第一章2時(shí)空與萬(wàn)物

大學(xué)物理南京航空航天大學(xué)理學(xué)院（施大寧教授編著）hechongjun@赫崇君主講自然與數(shù)學(xué)物質(zhì)世界的層次宇宙中的均衡與相互作用黑洞的意義§1.2時(shí)空與萬(wàn)物

空間

時(shí)間

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(guò)來(lái)，如果人們意識(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。

一、自然與數(shù)學(xué)

一、自然與數(shù)學(xué)畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras，584-497BC

）:“數(shù)即萬(wàn)物”

宇宙的本質(zhì)可以通過(guò)數(shù)字和純幾何形式來(lái)揭示自然是和諧的則兩弦發(fā)的音相差8倍則兩弦發(fā)的音相差5倍Euclid’s公設(shè)（Postulates）1.兩點(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。3.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。5.平行線永不相交。公元前3世紀(jì)，歐幾里得（公元前330？—前275？）創(chuàng)立了作為整個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)的歐氏幾何學(xué)，即《幾何原本》。

一、自然與數(shù)學(xué)

-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)

-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5個(gè)公設(shè)（postulates）隨后，阿基米德補(bǔ)充：空間任意兩點(diǎn)的最短距離是直線。歐氏幾何系統(tǒng)來(lái)源于智力抽象（mentalabstraction）歐氏幾何的核心：空間是由直線構(gòu)造而成的；圓是最美的形式。這個(gè)幾何系統(tǒng)意味著空間是均勻(uniform),連續(xù)(continuous),同質(zhì)(homogenous)和空的(empty)。

一、自然與數(shù)學(xué)在柏拉圖（427-374B.C.）學(xué)院的大門上雕刻著:

“不懂幾何學(xué)者勿入”（Letnooneenterwhoisnotschooledingeometry）芝諾（Zeno,公元前5世紀(jì)哲學(xué)家）提出悖論，來(lái)揭示有關(guān)空間概念的矛盾之處。(例如：飛毛腿阿基里斯和烏龜賽跑)

一、自然與數(shù)學(xué)歐氏幾何

成為古希臘科學(xué)與哲學(xué)的基礎(chǔ)。希臘人一直沒(méi)有認(rèn)真對(duì)待和真正解決這個(gè)悖論OAlBCD…設(shè)阿基里斯和烏龜?shù)乃俣确謩e為V1和V2（V1>V2）

一、自然與數(shù)學(xué)時(shí)間的意義：時(shí)間圖像必須既具有線性化的直線特征，又必須包括輪回性的圓的特征

,這就是螺旋線，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

.人類不僅可以觀察自然，更具有在高層次上，抽象思考自然的能力

一、自然與數(shù)學(xué)組成宇宙物質(zhì)的五個(gè)基本物體（ThefivePlatonicSolids）六面體

earth（土）四面體fire

heat八面體

air

gas十二面體

universe(星系)

aether(以太)二十面體

water

liquid柏拉圖(Plato,427-347BC)——完美的幾何形體

一、自然與數(shù)學(xué)《雅典學(xué)派》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

一、自然與數(shù)學(xué)

一、自然與數(shù)學(xué)哲學(xué)是科學(xué)的純粹形式；古希臘哲學(xué)的核心是理性主義古希臘科學(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，比如開普勒行星模型：

一、自然與數(shù)學(xué)物理學(xué)中模型的意義：從個(gè)體到一般從復(fù)雜到簡(jiǎn)單從現(xiàn)實(shí)到理想物理學(xué)的基本方法之一：還原論

二、物質(zhì)世界的層次四方上下謂之“宇”——空間空間基準(zhǔn)單位是“米”10冪次方代表“數(shù)量級(jí)”

1025—10-15

稱之宇宙的40個(gè)“臺(tái)階”時(shí)間基準(zhǔn)單位是“秒”10冪次方代表“數(shù)量級(jí)”

時(shí)間的跨度也是40個(gè)數(shù)量級(jí)“阿秒”——10-18秒

二、物質(zhì)世界的層次古往今來(lái)謂之“宙”——時(shí)間阿秒頻閃技術(shù)觀察電子運(yùn)動(dòng)李政道先生書：宇宙大蟒——至大的宇宙和至小的基本粒子遵循的物理法則是相同的。

二、物質(zhì)世界的層次微觀介觀宏觀宇觀量子力學(xué)經(jīng)典力學(xué)天體物理

二、物質(zhì)世界的層次

二、物質(zhì)世界的層次質(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

三、宇宙中的均衡與相互作用結(jié)論：自然界的物質(zhì)存在不是隨意的，其存在的可能性由某種規(guī)律決定。自然力的平衡結(jié)果推論：自然力的數(shù)目有限。

三、宇宙中的均衡與相互作用強(qiáng)力弱力萬(wàn)有引力電磁力什么是力？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)。

只有四種自然力控制整個(gè)宇宙：

原子核內(nèi)10-15米宏觀宏觀相對(duì)強(qiáng)度110-3原子核內(nèi)10-15米10-3810-2黑洞區(qū)量子區(qū)天公造化非無(wú)限物含妙理總堪尋

三、宇宙中的均衡與相互作用（質(zhì)量大，體積?。ㄙ|(zhì)量小，體積?。┟芏鹊南嗨菩裕鹤匀涣Φ钠胶饨Y(jié)果

三、宇宙中的均衡與相互作用“測(cè)量”的意義：質(zhì)量大，晃動(dòng)小，可“見”質(zhì)量小，晃動(dòng)大，不可“見”什么是黑洞（Blackhole）？光線天體質(zhì)量增加，或半徑減少，逃逸速度增加。如果逃逸速度大于光速c,則光也無(wú)法逃逸。

四、黑洞的意義黑洞經(jīng)典定義：

四、黑洞的意義地球（半徑為6400公里）變成黑洞，大小如同乒乓球太陽(yáng)（半徑為70萬(wàn)公里）變成黑洞，半徑只有3公里經(jīng)典觀點(diǎn)：黑洞——致密天體（每立方厘米100億噸）

四、黑洞的意義利用黑洞模型估計(jì)宇宙大?。阂饬x：生活在此球內(nèi)部的人，不可能將光發(fā)射到其之外宇宙的平均密度：

得宇宙的大小R

四、黑洞的意義什么是黑洞(Blackhole)？現(xiàn)代定義：世紀(jì)大賭博索恩(KipThorne)賭:Yes霍金(StephenHawking)賭:No黑洞真的存在嗎？天鵝座

X-1

四、黑洞的意義黑洞可探測(cè)嗎？來(lái)吧！你永不可拒絕我，這個(gè)世界，才是我最后的晚餐。

—施大寧Yes!

黑色晚禮服的小伙子和白色衣裙的姑娘翩翩起舞

四、黑洞的意義

四、黑洞的意義黑洞的時(shí)間圖景：你的時(shí)間越來(lái)越慢，最終成為永恒。你我進(jìn)入黑洞的那一瞬間，你看到了宇宙的全部時(shí)間：過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)

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)為粒子和輻射。不朽的是質(zhì)量或能量。

四、黑洞的意義千萬(wàn)說(shuō)No！霍金給出了“黑洞蒸發(fā)”的物理圖像。

四、黑洞的意義黑洞與白洞？科學(xué)幻想還是物理實(shí)在？時(shí)空中不