阅读全笔记-物理-爱因斯坦的玩具

今天又下雨
2019-03-28 看过

总的来说,比喻很多帮助理解,基本上阅读无障碍,挺有趣的。

物理-爱因斯坦的玩具

20:49 2019/3/17 From Page20(序幕部分略过,不做笔记)

第一章:引力的升起

只有在冻结了引力之后,最纯粹的运动形式——宇宙的运动形式才能被创作出来

(获得加速度?)

宇航员,自由下落,留在空中(应该是在地球逃逸速度之内),重力加速度0.95g

蜡烛,燃烧,密度较小的热空气上升,周围氧气稳定供应。下落的蜡烛热空气与冷空气不论密度如何加速度相同,火烛熄灭。

普适性:物体以相同的速度下落,重力加速度相同。

加速可以产生重力效应。

幻觉,下坠。。。(我记得应该是有种病来着,发病的时候所有东西都在旋转,难道是体内“陀螺仪”坏了。。。

在空间足够小的区域,一个观测者所感到的引力场的物理效应和另一个观测者在无引力条件下作匀加速运动时的物理效应没有区别。

(以上具体事例的物理原理,也即等价原理)

场本身可以认为是物理实体。

引力不等于加速度。

强引力场中的电磁力,根据等价原理,与无引力情况下物理效应相同。

利用深度加速空间解释光线弯曲,不存在反引力,时空弯曲。(不太懂,光速应该是绝对速度吧,所以激光跑去塔顶的时候接收者向上加速而光速不变所以时间存在弯曲?)所量两个星体形成的三角形内角之和大于180度,空间弯曲。(空间弯曲不能想象,也就是说只能计算吧

引力就是弯曲的空间和时间。(比喻成床垫是比较好理解,如果是想象成一座山,那是不是有“隧道”,高纬度的东西可以穿过???

21:50 2019/3/17 TO Page42

回顾:主要讲了等价原理和其生活中的实例,接下来介绍时空相关知识。

20:14 2019/3/18 From Page43

引力新理论,讨论引力场是如何产生的。牛顿给出的方程:确定给定的质量所产生引力场的强度。然而光子无质量却能在引力场中弯曲,因此此方程不正确。爱因斯坦对此方程做了修改,产生一定的空间和时间曲率需要多大质量(文中未给方程。

对称性,可以减小选择的范围。寻找自然的美和它的设计就等价于找它的对称性。

宇宙的织构是动力学的,宇宙在膨胀。

无所不存在的引力是弱力。相距1光年的质子电磁力与它们相距1厘米之间的引力相等。不论有无质量带电情况,两个粒子间引力为吸引力。电力很强,宏观物体基本为中性。

牛顿理论与爱因斯坦理论区别很小,难以探测。宇宙学家谈论星系群时,都可以用牛顿物理学。

在黑洞的形成上,两者理论有区别。爱因斯坦理论,质量和能力基本上是一回事,所以它们都能产生引力。牛顿理论中产生引力的只有质量。压缩星体除了有质量还有能量(想象一个弹簧),因此对物质提供附加的向内拉力,促进塌缩。物质变硬,只能增加引力向内的挤压,黑洞形成。

有质量的物体产生引力场,引力场有能量,产生附加引力场,场上叠加场。黑洞使空间和时间极度弯曲,将它们织构撕裂。

时间和空间可以挤压和伸长,像弹性介质(果冻),波可以在空间中传播。星系碰撞,空间扭动,空间为弹性,弯曲和回直传递到邻近的空间区域。爱因斯坦理论语言引力波的存在。引力波是长程的。引力波的速度与光速一样,光是电磁波的一种形式。

双星体由于互相吸引,发射引力波而损失能量,循着螺旋线彼此趋近,运行周期改变,间接证明引力波存在。由于引力波太弱,导致很难观测。

以上讨论基于经典物理学。更深的层次由量子定律描述。光波由大量称之为光子的微小电磁能量单位所组成,光子是光的基础粒子。在量子水平上,引力波由引力子构成。引力子和光子一样无质量,自旋是光子的两倍。引力的性质可以推测它必须存在(存在有很多性质,但是它们能证明存在真的存在吗?嘿)

近代物理学理论设计和构造都基于对称性。最完美的艺术具有必然性(这句话我不同意呵)。(爱因斯坦信神也可以看出一点点吧)

