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我们身处的宇宙究竟有多古怪?-电子书下载

人文社科 2年前 (2022-06-28) 1242次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

这本有趣的书以幽默、通俗的语言清晰地讲述了一位高中辍学生是如何彻底改变我们对空间和时间的理解的。从E=mc2到每天的时间旅行,从黑洞到宇宙大爆炸,作者带领读者在一场令人难以置信的旅程中穿越到爱因斯坦的宇宙深处。一路上,我们跟随爱因斯坦走过他起伏的生命历程,见证他的思想、逻辑和洞察力,并记录下这位被公认为现代最伟大的科学家的想象力和创造力。
在第一部分中,我们学习时间如何随着运动而变慢,空间如何收缩,以及质量和能量如何相等。第二部分揭示了一个因黑洞捕获光而时间停止的宇宙,还有因虫洞而形成的引力时间机器,以及不断膨胀的宇宙和137亿年前的终极宇宙事件——宇宙大爆炸。

作者介绍

伊拉·马克·爱格多尔(Ira Mark Egdall),美国科学网站的大众科学作家,曾在网上发表作品《宇宙无名英雄》。他是一位退休的航空航天项目经理,毕业于美国东北大学物理系。马克在佛罗里达国际大学、迈阿密大学和诺瓦东南大学的终身学习机构教授现代物理学的课程,他还就爱因斯坦和时间旅行进行了有趣的演讲。

