这本书替我解开了不少疑惑

读《物理世界奇遇记》

Oct 2012

“考察的物体越小，机器却越大。认识宇宙的关键，却在于考察最小组成部分的性质。”

这本经典的科普书解开我不少疑惑。

为什么光速是绝对的？

准确来说，真空中的光速才是绝对的（300,000公里每秒）。

19世纪末，美国物理学家迈克耳孙和莫利观察地球运动与光速的关系时，按照经典物理的速度相加定理，在穿过以太运动时，光速应该随着它相对于地球运动方向的不同而不同。事实上，任何方向的光速都是一样。

为什么越接近光速，长度变扁，时间变慢，质量变重？


尺缩效应。注意只是物体有运动的方向的长度变短，因此才会看上去变扁。


一个需要花时间t0的过程，在从一个作相对运动的参考系对它进行观察时，它所花的时间，将变得长一些。请大家注意，随着v的增大，t也同样增大。事实上， 当v接近于c时，t会变得非常大，以致所发生的过程几乎停滞下来了。这就是相对论的时间延长（钟慢）效应。正因为这样，人们就产生了一种想法，认为如果宇航员们以接近于光速的速度遨游太空，他们变老的过程就会变得非常之慢，以至于他们几乎不会变老——他们可以永远活下去！

为什么光速是极限速度？

物体质量随着速度增大而增大，当速度接近光速时，加速的阻力会变成无穷大！电子加速实验已经证明这一点。

为什么不存在真正意义上的同时性？

任何物体的运动或任何信号的传播都存在着一个天然速度极限。

宇宙是否无穷无尽？

科学家通过计算天体的数目来研究宇宙的曲率。如果是正曲率（球面），说明宇宙有尽头，就像从北极做直线运动最终会经过南极再回到北极一样，沿着宇宙做直线运动也能够回到起点。如果是负曲率（马鞍），说明宇宙无穷无尽。

宇宙的未来？

根据宇宙大爆炸理论，在大爆炸之后，各个星系开始飞散（已被证明）。不过，飞散速度因万有引力而减缓。

未来，宇宙可能面临两个结果：（1）如果各种星系可以挣脱万有引力，宇宙将一直膨胀下去。（2）否则，各种星系总有一天会被万有引力拉回来，形成一次大挤压。

大挤压后会发生什么？没人知道。可能是脉动宇宙，膨胀-收缩-膨胀-收缩……

因此，万有引力的大小决定了宇宙的未来。而宇宙物质的数量又决定万有引力。这里有一个临界密度的概念，小于它宇宙则一直膨胀，大于它则总有一天要收缩。

可是，宇宙99%的物质是不会发光，不能被观察到的反物质。这使得更加扑朔迷离。

“红移”是什么？

科学家利用分光计观察同一元素在太阳和地球的振动周期，发现原子在太阳表面振动得比较慢（因为太阳运动得比较快），因此它们发出的光比地面稍红，即它的发光频率会向光谱中的红端移动。在所有会发光的恒星都观察到红移现象。

