膨脹了,我一個理科痴線也可以讀的物理學

2021-01-12 澎湃新聞

原創 PUP China 普林斯頓讀書匯

Editor's Note:

我是誰?

我從哪裡來?

宇宙有盡頭嗎?

……

面對這些宏大的議題,有人選擇信仰宗教,有人選擇研究意識形態,也有人選擇了謹慎假設、演繹求證之路,那就是——

物理學!

宇宙的奇妙應該被共享,要了解關於宇宙的知識也許不需要付出頭懸梁錐刺股的刻苦努力,秉持著這樣的觀念,英國物理學教授、著名的科普作者 Jim Al-Khalili ,寫就了一本口袋書,讓你在閒暇之餘,輕鬆了解最前沿的物理學新發現,享受探索宇宙的樂趣。

科學?信仰?

科學不是意識形態,也不是信仰,更不是眾多看待世界的方式中平平無奇的那一個。在科學裡,我們做實驗、進行觀察,不斷試錯,隨時做好準備用更好的理論取代先前的錯誤和不完整的想法,我們在自然中發現規律,在描述規律的數學方程中發現美……一直以來,是科學加深並延展著我們對客觀世界真實面貌的了解。

不可否認的是,科學家和其他人所有人一樣,都會懷抱夢想,也會懷抱偏見。科學界的爭論從來都是激烈的,每一個未被證實的理論都有支持者與反對者,他們背後也仍然會有根深蒂固的意識形態立場與微妙而複雜的觀點。科學就是在這樣的環境氛圍中,擺脫過去的桎梏,不斷發展的。

但與其他學科相比,科學最與眾不同的地方在於:一個完備的觀測或是充分實驗的結果,是擁有力量完全推翻過去長期被支持的理論,建立一個新的世界觀的。這意味著,對於自然現象,那些經得起時間考驗的理論和解釋,是我們最能夠信任的;也是我們最確信的。地球繞太陽公轉,宇宙在膨脹,真空中的光速保持不變,這都是我們目前能夠信任的。當一項新的重要科學發現改變了我們看待世界的方式時,並不是所有的科學家都會立即接受這一點,但科學本身的進步是不可阻擋的。科學的進步總是一件好事,因為知識和啟蒙總是好過無知。

任何時候,我都敬畏對知識的理解,而非對無知的慶幸。

Douglas Adams,廣播劇作家、音樂家、作家,代表作《銀河系漫遊指南》。

簡單之美

真正的物理學之美不僅存在於抽象的方程式和那些令人驚訝的實驗結果中,還存在於維持世界運轉的深層基礎原理中。這些基本原理的美,不亞於一次令人驚嘆的日落,一幅達文西的繪畫,或是一首莫扎特的奏鳴曲。物理原理之美,美在對規律的解釋是如此簡潔清晰。

探索物質的基本組成部分是一場漫長而持續的旅程。請你環顧四周,想想世界上的各種材料:混凝土、玻璃、金屬、塑料、木材、織物、食品、紙張、化學品、植物、貓貓狗狗,還有人類。數百萬種不同的物質,每一種都有其特性:魷魚有魷魚味兒,金屬很堅硬,玻璃能透光,樹枝可以折斷,等等。如果你對物理或化學一無所知,你可能會覺得大多數材料之間是沒有共性的。然而我們知道,一切都是由原子構成的,存在著有限數量的不同種類的原子。

古希臘的自然哲學家就在探究物質是由什麼組成的。恩培多克勒首先提出了物質由土、水、風、火四元素組成;留基伯和德謨克利特兩位哲學家則認為物質是由看不見的原子組成的。現在我們知道,後者對世界的構想更符合我們今天的探索。雖然他們所做的事並不是今天嚴格意義上的科學,但是那種對簡單的追求,卻一直延續到了物理學的今天。

現代物理學的更多美妙,歡迎你來書中一一體會。

PUP 內容速遞:

