?牛頓、愛因斯坦和相對(duì)論,幫你刷新世界觀。 書名:《改變世界的方程:牛頓、愛因斯坦和相對(duì)論》 作者:[德] 哈拉爾德·弗里奇 今日解讀:邢志忠 解讀人簡(jiǎn)介:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所教授,本書譯者 播音:裴喜 策劃編輯:陳艷 音頻編輯:陳子夫 01 聽前思考 什么方程能夠改變世界? 在改變世界的方程背后,有著什么物理思想? 這個(gè)方程為世界帶來了哪些改變? 02 書中金句 在科學(xué)和技術(shù)上,沒有理由做絕對(duì)的、無可置疑的聲明。 科學(xué)是一項(xiàng)嚴(yán)肅的事業(yè),嚴(yán)肅得不能只留給科學(xué)家來處理。 只要我們?cè)O(shè)法非常節(jié)儉地使用我們的能源和原料,包括核能,人類文明就能夠在我們這個(gè)星球上延續(xù)下去。我相信這是我們唯一的出路。 03 精華筆記 要說世界上最著名的物理學(xué)家,毫無疑問,那就是愛因斯坦。愛因斯坦的最大貢獻(xiàn)在于提出了相對(duì)論,并由相對(duì)論推導(dǎo)出質(zhì)能方程:E=mc2。《改變世界的方程》這本書講述了關(guān)于質(zhì)能方程的故事。 本書作者弗里奇是德國(guó)理論物理學(xué)家,師從海森堡教授。同時(shí)也是一位很有成就的科普作家,作品被譯成多種文字,影響了整整兩代人。 這本書的基本架構(gòu)是讓牛頓和愛因斯坦穿越到現(xiàn)代,加上作者本人的化身——哈勒爾教授,三個(gè)人一同探討科學(xué)問題。這三個(gè)人的身份,恰好代表了物理學(xué)的三個(gè)發(fā)展階段:經(jīng)典、現(xiàn)代,再到當(dāng)代。其中牛頓的角色是學(xué)生,愛因斯坦的角色是老師,而哈勒爾則相當(dāng)于助教。 關(guān)于這本書,我們探討了兩個(gè)問題,質(zhì)能方程是什么?以及,它是怎么改變世界的? 第一部分,質(zhì)能方程是什么? 在中學(xué)物理課,我們學(xué)過相對(duì)性原理,這是牛頓力學(xué)的核心思想之一。1864年,麥克斯韋提出了電磁理論。這與相對(duì)性原理產(chǎn)生了矛盾。 這時(shí)愛因斯坦登上了歷史舞臺(tái),他打破了絕對(duì)空間的思考框架,提出了相對(duì)時(shí)間與相對(duì)空間的概念,也就是愛因斯坦在1905年創(chuàng)建的狹義相對(duì)論,并用狹義相對(duì)論的思維推導(dǎo)出質(zhì)能方程。 不同于牛頓,愛因斯坦認(rèn)為:存在不同的參考系,就存在相對(duì)不同的時(shí)間和空間,兩者交織在一起,形成了“時(shí)空”的概念。 狹義相對(duì)論背后有什么基本原理呢? 第一個(gè)是相對(duì)性原理,在所有參考系中,物理學(xué)規(guī)律都是一樣的; 第二個(gè)是光速不變?cè)恚谒袇⒖枷抵?,真空中的光速恒定不變?/div> 根據(jù)這兩條原理,愛因斯坦推導(dǎo)出了質(zhì)能方程式:E=mc2。時(shí)間和空間、質(zhì)量和能量,原本是這些概念是彼此獨(dú)立的,質(zhì)能方程式把它們緊密聯(lián)系起來,從而顛覆了牛頓力學(xué)的傳統(tǒng)觀念。 在這個(gè)簡(jiǎn)單的方程式中,我們可以讀出三條重要的信息: 第一,質(zhì)量和能量在本質(zhì)上是等價(jià)的,質(zhì)量是靜止的能量,能量是運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量; 第二,光速在這種等價(jià)性中,扮演了不可或缺的角色,它是宇宙空間中最特殊、最奇妙的速度; 第三,愛因斯坦的美學(xué)理念,他追求的是物理本質(zhì)上的關(guān)聯(lián)等價(jià)性,以及數(shù)學(xué)形式上的簡(jiǎn)潔直觀性。 