物理學(xué)常識 通俗詳解全

物理學(xué)常識通俗詳解1牛頓試圖解釋物體下落和行星運轉(zhuǎn)的原因。他假設(shè)在萬物之間存在一種相互吸引的“力量”，他稱之為“引力”。那么這個力是如何牽引兩個相距甚遠(yuǎn)，中間又空無一物的物體的呢？這位偉大的現(xiàn)代科學(xué)之父對此顯得謹(jǐn)慎小心，未敢大膽提出假設(shè)。2牛頓想象物體是在空間中運動的，他認(rèn)為空間是一個巨大的空容器，一個能裝下宇宙的大盒子，也是一個碩大無朋的框架，所有物體都在其中做直線運動，直到有一個力使它們的軌道發(fā)生彎曲。那么這個空間是由什么構(gòu)成的？或者說這個可以容納世界的容器是由什么做成的？牛頓也沒有給出答案。3法拉第和麥克斯韋為牛頓冰冷的世界添加了新鮮的內(nèi)容：電磁場。所謂“電磁場”，是一種無處不在的真實存在，它可以傳遞無線電波，可以布滿整個空間；它可以振動，也可以波動，就像起伏的湖面一樣；它還可以將電力“四處傳播”。4愛因斯坦從小就對電磁場十分著迷，很快他想到，就像電力一樣，引力一定也是由一種場來傳播的，一定存在一種類似于“電場”的“引力場”。他想弄明白這個“引力場”是如何運作的，怎樣用方程對“引力場”進(jìn)行描述。5他靈光一閃，一個百分百天才的想法誕生了：引力場不需要“彌漫”于空間，因為引力場本身就是空間。這就是廣義相對論的思想——引力場本身就是空間。6其實，牛頓的那個承載物體的“空間”與“引力場”是同一個東西。引力場就是空間，空間就是引力場。7空間不再是一種有別于物質(zhì)的東西，而是構(gòu)成世界的“物質(zhì)”成分之一，一種可以波動、彎曲、變形的實體。8我們不再身處一個看不見的堅硬的空間框架里，而更像是深陷在一個巨大的容易形變得引力場軟體動物中。9太陽會使其周圍的空間發(fā)生彎曲，所以地球并不是在某種神秘力量的牽引下繞著太陽旋轉(zhuǎn)，而是在一個傾斜的空間中行進(jìn)，就好像彈珠在漏斗中滾動一樣：漏斗中心并不會產(chǎn)生什么神秘的“力量”，是彎曲的漏斗壁使彈珠滾動的。所以無論是行星繞著太陽轉(zhuǎn)，還是物體下落，都是因為空間發(fā)生了彎曲。10那么我們該如何描述這種空間的彎曲呢？數(shù)學(xué)家高斯在十九世紀(jì)已經(jīng)寫出了描述二維曲面（比如小山丘的表面）的公式。他還讓自己的得意門生將這一理論推廣到三維乃至更高維的曲面。11數(shù)學(xué)家黎曼證明了在任何一個彎曲空間的特征都可以用一個數(shù)學(xué)量來描述，如今我們稱之為“黎曼曲率”，用大寫的“R”來表示。12后來愛因斯坦也寫了一個方程，將這個R與物質(zhì)的能量等價起來，也就是說：空間在有物質(zhì)的地方會發(fā)生彎曲。這個方程只有半行的長度，僅此而已?？臻g彎曲這個觀點，現(xiàn)在變成了一個方程。13首先，這個方程描述了空間如何在恒星周圍發(fā)生彎曲。由于這個彎曲，不僅行星要在軌道上繞著恒星轉(zhuǎn)，就連光也發(fā)生了偏折，不再走直線。愛因斯坦預(yù)測，太陽會使光線偏折。在1919年，這個偏折被測量出來，從而證實了他的這一預(yù)測。14其實不僅是空間，時間也同樣會發(fā)生彎曲。在高空中，在離太陽更近的地方，時間會過得比較快，而在低的地方，離地球近的地方時間則過得比較慢。這一預(yù)測后來也經(jīng)測量得到了證實。15如果一對雙胞胎，一個住在海邊，一個住在山上，只要經(jīng)過一段時間，住在海邊的那個就會發(fā)現(xiàn)，住在山上的兄弟要比自己老得快一些。16當(dāng)一個大恒星燃燒完自己所有的燃料時，它就會熄滅。殘留的部分因為沒有燃燒產(chǎn)生的熱量的支撐，會因為自身的重量而坍塌，導(dǎo)致空間強烈彎曲，最終塌陷成一個真真正正的洞。這就是著名的“黑洞”。天文學(xué)家已觀測到宇宙中大量的黑洞。17整個宇宙空間可以膨脹和收縮。愛因斯坦的方程還指出，空間不可能一直保持靜止，它一定是在不斷膨脹的。1930年，人們確確實實觀測到了宇宙的膨脹。18這個方程還預(yù)測，這個膨脹是由一個極小、極熱的年輕宇宙的爆炸引發(fā)的：這就是我們所說的“宇宙大爆炸”。