The World According to Physics

物理學解釋世界

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作者: Jim Al-Khalili

出版時間: 2020.3.10

ISBN: 9780691182308

本書向讀者展現了現代物理學所揭示的宇宙和現實世界是什麼樣的。

作者首先介紹了空間、時間、能量和物質等基本概念,然後描述了現代物理學的三大支柱——量子理論、相對論和熱力學,認為只有將三者結合,才能對現實有一個全面的了解。

運用了精彩的例子和發人深省的類比,作者闡明了大致整個宇宙小至量子尺度的物理學、這個領域的最前沿理論,以及支撐著我們日常經驗和技術的物理學,讓讀者在較短的時間內,了解到物理學中最偉大的想法。

物理學展示著人類對基本原理的無畏追求,這些原理準確地解釋了我們周圍能看到的自然世界,這是一項以誠實和懷疑等核心價值觀為指導的事業。物理學所發現的知識既賦予我們力量,又使我們謙卑,並且物理學永遠在勇敢地探索未知。

即使是最晦澀的科學思想也能被理解,也能變得引人入勝。這本極具洞察力的書闡明了為什麼物理學對每個人來說都很重要,同時也呼籲大家一起向世界進發,踏上尋求真理的冒險之旅。

作者簡介:

Jim Al-Khalili

Jim Al-Khalili,英格蘭薩裡大學物理系教授,英國最著名的科學傳播者之一,英國皇家學會成員。著有多本書籍,包括Quantum: A Guide for the Perplexed; The House of Wisdom: How Arabic Science Saved Ancient Knowledge and Gave Us the Renaissance,和 Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology.

名家推薦:

「物質世界對我們來說是陌生的,但又充滿了驚奇。Jim Al Khalili說,世界是可理解的。他對核心原則那簡單、深刻並準確的描述,使得沒有專業背景的讀者也能夠接觸到這些開闊思維的知識。」

——2004年諾獎得主

麻省理工學院的理論物理學家 Frank Wilczek

「Al-Khalili說,人們應該喜歡上物理學。當你了解了一項原理的歷史背景,對此熟悉,並接觸到最近出現的新思想時,你不禁會想,他是對的。Al-Khalili這本書的美妙之處在於,它對非專業讀者非常友好,完全不缺乏有吸引力的驚奇感、發現感和各種可能性。」

