格物致理(书)

格物致理以准确客观的语言、清晰的时间线索讲述科学史,深入浅出地呈现物理基础概念的“接受史”和物理学家们的“江湖史”。以历史的方式讲述物理知识,以故事的形式介绍物理研究方法和物理思想。

作者:罗伯特·斯奈登,科普人。

 

格物致理

 

目录:

第一章 物理吸引力

第二章 经典气体

第三章 力的世界

第四章 光

第五章 物质状态

第六章 触电体验

第七章 电磁学

第八章 热力学

第九章 万物相对

第 十 章 时空弯曲

第十一章 量子领域

第十二章 粒子与未知

 

书摘:

直到19世纪末,物理学大多是在完善机械宇宙观。18世纪,工业革命中蒸汽机的发明促进了热力学的发展,科学家和工程师开始寻找各种方法“榨干”机器的能效。热、能量与功的性质得到了前所未有的彻底研究。

在这些研究中,诞生了伟大的概念“熵”(系统中无序的量度,热力学第二定律所包含的思想——熵总是趋于增加),以及“平衡态”与“不可逆”的概念。这些概念共同指向宇宙的最终崩溃,也就是宇宙学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington,1882—1944年)所说的“热寂”的最终状态。

爱丁顿在传播有史以来最伟大的物理学家之一——阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein,1879—1955年)的思想中发挥了重要作用。在爱因斯坦之前,时空只是物理学家所关注事件的发生背景。相对论改变了这一点。1864年左右,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879年)从电磁学的基础常数中预测了光速。1905年,爱因斯坦发现对于所有观察者来说,光速必须保持不变,并且从这个看似简单的前提出发,得出了涉及时空伸缩的无可争议的结论。正如爱因斯坦曾经的老师[译者注:赫尔曼·闵可夫斯基(Hermann Minkowski)]所说:“此后,空间和时间本身注定要蜕变为纯粹的幻影,只有两者的结合才能保持独立的现实。”爱因斯坦证明了引力实际上是时空因嵌入其中的物质而弯曲的结果,而不是牛顿所设想的力。正如美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John A rchibald Wheeler,1911—2008年)的简洁描述:“时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。”

20世纪初,人们看待宇宙的方式发生了深刻的变化,这是一个科学分水岭,它将物理学划分为经典物理学和量子物理学。一些物理学家甚至认为爱因斯坦的相对论属于“经典物理学阵营”,而非严重偏离经典物理学。但是,爱因斯坦对量子时代的发展起到了积极作用。

1905年,爱因斯坦发表了他对光电效应的定义:金属表面在光辐射作用下发射电子的效应。他为此使用了马克斯·普朗克(Max Planck,1858—1947年)五年前引入的物理学概念——能量不是连续的,而是以离散的小份(被称为量子)出现的。

量子是物理学革命的“种子”。尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885—1962年)、沃纳·海森堡(Werner Heisenberg,1901—1976年)和埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger,1887—1961年)等科学家在开始探索其意义时,建立了一种宇宙观,认为宇宙中没有什么是确定的,光可以作为波与粒子同时存在,在完全相同的实验中可能会产生不同的结果,在测量之前物质的属性没有实际意义。就量子物理学而言,没有“真实的”世界,只有充满各种可能性的无定形海洋。

物理学面临的最大挑战之一是找到一种方法,一种所谓的“万物理论”来协调量子域的基本力与爱因斯坦的宇宙的引力和扭曲的时空。迄今为止,这一目标被证明是遥不可及的,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking,1942—2018年)和爱因斯坦等物理学家尽最大努力也无法接近它。霍金认为,包罗万象的超级理论将永远遥不可及,因为人类对现实的认识总是不完整的。然而霍金对此并不感到沮丧,他说:“我们拥有一生来欣赏宇宙的伟大设计,为此,我们深表感谢!”

在本书中,我们将仅介绍物理学在“理解”这一伟大设计过程中的一些发现。


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