19此外，這個理論還說，空間會像海平面一樣起伏，目前人們已經(jīng)在宇宙中的雙星上觀測到了“引力波”的這種效應(yīng)，與愛因斯坦理論的預(yù)言驚人一致，精確到了千億分之一。20愛因斯坦的理論描繪了一個絢麗多彩而又令人驚奇的世界。在這個世界里有發(fā)生爆炸的宇宙，有坍塌成無底深洞的空間，有在某個行星附近放慢速度的時間，還有像大海揚波一般無邊無際延展的星際空間。21我們是怎么明白宇宙的奇妙的？是因為愛因斯坦的相對論，就是說空間和引力場本是一回事，這一切又可以歸結(jié)為一個簡潔的方程。2220世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱，一個是前面講的廣義相對論，另一個就是我這里要講的量子力學(xué)，它們之間有著天壤之別。23量子力學(xué)正好誕生于1900年，德國物理學(xué)家普朗克為了計算處于平衡態(tài)的電磁場。他用了一個巧妙的方法：假設(shè)電磁場的能量是分開一塊一塊的。用這個方法計算出的結(jié)果與測量得到的數(shù)據(jù)完全吻合（所以應(yīng)該算是正確的）。但卻與當(dāng)時人們的認(rèn)知背道而馳，因為當(dāng)時人們認(rèn)為能量是連續(xù)不能分開的。硬把能量說成是由一堆“碎磚塊”構(gòu)成的，簡直是無稽之談。24對于普朗克來說，把能量視為一個個能量塊的集合只是計算上使用的一個特殊策略，就連他自己也不明白為什么這種方法會奏效。然而五年以后，又是愛因斯坦，終于認(rèn)識到這些“能量包”是真實存在的。愛因斯坦指出光是由成包的光粒子構(gòu)成的，今天我們稱之為“光子”。25這些光子就是量子。什么是量子呢？量子就是一切能量在傳遞過程中的最小單位，這個最小單位不可分。一切能量就是以這個最小單位一個一個的傳遞，而不是連續(xù)的傳遞。量子是一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。26在20世紀(jì)二十年代，玻爾了解到原子核內(nèi)電子的能量跟光能一樣，只能是特定值。電子只有在特定的能量之下才能從一個原子軌道“跳躍”到另一個原子軌道上，并同時釋放或吸收一個光子，這就是著名的“量子躍遷”。就是說電子也是量子。271925年，量子理論的方程終于出現(xiàn)了，取代了整個牛頓力學(xué)。霎時間，一切現(xiàn)象都可以解釋了，一切都可以被計算出來了。28這里舉一個例子：你們記得初中化學(xué)課上學(xué)過的元素周期表吧。它把宇宙中可能出現(xiàn)的所有元素都列了出來，從氫元素到鈾元素。那么為什么偏偏是這些元素被列在表上呢？為什么元素周期表的結(jié)構(gòu)是這樣的呢？為什么這些元素和周期會有這樣的特征呢？答案就是，每一種元素都是量子力學(xué)最主要方程的一個解。整個化學(xué)學(xué)科都基于這一個方程。29率先為這個新理論列出方程的是一個非常年輕的德國天才——海森堡。30海森堡想象電子并非一直存在，只在有人看到它們時，或者更確切地說，只有和其他東西相互作用時它們才會存在。當(dāng)它們與其他東西相撞時，就會以一個可計算的概率在某個地方出現(xiàn)。從一個軌道到另一個軌道的“量子躍遷”是它們現(xiàn)身的唯一方式：一個電子就是相互作用下的一連串跳躍。如果沒有受到打擾，電子就沒有固定的棲身之所，它甚至不會存在于一個所謂的“地方”。31在量子力學(xué)中，沒有一樣?xùn)|西擁有確定的位置，除非它撞上了別的東西。為了描述電子從一種相互作用到另一種相互作用的飛躍，就要借助一個抽象的公式。它只存在于抽象的數(shù)學(xué)空間，而不存在于真實空間。32更糟的是，這些從一處到另一處的飛躍大多是隨機(jī)的，不可預(yù)測。我們無法預(yù)知一個電子再次出現(xiàn)時會是在哪兒，只能計算它出現(xiàn)在這里或那里的“概率”。這個概率問題直搗物理的核心，可原本物理學(xué)的一切問題都是被那些普遍且不可改變的鐵律所控制的。33這是不是很荒謬？愛因斯坦也這么認(rèn)為。一方面，他提名海森堡參選諾貝爾獎，承認(rèn)其探究到了世界某些最本質(zhì)的東西。但另一方面，他只要一有機(jī)會就抱怨，說這實在太不合理。34玻爾耐心地給愛因斯坦解釋了這些