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不可思议的物理-电子书下载

人文社科 热爱 读书 2年前 (2022-06-23) 1395次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

对不可思议事物——从死光和力场到隐身衣的科学原理的迷人探险,揭露这些科技在未来数十年到数千年间获得实现的可能性。 一百年前,科学家们会说,激光、电视和原子弹超越了物理学上的可能性。在《不可思议的物理》中,物理学家加来道雄探索了科幻作品中目前被认为无法实现的科技与装置在未来有多大的可能性会变得司空见惯。 从隐形传送到心灵念力,加来道雄使用科幻的世界研究人们当今所知的物理定律的基本原理和极限。他将这些科技分类列为一等、二等和三等,依据是它们可能在何时被实现:在下一个世纪之内、在数千年之内,或者也许永远不会。他以引人入胜又发人深省的文字解释了: 光学和电磁学将如何可能使我们有朝一日可以将光线围绕一个物体弯折,就像溪流绕过河中的大圆石那样,使该物体对于身处“下游”的观察者来说不可见。 冲压喷气式火箭、激光帆、反物质发动机和纳米飞船将如何可能在未来将我们带去附近的恒星。 利用M RI、超导性和纳米科技,心灵感应和意志力——曾经被认为是伪科学,将如何可能终有一天得以实现。

作者介绍

[美]加来道雄,美籍日裔物理学家,科学畅销书作者,超弦理论创始人之一,纽约城市大学研究生中心理论物理学教授。 他撰写了多部广受赞誉的科普著作,包括《平行宇宙》《不可思议的物理》《**爱因斯坦》《超空间》等,并多次入围《纽约时报》和《华盛顿邮报》年度科学读物。他还主持过多档电视科普节目,并在美国《60分钟》《早安美国》以及《拉里?金直播在线》等节目中担任嘉宾。