————Nick Smith, Engineering & Technology

原標題:《膨脹了!我一個理科痴線也可以讀的物理學》

閱讀原文

相關焦點

  • 宇宙膨脹速度存在爭議?需要新物理學來解決?
    更讓人困惑的是,新觀測結果表明,宇宙膨脹速度可能會因你回望時間的遠近而不同,發表在《天體物理學》上的新數據表明,是時候修正我們對宇宙的理解了。哈勃的挑戰宇宙學家將宇宙的膨脹述為一個簡單的定律,即哈勃定律(以埃德溫·哈勃的名字命名),儘管事實上很多人都對哈勃的發現有過先入之見。哈勃定律是觀測到更遙遠的星系正在以更快的速度移動。
  • 你可以不讀霍金的《時間簡史》,但是不能不讀霍金的這篇文章
    你可以沒讀過這本書,但是你不能不讀《宇宙的未來》這篇文章。《宇宙的未來》是霍金1991年1月在劍橋大學的一次講演錄。這篇講演,從古代巫師的預言,談到近代宗教預言,再過渡到對宇宙未來的討論。主要探討了宇宙未來的兩種命運:一是繼續膨脹下去,一是收縮以至於坍縮成一個點。膨脹還是收縮,取決於宇宙的平均密度。運用天體物理學理論,對宇宙的未來作出科學的論斷,這是科學家與巫師不同之處。霍金是一個傳奇,歷史會永遠銘記他。
  • 王正行讀《物理學的進化》︱愛因斯坦眼中的物理學三百年
    因為學理論物理,愛因斯坦的書自然是看到就買,在那時期我還買了愛因斯坦的《狹義與廣義相對論淺說》,也是屬於面向一般讀者的,俗稱「科普讀物」。後者比前者講得稍微深入一點,給出了一些簡單的公式。《物理學的進化》、《狹義與廣義相對論淺說》與愛因斯坦合寫《物理學的進化》這本書的英費尓德,他的名字我在胡寧的《電動力學》中讀到過。
  • 「大黃蜂引力」可以解釋為什麼宇宙如此迅速地膨脹
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  • 宇宙膨脹的速度是多少?實測值比理論值快9%,專家呼籲物理學革新
    美國約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)物理學和天文學教授裡斯(Adam Riess)帶領他的團隊,研究了美國航空航天局(NASA)的哈勃太空望遠鏡的實際測量數據,計算得到了宇宙真實的膨脹速度,並估計誤差在十萬分之一以內。
  • 我的物理學
    那麼,宙是時間,時間是否可以獨立存在呢?人們常說四維時空,我們可以感受到時間的流失,卻無法捕捉到時間的蹤跡,時間沒有獨立的實在性,不能作為真實的緯度存在於客觀世界,只能是一個存在於記憶裡的虛的緯度,時間確實存在,不過,時間是和物質運動伴生的,是即生即滅的特殊存在。 我們在物理研究中,首先要對時空進行定義,把一個空間用尺子度量。把時間用一個參考時鐘度量。
  • 宇宙膨脹,到底是什麼東西在膨脹?
    今天你能看到我,是因為可見光,你看到了在可見光波段的光子,在你的腦海裡形成了我的形象。這是在日常生活中用可見光的波段作為探針。研究宇宙可以用可見光,也可以用光子的其他波段。這個階段是減速膨脹,因為宇宙裡充滿了物質,物質之間有萬有引力,在引力作用下,時空的膨脹是減速的。第三階段是大約60億年前至今,宇宙又開始了炸裂式的生長,又開始了像宇宙初期一樣的加速膨脹。這是違背物理學原理的。時空之間的物質互相吸引,怎麼能夠越膨脹越快呢?如果要有加速膨脹,需要萬有斥力。萬有斥力從哪裡來?我們今天的物理學理論還不能解答這樣的問題。
  • 引力與宇宙快速膨脹有什麼關係?或許質量引力可以給你答案
    首先,媒體熱衷於將女性物理學家作為他們的封面故事,因為她們的故事同時激勵著男性和女性這兩個群體將物理學看作是一個性感的、新鮮的話題,而不是物理學本身的複雜和混亂。那麼,物理學家的重力理論是否解決了「不可能的」暗能量之謎呢?
  • 宇宙可能是一個巨大的封閉球體,像不斷膨脹的氣球
    我們所知道任何宇宙形狀都可以是錯誤的,依據一項最新研究,宇宙可能不是像床單一樣扁平,而是像一個巨大的充氣氣球。梅奇裡說:「傳統宇宙模型是不斷膨脹的,暗示著宇宙應當是平坦結構,追溯至宇宙膨脹之初,在大爆炸後最初的0.0000000000000000000000001秒,依據這個最新模型,將呈現一個難以置信的時間節點,宇宙從最初那個無限小的點開始增長,以指數級迅速膨脹,這個超快膨脹的物理結構這是一個平坦的宇宙。
  • 宇宙膨脹之後會變成什麼?
    我們膨脹的宇宙:他膨脹成什麼?加州大學伯克利分校物理學教授,《時間的物理學》作者理察·穆勒回答道宇宙不需要為了膨脹而膨脹成任何東西,我知道這聽起來很荒謬,所以我給你一個聽起來更容易理解的不同的例子,想想你有一根可以無限延伸的線,在這根線上,每一寸都有一個標記,有無數的英寸,現在移動每個標記,使兩者之間相距兩英寸。
