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优雅的宇宙

楼主:热闹2017 时间:2019-09-15 10:40:28 点击:182 回复:58
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  过节这几天粗略的翻了下《宇宙的琴弦》,感觉是一本很不错的科普书。不过说到弦论,本身就是一个非常超前,非常抽象的理论,如果再涉及一些数学模型,那理解起来自然有些晦涩难懂。不过咱只是业余读者,网上有很多大神级的专业书评,结合起来看还是很有收获。下面转录一些书评中对现代物理学的概括性论述:
楼主热闹2017 时间:2019-09-15 10:41:20
  书评转录:

  1、现代物理学概况:
  现代物理学的两大支柱:一个是相对论,研究大尺度下的宇宙:如恒星、星系、星系团以及比它们更大的宇宙自身的膨胀;另一个量子力学,研究小尺度下的宇宙:分子、原子以及比原子更小的粒子,如电子和夸克;然而相对论和量子力学相互矛盾,原因是相对论的方程和量子力学方程互相代入的话得不到有意义的解,任一种理论不能同时解释大小两个尺度。但现实中有这样的东西存在,例如黑洞,质量很大而体积很小,所以相对论和量子力学都不能完美解释黑洞。于是弦论出现了,其目的是打造一种终极理论,可以同时解释大小两种宇宙;其方法是寻求相对论和量子力学的统一,因为它们在各自领域的正确性是经过严格实验验证的。
  一句话总结:相对论对大家伙管用(已验证)---------量子力学对小家伙管用(已验证)---------弦论对大小家伙都管用(待验证)
  2、相对论的概况:
  相对论分为狭义相对论和广义相对论,狭义相对论研究匀速运动或静止(匀速运动和静止是一回事,后面会说)的物体;广义相对论研究加速运动或受引力影响(加速度和引力是一回事,后面再说)的物体。
  3、狭义相对论推导
  狭义相对论的两个基本原理:一个相对性原理,一个是光速不变原理。
  相对性原理比较好理解,第一步:设想两个宇航员在漆黑的太空朝对方做匀速运动(周围什么也看不到,只能看到对方),两个人都在运动,此时宇航员不能判断自己是运动的还是静止的,他只能确认对方在向他自己运动,每个人都可以这样认为,每个人从自己的角度看都是对的。这样可以推出运动必须是有参照物才有意义,如果没有参照物的话,就无法判断自己是在运动还是静止。第二步:如果两个宇航员在相对运动的同时,都在做一个简单的物理实验,根据第一步的推论,对每个宇航员来讲,都会相同的认为自己处于静止状态,那么在同样静止状态下做的同样的物理实验结果也应该是相同的。这样可以推出针对不同的参照物,所有的物理定律都是相同的。
  一句话总结:你看我还是我看你,大家都是一样滴。
  光速不变原理不用理解,这只是一个事实而已。历史上很多的天才科学家做过了很多的天才实验都验证了光速不变,经过精确测量,其速度大约是每秒30万公里。无论你在跑步、在睡觉、甚至在随着地球自转,绕着太阳公转还是围绕银河系中心旋转,你看到的光,都是这个速度,和你本身具有的速度不能叠加和相减。例如你和一束光同时向一个方向运动,尽管你具有一定的运动速度,不管你有多快,哪怕是接近光速,你看到的仍然是那束光以每秒30万公里的速度离你而去。这与你的直观不一致,但是不要试图去理解光速为什么不变,因为实验和观测证明了它不变,这只是一个原理,接受它以后再以这个原理为基础上解释你脑中的矛盾。我的意思是说牛顿经典力学可以很好的解释现实生活并与你的直觉一致,而光速不变原理为基本原理的相对论也可以很好的解释现实生活,不过与你的直觉不一致而已。光速不变的意义在于:距离是关于空间的概念——它度量了两点间有“多少”空间。间隔是关于时间的概念——它度量了两个事物之间经历了多长时间。速度是单位时间间隔(如1秒)内通过的距离。速度=距离/时间,既然速度不变,那么发生变化的只能是距离和时间。
  一句话总结:光速是不变滴,变化滴是时间和空间。
楼主热闹2017 时间:2019-09-15 10:47:51
  长杂的屋里学家们,吃饱了喝足了,来开个脑洞消消食吧。
  • 河海森林5

