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從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 版權(quán)信息
- ISBN:9787301333686
- 條形碼:9787301333686 ; 978-7-301-33368-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù):暫無(wú)
- 重量:暫無(wú)
- 所屬分類(lèi):
從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 本書(shū)特色
適讀人群 :普通讀者1.從“零”開(kāi)始,站在“問(wèn)題”角度,循序漸進(jìn)地講述了整個(gè)物理學(xué)理論的演變過(guò)程。 2.內(nèi)容全面,涵蓋經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)、光學(xué)、相對(duì)論、量子物理和宇宙學(xué)。 3.思路清晰、行文流暢,措辭嚴(yán)謹(jǐn)又不乏幽默,插圖簡(jiǎn)約又不乏精準(zhǔn),內(nèi)容簡(jiǎn)練又不乏深意。 4.以開(kāi)放式思維探討物理與數(shù)學(xué)、哲學(xué)之間的關(guān)系,旨在與讀者共同建立理性思維。
從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
牛頓是怎樣建立萬(wàn)有引力定律的?引力是超距作用嗎? 光速為什么不變?愛(ài)因斯坦為什么要提出相對(duì)論? 電子是粒子還是波?薛定諤的貓到底是怎么一回事? 宇宙大爆炸是怎樣一步步建立的?暗物質(zhì)與暗能量真的存在嗎? 物理學(xué)總是令人著迷又令人困惑。本書(shū)從“零”開(kāi)始,站在“問(wèn)題”角度,循序漸進(jìn)地講述了整個(gè)物理學(xué)理論的演變過(guò)程,內(nèi)容涵蓋經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)、光學(xué)、相對(duì)論、量子物理和宇宙學(xué)。 本書(shū)思路清晰、行文流暢,措辭嚴(yán)謹(jǐn)又不乏幽默,插圖簡(jiǎn)約又不乏精準(zhǔn),內(nèi)容簡(jiǎn)練又不乏深意。除物理外,本書(shū)多處以開(kāi)放式思維探討物理與數(shù)學(xué)、哲學(xué)的關(guān)系,旨在與讀者共同建立理性思維,是青少年及廣大物理愛(ài)好者不錯(cuò)的入門(mén)書(shū)籍。
從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 目錄
第1章 經(jīng)典力學(xué)
1.1 地心說(shuō) / 001
古希臘與亞里士多德 / 005
1.2 日心說(shuō) / 010
第谷與開(kāi)普勒 / 020
1.3 從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始 / 023
相對(duì)運(yùn)動(dòng) / 027
1.4 力學(xué)定律 / 035
微積分 / 039
1.5 萬(wàn)有引力 / 051
近代哲學(xué)之父——笛卡爾 / 052
站在巨人肩膀上 / 059
第2章 電磁學(xué)
2.1 從靜電到電流 / 065
2.2 電生磁 / 073
奧斯特與安徒生 / 076
電學(xué)中的鐵三角 / 078
2.3 磁生電 / 082
道德楷模法拉第 / 089
2.4 電磁波 / 093
什么是物理? / 096
什么是波? / 101
電磁學(xué)的大廈 / 107
第3章 熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)
3.1 從火說(shuō)起 / 109
化學(xué)家拉瓦錫 / 113
3.2 熱的本質(zhì) / 117
從永動(dòng)機(jī)到能量守恒 / 121
3.3 熱力學(xué) / 124
3.4 統(tǒng)計(jì)力學(xué) / 132
第4章 光學(xué)
4.1 光的本質(zhì) / 138
光的三種傳播方式 / 139
4.2 光譜 / 148
4.3 光速 / 154
第5章 相對(duì)論
5.1 兩朵烏云 / 159
5.2 狹義相對(duì)論 / 165
絕對(duì)時(shí)空 / 167
