時(shí)間、空間和萬物

前言

　　本書試著用通俗的語言來討論物理學(xué)對宇宙基本結(jié)構(gòu)的看法。它從物 理專業(yè)里挑選出一些基本的概念，然后用平易的沒有數(shù)學(xué)的語言將它們表 達(dá)出來。物理學(xué)有許多絕妙而稀奇的思想，卻總被關(guān)在狹小的盒子里，只 有握著鑰匙的一小伙人才可能走近它們，那不是太可惜了嗎?然而，假如誰 想把那盒子打開，讓思想飄散，擺脫華貴的數(shù)學(xué)束縛，跳出沉重的歷史陰 影，那么他也許討不了任何人的歡喜，有人會(huì)說他淺薄，還有人會(huì)感到不 知所云。不過，盡管心存疑慮，我還是覺得該擔(dān)起這個(gè)責(zé)任，因?yàn)閷I(yè)化 的東西已經(jīng)太多，而向大眾普及的卻少得可憐j 即使身在物理學(xué)圈子里的大學(xué)生，也往往只看到一棵棵精心栽培的樹 ，很少能發(fā)現(xiàn)樹外還有森林。他全身心都在熱力學(xué)、電磁學(xué)和量子力學(xué)的 叢林里穿行，難免會(huì)迷失方向；但愿他能跳出那叢林，找回自己的路。正 是出于這樣一個(gè)心愿，我們在埃塞克斯(E。。e。）大學(xué)為大學(xué)生們開了門 物理學(xué)的課，這本書就是從講課中產(chǎn)生的。通常認(rèn)為大學(xué)生理所當(dāng)然應(yīng)該 熟悉的許多概念，我們也或多或少從頭說起；另外有些只有研究生才會(huì)遇 到的概念，在我們看來也并不比大家在中學(xué)碰到的東西更困難。要說難， 那不過是對它們還不夠熟悉。如果忽略了這些概念，本書也就談不上它所 企求的鳥瞰物理學(xué)了。 我欣常馬克·吐溫說過的一句話： 科學(xué)真是迷人，根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，就能贏得那么多收 獲! 我相信，不論是想追求物理宇宙的普通讀者，希望成為通才的人文學(xué) 科的大學(xué)生，還是發(fā)愿走進(jìn)物理學(xué)的高中生，都能夠體驗(yàn)到那迷人的東西 。我還相信，這本書對各級物理老師都會(huì)有用，而念物理的大學(xué)生可以拿 它作為了解物理學(xué)背景的讀物。雖然這么說，我當(dāng)然明白，寫一本讓專家 和百姓都能讀的書有多難。我也同樣知道，沒有幾個(gè)科學(xué)家干這樣的事情 。不同學(xué)科之間的鴻溝，在今天比以往任何時(shí)候都更加寬廣。雖然誰也不 能更專業(yè)到哪兒去，但可能也不會(huì)有人來做普及，這實(shí)際上是常有的事情 。那些溝壑沒有什么可愛的，有時(shí)甚至還完全是危險(xiǎn)的，如果這本小書能 多少起到點(diǎn)溝通的作用，它也就至少達(dá)到了一個(gè)目的。 B·K·里德雷 1974年7月，colchester

內(nèi)容概要

物理學(xué)有好多奇妙而令人疑惑的思想，可異它們都被鎖在小盒子里，只有極少數(shù)的人拿著鑰匙。作者用簡單、沒有數(shù)學(xué)的語言告訴我們，關(guān)于宇宙的基本結(jié)構(gòu)、物理學(xué)會(huì)說些什么。他講了現(xiàn)代物理學(xué)的所有基本概念，如基本粒子、黑洞、引力、量子論、時(shí)間、質(zhì)量、相對論和能量還包括了一些近年涌現(xiàn)的概念，如弦、虛時(shí)間和混沌。他清晰而睿智的描述，將一般讀者引向激動(dòng)人心的世界，也為科學(xué)家們展望了科學(xué)的未來。     馬克·吐溫曾說：科學(xué)真是迷人，根據(jù)零星的事實(shí)，增添一點(diǎn)猜想，就能贏得那么多收獲！    本書用通俗的語言來討論物理學(xué)對宇宙的基本結(jié)構(gòu)的看法，并從物理專業(yè)里挑選出一些基本的概念，然后用平易的沒有數(shù)學(xué)的語言將它們表達(dá)出來。十分經(jīng)典而精辟，值得一讀再讀。

