《现实不似你所见》总结

这本书讲什么的?

这本书的本质就是在说:事物的本质是什么?世界是由什么构成的?

科学思考就是要探索并重新描绘世界,逐步呈现越来越完善的图景,教我们以更有效的方式思考。
从牛顿万有引力开始,到相对论和量子力学,再到试图整合相对论和量子力学,科学都在往一个方向上发展,那就是找出一种规律解释这个世界:

世界是由一种最小的不可分割的单位构成

下面这张图是科学发展对世界的解释最重要的几个阶段

科学发展到最后是用一种统一的规律解释这个世界。而所有的这一切,早在公元450年前,就已经被古希腊的留基伯和德谟克利通过思考破解。他们提出的《原子论》指出

这个世界是分立的,而非连续的,由原子构成。

而这一理论在基督教成为合法宗教后失传了,我们只能在古罗马诗人卢克莱修的《物性论》的诗中看到一些原子论的影子:

关于我在这里所描写的这个事实,
有一种相似的情形时常出现在我们眼前:
瞧,每当太阳的光线投射进来,
斜穿过屋内黑暗的厅堂的时候,
你就会看见许多微粒以许多方式混合着。
在光线所照亮的那个空间里面,它们像在一场永恒的战争中,不停地互相撞击,
一团一团地角斗着,没有休止,
时而遇合,时而分开,被推上推下。
从这景象你就可以猜测到:
在那更广大的虚空里面,
有怎样一种永恒不停的运动。
至少就一件小事能够暗示大道理而言,
这例子可以把你引去追寻知识的踪迹。
也正是因为这个缘故,
你应该更用心地注意这些物体。
它们在阳光下舞蹈着,互相推撞着,
而这些推撞正足以标示,
还有秘密而不可见的物质运动,
隐藏在鞋面,在它们背后。
因为在这里你将看见许多微粒,
在不可见的力量之下退开又撞击,
被迫向后又再回来,
时而这里,时而那边,
弥漫在四面八方。
要知道,所有它们这些转移的运动,
都是从最初的原子开始的,
因为正是事物的原子最先自己运动,
接着,那些由原子的小型结合所构成、
并且最接近原子的物体,
也由着那些不可见的撞击而骚动起来,
之后这些东西又刺激更大些的东西:
这样,运动就由原子开始逐步上升,
最终出现在我们的感觉里,
直至那些能在阳光中见到的例子也动起来,
虽然看不出是什么撞击在推动它们

所以,我们真的比古人更智慧,更了解这个世界吗?

牛顿 - 万有引力

牛顿提出了三大定律和万有引力,总结了低速物体的运动规律。
万有引力反映了牛顿的绝对时空观,认为时间和空间是两个独立的观念,彼此之间没有联系,分别具有绝对性。

牛顿理论体系的威力超乎想象,19世纪和现代社会的全部技术都依赖于牛顿的公式。
三个世纪来,我们今天建造的桥梁、火车、摩天大厦、发动机、水利系统,我们驾驶飞机、进行天气预报、在探测到行星之前就能预测其存在、把太空飞船送到火星,这些全都有赖于以牛顿公式为基础的理论。
没有牛顿的小月亮,现代世界都不会出现。

法拉第 && 麦克斯韦 - 场和电磁力

牛顿的方程无法描述自然界中存在的所有力,除了引力,还有其他的力作用在物体上。物体并不是只有在自由下落时才运动。
他自己也很疑惑:地球是如何吸引到如此遥远的月球的?太阳是如何不与地球接触,就有万有引力的?

这一问题到了19世纪得到了解答,来自法拉第和麦克斯韦。

法拉第引入了新的实体:场。世界不再只是由空间中的粒子组成,而是由空间中的粒子和场组成。

法拉第认为不应该像牛顿假设那样,认为物体之间是直接相互作用的,应该存在某种电磁体激发的实体布满空间,并且作用在物体上(推或拉),法拉第凭直觉知道了这种实体:场
法拉第把场看作很多束非常细的线,充满空间,他把这些线叫作:力线。这些线把电磁力从一个物体传递一了另一个物体。

带电物体(比如摩擦过的玻璃棒)会使它周围的电磁场(线)弯曲,这些场反过来会对其中的带电物体产生力的作用。两个带电物体不会直接互相吸引或排斥,而要经由它们之间的媒介。

