第一章2時(shí)空與萬(wàn)物

1、大學(xué)物理大學(xué)物理南京航空航天南京航空航天大學(xué)理學(xué)院大學(xué)理學(xué)院（施大寧（施大寧 教授編著）教授編著）赫崇君赫崇君 主講主講 自然與數(shù)學(xué)自然與數(shù)學(xué) 物質(zhì)世界的層次物質(zhì)世界的層次 宇宙中的均衡與相互作用宇宙中的均衡與相互作用 黑洞的意義黑洞的意義1.2 時(shí)空與萬(wàn)物時(shí)空與萬(wàn)物空間空間時(shí)間時(shí)間 光光自古希臘起，自然哲學(xué)家一直在探索三者之間的關(guān)系自古希臘起，自然哲學(xué)家一直在探索三者之間的關(guān)系一個(gè)人倘若常常凝想宇宙的浩渺無(wú)際，時(shí)間的茫無(wú)頭一個(gè)人倘若常常凝想宇宙的浩渺無(wú)際，時(shí)間的茫無(wú)頭尾，便會(huì)產(chǎn)生虛無(wú)感和人生短暫的傷感。反過來(lái)，如尾，便會(huì)產(chǎn)生虛無(wú)感和人生短暫的傷感。反過來(lái)，如果人們意識(shí)不到宇宙在時(shí)空上的無(wú)限性

2、，便會(huì)使心靈果人們意識(shí)不到宇宙在時(shí)空上的無(wú)限性，便會(huì)使心靈因缺少哲理的依托而變得輕浮淺薄。因缺少哲理的依托而變得輕浮淺薄。畢達(dá)哥拉斯畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras，584-497 BC ）:“數(shù)即萬(wàn)物數(shù)即萬(wàn)物” 宇宙的本質(zhì)可以通過宇宙的本質(zhì)可以通過數(shù)字?jǐn)?shù)字和和純幾何形式純幾何形式來(lái)揭示來(lái)揭示自然是和諧的自然是和諧的則兩弦發(fā)的則兩弦發(fā)的音相差音相差8倍倍則兩弦發(fā)的則兩弦發(fā)的音相差音相差5倍倍Euclids 公公設(shè)設(shè) （Postulates） 1. 兩點(diǎn)之間存在一條直線。兩點(diǎn)之間存在一條直線。 2. 任意一條線段可以無(wú)限延長(zhǎng)成直線任意一條線段可以無(wú)限延長(zhǎng)成直線 。 3. 以任意一條線段為半徑可畫

3、一個(gè)圓。以任意一條線段為半徑可畫一個(gè)圓。 4. 所有直角一概相等。所有直角一概相等。 5. 平行線永不相交。平行線永不相交。公元前公元前3世紀(jì)，歐幾里得（公世紀(jì)，歐幾里得（公元元前330？前275？）創(chuàng)立了創(chuàng)立了作為整個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)的歐氏幾何作為整個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)的歐氏幾何學(xué)，即學(xué)，即幾何原本幾何原本。- 把抽象思維轉(zhuǎn)化成幾何圖形把抽象思維轉(zhuǎn)化成幾何圖形 - 定義了與圖形相關(guān)的術(shù)語(yǔ)定義了與圖形相關(guān)的術(shù)語(yǔ) - 在幾何圖形基礎(chǔ)上提出了若干公理在幾何圖形基礎(chǔ)上提出了若干公理（axioms） - 在這些公理的基礎(chǔ)上提出在這些公理的基礎(chǔ)上提出5個(gè)公設(shè)（個(gè)公設(shè)（postulates ）隨后，隨后，阿基米德補(bǔ)充：阿基

