本書是面向青少年,特別是面向小學(xué)高年級和初中學(xué)生的科普讀物。作者為我們介紹了物理學(xué)中的基本概念引力。內(nèi)容涵蓋范圍從牛頓在蘋果樹下受到啟發(fā)首次正確認(rèn)識引力,到愛因斯坦用廣義相對論解釋引力,到現(xiàn)在科學(xué)家們對引力波的測量,再到展望未來,人類可以認(rèn)識甚至利用黑洞。本書的語言簡練而不失優(yōu)雅,風(fēng)趣而不失嚴(yán)謹(jǐn),作者考慮到讀者的理解水平而盡量回避了復(fù)雜繁瑣的公式,用講故事的方式談?wù)摽茖W(xué)。書中的圖片為我們展示了宇宙的壯闊,能激發(fā)青少年讀者們對引力的興趣。
引力是什么?
牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力,
經(jīng)典物理學(xué)便誕生了。
愛因斯坦解釋了牛頓無法解釋的現(xiàn)象,
物理學(xué)便發(fā)生了革命。
人類擺脫了引力的束縛,
才得以踏上探索宇宙的旅途。
讓我們跟隨物理學(xué)家的腳步,
了解有關(guān)時空、黑洞、相對論和引力波的知識,
探尋引力的奧秘吧!
你知道墨菲定律嗎?它的大意是 :如果壞事有可能發(fā)生,不管這種可能性有多小,它總會發(fā)生,并造成很大可能的損失。比如,我們早晨睡過頭,沒來得及吃早飯就趕去學(xué)校,偏偏就那天的電梯或公交車來得很晚;我們在快餐店排隊,偏偏就我們站的那一隊特別慢;再或者,當(dāng)我們不小心將涂滿果醬的面包片掉到地上時,偏偏就是涂滿果醬的那一面著地,果醬弄得滿地都是……當(dāng)我們想做的事情總是莫名其妙地不順利,或者事情的進(jìn)展總是與我們的期望背道而馳時,也許就是墨菲定律在發(fā)揮作用。當(dāng)然,這里面可能包含一些心理因素的影響 :一些科學(xué)依據(jù)證明,人們難免會對不好的事情產(chǎn)生更加深刻的印象。對此我們不過多討論。
互聯(lián)網(wǎng)上曾有一個科學(xué)笑話巧妙地運用了墨菲定律。雖然這個笑話與科學(xué)真理相距甚遠(yuǎn),但它的核心思想?yún)s十分明確。這則笑話是一篇科學(xué)實驗報告,題目是借助面包和貓開發(fā)懸浮列車。單單是研究懸浮列車都很困難,更何況還要借助面包和貓,這很不可思議吧?讓我們來看一下具體內(nèi)容。
標(biāo)題 : 借助面包片和貓開發(fā)懸浮列車
觀察1 : 貓從高處落下時,腳會先著地。
觀察2 : 涂滿果醬的面包片從高處落下時,有果醬的那一面會先著地。
假設(shè) : 面包片涂有果醬的一面和貓的腳總是先著地。
實驗 : 在貓背上綁一片面包,將面包片朝上的一面涂上果醬,讓綁著面包片的貓從高處落下。根據(jù)假設(shè),貓會在距離地面10厘米左右的時候停止降落,飄浮旋轉(zhuǎn)。此項實驗可以用于懸浮列車的開發(fā)。
這好像是在不著邊際地胡說八道,不過正如圖01所示,如果我們把面包片綁在貓背上,并且在面包片朝上的一面涂上果醬,那么,本應(yīng)該先著地的貓腳和面包片涂有果醬的那一面就無法同時著地,只能在空中不停旋轉(zhuǎn),這種想法非常新奇吧?其實這個笑話蘊含著重要的科學(xué)原理:一個物體只有克服地心引力才能在空中懸浮。
雖然我們無法看見地心引力,但是在很早之前就已經(jīng)接觸過它了。一提到引力,我們都會想到偉大的物理學(xué)家牛頓。當(dāng)牛頓看到蘋果從樹上掉落,他就對蘋果掉落的原因產(chǎn)生了疑問,從而發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律,建立了經(jīng)典物理學(xué)。后來,物理學(xué)家們認(rèn)識到經(jīng)典物理學(xué)的研究范圍太過狹小,因此開始確定新的研究方向,探索新的奧秘,建立了現(xiàn)代物理學(xué)。
然而,物理學(xué)的發(fā)展永無止境,現(xiàn)代物理學(xué)的奧秘還是未知的。現(xiàn)在的我們甚至無法想象物理學(xué)的終點在哪里。實際上,現(xiàn)代物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)一樣,只是下一個物理學(xué)的跳板。我們需要明白的是,為了開啟新的文明,人類的研究仍在繼續(xù),而物理學(xué)的未來掌握在我們自己手中,我們就是推動這些研究的主力軍。本書匯總了與引力相關(guān)的所有研究成果,包括我們已經(jīng)研究到了哪里、未來應(yīng)該如何研究等。
希望我們在閱讀完本書后,能夠?qū)⑽锢碇R靈活運用到生活中,同時為物理學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多創(chuàng)造性的想法。
吳廷根,韓國西江大學(xué)物理學(xué)博士,先后參與美國、日本等大型引力波探測項目。目前在韓國國立數(shù)學(xué)研究所任職。
1 牛頓的繩子與愛因斯坦的網(wǎng)
力與運動的關(guān)系 002
連接物體的引力之繩 004
牛頓的萬有引力與愛因斯坦的時空 007
測地線上的運動軌跡 012
2 時空中的現(xiàn)象
光在時空中的移動路徑 019
引力透鏡效應(yīng)與愛因斯坦環(huán) 024
水星的進(jìn)動 027
3 描述事件的方法
勾股定理 033
使用矢量 039
曲面上的距離 040
4 愛因斯坦引力場方程
等效原理 046
使時空彎曲的物質(zhì) 050
5 歌頌星星
繁星璀璨的宇宙 056
探索宇宙的艱辛 058
引力作用下的誕生 061
宇宙的化工廠恒星 063
6 難以承受的引力之壓
恒星的末日 070
天才的悲劇 073
超新星、中子星和引力坍縮 075
7 看不見的事物
光芒四射 083
旋轉(zhuǎn)黑洞 087
黑洞與霍金輻射 092
觀測黑洞 094
8 引力波
我們探測到了引力波! 102
引力波的發(fā)現(xiàn)過程 104
引力波的種類 112
9 廣義相對論的證據(jù)
愛因斯坦的預(yù)言 122
給黑洞拍照 126
奇點 129
宇宙加速膨脹 132
10 超 越愛因斯坦
廣義相對論與量子力學(xué) 138
發(fā)展中的弦理論 140
后記 引力的應(yīng)用之法 145