物理的奥秘

作者简介

作者英国Future出版公司，是出品了全球近400万读者，英国本土发行量超27万册的青少年科普杂志《万物》（How it works）的英国百年科普教育品牌。 译者梁乾阳，中国民航大学交通运输专业学士学位并有湖南师范大学英语专业第二学位，获得过2023年CATTI杯翻译大赛一等奖。

内容简介

日常物理学 重力的原理 解释形成恒星、让我们“脚踏实地”的神秘力量 在艾萨克·牛顿（Isaac Newton）的所有革命性发现中，最厉害的可能就是解开了万有引力之谜。17世纪60年代，牛顿看到一个苹果落在地上，大胆发问：“这是为什么呢？” 为什么苹果不慢慢往上飘？为什么水总是往低处流？为什么月球会保持在围绕地球的轨道上，而不是飞向太空？在牛顿所处的时代，这些都是具有近乎宗教意义的问题。 牛顿没有冥思苦想神谕方面的问题，而是发明出了几个公式。他在1687年发表的论文《原理》（Principia）中提出了万有引力定律（law of universal gravitation），即宇宙中的每一个物质粒子都会以一种可测量的力量吸引宇宙中的其他物质粒子，这种力量被称为“引力”（以拉丁文中的重量“gravitas”命名）。引力的大小随物体质量的增大而增大，随物体之间距离的增大而减小。换句话说，物体越重，它产生的引力就越大，而你离物体越近，你们之间的引力就越大。 以下就是牛顿巧妙计算两个物体之间引力F的简约公式，其中m1和m2分别代表两个物体的质量，r是两个物体质量中心之间的距离，G是通用的万有引力常量。 F=G× 牛顿万有引力定律最神奇之处在于它适用于万物。尽管可能难以想象，但事实就是，不仅苹果和地球之间存在引力，你和苹果之间也存在引力。实质上，任何两个有质量的物体，无论是巨大无比的宇宙星系还是极其微小的原子，都会对彼此产生引力。 如果真是这样，为什么当一辆大卡车经过时我们不被突然吸向街道，或被吸到摩天大楼的基座上呢？因为以上公式中的“大G”实际上极其微小——大约是6.67×10-11N·（m/kg）2。没错，小数点向左移动11位！因此，除非两个物体的质量乘积极其大，否则二者之间的引力往往难以察觉。 地球就算得上是一个极其大的物体，其质量约为5.97219×1024kg。放在宇宙中看地球质量并不大，但相比之下，人体的质量（注意，不是重量）一般接近于70kg。如果把地球的质量作为m1、人体的质量作为m2带入万有引力公式，然后把地球的半径带入r，就会得到约686N的力。 这就是你和地球之间的引力——换句话说，你自身的质量通过重力施加的力即是你在地球表面的重量。可是，如果你在巡航高度约为海拔12200m的巨型喷气机上时计算这个量，会比在地面上的重力少整整两个牛顿，因为你的重心和地球重心之间的距离更大了。 根据牛顿第二定律，我们知道，力等于质量乘以加速度（表示为f=ma）。利用本书第40页展示的牛顿运动定律，我们可以算出你和地球之间的引力。由于我们知道你和地球的组合质量，从而解出重力加速度（a=f /m）。其值是9.8m/s?（32.2ft/s?），也被称为“小g”。g和G一样是一个常数，但只对地球表面或接近地球表面的物体而言。这意味着在月球或太阳附近，g就和9.8无关了。 小g很关键，它解释了为什么所有物体的下落速度都相同，即使质量大不相同。举个例子，如果你把一辆宝马轿车和一个保龄球从迪拜的哈利法塔酒店（目前是世界上最高的建筑）顶部推下来，二者会同时落到地面上。