第二章:膨胀的宇宙

(这什么热情,建造100英寸的望远镜)(哈勃打拳这么厉害的吗

光波多普勒效应,红光比蓝光频率低,远去的源发的光更红(红移)。太阳光从内核发出光经过较冷的外层,某些频率被气体原子吸收,通过分析少了哪些频率确定太阳存在的原子。从星体发来的光,整个缺少的频率有一定数量的移动,根据多普勒效应可以计算星体远离速度。计算出星云也在红移(远离)。

远离的距离与膨胀速度成倍数关系。哈勃测定了星系的距离。

To Page69 21:22 2019/3/18

From Page70 19:55 2019/3/19

回顾:从等价讲到原理讲到引力子和黑洞形成的原因,由红移现象引出宇宙膨胀动力学说。

初始大爆炸将星系抛向四方,现在作用于星系之间的只有引力。如果有很多质量,引力终止膨胀后收缩,重新汇聚。

宇宙学原理:宇宙没有中心。无限的东西没有中心,大爆炸无所不在。如果空间是向内弯曲的,那么可能是有限但无边的。可以想象宇宙往周围的高维空间膨胀。我们被能量壁垒所限,不能走出宇宙。两个高能质子碰撞,前后所加的能量不等,则可猜猜能量极高的粒子突破限制到宇宙之外(实验不会很理想,仪器可能漏掉某些粒子)

一个球壳作用于它物体中间的引力为零,中心无处不在。

膨胀变慢。

接收光量等于眼的面积除以所在位置球的面积。所以如果空间均匀分布,任何一个球壳的星体总亮度对中心来说相同。但是实际上夜空黑暗。(佯谬)

排除,宇宙有边,透明介质。错误在于,时间是有限有起点的。100亿年前,宇宙中任意两点的距离精确的为零,数学家称为奇点(大爆炸)

时间开始秘密就隐藏在夜空中。星星并没有永远照耀着天空。(半径厚度为10的13次方)(数学在意结果,物理在意过程)

膨胀的空气要冷却,宇宙在膨胀也要冷却。

原子物理的特征能量是10eV,核物理的特征能量是10MeV,粒子物理的为1GeV。宇宙学家用温度标记宇宙历史的时钟。

伽莫夫将量子物理用到原子核问题上。往前推算,宇宙温度为几个电子伏时,原子不复存在。一个电子伏大约是1W摄氏度。

To Page100 20:55 2019/3/19

From Page101 19:33 2019/3/20

回顾:宇宙膨胀,夜空黑暗引导出时间起点,再讲到宇宙温度,回溯宇宙起点。

质子和种子和一个原子核粘到一起形成另一个原子核的速率,伽莫夫根据以上数据计算了宇宙中元素的相对丰度。大体上胶的黏度相当于核反应率,减少激发的快慢相当于宇宙膨胀。在氦形成后不久,核合成就停止了。原子形成后,核就不在彼此靠近(电子云使两个核远离)。无核状态后引力将邻近的气体团拉到一起,形成星体,在形成星体时原子碰撞,电子打散,核过程释放大量能量,宇宙突然发出超过常规度量的光。氦+氦=铍,铍+氦=碳,生命基石产生。原始核合成与星体核合成的区别在于,原始条件下,膨胀的宇宙中核彼此远离,没有比氦更高的核。更高的原子诞生,互相结合,形成有机物,再实现生物层面的发展直至今日。

充满早期宇宙的辐射,其苍白的影子至今仍可看到。动量是粒子从一点到另一点能力的度量,如果空间在膨胀,那么给定粒子的动量将减小,原始光子现在的能量实际可以测量。伽莫夫和他的合作者估计了原始光子到现在的能量,在电磁能谱中,这个能量从超高能伽玛射线变到了微波,这些微波光子就是曾经光子的唯一遗存。

第三章:从虚无中出来的结构

从虚无中不可能造出质子和中子,长时间以来物理学家认为这个问题无法回答

物理过程只能把一个重子变成另一个,但不能使一个重子消失,重子也不能凭空出现。为什么中子质量比质子质量大一点,至今无好的解释。由于物质的存在,质子的寿命至少比宇宙年龄大百万倍。

一个粒子就有一个反粒子,狄拉克预言的一年内,正电子被发现。质子+质子→质子+质子+质子+反质子。重新更正说法:不可能改变宇宙的重子数

。物质从何而来的问题始终存在。

基本粒子大统一理论。四种基本力:电磁力,引力,强力,弱力。大统一理论语言,在能量约10的15次幂GeV的粒子碰撞时,强力,电磁力和弱力就变成同一个力。理论预言质子可以衰变为正电子和一个π介子。(王阳明格竹子,科学家格水。。。)大统一理论是推翻重子守恒的理论办法,也是能解释物质来源的关键。

