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　1.9　液体 　1.10　气体 　1.11　等离子体 　1.12　粒子园 　1.13　弦论 　1.14　膨胀的宇宙 　1.15　暗物质 　1.16　暗能量 　1.17　大爆炸 　1.18　多元宇宙和弹性膜 第2章 　量子理论 　2.1　量子 　2.2　紫外灾难 　2.3　爱因斯坦和光电效应 　2.4　波 　粒二象性 　2.5　几率问题 　2.6　不确定性原理 　2.7　隧道效应 　2.8　叠加和量子猫 　2.9　哥本哈根解释 　2.10　很多个世界 　2.11　电子学 　2.12　纠缠现象 　2.13　量子电动力学 　2.14　量子实在 　2.15　黑洞 第3章 　光 　3.1　视觉的机制 　3.2　对光的早期认识 　3.3　电磁波谱 　3.4　颜色 　3.5　光波 　3.6　光子 　3.7　反射 　3.8　折射 　3.9　透镜 　3.10　最小作用原理 　3.11　光的速度 　3.12　最早的望远镜 　3.13　望远镜渐趋成熟 　3.14　对望远镜的进一步认知 　3.15　显微镜 　3.16　量子透镜 　3.17　偏振 　3.18　红移 　3.19　激光 　3.20　全息图 　3.21　让光停步 　3.22　比光更快 第4章 　相对论 　 　4.1　伽利略的相对论 　4.2　狭义相对论 　4.3　双胞胎悖论 　4.4　同时性 　4.5　时间旅行 　4.6　时间旅行者在哪里 　4.7　E=mc2 　4.8　等效性 　4.9　广义相对论 第5章 　力 　5.1　力 　5.2　场，还是粒子 　5.3　超距作用 　5.4　引力 　5.5　轨道和离心力 　5.6　电磁学 　5.7　静电 　5.8　电流 　5.9　磁体 　5.10　强核力 　5.11　弱核力 　5.12　放射性 　5.13　核裂变 　5.14　核聚变 第6章 　能量 　6.1　功和能 　6.2　功率 　6.3　动能 　6.4　势能 　6.5　继续前行：运动、速率和速度 　6.6　动量 　6.7　加速度 　6.8　掷球 　6.9　摩擦力 　6.10　杠杆 　6.11　弹簧和摆 　6.12　温度 　6.13　热 　6.14　温室效应 　6.15　热膨胀 　6.16　改变物相 　6.17　热力学 　6.18　热机 　6.19　熵 　6.20　声音 　6.21　能量密度 　6.22　太阳能 附录A　 附录B　 內容試閱： 第1章 CHAPTER ONE 1.1材质 基础知识 本书的主题（物理学）是一门基础科学。伟大的物理学家恩斯特?卢瑟福曾经说过：“一切科学，要么是物理学，要么是集邮。”他的意思是说，当时的绝大多数其他科学总是将信息进行汇集和分类，而物理学则是真正在解释宇宙运转的方式。 在这一节中，我们关注的焦点是材质。这本书（或者你自己）是由什么构成的？是否一切物体都是由同一种材质所构成？为什么有些材质是坚硬的，有些则是流动的？怎样将一种材质转化为另一种材质？ 现代人认为，一切材质显然都是由原子构成的，由微小的构件组装起来，犹如一个庞大的“乐高” a结构。但这其实并不那么显然。注视一杯水，杯子和其中的水看起来都像是连续的物质，完全不像我们所熟悉的任何一种由微小构件组装而成的东西。要理解物质，我们必须要透过表面，在头脑中考察那些无法凭感官去体验的东西，而这正是物理学之妙趣的一部分。 a指丹麦乐高（ Lego）公司出品的积木类玩具，由五彩的塑料积木、齿轮、迷你小人和其他各种不同零件组成各种事物。——译者注 物质 前沿资讯 原子是构成一种元素的最小的单个粒子。它是你所能得到的最小的、依旧保持元素化学性质的单位。分子包含结合在一起的多个原子。 a它有可能只包含同一种元素，例如，氧分子中包含着结合在一起的两个氧原子。但是它也有可能包含多种元素，不管是像氯化钠那样的简单分子， b还是构成复杂生物分子的超长 DNA链。 相关趣闻 a某些物质，例如稀有气体，其原子几乎不具备彼此结合成多原子分子的能力，我们也将它的一个原子称为“单原子分子”。