4. 英语LV3:专家级别
这本书是20世纪伟大的物理学家霍金写的,一本科普性质的著作,深入浅出,主要讲述了整个物理学的进程,现在物理学所到达的顶点以及未来要研究的方向。
最开始,人们认为世界是驮在一只巨大乌龟背上的平板,世界万物都是围绕地球转动。
公元前340年,希腊哲学家亚里士多德认为地球是一个圆球,不是一块平板。亚里士多德认为地球是不动的,太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着地球公转。
1514年,波兰教士尼古拉哥白尼提出了一个更简单的模型。他的观念是,太阳静止地位于中心,而地球和行星们围绕着太阳作圆周运动。
约翰斯开普勒修正了哥白尼理论,提出行星不是沿着圆周,而是沿着椭圆运动。
1687年,艾萨克牛顿爵士出版了他的《自然哲学的数学原理》,提出物体如何在空间和时间中运动的理论,并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外,牛顿还提出了万有引力定律。
1781年,哲学家伊曼努尔康德发表了里程碑般的,也是非常晦涩难懂的著作纯粹理性批判。在这本书中,他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、在空间上是否有限的问题。
1929年,埃德温哈勃作出了一个里程碑式的观测,即不管你往哪个方向观测,远处的星系都正急速地飞离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说,他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔,只要用好的钟,不管谁去测量,这个时间都是一样的。
1865年,麦克斯韦理论预言,射电波或光波应以某一固定的速度行进。如果假定光以固定的速度行进,人们就必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。
麦克斯韦方程组推倒出,惯性参考系中,光以固定的速度前进,相对于任何物质,都是这个速度,并被迈克尔逊-莫雷实验证实。
比如说,一束光朝你射过来,你无论朝哪个方向移动,以多大的速度移动,你测出的这束光的速度都是不变的,这就有点像是灵异事件了。
因为,在牛顿的物理学定理中,一辆火车向你开过来,速度是100m/s,假如你坐在一辆汽车上,速度是50m/s,那么你和火车之间的速度是150m/s。
可是,一但上升到光速级别,就不是这么回事了。一束光以速度c发射过来,而你同时以0.1c的速度迎着光奔跑,但你相对于光的速度仍然是c,而不是1.1c。这里,c=30万公里/s。
世界上有质量的物体的速度不可能超过光速,因为速度越大,它的质量就越大。而当它接近于光速的时候,它的质量趋于无穷大,需要花费无限大的能量,才能够给它提供加速度。无限大的能量显然是不存在的。
光这种物质本身就很特殊,从产生到发射,中间不需要时间来加速,它一出来就是每秒30万公里。而有质量的物体是需要经过加速的。比如,汽车从开始加速到100公里/小时,是有一个过程的。
杨晨看到这里时,觉得这些理论彻底颠覆了他的想象,与过去理解的物理学很不一样。难怪,有很多物理学家晚年都相信神学,是什么导致这种现象产生,很多人相信这是上帝的安排。
牛顿认为上帝是存在的,万有引力就是上帝创造的天体运行规则。上帝在创造万物的时候,也给万物制定了运行规则,而万有引力就是上帝创造的规则。当上帝创造了万物及万物的运行规则以后,他就不管了,他不会进行人为的干预。这就像一个钟表师创造了一个钟表以后,他就任随钟表自己运动下去一样。
人是怎么来的?以前解释不清楚,于是中国古代的说法是女娲制造出来的,这本质上是一种神学。
世间万物,日月星辰,为什么会按照一定的规律运动,这“最初的一击”是从何而来的?沿着这个思路推理下去,最终牛顿把这个“最初的一击”归结为上帝。牛顿也就从科学家走到了神学家。
以前老师讲过,说是牛顿认为是上帝早上起来踢了一脚,于是日月星辰就这样运动了。
为什么光速是不变的?爱因斯坦给出的解释是,因为时间变了,时间也是相对的。你在一艘以0.1c的速度行驶的宇宙飞船上,测试一速发射过来的光,因为宇宙飞船上的时间变慢了,所以测试出来的光速仍然是c。
爱因斯坦的相对论,包括狭义相对论和广义相对论,深刻的揭示了时间和空间的关系。
每个人的时间是不一样的,如果你身上有个钟,我身上有个钟,早上我们把钟对好,晚上回来,就会发现时间不一样。由于速度太小,这种差异性体现不出来。
而一旦上升到光速,差异性就会体现出来了。
天上的卫星围绕地球高速运动,根据狭义相对论,它上面的时间比地面上的时间要慢,因为高速运动的物体上的时间要变慢。
而根据广义相对论,天上的卫星因为离地面更远,受到的万有引力更小,所以时间比地面快。这一慢一块的差别,就是卫星上的时间跟地球上的时间的差距。这个差距会影响GPS定位精度,需要调节卫星上的时间来保持卫星和地面的时间一致。
上面的这些内容,是杨晨阅读《时间简史》经过思考,以及根据爱因斯坦相对论推导过程得出的,有点困惑,他还要花些时间来消化。
相对论在最初开始提出的时候,据说世界上没几个人能懂。爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖,是因为他提出的光电效应,而不是因为相对论。从影响上来说,相对论的提出要比光电效应伟大成千上万倍,是大象和蚂蚁的区别。
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