- 商家货号:T001328463
- ISBN:9787220115639
- 出版日期:2020-01-01
- 页码:0
- 字数:0
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编辑推荐 |
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内容简介 |
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霍金对黑洞的研究做出了三个重大贡献。第一个贡献是和数学物理学家彭罗斯一起证明了奇点定理。第二个贡献是证明了黑洞的面积定理。第三个贡献是证明了黑洞不是一颗死亡了的星,它有温度,有热辐射。这一发现被学术界称为霍金辐射。霍金的许多研究与发现都写在了《时间简史》一书中。本书是科普作家和科学家联手合写的导读,既专业权威又浅显易读,逐章对《时间简史》一书的内容进行了由表及里、追根溯源的解释和说明。
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作者简介 |
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目录 |
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第一章我们的宇宙图像是怎样的?/001
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精彩书评 | |||
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书摘 |
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第一章 我们的宇宙图像是怎样的? 11从中心火到地心说 什么是宇宙?中国古代有一句话,“四方上下曰宇,古往今来曰宙”,这句话见于《淮南子·原道篇》中高诱加的注。按照这句话的意思,宇就是空间,宙就是时间。我们今天所说的宇宙,是时间、空间及在其中运动的所有物质的总称。中国古代对宇宙、天地的认识,大体上是天圆地方的观念。不过,在汉代也曾出现过“地如卵黄”的观点,有些类似于西方的“地心说”。 早在公元前500多年(相当于我国的春秋时期),古希腊学者毕达哥拉斯(Pythagoras)就提出了一个比较科学的宇宙模型——中心火模型。毕达哥拉斯是著名学者泰勒斯(Thales)的学生。泰勒斯早年曾在两河流域(即今天的伊拉克、叙利亚地区)学习过数学和天文学。当时,那里是世界科学和人类文明的一个中心。泰勒斯回到希腊后做出了一个惊人之举,在公元前584年,他成功地预报了日全食。可以想象,这一事件给当时的社会造成了多大的震动。泰勒斯不仅是很好的天文学家,也是很好的数学家,他首先提出“等腰三角形的两个底角相等”“直径上的圆周角是直角”等结论。 毕达哥拉斯继承和发展了老师的学问。在数学上他以有名的“毕达哥拉斯定理”而享誉全球。这一定理在我国称为勾股定理,但勾股定理是公元前100年左右(汉武帝时期)才提出来的,比毕达哥拉斯晚了400年。不过,这个定理在中国又称为“商高定理”,古代文献中提到“周公问商高”谈到了这个定理的内容。这位商高应该是商末周初的一位“高人”。所以这个传说中的事情应该发生在公元前1000年之前,比毕达哥拉斯要早很多。然而,研究表明,巴比伦人早在公元前1800多年就已在使用这一定理,比商高又早了差不多800年。不过,重要的是,不论巴比伦人、商高,还是“勾三股四弦五”的提出者,都只是在使用这一定理,并未给出定理的证明。最早给出定理证明的是毕达哥拉斯。此外,毕达哥拉斯还最早证明了三角形三内角之和是180度。他不仅是很好的数学家,也是很好的天文学家和哲学家。他最早认识到大地是一个球,并进一步提出了第一个有一定科学性的宇宙模型:中心火球模型。 毕达哥拉斯认为宇宙中最圣洁的东西是火,火应该位于宇宙的中心。我们的地球、太阳、月亮和金木水火土五颗行星,都镶在透明的天球上,围着中心火转动。这8个天体再加上中心火一共是9个。毕达哥拉斯认为最完美的数字是10,而不是9。所以,他推测还存在一个叫“对地”的天体,也在围着中心火转动。我们的地球、太阳、月亮和5颗行星都位于中心火的一侧,而“对地”则位于另一侧。由于人类生活在地球表面上背对“中心火”和“对地”的一面,所以人类从来没有见过“中心火”和“对地”。 