部分摘录:
比光更快 可以确信,生命最终会遍布银河系及其之外。因此,生命或许不会永远都只是宇宙中的微小污染,尽管它现在是。事实上,我发现这是一幅相当吸引人的风景。
——皇家天文学家马丁·瑞斯爵士
比光速移动得更快是不可能的,当然这样也不可取,因为你的帽子总是会被吹掉。
——伍迪·艾伦
在《星球大战》中,当“千年隼”号载着我们的主人公卢克·天行者和汉·索罗从荒凉的行星塔图因升空的时候与一队围绕着该行星的凶恶的帝国战列舰相遇了。帝国的战列舰用激光炮向主人公的飞船射出了激烈的火力网,逐渐突破了它的力场。“千年隼”的火力不及对方。在这藐视一切的激光火力压迫下,汉·索罗吼着说,他们唯一的希望是跳入“超空间”里。在时间的小缺口上,超空间发动机活跃起来。他们周围的所有星星突然朝着显示屏的中心聚合,拉出笔直、炫目的光线。一个洞口开启了,“千年隼”号飞了进去,到达超空间,获得了自由。
这是科学幻想吗?毫无疑问。但有可能为这一情节找到科学依据吗?或许可以。超光速旅行一直是科幻小说的主要内容之一,但近来物理学家们已经对于这一可能性给予了严肃的思考。
根据爱因斯坦的说法,光速是宇宙中的极限速度。哪怕是我们最强大的核粒子加速器——能够制造出只有在爆炸的恒星中心或者宇宙大爆炸中才存在的能量,也不能将亚原子粒子以超光速的速度射出。显然,光速是宇宙中的终极交警。如果的确如此,那么任何到达远方星系的希望似乎都是虚幻的。
或者,也许不是……
失败者爱因斯坦 1902年,阿尔伯特·爱因斯坦年轻时,人们还很难想象他今后会成为继艾萨克·牛顿之后最伟大的物理学家。事实上,那一年是他人生的最低点。作为一名博士新生,他申请的所有大学都拒绝为他提供教职。(他后来发现自己的教授海因里奇·韦伯为他写了非常可怕的推荐信,或许是为了报复爱因斯坦缺了他那么多课。)并且,爱因斯坦的母亲激烈反对他与女友米列娃·马里奇在一起,但当时马里奇已经怀了他的孩子。他们的第一个女儿莉泽尔成了私生女。年轻的爱因斯坦打零工也失败了。就连家教的工作也在他被粗暴地解雇的时候结束了。在他情绪低落的信件中,他说考虑当个推销员维持生计。他甚至向家人写道,或许他从未降生会更好些,因为他对自己的家庭是个沉重的负担,并且在他的人生中没有任何成功的机会。当他的父亲去世时,他由于父亲死时认为自己的儿子是个完全的失败者而羞愧难当。
但是,在那一年的晚些时候,爱因斯坦转了运。一位朋友安排他到瑞士专利局做职员。在那个底层职位上,爱因斯坦将带来现代历史上最伟大的革命。他很快分析完自己办公桌上的专利,随后花上几小时思考从儿时起就一直令他不解的物理问题。
他天才的秘密是什么?或许他的天才的线索是他的一种能力:以物理图像(比如行进中的火车、加速行走的钟和拉长的织物)而非纯数学为基础进行思考。爱因斯坦曾经说过,如果一种理论无法做到让孩子理解,那么这种理论或许是无用的。也就是说,一种理论的精髓必须能用一幅物理图像表示。因此,许多物理学家迷失在数学的灌木丛中,哪里也到达不了。但是,爱因斯坦就像他的前人牛顿一样,为物理图像所困扰,随后又为数学所困扰。对牛顿来说,物理图像就是落下的苹果,还有月球。使得苹果落下的力与引导月球位于其轨道之中的是同样的力吗?当牛顿判断答案为“是”时,他为宇宙创造了一座数学的建筑,突然间揭示了天空中最大的秘密——天体自身的运动。
月球与相对论 阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出了著名的狭义相对论。他的核心理论是一幅连孩子都能理解的物理图像。这是一个从他16岁起便萦绕心头的梦的结果,当时他问了一个至关重要的问题:如果某个物体的运动速度超越了光速,那么会发生什么呢?作为一名年轻人,他知道牛顿力学描述了地球和天空中物体的运动,而麦克斯韦的理论描述了光。这是物理学的两大支柱。
爱因斯坦最为天才之处在于,他认识到这两大支柱是相互矛盾的,其中之一必将坍塌。
根据牛顿的理论,你总是有可能跑赢一道光线,因为光的速度没有什么特别之处。这意味着当你在一旁与光赛跑的时候,光线必须保持静止。但是年轻的爱因斯坦意识到,从来没有人见过完全静止的、如同被冷冻的波一样的光波。因此,牛顿的理论行不通。
最终,作为一名在苏黎世学习麦克斯韦理论的大学生,爱因斯坦找到了答案。他发现了某些连麦克斯韦都不知道的事:光速是一个常数,无论你移动得多快。如果你向着一道光线或者以与其相反的方向急速移动,它都以同样的速度前进,但是这一特点违背了常识。爱因斯坦找到了他童年时的困惑的答案:你永远都无法与光线赛跑,因为它永远都会以恒定的速度从你身边移开,无论你跑得多快。
但是,牛顿力学是一个紧密结合的体系:就如拉动一根松垮的细线,要是在这套理论的假设上做最小的改动,整套理论的线团就可能瓦解。在牛顿的理论中,时间的流逝在全宇宙中都是一致的。地球上的一秒与金星或火星上的一秒是完全相同的。同样,摆放在地球上的米尺也与冥王星上的米尺长度相同。但是,如果无论你的移动速度有多快,光的速度都永远不变,那么我们对空间与时间的认识就必须彻底改变。时间与空间必须进行深层次的扭曲,以保护光速的恒定不变。