4、米德補(bǔ)充：空間任意兩點(diǎn)的最短距離空間任意兩點(diǎn)的最短距離是直線是直線。歐歐氏幾何系統(tǒng)來(lái)源于智力抽象氏幾何系統(tǒng)來(lái)源于智力抽象（mental abstraction）歐氏幾何的核心：空間是由歐氏幾何的核心：空間是由直線直線構(gòu)造而成的；構(gòu)造而成的；圓圓是是最美的形式。最美的形式。這個(gè)這個(gè)幾何系統(tǒng)意味著空間是均勻幾何系統(tǒng)意味著空間是均勻(uniform), 連續(xù)連續(xù)(continuous), 同同質(zhì)質(zhì)(homogenous)和和空的空的(empty)。在在柏拉圖柏拉圖（427-374 B.C.）學(xué)院學(xué)院的大門上雕刻著的大門上雕刻著:“不不懂幾何學(xué)者勿入懂幾何學(xué)者勿入”（Let no one enter

5、who is not schooled in geometry）芝諾（芝諾（Zeno, 公元公元前前5 5世紀(jì)哲學(xué)家世紀(jì)哲學(xué)家）提出悖論，來(lái)揭示有關(guān)空間概念的提出悖論，來(lái)揭示有關(guān)空間概念的矛盾之處。矛盾之處。 (例例如：飛毛腿阿基里如：飛毛腿阿基里斯斯和和烏龜賽跑烏龜賽跑)歐氏幾何歐氏幾何 成為成為古希臘科學(xué)古希臘科學(xué)與哲學(xué)的基礎(chǔ)與哲學(xué)的基礎(chǔ)。希臘人一直沒有認(rèn)真對(duì)希臘人一直沒有認(rèn)真對(duì)待和真正解決這個(gè)悖論待和真正解決這個(gè)悖論OAlBC D設(shè)阿基里斯設(shè)阿基里斯和和烏龜?shù)乃俣确謩e為烏龜?shù)乃俣确謩e為V1和和V2（ V1V2）lVVtVABVlt)/( ,121211 12VABt 112/)/(VlV

6、V lVVtVBC21222)/( 13VBCt 1212/)/(VlVV 21ttt)(1212121 VVVVVl121/11VVVl )/(21VVl 211)1(xxx時(shí)間的意義：時(shí)間的意義：時(shí)間圖像必須既具有線性化的直線特征，又必須包時(shí)間圖像必須既具有線性化的直線特征，又必須包括輪回性的圓的特征括輪回性的圓的特征 ,這就是這就是螺旋線螺旋線，代表一條均勻流逝的，又，代表一條均勻流逝的，又具有輪回周期特征的時(shí)間長(zhǎng)河具有輪回周期特征的時(shí)間長(zhǎng)河 .人類不僅可以觀察人類不僅可以觀察自然，更具有在高自然，更具有在高層次上，抽象思考層次上，抽象思考自然的能力自然的能力 組成宇宙物質(zhì)的五個(gè)基本物體

7、（The five Platonic Solids）六面體六面體earth（土土）四面體四面體fireheat八八面體面體airgas十十二面體二面體universe(星系星系)aether(以太以太)二十二十面體面體waterliquid柏拉圖柏拉圖(Plato, 427-347 BC)完美的幾何形體完美的幾何形體雅典學(xué)派雅典學(xué)派 拉斐爾拉斐爾 Raphael， 1510-1511）拉斐爾定格了哲學(xué)家那崇尚高貴的情操和古希臘那高度理想的黃金時(shí)代拉斐爾定格了哲學(xué)家那崇尚高貴的情操和古希臘那高度理想的黃金時(shí)代哲學(xué)是科學(xué)的純粹形式；古希臘哲學(xué)的核心是理性主義哲學(xué)是科學(xué)的純粹形式；古希臘哲學(xué)的核心是

