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tianlangTianlang  2022-02-19 18:00 天浪书屋 隐藏边栏 |   抢沙发  0 
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与爱因斯坦共进早餐pdf-epub-mobi-txt-azw3
书名:与爱因斯坦共进早餐
作者:(美) 查德·奥泽尔
格式:EPUB/MOBI/AZW3
标签:物理 科普
ISBN:

内容简介:


清晨,你的闹钟响了,你起身来到厨房,为自己烤了几片吐司,煮了一杯咖啡。但你很可能不知道,当你闻着空气中弥漫的咖啡香气时,你的这个普通早晨已经和一种极其怪诞的科学发现联系在一起了。
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在普通人眼中,量子物理学的世界往往深奥得不可救药,让非专业人士望而生畏。

经典物理学向我们解释了为什么一个球会滚下山坡,为什么一架飞机能飞上天空,等等;

量子物理学告诉我们的则是粒子的波动性、鬼魅般的超距作用、薛定谔的猫、黑洞和时空弯曲。但无论你相信与否,即使最普通的日常活动也深受抽象而奇异的量子物理学的影响。
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在这本书中,查德·奥泽尔围绕他的一个早晨和一顿早餐,揭示了我们的日常生活中隐藏的怪诞量子物理学现象。从日出、闹钟、烤面包机、食物的香味到数码照片、计算机芯片、互联网、量子密钥,这些我们熟悉的事物都与量子物理学有着根深蒂固的关系。
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威廉·布莱克从一粒沙子看世界,查德·奥泽尔则从一片吐司中看到了宇宙。这本书在原汁原味地保留科学理念的前提下,让相对论、量子力学等抽象概念变得“接地气儿”。读完这本书后,相信你的普通早晨将会变得不同寻常。

作者简介:


美国斯克内克塔迪联合大学的天文与物理学系教授,拥有威廉姆斯大学物理学学士学位和马里兰大学帕克分校化学物理学博士学位。他也是一位科普作家,著有《如何让你的狗学会量子物理学》(How to Teach Quantum Physics to Your Dog)等三本科普读物。 目前,他和他的妻子、两个孩子及小狗查理一起住在美国纽约州。

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部分摘录:


太阳刚刚升起,我的闹钟就响了。我从床上爬起来,开始了新的一天……

这是一本关于日常事物的量子物理学书籍,却从太阳谈起,似乎给人一种挂羊头卖狗肉的感觉。毕竟,太阳是一个巨大的球形热等离子体,体积是地球的100万倍还多,飘浮在距离我们9 300万英里之遥的太空中。一方面,它不是像闹钟那样的日常事物,被闹钟吵醒后,如果你还没睡够,那么你可以随手抓起闹钟,把它扔到墙角。

另一方面,太阳从某种意义上说又是最重要的日常事物,日出意味着一天的开始,但这个浅显的表达并不足以表现它的重要性。如果没有太阳光,地球上的生命就无法生存——我们赖以为生的植物和氧气将不复存在,海洋也会结冰,诸如此类。所以,人类的存在根本离不开太阳的光和热。

就本书而言,太阳也是一个有用的“演员经纪人”,可以为我们介绍量子物理学这部大戏的关键演员:构成普通物质的12种基本粒子,以及它们之间的4种基本相互作用。

12种基本粒子分成两大“家族”,各包含6种粒子。夸克家族的成员有上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克,轻子家族则包括电子、μ子、T粒子和与它们对应的中微子。4种基本相互作用是引力、电磁力、强核力和弱核力。这些粒子和相互作用有一个极其普通的总称——“物理学标准模型”,你经常可以在物理教室悬挂的彩色图表中看到它们。标准模型囊括了我们知道的关于量子物理学的所有知识(从中也能看出物理学家善于为物理现象取一些朗朗上口的名字),被视为人类文明最伟大的智力成就之一。太阳是用来介绍标准模型的一个极佳案例,因为太阳的发光过程与所有4种基本相互作用都密不可分。

因此,我们的故事从太阳讲起,通过对它的内部运行机制展开一次旋风式的参观之旅,了解基本的物理学知识,为我们的后续研究奠定基础。我们将依次讨论每一种基本相互作用,首先是最为人所知也最明显的作用力——引力。

引力
如果你打算按照体育电台的“实力排名”方式,对标准模型的4种基本相互作用进行排序,那么其中三种都有跻身榜首的充分理由。不过,如果非要做出选择,我可能会把这项殊荣授予引力,因为引力是恒星存在的根本原因,它也是构成我们的身体和周围一切事物的原子存在的必要条件。正因为如此,我们才能坐在这里,讨论如何对基本力进行排序的蠢笨话题。