羽毛或降落伞等质量小、表面积大的物体是唯一的例外，由于向上的阻力，这类物体会缓慢飘落。不过，在一个没有空气的环境中，例如真空实验室或月球表面，就不会出现这种情况，不管你信不信，羽毛和保龄球都会以完全相同的速度下落。 请注意，重力是两个物体之间的吸引力；也就是说，重力是一个双向的过程。不仅你被686N（约70kg物体的重力）的力吸引到地球上，地球也以同样的力被你吸引。事实上，如果你从树上掉下来，以9.8m/s?（32.2ft/s?）的加速度向地球加速，地球也在向你加速。但这好像不可能，对吧？当人们从树上摔下来，地球并不会脱离其运行轨道上向他们靠近。区别在于二者加速度不同。如果a=f /m，f是686N，那么随着质量越来越大，加速度会越来越小。理论上讲，地球也在向你和其他所有坠落的物体加速靠近，但这个加速度是如此之小，且地球的惯性和动量是如此之大，以至于远处根本无法检测到任何摆动。 牛顿的万有引力定律虽然为我们提供了计算宇宙中几乎所有引力和加速度的物理学知识，但并没有解释引力的实质以及引力在原子层面的作用原理。 阿尔伯特·爱因斯坦用他在20世纪初发表的广义相对论回应了这一问题，该理论将重力解释为时空连续体中的一条曲线。爱因斯坦认为，在我们的三维宇宙之外，还有一个第四维的空间和时间。行星等大质量的物体可以像蹦床上的保龄球一样扭曲时空维度。就好比你在蹦床上滚动一颗弹珠，弹珠会由于蹦床面的扭曲而滚向保龄球。行星在围绕太阳等巨大天体的轨道上旋转时也是如此，宇宙光束在经过黑洞时也会发生弯曲。 但即使是爱因斯坦的革命性理论也没有解释引力的产生与原理。究竟是什么让两个物体之间产生这种力量？今天，许多物理学家认为，引力的相互作用由难以测量的无质量粒子产生，这些粒子被称为引力子。也有些科学家认为其与引力波有关，引力波是一种由大质量中子星碰撞或超新星的爆炸产生的几乎无法探测的引力冲击波。 尽管我们的理解还存在局限性，但从17世纪一个苹果从树上掉下来开始，我们渐渐对引导宇宙的神秘力量有了深刻理解。引力，这种使我们的脚牢牢地站在地面上，并随着月亮的远近而决定全球潮汐的力量，似乎是数十亿年前将原始宇宙元素结合在一起、形成第一批恒星和星系的古老力量。如果不是很忙，下次你从高高的树上掉下来时，可以思考一下这个问题…… 宏大的物理理论 时空旅行新手指南 正确理解爱因斯坦的相对论的原理，并揭秘为何没有任何科学明确否定时间旅行的可能性 每个人都能进行时间旅行（时空穿越）。无论你是否自愿，你都在以每秒一秒的稳定速度这么做。你可能觉得这和沿某个方向以每秒一米的速度前进毫无关联。但根据爱因斯坦的相对论，我们生活在一个四维连续体当中，空间和时间是可以互换的。爱因斯坦发现，你在空间中移动的速度越快，在时间中移动的速度就越慢，换句话说，你衰老的速度更慢。相对论的一个核心观点是，没有任何物体能超越光速——3×108m/s（或每年一光年），但可以非常接近光速。如果一艘宇宙飞船以光速的99%飞行，你会看到它用一年多的时间飞行了一光年的距离。这点显而易见，但神奇之处在于，对于船上的宇航员来说，这个旅程只需要7个星期！这就是相对论的一个结果，叫作时间膨胀，意味着实际上宇航员已经跳过了10个月的时间进入了未来。 高速运动并不是产生时间膨胀的唯一方法。爱因斯坦表示，引力场也能产生类似的效果，即使是地球表面相对较弱的引力场。我们很难察觉这点，因为我们终其一生都生活在地表上，但在二万千米的高空，引力明显变弱，时间过得更快，每天大约要比地面时间快45μs。