图1-1中心火模型 200多年后,古希腊的另一位学者亚里士多德(Aristotle)对“中心火模型”提出了挑战。亚里士多德是有名哲学家柏拉图(Plato)的学生,柏拉图则是杰出思想家苏格拉底(Socrates)的学生。苏格拉底在接收柏拉图做学生的前一天晚上,做了一个梦,梦见一只羽翼未丰的小天鹅,落在了自己的膝盖上,很快就变得羽翼丰满,然后唱着优美动听的歌飞上了蓝天。第二天,他就见到并接收了柏拉图这个学生。 苏格拉底不仅是很好的思想家,也是很好的雄辩家,主张批判性思维。他的政敌对此十分恐惧,给他扣上“无神论”的帽子(这在当时是极大的罪状了),把他判处死刑。他勇敢地面对死亡,喝下了毒酒。后来流传下来的《苏格拉底言论集》不是他本人写的,而是他的弟子整理其言论而成。这一点很像我们的《论语》,并非孔子本人执笔,而是他的弟子们回忆他的言论,整理出来的。 苏格拉底死后,柏拉图对政治十分失望,想不到号称民主政体的雅典也这么黑暗。他从此远离政治,周游列国,专心搞学问,终于建立起一套完整的哲学体系。柏拉图认为,我们接触到的万事万物都不是真实存在的本质的东西。本质的东西是一个叫作“理念”的抽象的东西。我们看到的万事万物都不过是“理念”的影子。“理念”完美而“永恒”,万物则是不完美的、会变化、会腐朽的。为了描述万物的变化,造物主又给“永恒”创造了一个动态的相似物,那就是“时间”。从今天的观点看来,柏拉图是一个唯心主义大师。然而,他是第一个建立完美哲学体系的学者,因而受到哲学界的高度评价,有人认为他是整个哲学的“祖师爷”。 亚里士多德是柏拉图很优秀的学生,但却不是老师学术的优选继承人。亚里士多德在掌握了老师的学问之后,突然得出了一个革命性的结论:老师的哲学体系有问题。他认为,我们谁也没有见过“理念”,所以不应该承认“理念”的存在。我们看到的万事万物才是真实的、真正存在的东西。他把老师的哲学体系倒了过来。他强调观察,他认为,对于看不见摸不着的东西都不应该承认它的存在。如此看来,亚里士多德是一个唯物主义哲学家。 亚里士多德用自己的唯物主义观点去看待毕达哥拉斯的中心火模型。他认为,谁也没有见过“中心火”,也没有见过“对地”。这两样东西应该不存在,那么位于宇宙中心的是什么呢?他认为,我们每天看到日、月和诸星东升西降(周日运动),看来我们的地球才应该是宇宙的中心。于是他扬弃、升华了毕达哥拉斯的“中心火”模型,把它改造成“地心模型”。在这个新的宇宙模型中,地球位于宇宙的中心。太阳、月亮和金木水火土5颗行星以及所有的恒星都镶在各自的透明天球上,这些天球依次为月亮天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天和恒星天。最外面还有一个水晶天,又称原动天,上面生活着一位“第一推动者”(即上帝)。他推动恒星天转动,恒星天带动土星天,土星天带动木星天……于是所有的透明天球就都围绕地球转动起来。 到了公元100多年(相当于我国东汉时期),生活在埃及地区的希腊学者托勒密(Claudius Ptolemaeus)又把亚里士多德的地心宇宙模型发展成能够更完美地预测天体运动的地心说。后来,这一学说受到了天主教会的支持,得以广泛传播并延续下来,统治人类文明几乎1500年。 图1-2地心宇宙 然而,为了更准确地描述和预测天体在天空中的运动,就不得不把地心模型进一步复杂化。这时有人建议修改地心宇宙模型,让水星和金星绕着太阳转,太阳带着水星和金星与其他几颗行星以及月亮一起绕着地球转。这个修改后的地心宇宙模型,确实比原来的模型有较大的进步,但是仍然没有从根本上解决问题。 图1-3修改后的地心宇宙模型 12日心说 提出革命性学说的是波兰天文学家哥白尼(Nicolaus Copernicus)。他是一位教士,在钻研神学的同时也钻研天文学和医学。他知道改进后的地心模型,也知道古代毕达哥拉斯的中心火模型,还知道古希腊曾经出现过阿里斯塔克的日心说(这个日心说由于很少有人相信,早已被人们忘记)。哥白尼想,太阳不就是一个大火球吗?他仔细研究后发现,如果让太阳取代中心火的位置,一切就变得简单、清晰多了。哥白尼十分兴奋,他深知自己这一发现的深远意义,但也考虑到由于地心说得到教会的支持,自己提出日心说会十分危险。所以他迟迟不敢公开发表自己的学说,直到临终前才决定发表。为了避免教会的迫害,他在书的扉页上写,他把此书“献给最神圣的教主——保罗三世教皇陛下”。