    举报  2019-09-15 11:52:29  评论

    @热闹2017 物理是民主会吗,多数人支持
  • 热闹2017

    举报  2019-09-15 12:04:29  评论

    @河海森林5 是啊,而且是非常有趣的科学,比数学化学等有趣多了。
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作者 :薄之2017 时间:2019-09-15 11:01:05
  思考物理能消食么?


  得追求公平正义~
  • 热闹2017

    举报  2019-09-15 11:11:16  评论

    @薄之2017 烧脑能大幅度提升基础代谢,不信你问花花。
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作者 :狗毛毛2017 时间:2019-09-15 12:45:25
  饱了犯困,饿了发蔫
  
  • 热闹2017

    举报  2019-09-15 13:25:44  评论

    @狗毛毛2017 开始贴秋膘啦,吃饱了就睡。哈哈……
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作者 :qyx123470 时间:2019-09-15 13:27:03
  如果引入无穷的概念,宇宙就不存在热寂。问题是宇宙到底无穷还是有限?
  • 热闹2017

    举报  2019-09-15 13:33:06  评论

    @qyx123470 是的,不是孤立系统怎么会热寂?不过现代物理学很多观点都很难用实验科学验证,只能靠大家自己想。
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作者 :qyx123470 时间:2019-09-15 13:30:01
  希望再转点,这些书都没看过,只是片言只语听过。其实,算是灵光闪动吧。数学也不难,很简单。
  • qyx123470

    举报  2019-09-15 13:33:17  评论

    我不认为这些理论就一定对,算灵光闪动。11维是数学概念,数学里有n维空间
  • 热闹2017

    举报  2019-09-15 14:00:11  评论

    @qyx123470 纯理论性的数学模型与实际是否相符?这是现代物理学极具争议的话题。
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楼主热闹2017 时间:2019-09-15 13:40:39
  转录书评:

  现在开始推导狭义相对论带来的各种结论:

  时间膨胀:假设用小明(小明是一束光)来计时,我站在岸边看小明游泳,小明以光速游过一条宽1公里的小河再游回来,河水是静止的,他游的很快而且不停的游,那么游了30万次后时间过了1秒钟。假设此时河水开始快速流动了,那么小明游过河流的距离就不止1公里了,因为水流把他朝下游冲了一段距离,他是斜着游过小河的,所以距离变长了。那么,斜线的距离=小明的速度 X 时间。注意,根据光速不变的原理,小明的速度(光速)是不变的,因此为了保证等式成立,游泳的距离变长了,时间就必须变长。所以说时间膨胀了!因为小明是用来计时的,小明所代表的每一秒变长了,那么在我看来就是小明的时间变慢了。注意,我们接着往下推,根据相对性原理可以推出个结论,一个是因为我和小明是互为参考系的,所以在小明看来,我的时间也变慢了;另一个是因为物理定律在不同的匀速参考系是一样的,所以换成用别的东西计时例如手表等,结论也是一样的。

  一句话总结:速度越快,在我看来,时间就越慢。

  空间收缩:现在我们知道了运动会使时间变慢,记住这个结论,然后我们再往下推。这一次小明(小明是一个人)开着一辆超级跑车在我面前跑过,我们同时计时,从起点到终点小明的表计时是1分钟,而在我看来,运动使时间变慢,因此我的表计时不到一分钟,同样是这个公式:距离=速度X时间,我计时的时间变短了,所以车子运动的距离也变短了。不是车子少跑了一段距离,而是整个空间变短了,甚至车子也变短了。

