時間、空間和萬物

前言

　　本書試著用通俗的語言來討論物理學對宇宙基本結(jié)構的看法。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)學的語言將它們表 達出來。物理學有許多絕妙而稀奇的思想，卻總被關在狹小的盒子里，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，有人會說他淺薄，還有人會感到不 知所云。不過，盡管心存疑慮，我還是覺得該擔起這個責任，因為專業(yè)化 的東西已經(jīng)太多，而向大眾普及的卻少得可憐j 即使身在物理學圈子里的大學生，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、電磁學和量子力學的 叢林里穿行，難免會迷失方向；但愿他能跳出那叢林，找回自己的路。正 是出于這樣一個心愿，我們在埃塞克斯(E。。e。）大學為大學生們開了門 物理學的課，這本書就是從講課中產(chǎn)生的。通常認為大學生理所當然應該 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遇 到的概念，在我們看來也并不比大家在中學碰到的東西更困難。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 企求的鳥瞰物理學了。 我欣常馬克·吐溫說過的一句話： 科學真是迷人，根據(jù)零星的事實，增添一點猜想，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 科的大學生，還是發(fā)愿走進物理學的高中生，都能夠體驗到那迷人的東西 。我還相信，這本書對各級物理老師都會有用，而念物理的大學生可以拿 它作為了解物理學背景的讀物。雖然這么說，我當然明白，寫一本讓專家 和百姓都能讀的書有多難。我也同樣知道，沒有幾個科學家干這樣的事情 。不同學科之間的鴻溝，在今天比以往任何時候都更加寬廣。雖然誰也不 能更專業(yè)到哪兒去，但可能也不會有人來做普及，這實際上是常有的事情 。那些溝壑沒有什么可愛的，有時甚至還完全是危險的，如果這本小書能 多少起到點溝通的作用，它也就至少達到了一個目的。 B·K·里德雷 1974年7月，colchester

內(nèi)容概要

物理學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)學的語言告訴我們，關于宇宙的基本結(jié)構、物理學會說些什么。他講了現(xiàn)代物理學的所有基本概念，如基本粒子、黑洞、引力、量子論、時間、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、虛時間和混沌。他清晰而睿智的描述，將一般讀者引向激動人心的世界，也為科學家們展望了科學的未來。     馬克·吐溫曾說：科學真是迷人，根據(jù)零星的事實，增添一點猜想，就能贏得那么多收獲！    本書用通俗的語言來討論物理學對宇宙的基本結(jié)構的看法，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)學的語言將它們表達出來。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大學物理學教授，皇家學會會員。