——译者注 b在通常情况下，构成氯化钠晶体的微粒是氯离子和钠离子，氯化钠分子并不常见。——译者注 1.2布朗运动 基础知识 原子就像小孩子：它们总是动个不停，永远不会彻底安静下来。可见宏观世界与微观世界之间存在着显著的对比。注视一杯水，水似乎是静止不动的，但是在液体内部，水分子正在狂野地舞动。 1827年，一位叫做罗伯特 ?布朗的苏格兰植物学家，在研究月见草的花粉颗粒时，令其悬浮于显微镜下的水滴中。他发现微小的花粉颗粒一直在上蹿下跳，动个不停。 这种运动看起来毫无秩序可言，其运动方式没有什么规律。实际上，花粉颗粒的舞动确实是混乱无序的。这种不规则的舞动称为布朗运动，但是在阿尔伯特 ?爱因斯坦将其与原子行为联系起来之前，它还只是一种奇异的现象而已。 前沿资讯 爱因斯坦在 1905年完成了三篇伟大的论文。关于相对性和光电效应的著述为他赢得了声望，但第三篇关于布朗运动的文章也绝对是同样重要的。到那时为止，原子的概念完全是理论性的。但是爱因斯坦指出，花粉颗粒的舞动是由很多个水分子的随机影响所导致的。爱因斯坦利用布朗运动说明，使小颗粒漂浮的液体是由难以计数的剧烈运动的分子所组成的。 相关趣闻 物质 1.3原子结构 基础知识 在证明原子确实存在后，人们很快（快到令人吃惊）就发现“原子”（意味着不可再分）这个名字实际上是不准确的。尽管布朗运动表明原子和分子都是真实存在的，但显然原子并非不可再分。 1895年，英国科学家约瑟夫 ?约翰 ?汤姆森发现原子中有一种带负电荷的粒子，并将其命名为电子。他设想原子就像是洒满了葡萄干的布丁。葡萄干就是电子，布丁的其余部分带正电荷并与其中和，因而原子本身不带电荷。 前沿资讯 新西兰科学家恩斯特 ?卢瑟福推翻了汤姆森的葡萄干布丁模型。卢瑟福的想法是，将其他粒子打进一个原子中，看看它们有什么反应；这就像是将一个球反复掷向某个看不见的物体，通过观察球的反弹情况来推测该物体的结构。他所使用的球是阿尔法粒子，即氦原子的原子核。当这些粒子撞击到涂有荧光材料的屏幕上时，就可以被检测到。如果原子如同汤姆森所设想的一般，那么强劲的阿尔法粒子应该会从中穿过。绝大多数粒子确实是这样的，但是偶尔会有一个反弹回来。这个意料之外的结果使卢瑟福认识到，原子有一个体积小、密度大、带正电荷的核，它使阿尔法粒子反弹回来。他由此确立了我们所熟悉的原子像一个太阳系的观念，即带正电荷的原子核位于中心，带负电荷的电子在它周围游荡。 相关趣闻 物质 1.4同位素与中子 基础知识 最初，类似于微型太阳系的原子结构模型很简单。其中心是一个由带正电荷的质子构成的核，质量占原子总质量的 99?9%。核外飞舞着与质子数量相同的带负电荷的电子。二者的电荷恰好抵消。人们不清楚的是，那些本应彼此排斥的质子是如何结合在一起的，不过在其他方面，这个模型还是说得通的。 但是到了 1932年，在原子核中发现了另一种粒子——中子，它和质子质量大致相同，不过不带电荷。中子的巨大价值在于，它解释了为什么同一种元素会存在不同的形式（称为同位素），它们的化学性质相近但质量不同。 虽然元素的化学性质是由带电荷的粒子决定的，但是你能够得到同一种元素的多种形式，它们的核中具有不同数量的中子。这就解释了质子数为 17的氯为什么会具有 35?45这个原子量（近似为质子和中子数量之和）。它并不是具有 18?5个中子，而是两种原子形式的混合体，一部分原子有 18个中子，另一部分有 20个中子。 物质 前沿资讯 某些同位素是放射性的、不稳定的，因而可以将核的一部分喷射出去，形成另一种元素。最广为人知的当属铀 235。数字“ 235”描述了原子量，它有 92个质子和 143个中子。当铀 235衰变时，会释放出若干个中子，从铀原子转变为钍 231（也是不稳定的）。在核反应堆或核弹中，这些中子会冲进其他的铀原子核，引发进一步的裂变反应。在自然状态下，铀 235衰变得很慢，大约每 7亿年才会有一半发生衰变。只有通过上述链式反应，核能才能够被利用。 相关趣闻 1.5忘掉行星模型吧 基础知识 如果让一个人画一幅图来表示原子，那么这幅画很可能看起来会像是一个电子整齐排布在核周围的太阳系。