什么是質(zhì)量? / 172
5.3 淺談狹義相對(duì)論 / 175
5.4 廣義相對(duì)論 / 179
黎曼幾何 / 182
第6章 量子物理
6.1 微觀世界 / 192
X射線 / 199
6.2 量子之門(mén) / 200
火與顏色 / 201
什么是量子? / 205
光電效應(yīng) / 207
6.3 電子軌道 / 209
α、β、γ射線 / 210
6.4 迷霧重重 / 216
常用的物理知識(shí) / 217
泡利不相容原理 / 221
施特恩與蓋拉赫 / 225
6.5 矩陣力學(xué) / 228
沉默的狄拉克 / 231
6.6 電子是波 / 234
愛(ài)因斯坦與諾貝爾獎(jiǎng) / 234
晶體 / 240
6.7 薛定諤方程 / 243
概率波 / 247
互補(bǔ)原理 / 252
6.8 索爾維會(huì)議 / 253
“二戰(zhàn)”中的科學(xué)家 / 259
6.9 薛定諤的貓 / 265
小愛(ài)和小玻 / 269
6.10 平行宇宙 / 272
6.11 粒子、場(chǎng)與弦 / 276
同位素、核裂變和核聚變 / 278
反物質(zhì) / 283
第7章 宇宙學(xué)
7.1 宇宙在膨脹 / 289
測(cè)量天體到地球的距離 / 290
7.2 宇宙大爆炸 / 297
什么是噪聲? / 301
宇宙簡(jiǎn)史 / 302
7.3 恒星演化 / 304
錢(qián)德拉塞卡極限 / 307
*揪心的諾貝爾獎(jiǎng) / 309
勵(lì)志人生 / 311
7.4 未解之謎 / 312
參考文獻(xiàn) / 317
從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 節(jié)選
第1章 經(jīng)典力學(xué) 1.1 地心說(shuō) 沒(méi)人能清楚地說(shuō)出物理學(xué)究竟起源于哪里,但絕對(duì)與人類(lèi)的好奇心有關(guān)。好奇心驅(qū)使著人類(lèi)思考,思考又驅(qū)使著人類(lèi)把眼前的景象勾勒成簡(jiǎn)便的模型。比如瞭望蒼穹,古代中國(guó)人會(huì)把天形容成一個(gè)大鍋蓋,太陽(yáng)、月亮和星星都在這個(gè)大鍋蓋上升起落下,周而復(fù)始;遠(yuǎn)眺一望無(wú)際的大地,他們會(huì)將其形容成一個(gè)板,人們便在這個(gè)板上耕種勞作,生生不息——這就是我們所熟知的“蓋天說(shuō)”(圖1.1)。它與“宣夜說(shuō)”“渾天說(shuō)”并稱(chēng)為“論天三家”。毫無(wú)疑問(wèn),這三種假說(shuō)都代表著人類(lèi)早期的宇宙觀。 圖1.1 蓋天說(shuō) 無(wú)獨(dú)有偶,在地球的另一邊,古希臘人也有類(lèi)似的、樸素的宇宙觀。不同的是,他們地處半島,很容易相信大地這塊板是漂在大海里的,為了不讓板沉下去,他們又相信板下有很多只烏龜…… 然而,自然界中有很多現(xiàn)象提示古希臘人大地不是平的。比如當(dāng)帆船歸來(lái)時(shí),站在岸上的人們總是先看到桅桿,再看到船身;往北走,北極星更靠向頭頂。這些現(xiàn)象說(shuō)明大地可能是弧形的,也可能是球形的,后來(lái)古希臘人從月食上找到大地是球形的直接證據(jù)。如圖1.2所示,當(dāng)月亮進(jìn)入地球的本影區(qū)時(shí),就會(huì)形成月食。如果大地是一塊平板或弧形的板,那么它的影子不可能總是圓,因此大地必須是球。 圖1.2 月食的形成 地是“球”形的,天(宇宙)是什么樣的呢?古希臘人又展開(kāi)了無(wú)邊的想象,*終形成“地心說(shuō)”。地心說(shuō)*早起源于被譽(yù)為“科學(xué)和哲學(xué)之祖”的泰勒斯創(chuàng)立的米利都學(xué)派。較為成熟的地心說(shuō)模型是古希臘數(shù)學(xué)家歐多克斯(公元前408—公元前355)提出的。歐多克斯認(rèn)為宇宙也是球,不同天體位于不同的同心球上,地球位于所有球體的正中心,即宇宙的中心(圖1.3)。 圖1.3 地心說(shuō) 所有的天體每天都會(huì)繞地球轉(zhuǎn)一圈,于是形成了晝夜交替;太陽(yáng)球轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與其他球相反,這就解釋了為什么總在夜晚能看見(jiàn)星星。太陽(yáng)球還會(huì)以年為單位,以某個(gè)角度來(lái)回?cái)[動(dòng),于是就有了四季交替。