这点意义重大，因为GPS卫星环绕地球的高度就是二万千米，卫星时钟需要与地面时钟精准同步才能保障导航系统正常运转。卫星必须对由其较高的高度和较快的速度产生的时间膨胀效应进行补偿。因此，每当你使用你的智能手机或汽车的卫星导航系统的GPS功能时，背后都有一个时间旅行小插曲。你与卫星是以差异极其微小的速度进入未来的。 但想要见到更显著的效果，我们要找到更强的引力场，比如黑洞周围的引力场，它可以使时空扭曲程度变大，以至自身都被折叠起来。这会造成一个所谓的“虫洞”，虫洞的概念在科幻电影中经常出现，它源于爱因斯坦的相对论。实际上，虫洞是一条从时空的一点到另一点的捷径。你进入一个黑洞，然后能从另一个黑洞出来。可惜，黑洞并不像好莱坞电影中那样可靠实用，因为当你接近黑洞时，黑洞的超强引力会把你撕成碎片，不过理论上来说，利用黑洞穿越时空的确可行。因为这里说的是时空，而不仅是空间，虫洞的出口很可能在比入口更早的时间，所以你最终会穿越到过去而不是未来。 时空中循环回到过去的轨迹被赋予了一个术语：“封闭类时曲线”。如果在严肃学术期刊中搜索该表达，你会得到大量相关参考资料，比你搜索“时间旅行”得到的结果要多得多。但实际上，这恰恰是封闭类时曲线的意义所在。 还有一种不涉及像黑洞或虫洞这样奇特物质的方法，也可以产生一个封闭类时曲线，那就是一个由超密集材料制成的简单旋转圆柱体。它被称为“蒂普勒圆柱体”，是现实世界的物理学支撑的最接近实际的真正时间机器。但蒂普勒圆柱体在实践中无法建造出来，和虫洞一样，它更多的是一种学术设想，而非实际可行的工程设计。 尽管这些设想在实践中很难实现，但就我们目前所知，没有任何基本的科学根据否定时间旅行的合理性。这一点引人深思，因为正如物理学家加来道雄喜欢说的那样——“凡不违背基本原理的现象，皆有可能发生”。他的意思并不是说时间旅行必须随时随地发生，而是说宇宙如此之大，至少某个地方会偶尔发生时间旅行。也许另一个星系的高级文明知道如何建造实用的时间机器，也许在某些罕见的情形下，封闭类时曲线甚至可以自然发生。 这又引出了另一种问题，不是科学或工程方面的问题，而是基本逻辑方面的问题。如果物理学定律允许时间旅行，那么就会引出一系列的悖论（逻辑学和数学中的“矛盾命题”，表面上同一命题或推理中隐含着两个对立的结论，而这两个结论都能自圆其说）。其中一些看起来非常不合逻辑，很难想象会真的发生。但如果它们不会发生，是什么因素阻止了它们的发生呢？ 诸如此类的想法启发了史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），他一直对时间旅行的想法持怀疑态度，并提出了时序保护猜想，即某些尚不为人知的物理学规律阻止了封闭类时曲线的发生。但这只是一个合理猜测，在有确凿证据的支持之前，我们只能得出一个结论：时间旅行是可能的。 走向“极端”的物理学 极端温度 为什么偏离正常的温度范围会使材料表现出奇怪的性质? 你可能很惊讶，尽管我们日常生活中对温度非常熟悉，但温度的概念又如此令人费解。冬天的寒冷和夏天的温暖阳光可能是最容易想象的，但是我们其实生活在所有可能温度的狭窄范围内。在日常温度之外的范围是热和冷的极端，会出现各种怪事。如果温度极低，我们周围的空气就会变成固体，一切物质都变成巨大的砖块。如果温度极高，原子不再结合在一起，而产生奇怪的物质状态，人类当然也无法存活。 甚至温度本身也是一个奇怪的概念。我们用这个词来谈论能量如何影响物质，即构成宇宙的物理存在。当能量流入物质时，温度上升，而能量消散时，温度下降。