8、理性主義古古希臘科學(xué)的品質(zhì)是理性、理想和唯美的結(jié)合。希臘科學(xué)的品質(zhì)是理性、理想和唯美的結(jié)合。這種思想直接被物理學(xué)所繼承，比如這種思想直接被物理學(xué)所繼承，比如開普勒行星模型：開普勒行星模型：物理學(xué)中模型的意義：物理學(xué)中模型的意義：從個(gè)體到一般從個(gè)體到一般從復(fù)雜到簡(jiǎn)單從復(fù)雜到簡(jiǎn)單從現(xiàn)實(shí)到理想從現(xiàn)實(shí)到理想物理學(xué)的基本方法之一：物理學(xué)的基本方法之一：還原論還原論四方上下謂之四方上下謂之“宇宇” 空間空間空間基準(zhǔn)單位是空間基準(zhǔn)單位是“米米” 10冪次方代表冪次方代表“數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)” 102510-15 稱之宇宙的稱之宇宙的 40個(gè)個(gè)“臺(tái)階臺(tái)階” 時(shí)間基準(zhǔn)單位是時(shí)間基準(zhǔn)單位是“秒秒” 10冪次方代表冪次方

9、代表“數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)” 時(shí)間的跨度時(shí)間的跨度 也是40個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí)“阿秒阿秒”10-18秒秒古往今來(lái)謂之古往今來(lái)謂之“宙宙” 時(shí)間時(shí)間阿秒頻閃技術(shù)觀察電子運(yùn)動(dòng)李政道先生書：李政道先生書：宇宙大蟒宇宙大蟒至大的宇宙和至小的基本粒至大的宇宙和至小的基本粒子遵循的子遵循的物理法則是相同物理法則是相同的的 。微觀微觀介觀介觀宏觀宏觀宇觀宇觀質(zhì)量跨度1078個(gè)原子，造化無(wú)限物理學(xué)的基本方法之二：實(shí)驗(yàn)研究物理學(xué)的基本方法之二：實(shí)驗(yàn)研究宇宙中的均衡與相互作用宇宙中的均衡與相互作用結(jié)論：自然界的物質(zhì)存在不結(jié)論：自然界的物質(zhì)存在不是隨意的，其存在的可能性是隨意的，其存在的可能性由由某種規(guī)律某種規(guī)律決定決定 。

10、自然力的平衡結(jié)果自然力的平衡結(jié)果推論：推論：自然力的數(shù)目有限自然力的數(shù)目有限 。宇宙中的均衡與相互作用宇宙中的均衡與相互作用強(qiáng)力強(qiáng)力弱力弱力萬(wàn)有引力萬(wàn)有引力電磁力電磁力什么是力？什么是力？簡(jiǎn)單地說(shuō)，力將驅(qū)動(dòng)宇宙間物體，改變它們的運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，力將驅(qū)動(dòng)宇宙間物體，改變它們的運(yùn)動(dòng)。 只有四種自然力控制整個(gè)宇宙：只有四種自然力控制整個(gè)宇宙： 原子核內(nèi)原子核內(nèi)10-15米米宏觀宏觀宏觀宏觀相對(duì)相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)度110-3原子核內(nèi)原子核內(nèi)10-15米米10-3810-220Inst i t ute ofPhysics Peter Kalmus Particles and the UniverseForces

11、Gravityfalling objectsplanetorbitsstarsgalaxiesinversesquare lawgravitoninversesquare lawphotonshortrangeW, Z0Electro-magneticatomsmoleculesopticselectronicstelecom.WeakbetadecaysolarfusionStrongnucleiparticlesshortrangegluon黑洞區(qū)黑洞區(qū)量子區(qū)量子區(qū)天公造化天公造化非非無(wú)限無(wú)限物含妙理總堪尋物含妙理總堪尋 宇宙中的均衡與相互作用宇宙中的均衡與相互作用（質(zhì)量大，體積?。ㄙ|(zhì)量