作者簡介

B·K·里德雷（B.K.Ridley），英國Essex大學(xué)物理學(xué)教授，皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

書籍目錄

第一版序第二版序第三版序第1章 萬物 從簡單說起 理想化 原子 波第2章 奇事 電磁波 電子和原子 粒子和波 作用量子 泡利原理與基本粒子 夸克 相互作用 弦 從粒子到黑洞第3章 空間 絕對的空間和時(shí)間 空間和維 空間的幾何 空間的尺度第4章 時(shí)間 時(shí)間的測量 時(shí)間尺度 時(shí)間的選擇 時(shí)間箭頭 時(shí)間是虛的嗎第5章 運(yùn)動(dòng) 速度測量與時(shí)間同步 光速與時(shí)間 相對論 加速運(yùn)動(dòng)第6章 能量 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 動(dòng)量和動(dòng)能 能量守恒 E=mc2 大數(shù)巧合第7章 自由 不確定性原理 量子的自由 量子場 相互作用 對稱性第8章 質(zhì)量 慣性的電磁起源 等效原理 慣性的相對論起源第9章 機(jī)會(huì) 簡單和復(fù)雜 概率 大數(shù) 熱量和溫度 熵 混沌第10章 大白鯊第11章 奧炒尾聲 自然力的交易附錄1 基本物理常數(shù)附錄2 大小數(shù)表示法索引譯后記