  • 引力透鏡可以更好估測宇宙膨脹速度
    而且,如果形成這些圖像的光沿著長度略有不同的路逕到達我們,研究人員可以測量路徑之間的時間延遲,並推斷出到銀河系和遙遠類星體的距離。現在,史丹福大學和能源部SLAC國家加速器實驗室的卡夫裡粒子物理與天體物理研究所的博士後研究員西蒙·比勒(Simon Birrer)和一個國際研究人員團隊有了一個新的答案,一旦有了更多數據,就可能有助於解決這場爭論。
  • 科學家發現「時間膨脹」,愛因斯坦的預言又中了一個!
    時間對於我們來講是一個日常的計量單位,而在物理學中,時間是7大物理基本量之一,符號為t。                                       比如時間和空間的聯合組成了時空,同時愛因斯坦又認為時間會發生扭曲,這是因為時間具有膨脹效應。                                               簡單講,一個具有相對運動的時鐘,對比自己所參考的處於靜止狀態下的時鐘,其時間流逝要更慢一些。
  • 為什麼時空膨脹可以比光速還快?
    在物理學中我們認為,任何無質量的粒子在真空中的速度都必須是光速,目前我們所知道的光速粒子有三個,分別是光子、膠子和引力子。 那麼問題是,宇宙的時空結構為何可以以超光速的速度在膨脹?甚至是導致一些龐大的星系遠離我們速度也超光速了? 這似乎違反了光速不可超越的基本法則?下面我們就說下這個問題。
  • 為什麼時空膨脹可以比光速還快?
    其中有一個法則雖已經深入人心,但我們有時還是會對其產生質疑,而且我們也很樂意挑戰這個所謂的基本法則。在物理學中我們認為,任何無質量的粒子在真空中的速度都必須是光速,目前我們所知道的光速粒子有三個,分別是光子、膠子和引力子。
  • 宇宙又多一個謎!宇宙膨脹速率的新測量方法帶來新謎題
    來自美國宇航局哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的這個修正測量結果,馬上成為了天體物理學中一個備受爭議的問題的核心,這個問題可能會導致我們對宇宙的基本性質產生新的解釋。在大約一個世紀之前,科學家們就已經知道宇宙正在膨脹,這意味著星系之間的距離每秒鐘都在變得越來越大。但是,太空究竟在以多快的速度擴張呢?這一個被稱為哈勃常數的數值,仍然難以捉摸。
  • 時空膨脹的量子化
    哈勃常數大意味著宇宙向四面八方擴展的速度更快;哈勃常數小意味著宇宙向各個方向膨脹的速度更慢,我們可以將哈勃常數理解為宇宙膨脹率。時空膨脹率大意味著暗能量更強;時空膨脹率小意味著暗能量更弱。科學家早已發現微觀宇宙的變化與宏觀宇宙的膨脹有驚人的相似之處,量子宇宙和宏觀宇宙的時空膨脹機制符合哲學邏輯論的「等效原理」,我們可以將假想的量子宇宙膨脹看成是宇宙大爆炸理論的「第七個證據」,也可以將假設的量子宇宙收縮看成是宇宙大收縮理論的「一個證據」,對膨脹和收縮雙向過程的理解符合宇宙哲學的「對應原理」,或者符合物理哲學的「對稱性原理」、「反等效原理」。
  • 宇宙是在加速膨脹還是減速膨脹?有什麼證據?
    模型說白了就是一次觀測和理論物理學的有機結合體。而研究宇宙的狀態其實是和宇宙模型有關的。而最早關於宇宙的模型是地心說模型,之後又出現了日心說模型,然後有牛頓的宇宙模型,還有愛因斯坦的宇宙模型,當然,還有一個穩恆態模型等等。
  • 愛因斯坦明明說宇宙最快速度是光速,為什麼宇宙可以超光速膨脹?
    十九世紀末,開爾文宣布:「物理學的大廈已經基本落成,但仍有兩朵烏雲」。然而沒有過多久,其中一朵烏雲就差點拆了這棟以牛頓為首的大廈。物理學從來都不缺跟風的人,偏偏就是愛因斯坦這個打破傳統框架的人締造了物理學神話,更是成了宇宙學的開山鼻祖。
  • 宇宙之初:大膨脹①大爆炸之前就已膨脹?
    「奇點」是從理論物理學允許的範圍一直倒推不斷膨脹和冷卻的宇宙而得出的,本質上,是將宇宙中的所有物質和能量打包到一個點中。但是,在奇點處,物理學定律就失效了,那麼「奇點」的性質是什麼樣的?2、為什麼宇宙在空間上是完全平坦的,它的總物質和能量密度完美地平衡了初始膨脹率?
  • 宇宙之初:大膨脹①大爆炸之前就已膨脹?
    「奇點」是從理論物理學允許的範圍一直倒推不斷膨脹和冷卻的宇宙而得出的,本質上,是將宇宙中的所有物質和能量打包到一個點中。但是,在奇點處,物理學定律就失效了,那麼「奇點」的性質是什麼樣的?2、為什麼宇宙在空間上是完全平坦的,它的總物質和能量密度完美地平衡了初始膨脹率?