根据爱因斯坦的理论,如果你处于一艘快速行进的火箭宇宙飞船内部,那么火箭内部时间的流逝与地球上相比将会放慢。根据你移动的速度,时针以不同的频率跳动。此外,这艘火箭宇宙飞船内部的空间会被压缩,因此根据速度,米尺的长度会发生变化。并且火箭的质量同样会增加。我们如果用望远镜仔细观看火箭内部,就会发现,火箭里的时钟变慢了、人们用慢动作移动,并且人们看起来显得扁平。
其实,如果火箭以光速移动,那么火箭内部的时间看来会停止,火箭将会被压缩为零,并且其质量将会变为无穷大。由于这些观察结论全都不合常理,因此爱因斯坦宣布,没有什么能够打破光障。(因为物体移动速度越快物体就变得越重,这意味着能量运动被转化为了质量。转变为质量的精确能量总额很容易计算,我们只用几行算式就能得出著名的方程E=mc2。)
自爱因斯坦得出了他著名的方程以来,可以说已有数百万次实验证实了他革命性的想法。例如,GPS(全球定位系统)能锁定你在地球上所处的方位,精确到几英尺之内,如果不加入基于相对论的修正机制,它就会失效。(由于军方依赖GPS,连五角大楼的将军都不得不听物理学家介绍关于爱因斯坦相对论的理论。)GPS的时钟实际上随着他们在地面上的快速移动而变化,正如爱因斯坦所预料的那样。
对这一概念最生动的示例可以在核粒子加速器里找到,科学家们在核粒子加速器中将粒子加速,使其接近光速。在瑞士日内瓦市外,CERN的巨大加速器——大型强子对撞机(LHC)中,质子被加速到数万亿电子伏特,而且它们的移动速度非常接近光速。
对一个火箭科学家而言,光障目前还不太成问题,因为火箭的速度仅仅能够达到每小时数万英里。但是在一到两个世纪内,当火箭科学家们认真盘算着要将探测器送上最近的恒星(距离地球超过4光年)时,光障就会成为难题。
爱因斯坦理论的漏洞 数十年来,物理学家们试图找到爱因斯坦著名论断中的漏洞。已经有一些漏洞被发现,但它们大多不怎么有用。例如,如果一个人用手电筒扫过天空,原则上光束的图像会超过光速。几秒之内,光束的图像会从地平线上的一点移动到对面的一点,其距离可能延伸数百光年。但是这无关紧要,没有任何信息能比光速传播得更快。光束的图像超越了光速,但是这一图像不携带任何能量或信息。
类似的是,如果我们有一把剪刀,两片刀刃交叉的那一点离刀刃的连接点越远就移动得越快。如果我们想象剪刀有一光年长,那么合上两片刀刃会让交叉点以超光速移动。(同样,这也无关紧要,因为交叉点不携带任何能量或信息。)
同样,就如我在第4章中所提到的那样,EPR实验使我们能够以超光速发送信息。(我们可以回忆起,在这个实验中,两个电子共振,随后它们被加速向两个相反的方向释放。由于这些电子是相干的,所以信息可以在它们之间以超光速发送,但是这一信息是随机的,因此是无用的。EPR机器因此不能被用于将探测器送上遥远的恒星。)
对于一个物理学家而言,最重大的漏洞来自爱因斯坦本身,他在1915年创造了广义相对论,这是一种比狭义相对论更强大的理论。广义相对论的种子是在爱因斯坦仔细观察一个儿童旋转木马时种下的。如我们先前所见,当物体的速度向光速接近时,物体的体积会收缩。移动越快,被挤压得越厉害。但是在一个旋转圆盘中,外侧圆周比中心部分移动得要快。(事实上,中心部分几乎静止。)这意味着一把置于圆盘边缘的尺子一定会缩短,而一把置于圆盘中心的尺子几乎保持不变,因此旋转木马的表面不再是平坦的,而是弧形的。因此,加速具有弯曲旋转木马上的空间与时间的作用。
在广义相对论中,时空是一块可以伸展和收缩的织物。在特定情况下,织物可能会伸展得比光速更快。比如,想想大爆炸,137亿年前宇宙在一次爆炸中诞生。我们可以计算出,最初宇宙以超光速扩张。(这一活动并不违反狭义相对论,因为是空的空间——星体之间的空间——在扩张,而不是星体们本身。扩张的空间并不携带任何信息。)
重点在于,狭义相对论只适用于局部区域,即在你附近的区域内。在局部临近区域(例如太阳系)内,狭义相对论仍旧适用。但在涵盖一切物质的范围内(例如,包括宇宙在内的宇宙规模),我们必须改用广义相对论。在广义相对论中,时空变成了一张织物,并且这块织物可以拉伸得比光更快。它还允许“空间中的洞”存在,通过这种洞,我们可以走捷径,穿越时间和空间。
鉴于这些限制,或许以超光速移动的办法是以广义相对论为依据来行动。有两种途径或许能做到这一点:
(1)拉伸空间。如果拉伸你身后的空间,并且与面前的空间相接触,那么你将产生自己已经移动得比光更快的错觉。事实上,你根本就没有动。由于空间已经变形,这意味着你能够在转眼之间到达遥远的星体上。
(2)撕裂空间。1935年,爱因斯坦提出了虫洞的概念。想象一下爱丽丝的玻璃镜,那是一件连接牛津郊外和奇妙世界的魔法装置。虫洞是能够连接两个宇宙的装置。上小学的时候,我们得知两点之间直线距离最短。但这不一定是正确的,因为,如果我们将一张纸卷起,直到两点相互接触,那么我们就能看到,两点之间最短的距离其实是一个虫洞。
正如华盛顿大学的物理学家马特·维瑟所说的那样:“相对论学术界开始考虑怎样能将曲速引擎或者虫洞之类的事物从科幻世界带入现实。”
大不列颠皇家天文学家马丁·瑞斯爵士甚至说:“虫洞、额外的维度和量子计算机打开了能够将我们的整个宇宙最终完全转变为‘活生生的宇宙’的思维方案。”

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