《小咖啡大话物理》,序言,及第一节:弯曲时空是什么玩意儿
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吧务
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AISniffer 楼主
序言
突然想写本书,说是书,谈不上有多系统,但文集应该可以算。之所以想写,正如标题,想大话下物理。“大话”,是因为不想扯那些复杂的公式,只是想把现今物理学研究的一些东西用大白话讲出来,再举些例子。所以本书主要写给非物理专业,对物理学懂得并不深,但又对物理学有所兴趣的人,甚至是对物理不感兴趣,但对科幻感兴趣的人。比如许多人还是经常问:时间倒流、时间旅行到底可不可能?《星际穿越》里的五维空间是怎么回事?黑洞、虫洞到底是什么?这些东西要说清楚,说得让人至少在逻辑上能理解,不知道现今物理理论的概况真不容易,但是本书可以先“大话”一下,再配些例子,相信大部分人能看懂。
我的物理功底并不深,我在本科、硕士期间不是物理专业,现在从事的工作也不是物理专业。但虽然我的物理功底不深,但应该又比大部分非物理专业的人懂得稍微多点。这源于我从小对物理的原生的热爱,在童年和中学阶段,也就只有科幻片或霍金的《时间简史》来充饥下,因为那时数学功底跟不上,不可能看一些物理学的原著或书(非科普,带公式推导的,能把一个理论讲清楚的)。直到大学学习了微积分、线性代数后,可以看懂狭义相对论了。后来研究生学了尼曼几何,可以看懂广义相对论。由于不是物理专业,没有系统学过,所以讲的东西也不一定对,但应该比完全不懂仅仅科幻式的讲,如“根据相对论,超光速时间会倒流”这种又要进步一些。至少我大概懂广义相对论整个理论是如何一环扣一环推导的,要公式全部记住我记不住,但他的前后逻辑脉络我还是可以说的。
我对物理的了解,除了为了中考、高考学的那些中学物理知识,还有大学时由于兴趣看过的《相对论导引》(赵展岳写的,此书很不错,讲得深入浅出,不是科普性的,带公式推导,但讲得不复杂,第一次想真正系统了解相对论的可以看看),还有爱因斯坦的一些列原著论文的中文译本,比如《论动体的电动力学》《广义相对论的基础》等。这里也说下,我对相对论了解多些,对量子力学了解不多,所以本书主要还是说一些相对论衍生出来的话题,如黑洞、虫洞、时空弯曲等,量子力学东西涉及不多,但会提及一点,不对之处还请包涵。
另外写本书也有个目的,我以前在相对论贴吧发过一个帖子,《对相对论的常见误解》,比如“超光速时间倒流”“相对论说一切都是相对的”“相对论说存在平行宇宙”,主要介绍了许多人没读过相对论,但由于受科幻片等影响,以为相对论有这些意思,其实都是误解,本书会包含这些内容。
最后再介绍下我这个名字,叫“小咖啡”,和在腾讯围棋的名字一样,个人在业余时间还比较喜欢围棋,在野狐的水平是1-2D,可能现实中是业余1段的水平,欢迎约战(昵称“小咖啡0102”),虽然状态不太稳定,最近状态不太好,降到了2K,状态一般是稳在1D,最多上过2D。
2016年12月01日 15点12分 1
吧务
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AISniffer 楼主
第一节:时空弯曲是什么玩意儿?
估计有太多人,不管是来源于科幻片,还是来源于《时间简史》这种纯粹科普式的书,听说过“时空弯曲”这个概念。但如果没真正系统读过广义相对论,要讲清楚时空弯曲还真有点难度。时空是什么?时间还可以弯曲?听上去太玄,太深邃。下面我在讲一个比喻之前,先说个题外话。
那就是请大家务必要相信相对论的“相对正确性”(重要的事不一定必须说三遍吧,哈哈)。之所以说“相对正确性”,因为我不可能把相对论的公式在这里说一遍,我只是说,我说到的结论,绝不是我自己乱编的,确实是来自相对论的。另外,请大家务必相信相对论是“相对
正确的
”,至少在我们现今这个时代,他是“相对正确的”。什么意思呢?大家知道,物理学的最终目的,当然是揭露宇宙真相,就是探究宇宙最基本的定律,搞清楚宇宙怎么创生、运作和消灭。但这个过程不是一蹴而就的,是一个新理论取代旧理论的过程。那你也许会问,我也可以提出一个理论,你相对论说时空弯曲,我可以说时空还是泡沫。但你要知道,虽然说提理论是你的自由,但我们评估一个理论,是有公认的原则的。现在物理学,评判一个理论好不好,第一个原则是精度,所谓精度,就是理论中得出的结论,与实践相不相符。从物理学的角度,就是方程所描述的,与实际的测量是否吻合,偏差越小,精度越高。第二个原则,就是简洁性,因为同一时代,可能有两个理论,精度是一样的,但用不同的方式构建出来,但这里还有个比较,在精度相同的情况下,看谁更简洁。所谓更简洁,就是理论中隐含的假设要尽量少。
这里说下什么是理论隐含的假设。大家都知道,物理学本质是一门实验科学。物理学的任何一个理论,虽然这个理论是一个大厦,但其根基,总是一些无法从数学上直接证明的假设。比如“平行线永远不相交”“时空是平直均匀的”等等。这些假设,虽然数学上无法直接证明,但是却是产生这个理论的时代背景下的观测结果。因为不同时代有不同的科技条件,仪器有不同的精度,所以这些假设源于大家的日常生活经验和仪器的观测能力。所以我们永远无法说,一门物理理论是正确的,因为他的假设,永远可能是需要修正的,但是我们可以相对地比较两个物理理论,就是精度和简洁性。当然,还有一点,物理理论本身要自洽,就是他的数学推导前后不能有矛盾,如果自己都不能自洽,那就不是物理,甚至不是科学。