在日常生活中,引力可能是我们最熟悉也是最躲避不了的基本相互作用。早晨起床时,你需要克服引力的作用;我无法完成灌篮动作,也是因为引力(是的,因为引力,好吧,还因为我的体形有点儿走样了……)。我们在一生中的绝大多数时间里都能感受到引力的作用,因此在游乐园乘坐那些急速下降的设施时,短暂的失重感才如此令人着迷,甚至兴奋不已。

这种熟悉感也让引力成为科学史上研究次数最多的力之一。至少从历史记载中人类开始思考自然界运行机制的那一天开始,我们就一直在思考物体落地背后的机制。一个流传甚广的故事将物理学的起源追溯至年轻的艾萨克·牛顿,说他被树上掉落的苹果砸中后受到启发,于是提出了引力理论。但是,真实的情况与这个虚构的故事正相反。早在牛顿之前,科学家和哲学家就已经充分意识到引力的存在,对引力的作用机制的思考也取得了重要的成果。到了牛顿时代,伽利略、西蒙·斯蒂文(Simon Stevin)等人在这个问题上甚至取得了一些定量研究结果,证明了所有物体无论重量如何,都会以同样的加速度掉落地面。

年迈的牛顿曾给他的年轻同事讲述过他与苹果的故事,但当时的文献资料并没有提到这件事(尽管那段时间他正在从事引力研究)。不过,由于瘟疫爆发导致大学停课,牛顿确实在他家位于林肯郡的农场中待了很长一段时间。然而,即使这个故事是真实的,最流行的那个版本也误解了牛顿洞见的实质。牛顿的顿悟与引力的存在无关,而与它的作用范围有关。他意识到,让苹果落地的作用力和让月球围绕地球运行及让地球围绕太阳运行的作用力是一样的。在《自然哲学的数学原理》(Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)一书中,牛顿提出了万有引力定律,并给出了宇宙中任意两个有质量物体之间的吸引力的数学形式。这种形式将万有引力定律和他的运动定律结合起来,物理学家可以据此解释太阳系中行星的椭圆轨道,物体在地球附近下落的恒定加速度,以及许多其他现象。它为物理学建立了一个数学科学的模版,并沿用至今。

牛顿引力定律的关键特征是,质量体间的引力与它们的距离平方成反比。也就是说,如果你让两个物体间的距离减半,它们之间的引力就会变成之前的4倍。距离越近的物体彼此间的引力越大,这就解释了为什么太阳系内行星的运行速度更快。这也意味着分散的物体有相互靠拢的趋势,而且随着它们的距离越来越近,引力也会越来越大,使得它们进一步靠拢。

不断增强的引力对于太阳的持续存在至关重要,它也是太阳光的最终来源。太阳不是一个固体星球,而是一个巨大炽热的气体星球,这些热气之所以能聚在一起,纯粹是因为构成这些气体的所有单个原子相互间的引力。尽管在对日常生活的影响方面,引力可以排在4种基本相互作用之首,但它也是其中最弱的作用力,并且弱到令人难以置信的程度——原子内部一个质子和一个电子间的引力是把它们结合在一起的电磁力的10–39。然而,太阳包含大量物质——质量约为2×1030千克——加在一起就会形成巨大的引力,把附近的一切都拉入太阳。

像太阳这样的恒星,是从由星际气体(主要成分是氢)和尘埃组成的云团中密度略高的一小片区域形成的。这个区域的质量较大,因此可以吸引更多气体。随着质量越来越大,引力也越来越大,吸引的气体就越来越多。在恒星不断变大的过程中,随着新气体的加入,它也开始变热。

在微观尺度上,单个原子被拉向原恒星(protostar)时,它朝星体内部下落的速度会越来越快,就像落向地面的石头一样。在理论上,我们可以通过描述每个原子的运动速度和方向来描述气体的行为,但即使我们描述的气体星球远小于太阳,这种做法也根本不切实际,其原因不仅在于原子的数量巨大,还在于它们彼此的相互作用。如果没有相互作用,原子就会以越来越快的速度被吸入气体云的中心,当它们从另一侧穿出后,速度会逐渐变慢,直至停止。之后,原子又会调转方向,重复上述过程。但是,真实的原子并不遵循如此顺畅的运动路径,而是一路上不断与其他原子发生碰撞。碰撞之后,原子的运动方向会发生变化。在引力的作用下,做加速下落运动的原子会获得能量,其中一部分会传递给与之发生碰撞的原子。

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tianlang
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这个人很懒,什么都没写

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