這些星體繞地球運(yùn)動(dòng)的軌跡如何呢?速度又是怎樣呢?歐多克斯受老師柏拉圖(公元前427—公元前347)的影響,認(rèn)為星體的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓的,速度是均勻的。因?yàn)樵诎乩瓐D學(xué)派看來(lái),圓和勻速都是*完美的。 地心說(shuō)成功地解釋了很多自然現(xiàn)象,因此很容易被人們接受,并*終被亞里士多德(公元前384—公元前322)總結(jié)到自己的自然哲學(xué)體系中。亞里士多德是古希臘時(shí)代的一位集大成者,他的研究成果涵蓋哲學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、社會(huì)學(xué)等諸多學(xué)科。此處我們虛構(gòu)兩個(gè)人物——小亞同學(xué)和德老師,來(lái)簡(jiǎn)述亞里士多德在地心說(shuō)及物理學(xué)上的思想。 小亞同學(xué):“您說(shuō)地球是個(gè)球,站在地球上面的人毫無(wú)問(wèn)題,但站在下面的人會(huì)掉到宇宙中嗎?” 德老師:“當(dāng)然不會(huì)。我們必須有個(gè)概念,球上每個(gè)點(diǎn)都是平等的。因此,不管你在地球的任何位置,你所謂的‘下面’實(shí)際上指向地心。每個(gè)物體都有重力,重力是物體的屬性,重力讓每個(gè)物體都會(huì)下落。” 小亞同學(xué):“那為什么白云浮在天上,火苗會(huì)向上,炊煙也會(huì)飄向天空?難道它們就沒(méi)有重力嗎?” 德老師:“世間萬(wàn)物都是由土、水、火、氣四種元素組成的,土元素*重,水元素次之,火元素再次之,氣元素*輕。重的會(huì)下落,輕的自然會(huì)上浮。白云和炊煙主要由氣元素組成,所以會(huì)上浮。火苗是由火元素組成的,火靠近氣,雖然比氣重,但也會(huì)上浮。” 小亞同學(xué):“天體在天上飄,是氣組成的嗎?” 德老師:“我應(yīng)該說(shuō)得更明白一些,土、水、火、氣四種元素構(gòu)成了地球周?chē)娜f(wàn)物。到了月亮天,就不存在這四種元素了,而是彌漫著第五種元素——以太。天體由以太組成,因此沒(méi)有重力,自然不會(huì)落到地球上。” 小亞同學(xué):“一片樹(shù)葉和一塊小石頭都有重力,為什么小石頭下落得更快呢?” 德老師:“因?yàn)樾∈^的重力大,所以下落得快。” 小亞同學(xué):“我更糊涂了!您說(shuō)的重力到底是什么?它怎么會(huì)讓物體下落?” 德老師:“首先,你必須明白什么是力。力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因,比如一張桌子,你不推它不動(dòng),你一推它就動(dòng)。重力也可以使物體運(yùn)動(dòng),但是它是物體的內(nèi)在屬性,與普通的力不同。普通的力必須通過(guò)接觸才能產(chǎn)生作用,而重力可以遠(yuǎn)距離作用。 小亞同學(xué):“您說(shuō)推了桌子,桌子會(huì)動(dòng),但我松開(kāi)手后,桌子為什么還會(huì)向前移動(dòng)?很顯然,我現(xiàn)在沒(méi)有給它力了。” 德老師想了很久,說(shuō):“這可能是空氣迂回導(dǎo)致的……” 古希臘與亞里士多德 早在公元前3000年左右,一支印歐人部落離開(kāi)多瑙河畔,遷徙到希臘半島和克里特島,與原住民融合,成為希臘人的祖先。在汲取兩河文明和古埃及文明后,古希臘人創(chuàng)造了璀璨的克里特文明和邁錫尼文明。邁錫尼文明一度因外族入侵而毀滅,又因《荷馬史詩(shī)》的記載而重新綻放。公元前5世紀(jì),希波戰(zhàn)爭(zhēng)后,古希臘文明的發(fā)展進(jìn)入黃金時(shí)期。此時(shí)的古希臘人建立了很多學(xué)派,*為有名的當(dāng)數(shù)柏拉圖建立的柏拉圖學(xué)派。歐多克斯正是在加入柏拉圖學(xué)派后提出了成熟的地心說(shuō)模型。 希臘半島的北部有一個(gè)叫馬其頓的城邦正在興起。馬其頓不斷蠶食古希臘的一些城邦,其中就包括亞里士多德的故鄉(xiāng)——一個(gè)被古希臘人統(tǒng)治的色雷斯城邦。亞里士多德的父親是馬其頓的宮廷御醫(yī),所以年輕時(shí)的亞里士多德對(duì)醫(yī)學(xué)有一定的興趣,但他更向往古希臘人建立的繁榮城邦——雅典。18歲時(shí),亞里士多德前往雅典,成為柏拉圖的學(xué)生,在柏拉圖學(xué)院學(xué)習(xí)了20年。