12、大，體積?。ㄙ|(zhì)量小，體積?。ㄙ|(zhì)量小，體積?。┟芏鹊南嗨菩裕好芏鹊南嗨菩裕鹤匀涣Φ钠胶饨Y(jié)果自然力的平衡結(jié)果宇宙中的均衡與相互作用宇宙中的均衡與相互作用“測(cè)量測(cè)量”的意義的意義：質(zhì)量大，質(zhì)量大，晃動(dòng)小，晃動(dòng)小，可可“見見”質(zhì)量小，質(zhì)量小，晃動(dòng)大，晃動(dòng)大，不可不可“見見”什么是黑洞（什么是黑洞（Black hole）？）？RGM2v 逃逃逸逸光線光線天體天體質(zhì)量增加質(zhì)量增加，或，或半徑減少半徑減少，逃逸速度，逃逸速度增加增加。如果逃逸速度大于如果逃逸速度大于光速光速 c c, 則則光也無(wú)法逃逸光也無(wú)法逃逸。黑黑洞洞經(jīng)典定義：經(jīng)典定義：22cGMR RGM2v 逃逃逸逸l地球（半徑為地球（半徑為6

13、400公里）變成黑洞，大小如同公里）變成黑洞，大小如同乒乓球乒乓球l太陽(yáng)（半徑為太陽(yáng)（半徑為70萬(wàn)公里）變成黑洞，半徑只有萬(wàn)公里）變成黑洞，半徑只有3公里公里經(jīng)典觀點(diǎn)：黑洞經(jīng)典觀點(diǎn)：黑洞致密天體（每立方厘米致密天體（每立方厘米100億噸）億噸）利用黑洞模型估計(jì)宇宙大?。豪煤诙茨Ｐ凸烙?jì)宇宙大?。?343RM 22cGMRg GcRg832 意義：意義：生活在此球內(nèi)部的人，不可生活在此球內(nèi)部的人，不可能將光發(fā)射到其之外能將光發(fā)射到其之外 33210米米千千克克 c 宇宙的平宇宙的平均密度：均密度： 得得米米2510 gR宇宙的大小宇宙的大小R什么是黑洞什么是黑洞(Black hole)？現(xiàn)代定義

14、：現(xiàn)代定義：世紀(jì)大賭博世紀(jì)大賭博索恩索恩(Kip Thorne)(Kip Thorne)賭賭: : YesYes霍金霍金(Stephen Hawking)賭賭: No黑洞真的存在嗎？黑洞真的存在嗎？天鵝座天鵝座 X-1黑洞可探測(cè)嗎？黑洞可探測(cè)嗎？來(lái)吧！來(lái)吧！你永不可拒絕我，你永不可拒絕我，這個(gè)世界，這個(gè)世界，才是我最后的晚餐。才是我最后的晚餐。 施大寧施大寧Yes! 黑色晚禮服的小伙子和黑色晚禮服的小伙子和白色衣裙的姑娘翩翩起舞白色衣裙的姑娘翩翩起舞 黑洞的時(shí)間圖景：黑洞的時(shí)間圖景：你的時(shí)間你的時(shí)間越來(lái)越慢越來(lái)越慢，最終成，最終成為永恒。為永恒。你你我我進(jìn)入黑洞的那一進(jìn)入黑洞的那一瞬間，瞬間，你你看到了看到了宇宙的全部時(shí)間宇宙的全部時(shí)間：過去、現(xiàn)在和過去、現(xiàn)在和將來(lái)將來(lái) 愿意去體味嗎？愿意去體味嗎？ 落入黑洞，粉身碎骨。黑洞蒸發(fā)時(shí)，再循環(huán)為落入黑洞，粉身碎骨。黑洞蒸發(fā)時(shí)，再循環(huán)為粒子和輻射。不朽的是質(zhì)量或能量。粒子和輻射。不朽的是質(zhì)量或能量。千萬(wàn)說(shuō)千萬(wàn)說(shuō)No！。黑洞與白洞？科學(xué)幻想還是物理實(shí)在？黑洞與白洞？科學(xué)幻想還是物理實(shí)在？時(shí)空中不同區(qū)域之間蟲洞的思想時(shí)空中不同區(qū)域之間蟲洞的思想并非科學(xué)幻想并非科學(xué)幻想，或者藝術(shù)家的發(fā)，或者藝術(shù)家的發(fā)明，它來(lái)源于愛因斯坦明，它來(lái)源于愛因斯坦