  一句话总结:速度越快,在我看来,长度就越短。

  时空一体:看了上面的时间膨胀和空间收缩,我感到相当的痛苦,但换一个角度想,就不那么痛苦了。这个角度就是时空一体的角度。在小明游泳的那一段,我们知道小明游得是一条斜线,就是说小明的速度是有方向的,是斜的。根据二维直角坐标系,斜方向运动可以分解为垂直和平行方向上的运动,就是小明游过小河的运动和流水的运动。现在我们把这个二维直角坐标系的纵轴想成空间,把横坐标想成时间,把斜线想成物体运动,注意我们对物体运动进行分解,发现当空间坐标越大时,对应的时间坐标就越小,这表明物体的速度越大时间的流逝就越慢,反过来物体的速度越小则时间的流逝越快,它们的和值是光速。当运动全部发生在空间里时,那就是光,对于光来说时间是停止的;当运动全部发生在时间里时,那运动是静止的,而时间飞逝,我们现实世界就大概是这种情况。时间和空间可以相互转化,因此时空是一体的,物体运动改变着时空。

  那么什么是四维时空?爱因斯坦把长、宽、高和时间称谓思维时空,很好理解,上面时空一体里讲到纵轴是空间,我们现实中的空间通过长、宽、高三个维度来确定,替换后时空一体就是四维时空一体了。在四维时空里也可以进行上述一样的分解和合成。这个和《三体》里的四维空间不是一个概念,严格讲,《三体》里蓝色空间号进入的应该是四维空间加一维时间的五维时空。

  一句话总结:宇宙中所有物体都在以光速运动,但可以分解为空间和时间的变化。
楼主热闹2017 时间:2019-09-15 13:45:41
  上面这一段就有点烧脑了,而且说实话,俺不能肯定这位屋里学家理解的一定对,表述的一定准确。而且还只是相对论,并不包括量子力学,这两者之后才是弦论和M理论。花花别怕难哈。
作者 :情深不恨花无语 时间:2019-09-15 19:29:34
  无中生有,有中生无。

  人类必须胜天!
  • 热闹2017

    举报  2019-09-16 09:33:32  评论

    @情深不恨花无语 你先判断下人类还能掌管地球多少年?
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作者 :北京刘庄主 时间:2019-09-16 06:15:24
  探索永远伴随着比真相多的多的幻想。
  • 热闹2017

    举报  2019-09-16 09:38:27  评论

    @北京刘庄主 在幻想的沙滩上,没准就有一两个小贝壳,牛顿捡到一个,爱因斯坦捡到一个。哈哈……
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作者 :偶兜兜有奶糖 时间:2019-09-16 08:44:13
  向宇宙学习
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作者 :情深不恨花无语 时间:2019-09-16 09:55:34
  呵呵,老热,叔是用猫右矛死戳猫右破b ,是揭露和批判!
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楼主热闹2017 时间:2019-09-16 10:01:03
  再转一段通俗相对论,俺也跟着学学:

  质能方程:爱因斯坦著名的质能方程,E=mc2,书中没有讲来历,但讲了一个推论,就是物体运动越快,它的能量越大;而根据爱因斯坦的公式我们看到,物体能量越多,它的质量越大。而物体质量越大时,把它加速就越困难。在速度逼近光速的过程中,质量的增加是没有极限的,因此需要无限的能量才可能使它达到或超过光速壁垒。这当然是不可能的,所以绝对不会有什么东西能比光还跑得快。

  一句话总结:宇宙中没有什么物体的速度能够超过光速。(但从质能公式看,这结论没错)

  4、广义相对论的推导

  广义相对论要解决的核心问题:万有引力

  广义相对论的一个核心原理:等效原理

  万有引力:就是牛顿被苹果砸头而发现的那个万有引力,简称引力,这个不用再做说明。凡是有质量的物体都会产生引力,质量越大,引力越强;质量越小,引力越弱;同时引力还与距离有关系,两者距离越近,引力越强,距离越远,引力越弱。宇宙中所有的星球和物质都遵守牛顿引力定律,但牛顿没有说明引力为什么会有这种性质。爱因斯坦研究引力,是因为引力与狭义相对论矛盾。矛盾在于:牛顿的引力方程中没有时间变量,就是说如果太阳突然消失了,那么它对地球的引力也就瞬间消失了。地球上的人们可以马上感到引力的变化,却需要8分钟后才能看到太阳的消失。这种超距作用不符合狭义相对论,因为引力竟然能超过光速。(这个例子很有趣吧?)