亞里士多德聰慧無(wú)比,而且敢于挑戰(zhàn),思想上自然會(huì)和柏拉圖及學(xué)院的其他人產(chǎn)生沖突。柏拉圖去世后,亞里士多德創(chuàng)立不同于柏拉圖的哲學(xué)體系,受到了很多人的攻擊和排擠。亞里士多德不為所動(dòng),說(shuō)了句“吾愛(ài)吾師,吾更愛(ài)真理”,然后被迫離開(kāi)雅典,周游四方。三年后,他受馬其頓國(guó)王腓力二世的邀請(qǐng),成為腓力二世的兒子亞歷山大的老師。 希波戰(zhàn)爭(zhēng)后,古希臘城邦之間為了各自的利益組成同盟,同盟之間能吵就吵,吵不贏就打,*為著名的當(dāng)數(shù)以雅典為首的提洛同盟與以斯巴達(dá)為首的伯羅奔尼撒同盟之間的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭(zhēng)。*終,腓力二世為雅典和斯巴達(dá)之間的戰(zhàn)爭(zhēng)畫(huà)上句點(diǎn)——占領(lǐng)它們,從此希臘半島就成了馬其頓的屬地。 腓力二世雄心勃勃,希臘半島只是他計(jì)劃的一部分,甚至是極小的一部分,他覬覦的可是亞洲大陸。正當(dāng)腓力二世往亞洲大陸進(jìn)發(fā)時(shí),天不遂人愿,他遇刺身亡,二十歲的亞歷山大繼位。亞里士多德重回雅典,在雅典建立了屬于自己的學(xué)院——呂克昂學(xué)院。亞里士多德喜歡在學(xué)院里邊走邊講課,一副非常逍遙的樣子,于是后人稱(chēng)之為“逍遙學(xué)派”。 與此同時(shí),亞歷山大開(kāi)啟了長(zhǎng)達(dá)十年的東征,建立了**個(gè)橫跨亞歐非的帝國(guó),并把古希臘文明帶入了帝國(guó)的各個(gè)角落。他在帝國(guó)很多地方建立以自己名字命名的古希臘式新城市,其中就包括埃及的亞歷山大城。然而好景不長(zhǎng),三十二歲的亞歷山大突發(fā)熱病而亡,被他征服的民族紛紛起義,帝國(guó)瞬間隕落。作為亞歷山大的老師,亞里士多德自然脫不了干系。他被迫再次離開(kāi)雅典,逃到自己的故鄉(xiāng)。第二年,亞里士多德去世。關(guān)于亞里士多德的死有不同的說(shuō)法,陰謀者推測(cè)他可能是被毒死的,學(xué)者認(rèn)為他可能是因?yàn)闊o(wú)法解釋潮汐現(xiàn)象而跳海自殺的。不管怎樣,亞里士多德的思想是古希臘時(shí)代的一次*偉大的凝結(jié)。他**個(gè)為物理學(xué)提供了較完備的體系,而第二個(gè)為物理學(xué)提供完備體系的是兩千多年后的牛頓。 盡管亞里士多德及其地心說(shuō)很成功、很偉大,但仍然掩蓋不了一些看似細(xì)枝末節(jié)的問(wèn)題。如果以年為單位來(lái)看火星,它的軌跡就有點(diǎn)捉摸不透。從地球上看,每年火星基本上是從西向東走,但有時(shí)會(huì)逆行,速度也會(huì)時(shí)快時(shí)慢(圖1.4)。 圖1.4 火星的運(yùn)動(dòng) 地心說(shuō)出現(xiàn)了危機(jī),于是天文學(xué)家們提出了兩套修正方案。 **套方案來(lái)源于古希臘人阿利斯塔克(公元前315—公元前230)。阿利斯塔克是一位嚴(yán)格靠觀察數(shù)據(jù)來(lái)推測(cè)理論的天文學(xué)家,因此被后人譽(yù)為“**位真正意義上的天文學(xué)家”。他在測(cè)量的基礎(chǔ)上,推測(cè)出了驚人的結(jié)論。 (1)地球不是宇宙的中心,太陽(yáng)才是!所有的星體都繞著太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)。 (2)地球不僅繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn)),自己每天還轉(zhuǎn)一周(自轉(zhuǎn)),所以才會(huì)晝夜交替。 這哪里是修正?這簡(jiǎn)直就是革命!不過(guò),這場(chǎng)革命在形成風(fēng)暴之前,就偃旗息鼓了,因?yàn)榘⒗顾藷o(wú)法從根本上解決如下問(wèn)題。 (1)地球如此之大,太陽(yáng)如此之小,怎么讓人相信偌大的地球竟然圍繞小小的太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)?阿利斯塔克給出的解釋是,太陽(yáng)遠(yuǎn)比我們看到的要大得多,只不過(guò)離我們太遠(yuǎn),看起來(lái)小而已。他通過(guò)測(cè)量與估算,得出太陽(yáng)的半徑大約是地球的6~7倍。