物体离我们越远，它便运动得越快，因此看起来越红。科学家利用红移来测量极其遥远的星系的距离。

大挤压会是怎样？

首先，温度会变得极其高，把所有物质分解成一个个原子。然后，大挤压把所有原子混在一起，形成一个均匀的高温气体球。宇宙回归起点。

太阳是8分钟前的太阳说明什么？

说明空间与时间的关系，我们越是深入地探索宇宙的深处，其实越是深入地回顾时间的过去。

宇宙大爆炸理论有什么证据吗？

宇宙微波背景辐射，即大爆炸时伴随的大火球。它的残骸已被发现！

宇宙的演变？

“在大爆炸后的几分钟内，我们只有氢和氦的原子核以及电子。再过30万年，一切都冷却下来，温度降到足够低，这时电子便能够围绕着原子核，于是，我们便有了第一个原子。现在，整个空间中充满了一种气体。这种气体的密度是非常均匀的。但是，也还存在某些极为微小的不均匀性——有些地方的密度比平均密度稍稍大一些，有些地方则稍稍小一些。这样一来，由于密度较大的地点具有较大的万有引力，气体就开始围绕着它们积集起来。它们收集的气体越多，它们的引力就越强，因而就能更有力地从四周吸来更多的气体，结果就形成了一些彼此分开的气体云。这时在每一个气体云内部都会形成一些小小的旋涡，这些旋涡互相挤压，从而使温度上升（这是日常生活中常见的事：当你把某种气体挤压成较小的体积时，它的温度就会升高）。最后，温度变得非常高，从而引发了核聚变过程——恒星就这样诞生了。结果，大约又过了10亿年，便出现了各个星系（实际上，星系有可能是通过两种方式形成的：一种是先形成星系云，然后由它分裂成许许多多恒星；另一种是先形成恒星，然后恒星聚集在一起形成星系。究竟是哪一种，目前还没有人真正知道）。但是，不管是这种还是那种，恒星毕竟是形成了，并且依靠核聚变过程而获得能量。它们不仅释放出能量，并且还逐渐积累起较重原子的原子核——这些原子正是后来构成地球和我们的身体所必需的材料。然后，恒星上的核火终于把燃料烧光了。对于像太阳这样的中等大小的恒星来说，这个过程大约要花100亿年的时间。这种处于老年期的恒星会发生膨胀，变成所谓的 红巨星 ，然后再收缩而变成白矮星，最后慢慢凝固成很冷的岩石。质量更大的恒星会以一种特殊得多的方式结束它们的生命——随着‘轰’的一声，它就全部完蛋了。这就是 超新星爆发 。正是这种爆发喷出了某些新合成的核物质，即重的原子核。它们现在同星际气体混合在一起，并且能够聚集起来而形成第二代的恒星以及第一次出现的像地球这样的多岩石行星（在产生第一代恒星时，当然不会有行星存在）。然后，这类行星之一——地球——通过自然选择进行演化，终于把它表面上的化学物质转化成你和我。我们就是这样由星际尘埃构成的！”

什么是黑洞？

黑洞是最重的恒星爆炸后留下的东西坍缩成一个万有引力强大到任何物质都不能逃脱的一个质点，连光也不例外。

有人臆测黑洞连接着另一个宇宙。在这里叫黑洞，在那里叫白洞——把吸到东西喷出来。

什么是测不准性？

位置与速度总是有某种程序的测不准。其中一个量测得越精确，另一个势必越不准。量子常数说明了两者的关系。

观察位置需要足够的光从物体反射过来，同时光子也会干扰物体的速度。

古典力学的问题在哪里？

古典力学认为可以把任何两个物理客体之间的相互作用降低到要多小有多小，在必要时甚至可以把它降低到实际上等于零。例如足够精密的温度计不会带走被测对象的温度。因此把所有有关的问题都当作纯技术性的困难来处。

在自然界中存在着一个确定的互相作用下限，这个下限是永远不能超越的。当我们所要处理的是在原子或分子这类极微小的力学系统中发生的过程时，这个极限便变得非常重要了。

为什么第二类永动机不能实现？

第一类永远机违背了能量守恒。第二类永远机希望从自然界中提到能量。如果有办法把能量从较冷的物体流向较热的物体，那我们直接把海水抽上来，取出其中热量，再把剩下的冰推回去就行了。但是，这是违背了概率定理。

热不过是粒子做快速不规则的运动。虽然越快越热，但是热量会趋向平均分布，较快的粒子去撞较慢的粒子，从而把热量层层传播去出。突然发生所有热量聚集于一部分粒子的情况并非不可能发现，只是概率太低太低。除非有maxwell的妖精，否则只能遵循热力学的基本定律：熵恒增加。

原子空间不同在哪里？

电子。形成原子大气的电子的数量决定原子的一切物理和化学性质。

为什么放射性元素处于周期表的末尾？

原子核内部有两种力，一是粒子之间相互吸引的核内聚力，二是带有正电荷的质子间相互排斥的库仑斥力。越处于周末末尾的元素的质子越多，库仑斥力越大，原子核越不稳定。

粒子能够逃离是一个概率事件，它要往墙上撞很多次（多到难以置信），才能出现一次成功。量子论提供一些计算该概率的精确公式。

为什么裂变和聚变都能够释放出能量呢？

中子和质子的某几种组合要比其他组合束缚得更牢固一些；当从束缚得较松散的组合变成核子束缚得更有效的组合时，就有一些多余的能量可以释放出来。像铀一样分裂就是裂变，像氢一样聚合（成更稳定的氦）就是聚变。

人工聚变很难，太阳却很轻松就实现。

为什么科学家不把大量的铅转成金？

因为用炮弹轰击原子核的效率太低了。几千发才能命中一发，即使命中也可以被弹回来。

什么是反物质？

性质与对应物质相反的物质，比如带一个正电荷的电子，施加引力它离开，施加斥力它却回来。

开平方根时，物理学家常常抛弃负数。狄拉克却反其道而行之，预言了反物质。正物质与反物质是对立统一。正物质中的反物质其实就是反物质中的正物质（>_<）

原子加速器是什么？

整个原子加速器是一个巨大的环形管道。出发点是一个射频加速腔，粒子每次经过都被加速一次。管道上下设有磁极，产生一个竖起方向的磁场，引导粒子“拐弯”。随着粒子动量增大，供给电磁铁的电流也要相应增大，这就是为什么叫做“同步加速器”。碰撞的设计也很巧妙，管道里跑着具有相同动量的两队电子，一队带负电，一队带正电，朝着相反方向加速，最终在某个地方碰撞。