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下落小猫与基础物理学-电子书下载

人文社科 2年前 (2022-07-11) 1265次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

人人都爱猫,它的灵活性更是让人印象深刻。我们都见过它跳来跳去,爬高爬低。那么,一只向下跳落的猫,它在落地之前究竟是如何调整自己的?它是怎么站稳脚跟的?
这个问题难倒了不少聪明的头脑,他们也着实探索了很长一段时间。而对这个问题的探寻和回答,甚至帮助科学家们解决了一些其他问题——一些看似不可能解决的难题。这是一本从往下跳落的猫探讨物理学的科普小书。作为人类的亲密动物伙伴,猫的行为当然引起了不少人的好奇。至少从十九世纪中叶开始,一只往下跳落的猫究竟是如何稳当地站在地面上的,这个问题就一直困扰着人类。
在这段有趣和令人大开眼界的历史中,物理学家格雷格里·格布尔试图理解猫的翻正反射现象,而理解这一现象的科学探究,为解决数学、地球物理学、神经科学和人类太空探索中的谜题提供了重要见解。结果,科学家们通过物理、生理学、摄影和机器人技术,通过科学辩论,揭开猫如同杂技一般的“表演”的秘密,猫是如何在空中扭转的。
作者向我们介绍了科学家的发现,精妙有趣的细节其实仍未有定论,甚至还引起了研究者们的激烈辩论。与其他猫的行为一样,我们研究得越深入、越多,我们发现的惊喜就越多。

作者介绍

美国北卡罗来纳大学物理学与光电科学教授,Science Blogging: The Essential Guide一书合著者,同时还有两个长期习作的科学博客,以科学史和恐怖事物为主题。

部分摘录:
在19世纪的物理学史中,你可能找不到比詹姆斯·克拉克·麦克斯韦更著名的人物了。1831年,麦克斯韦出生于苏格兰,他于1879年英年早逝的时候,已经在科学和工程学的多个领域做出了重大贡献。他最突出的成就是统一了电和磁这两种数千年来被认为无关的现象,提出了电磁学。19世纪60年代,麦克斯韦在分析了其他物理学家的理论后,得到了一个完整自洽的方程组,这些方程预测,电与磁结合起来会产生一种振荡并向外传播,这就是电磁波。在此基础上,他更进一步,天才地指出,长期以来被认为和电、磁无关的可见光,其本质上就是电磁波。
有人认为,麦克斯韦的发现为近代物理学的一大基本思想奠定了基础,即认为所有已知的物理作用力都能用一个基本作用力统一起来。为了纪念麦克斯韦,他的方程组被命名为麦克斯韦方程组。
麦克斯韦同时也以扔猫闻名。
麦克斯韦的扔猫生涯始于大学期间。1847年,16岁的麦克斯韦进入爱丁堡大学学习。
图1-1 麦克斯韦夫妇(1869年)。没有证据表明麦克斯韦是否同样抛掷了图中的狗
图片来源:维基共享资源。
1850年,麦克斯韦转入剑桥大学三一学院学习数学,并研究人类对颜色的感知。作为最杰出的学生之一,毕业后他留在三一学院做了两年研究。在剑桥大学做研究的这两年,麦克斯韦会利用部分空闲时间研究下落的猫为什么总是脚着地。
1870年,麦克斯韦重返剑桥大学,发现在他离开学校的这些年,关于他用猫做实验的故事已经流传开来。在写给他夫人凯瑟琳·玛丽·克拉克·麦克斯韦的信中,麦克斯韦对此进行了说明:“三一学院流传着一个传说,说我在三一学院时经常往窗外扔猫,因此发现了一种使得猫不以脚着地的扔法。我只得向他们解释,我的研究目的是为了发现猫翻身能有多快,而研究方法也只是让猫从两英尺的桌上或床上跳下,但这种情况下猫仍是脚着地。”[1]麦克斯韦在信中看起来似乎对凯瑟琳表示抱歉,并让她相信并没有猫受到伤害。尽管他的实验确实挺奇怪,但这件事不到20年就成为传说也足够让人意外。
麦克斯韦并不是那个时代唯一研究落猫问题的著名科学家。大约同一时间,爱尔兰物理学家、数学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819—1903)也开始了他自己的非正式研究。和他的朋友麦克斯韦一样,斯托克斯从小出类拔萃,于1849年获得了研究者们梦寐以求的卢卡斯数学教授讲席职位,他一直担任此职位直到去世。担任过这一职位的其他人还有研究黑洞的史蒂芬·霍金、量子物理学家保罗·狄拉克、计算机先驱查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)和近代物理学之父艾萨克·牛顿。斯托克斯的成就当然也足以和这些杰出人物并列,在他漫长的研究生涯中,他对数学、流体力学和光学做出了重大贡献。所有数学家和物理学家都知道斯托克斯定理,这一重要定理在物理学的几乎所有分支中都有应用。纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)也以斯托克斯的名字命名,这一重要的数学公式描述了流体的流动(它们的性质至今尚未完全明确)。斯托克斯也发现了荧光现象,即物体在不可见光照射下发光,这一过程把不可见的紫外光转换成了可见光。
科学履历如此雄厚的斯托克斯也对猫为什么落地时总是脚着地进行了一些非正式的研究。他的实验数据没有保留下来,但是在他去世数年后,他的女儿在回忆录中提及了此事。

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