章節(jié)摘錄

　　第3章 空間 ——黑沉沉 一片無垠的汪洋，沒有邊際， 沒有大??；長度、廣度和深度， 還有時(shí)間和空間，都失去了。 ——彌爾頓：失樂園 絕對的空間和時(shí)間 判別自然界的“物”，不過是個(gè)開頭。像臺(tái)球那種東西，有些性質(zhì)與 它是不是臺(tái)球沒有關(guān)系，那是幾塊石頭，幾縷輕煙也有的性質(zhì)，它們本身 是一些共同的屬性，而不是什么屬性的特別表現(xiàn)。這些屬性是：持續(xù)、大 小和位置。只要沒人用鐵錘去砸，一只臺(tái)球可以存在幾個(gè)星期甚至幾年， 它占據(jù)著空間里的一定體積，它在這兒而不是在那兒。這些我們都很熟悉 。我們自己也經(jīng)歷時(shí)間，也有大小，也處在一定的位置。顯然，它們對于 理解宇宙的結(jié)構(gòu)是基本的。實(shí)際上，從某種意義說，它們就表現(xiàn)為一種結(jié) 構(gòu)，自然的一切復(fù)雜的形態(tài)都嵌在那結(jié)構(gòu)上。 不過我們得小心點(diǎn)兒。我們對這些“物”的熟悉，同我們將它們抽象 出來，脫離實(shí)在，都一樣是危險(xiǎn)的。先來看我們熟悉的東西怎么危險(xiǎn)。一 個(gè)物體不能同時(shí)在兩個(gè)地方，似乎是顯而易見的，但衍射的電子卻可能； 同樣，盡管事物的大小和位置可以千變?nèi)f化，但它們似乎顯然經(jīng)歷著同一 個(gè)時(shí)間，而愛因斯坦告訴我們，不是那樣的?？磥?，在任何時(shí)候，我們都 需要檢驗(yàn)我們的直覺的思想。請注意，大小和位置也經(jīng)歷著時(shí)間。如果位 置沒有持續(xù)，我們面對的就是運(yùn)動(dòng)，那是我們司空見慣的另一樣?xùn)|西，更 難理解得多。另外，我們在前一章看到，運(yùn)動(dòng)是物理學(xué)許多事物屬性的綜 合表現(xiàn)，需要好好去認(rèn)識(shí)。雖然它不陌生，我們還是應(yīng)該小心地探尋它與 時(shí)間和空間的關(guān)系。首先，讓我們從所謂熟悉的桎梏里解脫出來，問這樣 的問題：“如果位置能夠持續(xù)，那么是不是可以說‘一瞬’也占有空間呢? ”或者，“除了神秘主義和隱喻的意思外，我們說一段時(shí)間能夠持續(xù)，還 有意義嗎?” 有的問題可能帶來很多結(jié)果，有的問題可能毫無意義。不過，沒有意 義的問題也值得考慮。它能讓我們發(fā)現(xiàn)有意義的問題，或者至少能讓我們 走出無聊的圈子。我們需要避免的另一個(gè)危險(xiǎn)是脫離實(shí)在的抽象。我們把 持續(xù)、大小和位置看做宇宙的一種結(jié)構(gòu)，這是危險(xiǎn)的。因?yàn)?，換一種說法 ，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)對象是嵌在時(shí)間和空間里的——這兩個(gè)黑體詞不是隨 便強(qiáng)調(diào)的。所以，如果誰那么想，他就危險(xiǎn)了，因?yàn)樗窃谟猛耆孔陨?而存在的時(shí)間和空間來思想，與物理學(xué)實(shí)體的存在沒有關(guān)系。 這種抽象很有威力，不那么容易擺脫?？臻g（或者真空，或不論叫它什 么）當(dāng)然存在于我們認(rèn)識(shí)事物的周圍，時(shí)間當(dāng)然平穩(wěn)地在整個(gè)宇宙間流逝（ 不論這是什么意思）；誠然，古人曾想過絕對空間——一個(gè)關(guān)于位置的層次 結(jié)構(gòu)，人在宇宙的中心；誠然，絕對時(shí)間的概念更延續(xù)到了我們這個(gè)世紀(jì) 。但是，絕對空間和時(shí)間確實(shí)是不存在的。 讓我們想象一只臺(tái)球是宇宙中惟一的一樣?xùn)|西，那么它有什么位置嗎? 這個(gè)問題沒有意義，因?yàn)橐粋€(gè)位置只能相對于另一個(gè)位置來確定，我們稱 那個(gè)位置為原點(diǎn)，卻沒有什么能定義它在哪兒，也不能拿什么來比較它有 多大，那么我們能知道些什么呢?當(dāng)然，它是存在著的。然而，它沒有變化 ，沒有發(fā)生什么事情，沒有往來經(jīng)過的東西，我們能憑什么來講時(shí)間的流 逝呢?不能?？臻g也好，時(shí)間也好，什么意思也沒有。絕對到頭了，我們現(xiàn) 在可以擺脫絕對空間和時(shí)間的偏見，也跟著剝?nèi)ツ莾蓚€(gè)詞的“黑色外衣” 。 空間和維 這會(huì)兒，我們集中談?wù)勎恢?，時(shí)間留在以后再談。假定我們周圍散布 著好多臺(tái)球，為了簡單，讓這些球都靜止?，F(xiàn)在我們可以試著去定義一只 球相對于所有其他球的位置。 因?yàn)榍蚨疾粍?dòng)，最簡單的辦法是給每只球一個(gè)號(hào)。例如，我們有20只 球，可以用1到20的整數(shù)來標(biāo)記它們的位置。3號(hào)位置是3號(hào)球所在的地方， 19號(hào)位置是19號(hào)球所在的地方，等等。位置之間不需要記號(hào)，因?yàn)槲覀兛?憐的小宇宙只有那20只臺(tái)球。100只球，或者100萬只球，也都可以這樣來 定位。重要的是，它們都不動(dòng)。 當(dāng)然，一旦球動(dòng)起來，上面講的系統(tǒng)就沒用了，因?yàn)檫€可能出現(xiàn)中間 的位置。這樣，臺(tái)球可能占據(jù)的位置都需要作記號(hào)。