在我们的日常生活中，一个物体的温度上升时，里面的原子和分子会运动得更频繁。随着温度的降低，物体中的原子和分子运动减慢，变得更“安静”。这一点可以通过将食用色素滴入水中来证明。水温越高，着色剂的扩散速度就越快，因为水分子在各个方向运动，对着色剂的干扰更大。 科学家们非常关心这个问题，他们已经发明了几个温度标尺来衡量这种属性。两种常见的标尺将温度分为摄氏度（℃）或开尔文（K）。这些温度单位的间隔是相似的，1℃和2℃之间的差异与1K和2K之间的差异相同。水分子慢到足以从液体变成固体的点是0℃，它相当于273.15K。因为开尔文标度的起点应该是任何东西都能达到的最低温度——零开尔文，也就是-273.15℃。这种条件下，所有的原子都是完全静止的，但是物理学很奇怪，把这种认识搞乱了。不少科学家认为，没有任何物体可以达到零开尔文，但也有人认为，开尔文尺度上的负温度都有可能。不管怎么说，一个更冷的世界在那之前就已经非常不同了。我们呼吸的大部分空气是由氮气组成的，氮气会在77K时变成液体，在63K时变成固体。 在另一个方向，我们很容易想象，加热物质会使其原子和分子运动得越来越快。但是在数千开尔文的温度下，就像你在恒星表面发现的那样，热量会使分子分裂成构成分子的原子。如果继续提高热量，原子本身就会分裂，导致电离的等离子体。科学家们认为，理论上还可以达到更高温度。原则上说，在20亿开尔文甚至更高的温度下，每个原子核心的原子核都会崩解。温度上限确实非常高，是由宇宙耗尽能量或完全改变其性质所造成的。如此炎热的景象确实难以想象。 物理与宇宙 宇宙法则 了解支配宇宙过去、现在和未来的神奇宇宙物理学 从亚原子粒子的复杂行为到最大星系团的引力运动，我们的宇宙显示出惊人、无限的复杂性。然而，从本质上讲，宇宙只遵循几个基本规律。有证据表明，宇宙中只有四种力：引力、电磁力、弱力和强力，这四种力支配着物质之间的所有相互作用。实际上，宇宙甚至比这还简单——只有核力。核力，顾名思义，只在原子内部的微小距离范围内产生影响，而电磁力和引力的无限作用范围可以使它们成为主导力量。 然而，所有这些定律都需要使宇宙以我们观察到的方式呈现出来，而且如果它们或支配其影响的“宇宙常数”稍有不同，我们所知道的宇宙很可能根本就不存在。 几个世纪以来，支配宇宙的法则逐渐被揭开。引力的影响在17世纪初首次被学术界注意到，而支配宇宙的更基本的规律则是在该世纪末被提出。19世纪带来了对能量和电磁学的更深理解，而20世纪则揭示了支配原子本身的量子定律，并再次改变了我们对重力的理解。 第一个被发现的伟大物理定律是那些支配行星运动的定律。16世纪初，尼古拉斯·哥白尼是第一个提出行星绕太阳运行的现代天文学家，而支持这一激进观点的证据在整个16世纪不断积累。但是，任何成熟的行星理论的基本标准之一是，应该能预测行星的运动和位置，而这正是哥白尼理论失败之处，它并没有比旧的地心说的准确性高太多。 1609年，德国天文学家约翰尼斯·开普勒实现了一次大胆的概念性飞跃。前几代的观星者一直固守着“完美”的圆周运动的想法，但是开普勒提出，行星遵循的是椭圆路径：沿一条轴线延伸的椭圆形，太阳位于两个焦点之一。 由此产生的行星运动定律非常成功，但其背后的基本力量直到1687年才被描述出来，当时牛顿发表了《自然哲学的数学原理》（Mathematical Principles Of Natural Philosophy）。