瞧瞧国际原子能组织（IAEA）的会标吧。遗憾的是，这个模型是错误的。 当电子加速运动时，会产生光猝发现象。加速度是速度（既有 大小又有方向）的变化率。电子在绕着核飞行时，速度的大小可以 保持恒定，但是其方向一直在变化，这意味着它在加速运动。问题 来了！任何沿轨道运转的电子都应该发射出光，从而损失能量。它 会落入核中而毁灭，就像飞蛾扑进蜡烛的火焰。但很显然这一切并 不会发生，否则所有的原子都会向内聚爆。 前沿资讯 丹麦科学家尼尔斯 ?玻尔很快认识到这个问题。他对模型进行了修改，将电子置于想象的轨迹之中。玻尔没有让电子在核周围的任何轨道中飞行，而是用轨迹限制了电子可以出现的位置。一旦处于轨迹中，通常的规则不再适用：想象的轨迹阻止了能量的泄露。电子可以从一条轨道跳向另一条，同时释放或吸收一个光量子，但是不能存在于轨道之间的任何位置。电子不可能落入或者冲进原子核，它们只能在固定的轨道之间进行跳跃。每次跳跃伴随着得到或失去一个能量量子，这种不同轨迹之间的跳跃称为量子跃迁。玻尔将原子数字化了。 相关趣闻 物质 1.6反物质 基础知识 《星际迷航》（Star Trek）的粉丝们都知道，“进取号”（Enterprise）是靠反物质来驱动的，不过反物质并不是幻想的。它与我们所熟悉的构成这个世界的材质相类似，只是每种带电荷的粒子都带有相反的电荷。反物质中没有带负电荷的电子，但有带正电荷的正电子。反原子的原子核中没有带正电荷的质子，但有带负电荷的反质子。 由于只在电荷分配上不同，因此就有可能用反物质来实现正常物质所能实现的一切事情。你可以造一台反桌子，甚或是一个反世界。反物质也有质量，其行为方式与正常物质极为相似。但是在这个世界里，你不能指望出门购物之类的事情。操作反物质是件棘手的事情。当正反物质碰面时，它们会彼此毁灭，转化为纯粹的能量。 最简单的物质 反物质反应是电子和正电子的碰撞。它们的质量以两个光子（即伽马射线）的形式转化为能量，遵循爱因斯坦那个著名的方程 E=mc2：所产生的能量等于粒子的质量乘以光速的平方。由于有这样的湮灭趋势，极少能够发现自由存在的反物质。 物质 前沿资讯 关于为什么只存在如此之少的反物质，至今仍有极大的争议。大爆炸应该会产生出相等数量的物质和反物质，接着它们便会彼此清除，剩下一个充斥着能量的宇宙。为什么这样的事情并没有发生，通常的解释是假定正反物质的性质之间存在细微差异，由此导致正物质会多一点。每 10亿个粒子才能有一个从物质 反物质清除过程中幸存下来，但是这样就足够形成现在的世界了。 相反，也有人推测是宇宙被分割开来，留下庞大的反物质包，其尺度可能与可观测的宇宙一样大。 相关趣闻 秒学物理学常识 1.7夸克 基础知识 质子和中子已不再被认为是最基本的粒子。它们都是由三个更 小的粒子（夸克）所组成的。有好几种夸克，根据一种被称为“味道”（实际上并不是真的指味道）的特性对它们加以区分，分别是粲夸克、奇异夸克、顶 底夸克以及上 下夸克。质子由两个上夸克和一个下 夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。 上夸克带23 个电荷，下夸克带 -13 个电荷，由此导致质子所带的正电荷为 1，而中子则完全不带电荷。以前我们可不习惯用三分之几的量来谈论自然界。但是电荷的单位是任意的。我们应该说，上夸克和下夸克分别具有 2个和 -1个电荷，因而一个质子带有 3个单位的电荷，但是由于在定义电荷单位时，质子和电子是人们所知道的最简单的粒子，所以我们才会遇到三分之几这样的尴尬。 前沿资讯 没有人看到过夸克，也没有人真能将质子或中子分割成其组件。这是很难做到的，因为使夸克结合在一起的力会在其彼此远离时变得更强。夸克最早是通过量子理论的纯粹数学推导而预言的。自那以后，实验表明质子中包含三个部分，还发现了由不同夸克的结合体所组成的短寿命粒子产物，这些都表明了夸克自身的存在。 相关趣闻 物质 1.8固体 基础知识 在我们熟悉的三种物质状态中，固体的能量最低；固体中原子或分子的振动程度低于液体或气体中的。