于是，免不了或多或 少的抽象。 讓所有的球在一根軌道上滾動(dòng)。如果選擇好某種單位，我們還是能夠 用整數(shù)來描述軌道上的位置。那個(gè)單位就是我們用以度量的尺子。我們可 以想象軌道上排列著許多相同的量尺，任選一個(gè)記為0，它右邊的依次記為 +1，+2……左邊的依次記為-1，-2……軌道上任何一只球的位置由一個(gè)表 示方向的正負(fù)號(hào)和一個(gè)表示離零點(diǎn)遠(yuǎn)近的數(shù)來定義。如果要求精度更高， 可以通過定義并且實(shí)際劃分原來單位尺子的百萬分之一，作為新的更小的 單位。劃分的極限我們留在以后討論。（假如忽略這種物理學(xué)極限，我們很 容易跳到連續(xù)概念，軌道上的位置無限接近，那是一種有用而同時(shí)也是危 險(xiǎn)的理想。） 用一個(gè)數(shù)來標(biāo)記位置很簡單，這種辦法能用來描述臺(tái)球桌上的球嗎?似 乎沒什么不可以的。想象一條軌道線在臺(tái)球桌上曲曲折折地通過了所有可 能的位置，那么一個(gè)球的位置仍然像以前那樣由一個(gè)數(shù)字來決定。假如位 置是惟一有意義的東西，那么這種方法足夠了。 但位置不是惟一的因子。為了描述臺(tái)球的運(yùn)動(dòng)，我們還應(yīng)該知道它如 何從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。另一種說法是，我們應(yīng)該知道一個(gè)位置 如何與另一個(gè)位置相關(guān)聯(lián)。我們不但要描述位置，還要描述位置的聯(lián)絡(luò)。 假設(shè)100個(gè)單位的軌道線在臺(tái)球桌上往來曲折，蓋滿了桌面（圖3.1）。 位置50與位置150相鄰。如果真有那樣的軌道世界，那么50號(hào)臺(tái)球得經(jīng)過位 置51、52……才能到達(dá)150。我們看到的卻不是這樣。當(dāng)然，球可以走那條 軌道，但它還可以更直接地從50達(dá)到150。因?yàn)?0直接連著150，它實(shí)際上 有另一種自由選擇的機(jī)會(huì)。 考慮到這種情況，我們最好是通過從原點(diǎn)出發(fā)到達(dá)那里來確定那個(gè)位 置。這樣，我們需要x和Y兩條相交的軌道，在每個(gè)相交的位置都有兩個(gè)運(yùn) 動(dòng)的選擇。我們稱一條軌道為一維空間，兩條軌道為二維空間。150號(hào)位置 現(xiàn)在成為（50，1），就是說，沿x軌道走50單位，沿通過位置（50，1）的Y軌 道走1單位。這2個(gè)數(shù)字既描述了位置，也說明了一個(gè)位置如何與相鄰的位 置聯(lián)絡(luò)。 現(xiàn)在，我們想象用一張折疊了無數(shù)次的大紙?zhí)顫M的屋子。假如我們只 對紙上的位置和運(yùn)動(dòng)感興趣，還是只需2個(gè)數(shù)就夠了。但我們知道，相鄰折 疊的聯(lián)絡(luò)帶來了一個(gè)新的自由度。每個(gè)位置有3種選擇，我們想象應(yīng)存在3 組軌道，也就是需要3個(gè)數(shù)字。這樣，在第4層紙上的（50，1），變成三維空 問的一個(gè)位置（50，1，4）。這3個(gè)數(shù)不僅確定了具體的位置，也告訴我們， 物理學(xué)實(shí)體有3個(gè)運(yùn)動(dòng)的自由度。大致說來，任意位置的一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)， 可以向前、向上或者向兩邊。 也許四維空間的物體還有一種運(yùn)動(dòng)的自由，不過，即使有的話，我們 也還沒有發(fā)現(xiàn)。它的存在會(huì)帶來一些奇異現(xiàn)象，因?yàn)樵谖覀兪煜さ娜S位 置間隱藏著別的聯(lián)絡(luò)。在那個(gè)新維度上運(yùn)動(dòng)的物體，可以忽然在一個(gè)地方 消失，在另一個(gè)地方出現(xiàn)，根本不經(jīng)過我們熟悉的空間。這為科幻小說提 供了說不完的話題。那么，為什么不說第五維、第六維呢?我們只能說還沒 有觀測到什么證據(jù)需要比三維更高的空間。三維把握起來比四維容易，而 且每一維都是相互等價(jià)的——不論我們?nèi)绾芜x擇那3個(gè)軌道；但第四維則與 其他三維大不相同，我們將失去各向同性，將出現(xiàn)一個(gè)與眾不同的方向。 所以，我們還是堅(jiān)持一個(gè)三維的世界，除非有什么不解的問題迫使我們將 它放棄。 不管怎么說，各向同性是可貴的，它使我們能夠適應(yīng)不同問題建立簡 單的參照系。有時(shí)，我們選擇3軸（軌道線）相互垂直，記為x，y和z，令x軸 指向我們愿意的任何方向。有時(shí)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更合適的坐標(biāo)系（圖3.2） 。不論坐標(biāo)系怎么選，它都不會(huì)歪曲我們面前的基本物理學(xué)。畢竟，我們 理想的空間是“齊”性的介質(zhì)——一個(gè)均勻而各向同性的連續(xù)體，它沒有 令人偏愛的空間和方向。坐標(biāo)系受到的惟一約束是，它必須有3個(gè)獨(dú)立的變 量來確定位置。 P36-41

圖書封面

圖書標(biāo)簽Tags

無

評論、評分、閱讀與下載

---

    時(shí)間、空間和萬物 PDF格式下載

---