《七堂极简物理课》总结

混江龙づ霸主 提交于 2020-03-21 18:37:38

一、 最美理论

1. 1905年 ,爱因斯坦科学期刊《投了三篇文章》

  • 第一篇指出了原子的存在
  • 第二篇奠定了量子力学的基础
  • 第三篇提出了《狭义相对论》
    狭义相对论对牛顿的万有引力提出了质疑,和自由落体的认知产生了矛盾,爱因斯坦花了十年的时间解决,提出了《广义相对论》
    牛顿想像物体是在空间中运动的:所有物体都做直线运动,直到一个力使它们的轨道发生弯曲,至于这个容纳世界的空间是由什么做成的,牛顿没有给出答案。
    爱因斯坦出生前的几年,法拉第和麦克斯韦发现了“电磁场”:一种无处不在的真实存在,可以传递无线波,可以振动,波动
    爱因斯坦收电磁场启发:引力场不弥漫于空间,因为它本身就是空间。

2. 空间是一种物质

广义相对论对宇宙做出了惊人的简化:空间是构成世界的“物质”之一,这种可以波动、弯曲、变形的实体。
太阳会使其周围的空间发生弯曲,所以地球并不是在一种神秘的力量牵引下围着太阳转,而是在一个倾斜的空间中行进。
无论是行星围绕太阳转,还是自由落体,都是因为空间发生了弯曲。

3. 爱因斯坦方程式

空间和时间在有物质的地方会发生弯曲,
预言:高空中,时间会过的比较快

4. 黑洞

当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料时,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,最终形成一个真真正正的洞。

5. 宇宙大爆炸

宇宙空间可以膨胀和收缩。
空间不可能一直保持静止,它一定是不断膨胀的。
空间会像海平面一样起伏。后来人们观测到“引力波”效应证实

一切源于朴素的直觉:空间和引力场本是一回事

二、 量子

量子力学诞生于1900年

1. 普朗克假设

电磁场的能量都分布在一个个的“量子”上,也就是能量是不连续的。

2. 量子理论诞生宣言

爱因斯坦指出光是由光子构成

3. 量子跃迁

尼尔斯波尔提出,原子内电子的能量和光能一样,只能是特定值,电子只有在特定的能量下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道,并同时释放或吸收一个光子

4. 量子理论方程

1925年,量子理论方程终于出现,取代了整个牛顿力学。
年轻的德国天才维尔纳,海森堡率先列出方程式
量子力学中,没有一样东西拥有确定的位置,除非它装上了别的东西。
没有量子力学就不会出现晶体管。
然而方程式并不描述物理系统内发生了什么,而只能说明一个物理系统如何影响另一个物理系统?

三、 宇宙的构造

20世纪上半时期,爱因斯坦用相对论描述了空间和时间的运作方式
玻尔和他年轻的门徒们用一系列方程捕捉到了物质奇怪的量子特性
20世纪下半时期,物理学家们在两个基础上,把两个新理论应用在了自然界的各个领域:从宏观世界的构造,到微观世界的基本粒子

人类宇宙构造的认知历史

天和地

2600年前,阿那克西曼德发起,为什么太阳、月亮和星辰都围着我们转

巴门尼德或毕达哥拉斯,意识到对一块空中的土地而言,地球最合理的形状是球形,后被亚里士多德证明,《论天》著作

哥白尼反对地心说,提出太阳才是行星运动的中心

后来知道太阳系只是不计其数的星系中的一个
20世纪30年代,银河系也只是众多星系浩瀚星云中的一粒尘埃
宇宙是大约150亿年前由一个极热极密的星云演化而来

四、 粒子

原子组成

  • 原子由一个原子核和围绕它的电子组成
  • 原子核由紧密聚集的质子和中子构成
  • 质子和中子由更小的夸克构成
  • 夸克由“胶子”的粒子“黏”在一起

粒子理论

理查德费曼、盖尔曼和一群意大利人导出,建立在量子力学的基础上,被称为“基本粒子标准模型”
缺陷:每个星系周围都有一团巨大的云状物,我们通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象发现,无法解释,被称为“暗物质”,不是原子、中微子、光子

五、空间的颗粒

20世纪两大明珠

  1. 广义相对论,是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞及其他许多研究的起源
    空间不是一个静止的盒子,而是一个不断运动,像一个移动中的巨大软体动物,可以压缩和扭曲,我们被包在里面。
  2. 量子力学,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。
    所有的场都由量子构成,具有精细的颗粒状结构,于是物理空间当然也是由量子构成

它们相互矛盾,矛盾点:
广义相对论中的空间和时间是光滑且弯曲的,但到了波尔的量子力学当中,空间在微观尺度上是疯狂、剧烈涨落的

相互矛盾的伟大理论

  1. 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
  2. 麦克斯韦将电和磁的理论结合起来,提出了电磁场方程
  3. 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

圈量子引力

试图把广义相对论和量子力学结合起来
描述:没有包含着世界的空间,也没有发生于其中的时间,只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程

六、概率、时间和黑洞的热

1. 热的本质

原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中,热空气的分子跑得快,冷空气的分子跑得慢
热量从热的物体跑到冷的物体遵循统计学的概率:一个快速运动的热物体原子更容易装上一个冷物体的原子,碰撞过程能量守恒,最终倾向于平均分布

2. 黑洞的热

发生在黑洞这种物体上的量子效应

七、我们

我们由原子和光信号构成,我们同我们周围所有生物由共同的祖先繁衍而来

世间万物都在不断相互作用,不断地交换信息,自然界中连续不断的信息交流是如何塑造我们和我们的思想的?

意大利科学家朱利奥托诺尼提出“整合信息理论”,试图界定系统要有怎样的量化结构,才能具有意识。比如,描述我们清醒时和睡着时,大脑物理层面究竟发生了什么变化。

我们的爱与真诚与生俱来,我们天生就渴望懂得更多,渴望不断学习,我们对世界的认知在不断增长。我们渴望探索空间纹理的细微之处,探索宇宙的起源,时间的本质,黑洞的现象,以及我们思维的运行。

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