在固态形式中，原子或分子连接在一起。尽管固体中主要还是空无的空间，但是粒子之间的连接赋予它刚性，使其与液体区别开来。 固体可以有若干种形式，多数都是晶体。这里，原子或分子之间的连接形成规则的模式，因而具有在某些平面上切变的倾向。其他固体是无序的。无序固体常常更富于弹性。例如玻璃，虽然也会破碎，但它是一种无序固体，因而玻璃纤维非常富于弹性。还有这样一些固体（往往是有机物），其中的长链分子连接在一起，使得它们在某一个方向上格外强韧。 同一种物质可能具有多种固体形式。比如碳，它能够形成柔软的石墨，其中的晶体平面可以彼此滑动，还能够形成金刚石，具有极为坚硬的交联晶体结构，或是自成一体的足球状分子——巴基球。 前沿资讯 我们以往熟悉物质的三种状态，固体、液体和气体，但是当代物理学已认识到五种。其中最活跃的是等离子体，认识得也更晚些。最不活跃的是玻色—爱因斯坦凝聚态，是由爱因斯坦在 20世纪 20年代中设想出来的。印度物理学家萨特扬德拉 ?玻色想到一种方法，将光描述成如同液体一样。爱因斯坦帮助玻色完善了数学表达，但他也受到启发，因为可以设想物质的这样一种状态，它由于受到极低温或极高压作业而获得了某种光的特性。这样的物质就是玻色—爱因斯坦凝聚态。 相关趣闻 物质 1.9液体 基础知识 在固体中，连接原子或分子的键合作用相对更富于刚性。但是随着能量增加（即加热到更高的温度），这些键会断裂。这些粒子仍然会彼此吸引，但是不再具有刚性结构。所得到的就是液体，它能够流动，可以与容器的形状相匹配。 与气体不同，液体会形成表面。在这些表面上，液体分子间几乎所有的吸引力都是指向内部的；由此产生一种类似表皮的效应，称为表面张力。表面张力是水滴形成的原因，也是某些昆虫能够在水面上行走的原因。当液体落在固体上面时，还是这种力使液体被吸引向固体，从而产生浸湿现象。 我们最熟悉的液体（水）是很特别的。水分子中带正电荷的氢受到临近分子中带负电荷的氧的吸引（这种吸引力称为氢键）。这种键合作用使水获得了奇怪的性质，例如在冰冻时体积膨胀。 前沿资讯 库尔特 ?冯古内特的粉丝们可能曾在他的小说《猫的摇篮》（Cat’s a Cradle） 中接触到冰 9的概念。冯古内特描述了冰的一种形式，它 在华氏 114度（摄氏 45度）时就会融化。水一旦进入冰 9形式， 在正常的天气条件下就绝不会解除该形式。如果将一粒冰 9的晶种 投入湖水甚或是大洋，它就会不可控制地蔓延开来，封锁水的供应， 进而毁灭地球。 幸好冰 9并不存在，尽管有一种冰，人们故意用类似的名字“冰 IX”去称呼它。但是它在室温下并不稳定，对于我们的水供应也不具有任何危险。 相关趣闻 物质 a一种翻绳图案的名称。在原书中，一个角色在玩翻绳游戏中的这个图案时被炸弹炸死。——译者注 1.10气体 基础知识 和液体一样，气体也是一种流体，但是因为其中的原子或分子以明显高得多的能量四处飞舞，克服了它们彼此间的吸引力，所以它们不会形成表面。气体会膨胀到充满空闲的空间。 当气体处于容器内时，气体分子持续不断地与容器壁碰撞。这种撞击的总体效果是容器壁感受到一个力，即气体的压力。如果减小容器的体积，气体分子的活动空间变小，就会更频繁地撞击容器壁。结果是压力与体积的乘积为常数。这个结果是英国化学家罗伯特?波义尔于 17世纪 60年代发现的，称为波义尔定律。 提高温度也有可能使气体压力增加，因为这使得气体分子运动加快，撞击容器壁的次数更多。因此当体积一定时，增加温度会使压力增大，这个结果称为盖 -吕萨克定律，其名称来自于法国化学家约瑟夫 ?盖 -吕萨克，他在 1809年给出了定律的表达式。这还意味着，如果让压力保持恒定，那么气体的体积就必须随着温度的升高而增大，或者随着温度的降低而减小，这种关系称为查理定律，因 18世纪 80年代发现它的法国科学家雅克 ?查理而得名。 这三条定律合起来就构成了描述气体物理性质的气体定律，其 第1章?

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