麦克斯韦意识到法拉第这个观念非常有道理,把它转述成了一整页方程,现在这些方程被称为麦克斯韦方程组它们描述了电磁场的特征,是法拉第线的数学表达。

方程不仅解释了电磁场,也解释了光和颜色的本质

  • 光的本质
    麦克斯韦计算了法拉第力线的传播速度,与光速相同!光只是法拉第力线的飞速振动。也就是光的本质是电磁波。
  • 颜色的本质
    光作为电磁波的频率(振动的速率)。如果波振动得更快,颜色就会偏向蓝色;如果振动得慢一些,就会偏向红色。我们感知的颜色是由视觉神经产生的反应信号,可以辨别不同频率的电磁波。

光只不过是网状的法拉第力线的快速振动,就像风吹过湖面时的波纹。我们并非“无法看到”法拉第力线,我们是只能看到振动的法拉第力线。“看见”就是感知到光,光是法拉第力线的运动。如果没有东西传输它们的话,任何物体都不会从空间中的某一位置移动到另一位置。

今天,麦克斯韦方程组每天都被用来描述电磁现象,设计天线、收音机、电动机与电脑。
电磁力几乎主宰了我们我们可见的所有现象,比如:

  • 使物质聚集在一起,形成固体
  • 使我们大脑中的神经元运转,主宰我们接收外界的过程,以及我们的思维方式。
  • 这种力创造了阻碍滑动物体运动的摩擦力,给跳伞运动员落地时以缓冲。

爱因斯坦(狭义相对论)- 没有绝对的时空

在狭义相对论出现前,人们认为时间和空间是各自独立的绝对的存在。
自伽利略时代以来这种绝对时空的观念就开始建立,牛顿创立的牛顿经典力学和经典运动学就是在绝对时空观的基础上创立。

在牛顿物理学中,速度只能是一个物体相对于另一个物体而言的,那麦克斯韦方程组里的光速是相对哪个物体而言的?
一种可能是:存在一种统一的实体,光速相对它而言,但是20世纪末,所有想测量这种实体的实验都宣告失败.

通过思考麦克斯韦方程组与牛顿力学之意的矛盾,爱因斯坦提出了狭义相对论。
能量与质量是同一实体的两面,就如电场和磁场是同一种场的两面,空间和时间是时空的两面。

宇宙中并不存在“现在”发生的事件,不存在“绝对的同时性”。

狭义相对论的背景时空是平直的

爱因斯坦(广义相对论)- 时空就是引力场

但是狭义相对论和引力理论不相容,爱因斯坦花了10年的时间解决了,提出了广义相对论,对世界作了极大地简化。
空间不再与物质有所分别,它也是世界一种物质组成部分,与电磁场类似。它是一种会波动起伏、弯折扭曲的真实实体。

牛顿的空间就是引力场,引力场就是空间,与牛顿静止平直、静止的空间不同,引力场是一种场,它会运动起伏,并遵循一定的方程——和麦克斯韦的场与法拉第的力线一样。

广义相对论的背景时空是弯曲的

量子力学 - 场是粒子

量子力学将牛顿使用的粒子概念与法拉第引入的场概念融合在一起,指出世界并不是由粒子和场组成,场也是粒子。
他们都是一种实体:量子场。存在的只有量子场,其基本事件发生在时空之中。

与狭义相对轮相容的量子理论的一般被称为量子场论,它构成了今日粒子物理学的基础。粒子是粒子场的量子化,正如光是光子的量化。

量子力学完美地破解了元素周期表结构的奥秘。。
以量子力学中决定电子轨道形式的方程为例。这个方程有一定数量的解,这些解刚好对应着氢、氦、氧……以及其他元素!门捷列夫的周期表就像这些解那样进行排列,每一种元素的属性都是这个方程的一个解。

量子引力 - 空间是粒子

圈量子理论,或者说是圈理论,以一种相当保守的方式融合了广义相对轮与量子力学。认为世界只有一种要素:协变量子场。
圈量子引力的核心预言是空间不是连续体,不是无限可分的,它由“空间原子”组成,比最小的原子核的十亿分之十亿分之还要小。
圈量子引力以精确的数学形式来描述这一空间的原子与分立量子结构。通过把狄拉克量子力学的一般方程应用到爱因斯坦引力场可以得到这个结果。

posted @ 2021-07-27 17:00  雪山飞猪  阅读(100)  评论(0编辑  收藏  举报