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 絕對的空間和時間 空間和維 空間的幾何 空間的尺度第4章 時間 時間的測量 時間尺度 時間的選擇 時間箭頭 時間是虛的嗎第5章 運動 速度測量與時間同步 光速與時間 相對論 加速運動第6章 能量 引力質(zhì)量 慣性質(zhì)量 動量和動能 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 機會 簡單和復雜 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， 沒有大小；長度、廣度和深度， 還有時間和空間，都失去了。 ——彌爾頓：失樂園 絕對的空間和時間 判別自然界的“物”，不過是個開頭。像臺球那種東西，有些性質(zhì)與 它是不是臺球沒有關系，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，一只臺球可以存在幾個星期甚至幾年， 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)構是基本的。實際上，從某種意義說，它們就表現(xiàn)為一種結(jié) 構，自然的一切復雜的形態(tài)都嵌在那結(jié)構上。 不過我們得小心點兒。我們對這些“物”的熟悉，同我們將它們抽象 出來，脫離實在，都一樣是危險的。先來看我們熟悉的東西怎么危險。一 個物體不能同時在兩個地方，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 個時間，而愛因斯坦告訴我們，不是那樣的?？磥?，在任何時候，我們都 需要檢驗我們的直覺的思想。請注意，大小和位置也經(jīng)歷著時間。如果位 置沒有持續(xù)，我們面對的就是運動，那是我們司空見慣的另一樣東西，更 難理解得多。另外，我們在前一章看到，運動是物理學許多事物屬性的綜 合表現(xiàn)，需要好好去認識。雖然它不陌生，我們還是應該小心地探尋它與 時間和空間的關系。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危險是脫離實在的抽象。我們把 持續(xù)、大小和位置看做宇宙的一種結(jié)構，這是危險的。因為，換一種說法 ，我們會發(fā)現(xiàn)物理學對象是嵌在時間和空間里的——這兩個黑體詞不是隨 便強調(diào)的。所以，如果誰那么想，他就危險了，因為他是在用完全靠自身 而存在的時間和空間來思想，與物理學實體的存在沒有關系。 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）當然存在于我們認識事物的周圍，時間當然平穩(wěn)地在整個宇宙間流逝（ 不論這是什么意思）；誠然，古人曾想過絕對空間——一個關于位置的層次 結(jié)構，人在宇宙的中心；誠然，絕對時間的概念更延續(xù)到了我們這個世紀 。但是，絕對空間和時間確實是不存在的。 讓我們想象一只臺球是宇宙中惟一的一樣東西，那么它有什么位置嗎? 這個問題沒有意義，因為一個位置只能相對于另一個位置來確定，我們稱 那個位置為原點，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間的流 逝呢?不能。空間也好，時間也好，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間的偏見，也跟著剝?nèi)ツ莾蓚€詞的“黑色外衣” 。 空間和維 這會兒，我們集中談談位置，時間留在以后再談。假定我們周圍散布 著好多臺球，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。 因為球都不動，最簡單的辦法是給每只球一個號。例如，我們有20只 球，可以用1到20的整數(shù)來標記它們的位置。3號位置是3號球所在的地方， 19號位置是19號球所在的地方，等等。位置之間不需要記號，因為我們可 憐的小宇宙只有那20只臺球。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。 當然，一旦球動起來，上面講的系統(tǒng)就沒用了，因為還可能出現(xiàn)中間 的位置。這樣，臺球可能占據(jù)的位置都需要作記號。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。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表 示方向的正負號和一個表示離零點遠近的數(shù)來定義。如果要求精度更高， 可以通過定義并且實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也是危 險的理想。） 用一個數(shù)來標記位置很簡單，這種辦法能用來描述臺球桌上的球嗎?似 乎沒什么不可以的。想象一條軌道線在臺球桌上曲曲折折地通過了所有可 能的位置，那么一個球的位置仍然像以前那樣由一個數(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。為了描述臺球的運動，我們還應該知道它如 何從一個地方移動到另一個地方。另一種說法是，我們應該知道一個位置 如何與另一個位置相關聯(lián)。我們不但要描述位置，還要描述位置的聯(lián)絡。 假設100個單位的軌道線在臺球桌上往來曲折，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號臺球得經(jīng)過位 置51、52……才能到達150。我們看到的卻不是這樣。當然，球可以走那條 軌道，但它還可以更直接地從50達到150。因為50直接連著150，它實際上 有另一種自由選擇的機會。 考慮到這種情況，我們最好是通過從原點出發(fā)到達那里來確定那個位 置。這樣，我們需要x和Y兩條相交的軌道，在每個相交的位置都有兩個運 動的選擇。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個數(shù)字既描述了位置，也說明了一個位置如何與相鄰的位 置聯(lián)絡。 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 對紙上的位置和運動感興趣，還是只需2個數(shù)就夠了。但我們知道，相鄰折 疊的聯(lián)絡帶來了一個新的自由度。每個位置有3種選擇，我們想象應存在3 組軌道，也就是需要3個數(shù)字。這樣，在第4層紙上的（50，1），變成三維空 問的一個位置（50，1，4）。這3個數(shù)不僅確定了具體的位置，也告訴我們， 物理學實體有3個運動的自由度。大致說來，任意位置的一個物體的運動， 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動的自由，不過，即使有的話，我們 也還沒有發(fā)現(xiàn)。它的存在會帶來一些奇異現(xiàn)象，因為在我們熟悉的三維位 置間隱藏著別的聯(lián)絡。在那個新維度上運動的物體，可以忽然在一個地方 消失，在另一個地方出現(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的——不論我們?nèi)绾芜x擇那3個軌道；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)一個與眾不同的方向。 所以，我們還是堅持一個三維的世界，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，它使我們能夠適應不同問題建立簡 單的參照系。有時，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，我們可能會發(fā)現(xiàn)更合適的坐標系（圖3.2） 。不論坐標系怎么選，它都不會歪曲我們面前的基本物理學。畢竟，我們 理想的空間是“齊”性的介質(zhì)——一個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。坐標系受到的惟一約束是，它必須有3個獨立的變 量來確定位置。 P36-41

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