所以为什么说,请大家务必相信,相对论是“相对正确的”。因为至少到目前为止,在描述宏观物理现象方面,相对论是“相对最正确”的理论,他的精度是过去任何理论都无法比拟的。比如牛顿的万有引力论,在牛顿时代人们通过观测就知道,水星在近日点的位置,与采用牛顿万有引力方程来预言,有每个世纪43秒的进动误差。这个误差已经不是观测上的误差了,因为43秒对那时的仪器精度已经很大了,所以牛顿理论肯定有问题。但牛顿不知道为什么,后来这个问题被爱因斯坦的广义相对论解决了(其实这个43秒正是广义相对论场方程的二阶小项,后续会详细说)。这就是相对论,他的精度,特别描述极端天文现象,如大质量天体、黑洞附近物质行为,与观测相符程度高得可怕。人们甚至一度认为,有了爱因斯坦,我们已经找到宇宙真相了,但就本世纪物理学发展来看,还是差的很远。相对论不是绝对正确的,而且肯定不是,但就宏观方面,比牛顿理论进步很多。之所以我们现在还在广泛应用牛顿物理学,中学也还教,主要是两个原因,一是我们日常应用,还不需要用相对论那么高的精度,相对论的方程比牛顿力学复杂的多,没必要用,牛顿力学的误差在日常应用上可以接受。二是学校教牛顿力学,因为牛顿力学简单,需要的数学要求不高,相对论最起码要学过高数,你让中学生如何上手?但比如25世纪,我们的汽车速度都达到了光速的一半,我们也常常星际航行在各种大质量天体周围,日常生活中相对论效应就很明显,那时牛顿力学就必须被抛弃,他就是错误,而不是实用就行了。
反正这么说吧,我们现今的宇宙学,基本全部是以广义相对论为基础的,广义相对论,也通过了目前一切天文观测,比牛顿引力论不知道高了多少精度。广义相对论是目前所有物理理论中,在描述宏观世界精度最高的理论,也是最简洁的理论,也可以说它是经典物理学的最高成就(为何说只是经典物理学,后文再说,因为20世纪还出现了非经典物理学)。但这里也要说,我之前那段话,都加了“宏观”这个词,相对论在宏观现象上确实似乎很优越,但对于微观世界却不行。这也是困惑爱因斯坦到去世都没解决的问题,原子、原子核、电子太调皮了,广义相对论都解释不了它们的行为,但好就好在,20世纪人类还有个杀手锏,就是量子物理学。
2016年12月01日 15点12分 2
吧务
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AISniffer 楼主
下一节预告:五维空间与平行宇宙漫谈
2016年12月01日 15点12分 5
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三维以上的空间维度的存在目前还是存疑的吧```
2016年12月01日 16点12分 6
level 8
什么使得时空弯曲?数学吗?宇宙是几维的?谁说了算?我个人认为,时空的弯曲是物质运动过程的一种表象,为什么以这样的方式运动呢?或者物质的运动为什么偏爱圆周运动呢?因为这样的方式最经济最低能吧,当圆开放成螺旋线是因为什么原因?我们能够观察的宇宙只不过是高维空间的一个表皮而已,我一般不用高维投影去描述,那样的话现实世界就显得很虚无飘渺,低维宇宙与高维宇宙具有同等重要的存在性,物质的运动方式也互不相同,但是高维的运动方式隐藏在低维运动方式之中,那么高维的宇宙在何方?回答这个问题之前我们想象一个正方体,它有六个表面,然后我们来个复杂的,我们用它复制很多堆砌在一起,这时候它的表面呈现出立体的网格形式,好吧,我们想象这就是我们的宇宙,在其中包裹的空间就是高维的宇宙,现实中的它们在哪里?其实不必寻找,就在我们其中和周围,就是那些比原子还小的“基本粒子,”
2016年12月01日 18点12分 7
下一节我主要说这个内容
2016年12月02日 00点12分
level 8
接7楼~根据是什么?能量!比如说我们需要多大的能量打开原子核?还有很更深层次的东西?其实就是物质运动形式的稳定性,它所需要的能量类型和等级是不同的,但是有一点,它们弯曲或压缩的空间也是不同的,我们用能量作为一个指标去衡量空间,很显然,高能的原子核内部其实拥有巨大的空间,并且越往深处具备的空间越大,所以核能的真实情况是当我们开放或封闭某种空间时,它对于空间一定的扰动强度。
2016年12月01日 18点12分 8
level 8
接8楼~这跟空间的维度有毛线关系?同样是能量!李淼老师谈过这个问题,最终的答案是有一些能量被限制在我们这个宇宙(三维宇宙),当我们讨论四维空间时,这些能量会失效,原子或行星等都会因为不稳定而瓦解,我想说的是,存在高维的空间,但是我们只存在于这样的三维空间中,在这里被限制了能量的拥有和使用形式,但它符合高维空间的能量形式,它的表现就在于三维空间的奇特的量子效应之中,看山不是山,看水不是水,其实山还是那山,水还是那水,只不过我们走得太远,甚至看不清自己。
2016年12月01日 18点12分 9
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小黄蛋
2016年12月01日 23点12分 10
吧务
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AISniffer 楼主
下一节预告:五维空间与平行宇宙漫谈
2016年12月03日 00点12分 11
快更啊
2016年12月14日 14点12分
回复 大塞科 :https://tieba.baidu.com/p/4898577784 第二节已完成
2016年12月14日 14点12分
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波总犀利
2016年12月16日 00点12分 12
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