盡管該數(shù)值與今天測(cè)量的值相差甚遠(yuǎn)(109倍),但阿利斯塔克是人類(lèi)歷史上**位認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)比地球大的人。 (2)當(dāng)時(shí)的古希臘人已經(jīng)測(cè)得了地球的直徑,要是地球每天轉(zhuǎn)動(dòng)一周,其速度是馬的近千倍,速度如此之快,人為什么不會(huì)頭暈,也沒(méi)有形成強(qiáng)大的東風(fēng)呢? “地動(dòng)說(shuō)”便被塵封起來(lái)了。 第二套方案的提出者是古希臘*偉大的天文學(xué)家喜帕恰斯(約公元前190—公元前125,也譯成伊巴谷)。他巧妙地避開(kāi)日心說(shuō),只繼承阿利斯塔克觀測(cè)與計(jì)算的方法,創(chuàng)造了一系列成果。他的很多理論時(shí)至今日仍被地理學(xué)與天文學(xué)采用,如歲差、視差等。此外,他是人類(lèi)歷史上**位正確測(cè)量出月地距離的人——地球半徑的60倍左右。 在歷史遺留問(wèn)題上,喜帕恰斯堅(jiān)持地心說(shuō),并創(chuàng)造性地提出了“均輪”“本輪”的假說(shuō)。這一假說(shuō)*終被來(lái)自埃及亞歷山大城的托勒密 (約90—168)繼承,暫時(shí)解決了地心說(shuō)中存在的問(wèn)題(圖1.5)。 圖1.5 托勒密地心說(shuō) (1)太陽(yáng)、月亮繞著地球轉(zhuǎn)。 (2)像火星這樣的天體,除大圈均輪外,還有小圈本輪。火星沿著小圈轉(zhuǎn)動(dòng),而小圈的圓心又沿著大圈繞著地球轉(zhuǎn)。如此,便解釋了火星的迂回軌跡。 (3)星體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度并非勻速,但是轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是勻速的,即勻角速運(yùn)行。 (4)如果一個(gè)本輪不足以描述星體的軌跡,就添加更多的本輪,直至與真實(shí)軌跡一致為止。 托勒密將自己的天文學(xué)理論全部寫(xiě)到《天文學(xué)大成》一書(shū)中,為天文學(xué)留下了光輝的一筆。在后來(lái)的一千三百多年里,《天文學(xué)大成》一直是西方的天文學(xué)教科書(shū)。 仔細(xì)分析一下,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)所謂的本輪圓心正是太陽(yáng)。除太陽(yáng)和月亮外,大部分星體都有本輪,也就是說(shuō),托勒密的理論中隱含了很多太陽(yáng)。那么,能不能將這些太陽(yáng)合并到一處呢?顯然不能,因?yàn)楹喜⒌揭惶帲筒辉偈堑匦恼f(shuō)了——這正是托勒密必須避開(kāi)的。但是否定地動(dòng)說(shuō),為了維持圓周與勻速運(yùn)動(dòng),就必須增加本輪,一層層地套下去,直到完全與實(shí)際相符為止。于數(shù)學(xué)計(jì)算而言,并無(wú)不可,但于物理學(xué)而言,則大費(fèi)周章。物理學(xué)不僅要尋求客觀事物的本質(zhì),還要求建立簡(jiǎn)便和完美的數(shù)學(xué)模型。地心說(shuō)與完美的數(shù)學(xué)模型成了托勒密的魚(yú)和熊掌,托勒密自然深知這點(diǎn)。因此,他特別強(qiáng)調(diào)該模型不是宇宙本質(zhì),而是觀測(cè)手段,或者說(shuō)是一種數(shù)學(xué)處理方法,如果有新的方法那是*好不過(guò)的。然而事與愿違,他的地心說(shuō)*終被嫁接成上帝創(chuàng)造萬(wàn)物的理論基礎(chǔ)。
從零開(kāi)始讀懂物理學(xué) 作者簡(jiǎn)介
汪振東 ---------------------------- 汪振東,畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院,后在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心工作,參與研究原子鐘、時(shí)間比對(duì)及北斗等諸多項(xiàng)目,對(duì)基礎(chǔ)物理有很深的理解。著有物理科普書(shū)籍《在悖論中前行:物理學(xué)史話》。
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