第二部分,質(zhì)能方程給我們的世界帶來了哪些改變? 一、GPS定位系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn),依賴于相對(duì)論。 對(duì)于高速運(yùn)行的衛(wèi)星,時(shí)間要比地球緩慢,要保持GPS衛(wèi)星和多個(gè)地面觀測(cè)站的時(shí)鐘精確同步的話,就必須考慮相對(duì)論的修正效應(yīng)。當(dāng)你試圖校準(zhǔn)天上和地面上的時(shí)鐘時(shí),你就會(huì)發(fā)現(xiàn),必須滿足愛因斯坦的狹義相對(duì)論才行。如果沒有相對(duì)論,每天都會(huì)積累巨大的定位誤差,定位系統(tǒng)很快就不能用了。 二、重原子核的裂變,開啟核能時(shí)代。 所謂重原子核裂變,一個(gè)典型的反應(yīng)是,鈾235吸收一個(gè)中子之后,轉(zhuǎn)化成鈾236;而鈾236的裂變,除了釋放出較輕的原子核,還釋放出大量的能量,其實(shí)就是電磁輻射。不過,裂變反應(yīng)不是輕易發(fā)生的,需要裂變物質(zhì)達(dá)到一定的質(zhì)量,鈾235發(fā)生裂變反應(yīng)的臨界質(zhì)量是50公斤,差不多一個(gè)足球那么大。一公斤鈾核的裂變,釋放出來的總能量高達(dá)80萬億焦耳,相當(dāng)于完全燃燒掉兩萬七千噸優(yōu)質(zhì)煤所釋放出來的光和熱!所以核電是一種超級(jí)高效的能源,同時(shí)也是清潔能源。與原子彈爆炸不同的是,核電站發(fā)電讓裂變過程變得穩(wěn)定可控,而且一旦發(fā)生故障就可以關(guān)閉核反應(yīng)堆。 核能的發(fā)現(xiàn)和使用,不僅是科技史上的一大步,同時(shí)也是政治軍事史上的一大步。最具代表性的例子,就是1945年,美軍投放到廣島和長(zhǎng)崎的兩枚原子彈,它們殺死了超過10萬人,加速了第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束。 三、利用輕原子核的聚變,人類可能擁有第二個(gè)太陽。 所謂核聚變,就是質(zhì)量小的原子在高溫高壓條件下,原子核發(fā)生碰撞聚合到一起。在這個(gè)過程中,中子逃跑出來,釋放出巨大的能量,這正是太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。 原子核聚變釋放的能量也是氫彈爆炸的可怕威力所在,核聚變釋放的能量比核裂變大得多。地球上一枚氫彈爆炸的話,發(fā)出的光在月球上都能看見。如果將核聚變反應(yīng)變得可控,生產(chǎn)出我們可利用的電能,豈不是就有取之不盡用之不竭的能源?也就是我們?cè)O(shè)想的“人造太陽”。這大概還有很長(zhǎng)的一段路要走,即便核聚變反應(yīng)可以控制,也很難創(chuàng)造出反應(yīng)發(fā)生所需要的條件??茖W(xué)發(fā)展的進(jìn)程是難以規(guī)劃的,當(dāng)人類社會(huì)進(jìn)入高度文明階段,核聚變或許會(huì)是成熟能源。 E=mc2,這個(gè)神奇的方程式告訴我們,質(zhì)量和能量本質(zhì)上是等價(jià)的,因此可以相互轉(zhuǎn)化,世界就是按照質(zhì)能方程在運(yùn)行。在質(zhì)能方程的基礎(chǔ)上,人類創(chuàng)造了GPS定位系統(tǒng)、核電站、原子彈、氫彈,質(zhì)能方程改變了這個(gè)世界,并且,這個(gè)改變,還將繼續(xù)發(fā)生。 |
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