在书中，牛顿表明，行星轨道只是更基本的运动定律的一种表现形式：除非受到力的作用，否则物体将持续处于静止或直线运动的状态；在力F的影响下，质量为m的物体的加速度a由简单的方程式a=F?/?m给出；当一个物体对另一个物体施加力时，它会受到一个相等的反作用力。牛顿认为，即使物体没有物理接触，它们也可以通过万有引力相互影响。他认为，根据万有引力，致使地球上物体落地的相同力量可以延伸到太空，其影响可以是无限的，这使得引力成为塑造大尺度结构宇宙的支配力量。 18和19世纪见证了热和能量理论（如热力学）的重要发展，而20世纪初却见证了宏观和微观科学的双重革命。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了广义相对论，将引力重塑为四维“时空”结构的扭曲，由大量的质量汇集而产生。 相对论描述并预测了仅靠牛顿万有引力定律无法解释的现象，如引力透镜（光束没有质量，因此应该不受引力的影响，但当它们经过大质量物体附近时会发生偏转）。同时，埃德温·哈勃的观察证明，宇宙作为一个整体正在膨胀，这表明在遥远的过去有一个更密集、更热的起源——大爆炸。 爱因斯坦在量子理论的形成中也发挥了关键作用。量子理论的主要内容是：在最小的尺度上，所有现象同时显示出波动性和粒子性的特征，而且物质和能量可以相互转换。量子物理学最早由马克斯·普朗克于1900年提出，随后在20世纪20年代和30年代由路易斯·德·布罗格利、尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡等人身上得到了进一步发展，为解开光和其他电磁辐射的性质以及物质本身的结构提供了一把“钥匙”。量子尺度系统的不可预知性有助于解释放射性衰变等现象，但也同时带来了一些令人不安的哲学问题。 在量子理论成功的基础上，物理学在20世纪末掌握了力在量子尺度上的运作原理，成功地发展出“规模型理论”，显示了电磁力、弱核力和强核力是如何通过名为“玻色子”的信使粒子在易受影响的物质粒子之间交流而传递的。基于粒子物理学的这一标准模型，以及质量和能量的等价性（体现在爱因斯坦的著名方程式E=mc2中）等观点，宇宙学家已经能够表明从大爆炸中释放的能量如何产生组成宇宙的原材料。 今天，理论物理学家主要追求将宇宙的基本力量统一在一个简化的单一模型中。尽管这些努力已经收获了一些积极成果，但距离一个整齐统一的方程就能描述全部宇宙规律的“万物理论”仍然还有一段距离。 1.10岁以上中、小学生独立阅读，自主学习科学知识的工具书。 2.5个单元，9大原理，6余条定律理论：牛顿运动三定律/爱因斯坦相对论/弦理论/反物质/宇宙大爆炸/霍金辐射/开普勒三定律/超导体/机械运动/电学基础/核裂变/显微镜/重力/声现象/光现象/磁力/向心力/离心力/能量守恒/量子力学/宇宙学…… 3.对标物理科目课程内容，聚焦小、初、高多年级知识点，学习就要先人一步。 4.通过日常现象引入物理定律，循序渐进，展示学科实用性，激发学习兴趣。 5.可视化思维导图，围绕定律增补实验图像、未解之谜、物理学领军人物介绍等。使抽象问题变得形象直观，有效降低理解难度。 6.图片升级3D拆解，炫酷图像资料，模拟前沿科技实验室氛围，轻松抓住孩子眼球。 7.条理清晰，层级板块图注详尽，逐步引导培养理科学习思维。 8.收录官方数据、科学网站摘要与名家论点交融，让孩子拥有放眼全球的视野。 9.高品质图文书，图文内容同时推进，适合青少年阅读。 10.16开全彩印刷，印刷用材安全环保，安心给孩子阅读。