部分摘录:
你是否乘过帆舟平稳悠缓地顺流而下?当时的你也许会感觉自己正静止端坐,而两岸的风景、舟下的水流以及头顶的天空则在朝着相反的方向缓缓移动。或者,你曾坐过火车,在火车进站停靠的短暂时间里,你透过窗口往外看去,正巧旁边的另一列火车在轰隆启动,准备驶离出站,此时,你或许会突然感觉自己正在向后移动。在那一刻,你无法判断,正在移动的到底是你所乘坐的火车还是旁边的那列火车。
为了更好地理解这一点,你也可以想象自己正置身于一艘驶往加勒比海的豪华游轮。然而,你觉得,在惬意品味鸡尾酒和大快朵颐之前,得先补充精神上的食粮,拓展自己的思维,所以,你决定报名参加我的一个有关相对论的课程。该课程的授课地点是游轮内部的一间封闭课室。
此时的游轮正以一个固定的速度、朝着一个固定的方向平稳前行,也就是说,游轮正在做匀速直线运动。今天的海面尤为平静,无风无浪,没有外物会扰乱游轮的匀速运动。另外,这间内部课室的四周是没有窗户的,入口和出口也都严实紧闭着。
那么,问题来了:身处这间封闭课室的人有什么方法可以判断,此时游轮究竟是处于静止状态还是处于运动状态呢?
(你可以使用任何你能想到的测量仪器,也可以做任何你想做的实验,但你无法接收一切来自课室之外的讯号或信息,如光线、广播、电话等。该课室业已隔绝一切外部信息。)
这不是一个无足轻重的问题,相反,它一直困扰着伽利略这位伟大的物理学家。他在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(下文简称《对话》)一书中这样写道:
“把你自己和几个朋友一起关在某艘大船的甲板下的小船舱里,并且在里面放几只苍蝇、蝴蝶和其他一些小型飞行生物;再找一个大缸,盛满水,放几条鱼进去;最后吊起一个装满液体的瓶子,然后在瓶子下面放一个广口容器,让瓶子里的液体一滴一滴地流到容器中。
此时的大船是静止不动的,请仔细观察这些小昆虫是如何以相等的速度在船舱里四散漫飞的,同时,鱼也在水缸里毫无二致地往各个方向潜游,水滴仍在接连不断地滴落到容器里。如果你要扔什么东西给你的朋友,务必确保扔向每个方向的力度与距离保持一致;如果你想在船舱里移动,请使用并脚跳跃的方式,并确保在所有方向上跨越的空间是相同的。
你仔细地观察着这一切……然后令大船以任意你指定的速度航行,随后你会发现,只要大船保持匀速运动(且速度不起伏波动),其上所述的这些现象将不会有丝毫改变,而你也无法从它们的行迹中找到任何一丝线索帮助你判断,大船是在移动抑或静止……”
换句话说,在密闭房间的内部是无法确定你的(均匀)速度的(物理学家称其为封闭系统),唯一能判定你是否正在运动的方法是通过观察房间外部的事物,比如相对于水流正处于移动状态的大船。
事实上,可从两种角度来看待大船的运动状态:对于站在岸上的观察者来说,大船是运动的;可对于船舱中的观察者来说,大船是静止的,同时,堤岸正在朝相反方向移动。
哪种视角是正确的呢?都正确。匀速运动是相对的,换句话说,不存在绝对的“静止”。
伽利略所言之意是,那些支配着万物运动规律(包括昆虫的飞行、水缸鱼群的游弋、瓶中流水的滴落、物体的抛掷、身体的跳跃等)的物理法则,从两个角度看其实是毫无二致的。这就是伽利略有关匀速运动的种种理论的本质所在。
人们对现实的认知始于经验,也终于经验……伽利略意识到了这一点……他由此成了现代物理学之父,或者称他为现代科学之父也不为过。
——阿尔伯特·爱因斯坦
现在,我想请你做一个简单的实验。请你保持静立,把容器里的水或其他液体倒进另一个杯子里。液体自然是毫无阻滞地流泻而下,不过你务必确保自己丝毫没有移动。(我常在我的物理课上进行这一奇妙的展示,不过我总是不小心把水洒到衣服上。)
倘若你身处的是一艘巨大到可产生重力的宇宙飞船,而这艘飞船正以相对太阳10.8万千米/小时的速度等速前进,倒水实验的结果是否仍保持不变?
难道离开瓶口的液体不会飞洒溅满四周吗?毕竟你正以10.8万千米/小时的速度移动。
伽利略给出的答案是,不会。
为什么呢?因为你、容器瓶、液体、杯子和飞船的移动速度是相同的。由于所有这些物体和你之间的相对速度为0,所以你好像是静止不动的,而从瓶口倾倒出的液体也会径直落入杯子中。
你仍对这个结论抱有疑问?好吧,倘若我告诉你,你置身的这艘航行速度为10.8万千米/小时的宇宙飞船的名字其实就是“地球”呢?此时此刻,你、容器瓶、液体、杯子和地球正以10.8万千米/小时的速度绕太阳运行[1]。
从某种程度上讲,我们对于静止的感知其实只是一种假象或错觉。是的,相对于地球来说,我们确实是静止的,但地球本身存在自转,同时也在沿着椭圆轨道绕太阳公转。此外,我们、地球、太阳以及太阳系中的万事万物都在以大约78万千米/小时的速度围绕银河系中心运行。
而且,我们和整个银河系正以约51万千米/小时的速度朝着离我们最近的星际邻居(仙女座星系)移动。最后,我们、银河系和仙女座星系又以相对宇宙微波背景(宇宙大爆炸之后散布于宇宙空间的微波辐射)约193万千米/小时的速度在宇宙间穿行。即使我们正同时进行着如此繁多的相对运动,但我们依然认为,我们是静止的。这绝佳地反映了伽利略有关匀速运动的观点。
所以,匀速运动是相对的,它取决于你所取的视角。爱因斯坦深受这种思维方式的影响。据传,有一次,他搭乘火车从瑞士前往巴登-巴登,途中竟询问售票员:“巴登-巴登什么时候到这辆列车?”
在1632年出版的《对话》一书中,伽利略用匀速运动的例子为哥白尼的激进理论进行辩护。哥白尼认为,地球并非静止不动,它和其他行星一起环绕太阳运转。当时的人们对这一革命性的观点抱有极大的怀疑。
“这怎么可能呢?”他们质疑道,“假如地球真的时刻处于运动状态,为什么我们感觉不到?”地球势必正居宇宙中心,且静止不动,不然,地球上的人与物肯定会因地球的运动而被甩离地面。
为了回应这个问题,伽利略指出,所有“静止”于地球表面的事物实际上都在运动,其速度与地球相同。因此,我们无法感受到地球正在运动(就像身处一艘匀速运动的飞船一样)。
……不管地球在进行何种运动,对于我们而言(只要我们只着眼于陆地上的事物),它们都是难以察觉的存在,因为作为地球上的定居者,我们总是参与到相同的运动之中。
——伽利略,《对话》
当时的罗马天主教会认为,“地球在运动,且地球不处于世界中心”这一主张有违圣经教义,于是,教皇发出指令,要求伽利略必须前往罗马宗教裁判所接受审判。1633年,10名枢机主教中的7位联席宣判伽利略有罪,罪名是宣扬异端邪说、违背教义。
伽利略被禁止“传播和讲授异端邪说”,也不准许他为此类学说提供任何形式的辩护,彼时已是70岁高龄的他还被判处终身居家监禁。同时,《对话》一书被列入“违禁书籍索引”,直到将近200年后才得以解禁。
据传,伽利略在被迫当众默认自己已摈弃哥白尼学说之后,压低了声音喃喃道:“但它依然在动。”有不少史学家认为,伽利略其实从未说过这样的话,又或者,这些话是之后在私底下向密友吐露的。但我依旧喜欢这个故事,无论其真假。

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