  一句话总结:牛顿的引力方程是狭义相对论的原理所不能容忍滴。

  等效原理:等效原理很好理解,还是让小明来体验(小明是一个人)。假设小明在一个密闭的飞机里,无法判断外界的情况,只能通过自己的感觉判断飞机是否在运动。如果飞机在做匀速运动或者静止,小明感觉不到任何东西;如果飞机在做加速运动,小明能够感觉到一股推力将他推向椅背;如果飞机是在克服引力飞离地球,小明同样能感觉到一股推力将他推向椅背;对于小明来讲,飞机加速运动的感觉和飞机克服地球引力的感觉是一样的,没有区别(这个例子存疑)。于是,加速运动和引力是等效的。等效原理被爱因斯坦成为“最快乐的思想”,原因是引力太神秘了,令人难以捉摸,但加速运动确实具体和实际的,很好理解和计算。于是爱因斯坦把所有需要考虑引力的地方统统替换为考虑加速度,然后再把通过考虑加速度而得出的结论推广为引力的结论,这是一种简化问题的思考方法。

  一句话总结:引力的问题----替换为-----加速度的问题,研究加速度得出的结论-----替换回------引力的结论

  现在开始推导广义相对论带来的各种结论:

  旋转木马实验:注意,这个实验会直接用到上述的原则和推论,小明又上场了(小明是一个人)。假设小明坐旋转木马,旋转木马是一种加速运动,加速度改变的是运动的方向,不管怎么说,加速度就是加速度,适用于上面的等效原理,可以将在旋转木马上的出的结论推广为引力的结论。同时,用旋转木马来做实验,比较像行星绕恒星的做圆周运动的引力场,因为都是在做圆周运动吗。旋转木马转的飞快,小明坐在木马上,根据前面的结论,“速度越快,在我看来,它的长度就越短”,因此,小明在做圆周运动的路程变短了,就是说旋转木马的周长变小了。同样,根据前面的结论,“速度越快,在我看来,它的时间就越慢”,因此,小明在做圆周运动的时候,他所处的位置的时间变慢了。下面推论空间弯曲和时间弯曲,请各位观众不要走开。

  空间弯曲:小明在旋转木马最外圈时,他的速度最大,同时加速度也最大,圆周长也就缩小的最厉害;当他移到内圈时,速度变小,同时加速度也变小,圆周长也就缩小的小一点。用我们现实生活中见过的物体来描述这幅画面,那就是一个球面。在最上面的顶点的位置,越接近于平面的圆,向下越到球的中部,就弯曲的越厉害,看得见的球面是这个样子的,那么看不见的空间也是这个样子的,等于说空间由一个平面的圆弯曲成了球。是加速度导致物体做圆周运动,且加速度的大小直接对应了周长缩短的大小,因此可以说加速度导致了空间弯曲,通过等效原理,可以说引力导致了空间弯曲。

  一句话总结:引力导致空间弯曲。

  时间弯曲:前面旋转木马实验里说过,加速度导致了在旋转木马上时间变慢,同时因为加速度不同,对应了外圈和内圈等不同位置时间变慢的程度不同,这和前面讲的空间弯曲是一个推导过程。我们把在一定空间内的在不同位置上的时间流逝速度不同的现象,称为时间弯曲。是加速度导致了不同位置的时间流逝不同,因此可以说加速度导致了时间弯曲,通过等效原理,可以说引力导致了时间弯曲。