一开始,教会确实没有意识到哥白尼日心说对自己的威胁,没有立刻禁止这本书的发行。不过,很快教会就发现了这一学说对自己的不利影响,于是宣布这本书为禁书,禁止在学校里和社会上传播哥白尼的日心说。 图1-4哥白尼的日心说 布鲁诺、伽利略和开普勒都对日心说做了宣传和发展。布鲁诺(Giordano Bruno)是神学院的学生,从教会内部了解到教会的黑暗。他一见到哥白尼的学说就如获至宝,到处宣传,而且他口才极好,给教会造成了很大威胁。他还进一步发展了哥白尼的观点,他认为恒星都是遥远的太阳,宇宙是无限的。这一看法已经十分接近今天人类的宇宙观。在哥白尼的日心模型中,在恒星天的外部仍然存在上帝居住的地方——原动天。在布鲁诺的模型中,原动天没有了,宇宙是无限的,恒星都是遥远的太阳。那么上帝生活在哪里呢?教会十分痛恨布鲁诺,多年后终于抓住了他,判处他火刑。布鲁诺勇敢地走向刑场,并对教会人士宣称:“你们比我更恐惧。” 伽利略(Galileo Galilei)不仅相信和宣传哥白尼的日心说,还制造了第一架天文望远镜,看到了太阳黑子和月亮上的环形山,让人们认识到原来以为非常圣洁的太阳和月亮,其实都不“完美”,都有“缺陷”。他还看见了木星的四颗卫星和土星的光环。木卫围着木星转,俨然像一个小太阳系,伽利略觉得这是对哥白尼日心说的支持。 与伽利略同时代的开普勒(Johannes Kepler)不仅相信和传播哥白尼的日心模型,还进一步提出行星运动的三条定律。第一定律指出,行星绕日运动的轨道不是正圆,而是椭圆,太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律指出,在相同时间内,行星矢径扫过的面积相等(第二定律实际上是物理学中角动量守恒定律的表现)。第三定律给出了行星到太阳的距离分布的规律,指出行星绕日运动的周期的平方,与轨道半长轴的立方成正比。 图1-5开普勒第一定律和第二定律 开普勒三定律接近弄清了行星绕日运动的规律。开普勒被誉为“行星运动的立法者”。这三条定律不仅对日心说给出了正确的定量描述,而且为牛顿万有引力定律的提出做好了准备。 第一位对物理学做出重大贡献的人是伽利略。他强调实验,强调测量,使物理学成为一门“实验的科学”“测量的科学”。伽利略可以看作物理学的开山鼻祖,他使物理学真正成为一门科学。伽利略生活在人类思想大解放的文艺复兴时期。在他出生的1564年,莎士比亚出生在英国。同一年,有名的意大利艺术家米开朗琪罗逝世。伽利略对物理的贡献很多,下面我们简单介绍他对物理学基础做出的三个重要贡献。 第一个贡献是重申了惯性定律:一个不受力的物体,将保持原来的静止或匀速直线运动的状态。在古希腊时期,已经有人阐述了惯性定律的思想。比如,公元前400年左右,德谟克里特(Democritus)就指出:虚空中运动的原子,由于没有阻力,将一直等速地运动下去。然而后来由于亚里士多德观察不细致而得出错误结论,以为“力是维持物体运动的原因”,把原来正确的思想搞乱了。伽利略通过斜面实验,指出维持运动不需要力,从而重申了惯性定律。伽利略的第二个重大贡献是创立了“相对性原理”。他指出,力学规律在所有惯性系中都相同。不可能用任何力学试验来判定参考系是处在静止状态还是在做匀速直线运动。伽利略的第三个贡献是得出了自由落体定律。我们将在第二章中详细介绍这一贡献对物理学的影响。 1642年对于物理学来说是十分重要的一年。这一年伽利略逝世,牛顿(Isaac Newton)出生。牛顿建立起了经典物理学的大厦。他在巨著《自然哲学之数学原理》一书中,陈述了他的绝对时空观、相对性原理、力学三定律和万有引力定律。 从牛顿的力学三定律和万有引力定律可以推出开普勒三定律。历史上,牛顿首先从大量观测中认识到任何两个物体间都存在相互吸引的力,这种力是普适的:太阳吸引地球的力,地球吸引月亮的力,地球吸引苹果使之落地的力可能是同一种力。这是一种万有的力。他和胡克(Robert Hooke)又分别独立地认识到,从开普勒第三定律可以反推出这种力是和“物体间距离的平方成反比的”。牛顿又进一步证明,这种和距离平方成反比的力,可以保证行星绕日运动的轨道是椭圆,保证开普勒第一、第二定律成立。最后,牛顿明确提出了万有引力定律的正确而完美的表述。 牛顿力学建立起来之后,太阳系中的天体运动规律就基本搞清楚了。与此同时,天文观测和哲学与物理的思考,也使得人们对更辽阔的宇宙有了比较科学的认识。
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