时间的单向箭头,引力下宇宙膨胀,偏向物质。

to page127 20:32 2019/3/20

From page128 19:04 2019/3/21

回顾:宇宙起点引出宇宙物质从何而来,虚无是否能产生物质的解答,引出大统一理论。

大爆炸大约四千年,星系凝聚形成,标志宇宙中结构出现的第一步。牛顿找到结构产生的物理基础:引力的内在不稳定性而极大地区别于其他的力。电磁力使物质分布平滑,引力使物质聚在一起。

光子和原子的相互作用可以很强烈,但是和带电粒子的相互作用比起来是微弱的。在物理文献中原子的形成被说成是辐射和物质退耦合的信息。原子彼此吸引→原子团→发射光子带走能量→原子损失能量运动变慢→不能抵御引力内向拉力→塌缩(原子宇宙前电磁力主导,原子宇宙后引力主导)。

引力产生结构,电磁力把剩余能量带走。粒子安静后,强力使原子核彼此发生反应,引发核火,温暖了宇宙,有些核反应只能通过弱力进行所以极慢。星体中的核火能稳定进行,引力收集第一代死去星的抛出物,电磁力将能量从星体传给这些小物体,引起各种化学反应。天文学家普遍相信,第一批星体核星系同时产生。

估计原子组成涨落大小在0.1%~1%之间。科学家根据不同方向接收光子的特征能量机损出的涨落大小范围。观测值为十万分之一。

如果可以用拉伸或者挤压的办法把一个对象变成另一个对象,它们就是等价的。一个对象有几个洞就是它内在本质的度量。 运用矢量描述状态。在正常态区域,被超导态所环绕的相为涡旋。拓扑保证了涡旋的稳定性。某种带有一定能量的涡旋能够存在。涡旋大小由大统一理论的特征长度和质量尺度所决定。磁极能作为拓扑实体构造出来,在早期宇宙中大量产生。早期宇宙邻近的区域才有接触,根据统计定律估计出早期宇宙中单位体积重产生的磁极数,磁极一旦形成就不会消失。拓扑保证箭头方向不一致必行导致磁极,不同区域互不接触,箭头不一致,因此磁极必定存在。由于暴胀理论,在可观测的宇宙中最多有一对磁极。

To 151 20:03 2019/3/21

From P152 20:24 2019/3/26

回顾:四种力联合“表演”,宇宙之所以是今天这种样子是因为有四种力的互相作用;磁单极子存在,引出暴胀理论适用范围。

宇宙弦触发了原始涨落。这些弦极细但质量极大(100米长的一段弦,和月亮一样重)。宇宙弦会用引力把周围的物质拉向自己,当物质落向它时,它就成了星系的种子。当星系发出光时,通过弦旁会向弦弯曲,因此当观测到双影时,可能发现的是宇宙弦。拓扑学在发展基础物理学中被称为最后的呼唤的高维理论方面起着强有力的作用。

(为什么开头要讲鬼故事==)把星系中极大数量的星体作用于给定星体上的引力加起来,向内的引力比推出的所需引力要小,推测可能存在暗物质。测量两个星的运动就能决定暗物质是怎样分布的,暗物质是大致均匀分布在每个星系中,而不是集中在它们中心。星系中暗物质比所有星体的质量和还大(十倍)。暗物质是什么?如果是气体或细尘,那么久观测不到远处的天体物质;如果是黑洞,气体在冲向黑洞时会被激发而发射强辐射脉冲而被观测到;元素的相对丰度刚好组成所有观测到的星体,因此,暗物质是不发光的通常物质。候补粒子符合以下特征:在宇宙存在的长时间内稳定;一个使宇宙弥漫这种粒子的机制。暗物质能穿墙,没有电磁作用,也没有强作用,否则会感到墙中的原子核强力,它只有弱力和引力作用。泡利提出中微子应是无质量的。(所以这个中微子就是鬼故事的主角吗。。。)它满足暗物质粒子的三个判据:无质量因而不能衰变到质量更小的粒子,只有弱作用,不参加电磁作用因而不发光。最后,根据宇宙学,宇宙是充满中微子的。候选粒子应该是有质量的,否则它的能量将会红移到零。

wimp和带点质子与电子不同,它不和光子相互作用,他们在原子形成之前就因引力而聚集。宇宙中弥散基本均匀的暗物质分布,但是在这里或者那里,会有比周围密度高些的暗物质或暗物质块。暴胀的量子涨落能形成暗物质结块。

