量
他还可以分出一大堆分身
把自己存在的概率分配给这些分身
因此
电电子可以同时存在于许多地方
并且存在于任何地方
而且每个电子分身存在的概率都是百分之百
微观粒子并没有固定的位置
而是通过分身术将自己分散开来
这是海森堡发现的不确定性原理
不确定性原理是量子力学的核心思想
在二十世纪二十年代
人们就是在他的指导下写出了量子力学的核心方程式
从而发现了微观世界中各种现象的内在规律
这是人类科学史上的一项重大成就
举个例子
量子力学很强大
门捷列夫元素周期表大家应该都知道
嗯
很多中学都挂在墙上
门捷列夫列出了世界上所有可能存在的元素
并发现它们具有周期性的规律
那么
这些元素为什么有这些规律的特征呢
答案是
每个元素都是量子力学的核心方程式
整个化学学科都是以它为基础的
量子力学也深刻改变了世界
是的 对的
科学家们利用量子力学发明了晶体管
正是因为晶体管先同半导体
才能制造出集成电路
要不是量子力学被发现
今天我们的世界就不会有电脑
也不会有智能手界
在此
我们将介绍二十世纪物理学的两大支柱
广义相对论与量子力学
广义相对论是爱因斯坦一生中最重要的理论之一
它的核心思想就是引力场
也就是空间本身
量义力学是几代物理学家的智慧结晶
它的核心思想就是不确定原理
海森堡的发现
这是因为微观粒子没有固定的位置
所以可以通过分身术分散到空间当中
量子力学改变了世界
在最后一节课中
罗威利从冰冷的物理世界中走了出来
和大家分享了一些关于人类的知识
我们曾以为自己居于宇宙中心
但事实证明
我们只是生活在银河系的遥远角落
我们曾经以为自己是万物之灵
但是事实证明
我们拥有与周围所有生物相同的祖先
那人类有什么特别的
尤瓦尔
赫拉利是人类简史的作者
人类擅长讲述宗教
公司
金钱等虚构的故事
从而实现了其他生物无法做到的大规模社会合作
本书作者罗威利认为
人类特别是好奇心
正是出于好奇心
人类才会离开非洲
去探索新的未知世界
正是因为好奇心
人类才会去探索世界的奥秘
从而发展出自然科学
最后
请允许我引用一句以罗伊为例结尾的京句
现在
在人类已知的最前沿
我们将在未知的海洋中航行
好吧
这本七堂极简物理课的书就到这里了
明天见