  一句话总结:引力导致时间弯曲。

  黑洞性质:理解了前面的内容,就很容易理解黑洞的性质。黑洞是大质量天体被自身引力吸引坍塌成的,根据有关计算,达到某个标准的星体可以变为黑洞,达不到的就变不成。因为黑洞的质量极大,所以引力也极大,所以相对论效应就极明显。这里有两个经常碰到的问题,一个是物体如果进入黑洞视界,就会被潮汐力撕碎,假设一个人进入了黑洞,脚在内圈,头在外圈,因为不同位置的引力相差巨大,所以可以把人撕碎,这个很好理解;另一个是《星际穿越》中飞船在黑洞附近转了一会,出来时外面已经过了好几年,因为黑洞引力极大,所以黑洞附近时间就变得极慢。如果一个比太阳中1000倍的黑洞,你在黑洞视界外3厘米转一年,那么回地球时,地球已经过去了1万年。

  一句话总结:黑洞可以让你前往到未来,但是不能穿越回过去。
作者 :偶兜兜有奶糖 时间:2019-09-16 10:04:35
  黑洞可以让你前往到未来,但是不能穿越回过去。---未来是啥
  • 热闹2017

    举报  2019-09-16 10:09:26  评论

    @偶兜兜有奶糖 俺的理解不是穿越到未来,而是在黑洞周围转,使自己的时间变慢了,而地球没变慢,所以回到地球一看,已经是万年之后。
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作者 :装甲二排 时间:2019-09-16 10:18:45
  光和电波可否一比?
  • 热闹2017

    举报  2019-09-16 10:20:46  评论

    @装甲二排 一样,电磁波的传递介质就是光子
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作者 :装甲二排 时间:2019-09-16 11:03:53
  黑洞里能看到外星人否?
  • 热闹2017

    举报  2019-09-17 10:09:12  评论

    @装甲二排 让老鹰飞进去看看,把鹰毛烧光了。哈哈……
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作者 :薄之2017 时间:2019-09-17 06:40:10
  屋里学,


  都洗屁睡的年令,是谈这个了。
  • 假酒长眠子时归

    举报  2019-09-17 06:57:15  评论

    @薄之2017 偶尔想三秒:那些星星都吃了吗?哈哈哈哈哈哈哈哈哈
  • 薄之2017

    举报  2019-09-17 08:53:46  评论

    @假酒长眠子时归 那是,喝得二麻二麻之际,偶然抬头,志存高远~
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作者 :qyx123470 时间:2019-09-17 20:46:44
  大致看完了。以我的估计,为什么时空为什么一体且随速度加快收缩,是因为宇宙是系统计算机。因为他的算法就是这样,不然无穷算,任何系统都遭不住。
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作者 :qyx123470 时间:2019-09-17 20:49:49
  从量子力学看,就没有连续,与随机函数的应用相关。计算机系统是二进制,根本就没有连续。
作者 :qyx123470 时间:2019-09-17 20:52:02
  根本就没有连续,连续是系统给我们的感觉。也许系统停电许久,然后再启动,系统中的人物也是感觉不到 的。
作者 :qyx123470 时间:2019-09-17 21:10:20
  如果我们宇宙真是电脑系统,他一定有故障停机的时候,不过作为系统中的人物是感觉不到,但应有异象出现,比如异常的天黑地暗情况出现
  • 热闹2017

    举报  2019-09-18 09:54:06  评论

    @qyx123470 祸祸就感觉到了,所以他先头晕,然后停机。哈哈……
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作者 :装甲二排 时间:2019-09-18 10:50:59
  仰宇宙之大
  俯微子之微
  有寂寞,有热闹
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作者 :tyrl20091210 时间:2019-09-20 09:36:54
  意念磁场,感应洪荒
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作者 :河海森林5 时间:2019-09-20 12:40:45
  热闹老这么仰望星空没少掉沟里吧

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