可见的星系都有一个涨开的暗物质球在其周围。

TO P176 21:23 2019/3/26

From P177 20:10 2019/3/27

回顾:暗物质与符合暗物质特征的粒子,中微子和假想的wimp。

假定中微子有小质量且暗物质由中微子构成,早期宇宙中中微子很快就被展平,特征块巨大。如果wimp质量是重的,那么在一定时期它们动的很慢,在时间进行中,由于引力,这些小块将聚成星系。两种假设的区别在于星系与星系团的年龄。

临界质量密度提供了测量宇宙质量密度的一个自然单位。观察到的暗物质近似地相当Omega=0.2。

第四章:引力的秘密

当由爱因斯坦引力理论所描述的经典引力和量子原则结合时,得到的量子引力是没有意义的。量子引力是不可重正的。引力在高能量时变得更强。加速器只能把质子加速到几百GeV。早期宇宙的某个时期,引力是最强的力。

量子涨落控制的短时间脉冲内,两个质子的能量很大,它们间的引力变得巨大。普朗克能量以上的物理是无知的。(将计算从完全瞎扯的水平提升到了完全不懂=_=)宇宙冷却到普朗克温度需要10的-44次方秒。

一个可能性是当收缩到一定程度时,宇宙会反弹并膨胀,从死亡中得到重生。但是在普朗克温度以上的物理我们一无所知,因此无法预测。

根据弦理论,粒子是小而又小的弦。弦的不同扭曲方式对应不同的粒子,所以弦理论包含无限多中粒子。弦理论中有个和引力子性质完全相同,所以统一了引力与三大力。

TO P207 21:12 2019/3/27

From P208 19:21 2019/3/28

回顾:普朗克能量带来的物理想象局限,超弦理论

弦理论不包括电子。格拉斯曼数,乘以它自己时等于零。超弦理论包含了引力子和其他力的基本粒子,但是这个理论也包含无限多的其他粒子。超弦理论只能在九维空间中才能表述。三维空间称为外空间,视野之外的空间为内空间。空间的真实维数是内空间加上3。

内空间的维数越多,越多种的力就会涌现出来。内空间是个圆,就出来电磁力。能得出的力的数目依赖于内空间有多对称。大统一力可以从卢卡查-克莱因理论作为引力的一部分得出。选择非对称的内空间可以避免其他多余的力。

探索高能量尺度时,可以用低能尺度的情况来理解。超弦理论认为真实的物理只在普朗克尺度。(纯粹思维推进物理)

爱因斯坦的方程:空间和时间的曲率=质量和能量的分布,修改之后:空间和时间的曲率+空间和时间的拉伸=质量和能量的分布。调节宇宙常数,得到静态的宇宙。事实是宇宙在膨胀,不存在宇宙常数。莫瑞盖尔曼:在量子物理中,凡不是戒律的都是规定。宇宙常数加了进来,但没有找到可以禁戒它加入的原理。

宇宙常数的自然期望值与计算值的不相符因子高达10的123次方,产生了一个佯谬。一些物理学家希望,一个未知的动力学能把宇宙常数推向零,并把它保持在那里。

宇宙背景成像装置观测结果,Omega=0.99加减0.12,在更高的精度上支持了暴胀模型。我们的宇宙只是更大宇宙的一瓣膜。(后面这个膜理论我已经看不懂了==)

(后面的注记我觉得可以当蹲坑读物了。。。全书告一段落)

主要讲了等价原理和其生活中的实例,接下来介绍时空相关知识。

从等价讲到原理讲到引力子和黑洞形成的原因,由红移现象引出宇宙膨胀动力学说。

宇宙膨胀,夜空黑暗引导出时间起点,再讲到宇宙温度,回溯宇宙起点。

宇宙起点引出宇宙物质从何而来,虚无是否能产生物质的解答,引出大统一理论。

四种力联合“表演”,宇宙之所以是今天这种样子是因为有四种力的互相作用;磁单极子存在,引出暴胀理论适用范围。

暗物质与符合暗物质特征的粒子,中微子和假想的wimp。

普朗克能量带来的物理想象局限,超弦理论。

总结:本书关键词“引力”。从爱因斯坦的等价原理,介绍了引力子,黑洞形成原因,红移现象推导的宇宙膨胀。宇宙的普朗克能量限制了理论进行的脚步,时间起点与物质起点将不能直接观测。引力与其他三种力的格格不入促使了弦理论,超弦理论与其他一些理论的诞生,但至今仍然找不到一个满意的模型来推演宇宙初始的模样,物理学家们在理论探索的路上还有许多未解之谜。

20:21 2019/3/28

(去除感冒发烧四天未看书,历时一星期,一共8小时。)

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