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与爱因斯坦共进早餐

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本书作者:查德·奥泽尔 (作者), 胡小锐 (译者)

在普通人眼中,量子物理学的世界往往深奥得不可救药,让非专业人士望而生畏。经典物理学向我们解释了为什么一个球会滚下山坡,为什么一架飞机能飞上天空,等等;量子物理学告诉我们的则是粒子的波动性、鬼魅般的超距作用、薛定谔的猫、黑洞和时空弯曲。但无论你相信与否,即使最普通的日常活动也深受抽象而奇异的量子物理学的影响。

以上是读后感,我的学习笔记如下

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与爱因斯坦共进早餐(原汁原味地保留科学理念;让相对论、量子力学等抽象概念变得“接地气儿”)

卧室外面的走廊还很暗,烟雾探测器的状态指示灯在墙上投下微弱的光。 P4

与爱因斯坦共进早餐 科学与自然电子书 第1张

虽然物理学家与物理学的普及者已经成功地让这些抽象和看似奇怪的概念融入了流行文化,但在某种程度上,我们也是这种成功的受害者。 P5

即使是最普通的活动,例如我们每天早晨的常规活动,只要我们稍加挖掘,就会发现它们基本上也是量子现象。 P6

一个原子包含一个带正电荷的原子核,原子核内部有质子和中子,外部则排布着受原子核的电磁力吸引的电子。 P18

如果只有质子存在,那么大量正电荷之间的排斥力会导致恒星瞬间爆炸。 P19

但是,如果它从我们的生活中消失,那么我们肯定会察觉到,因为在我们接触的所有事物中,有99%都与它有关。 P20

根据电磁学,这些正电荷会相互排斥,产生可令原子核爆炸的巨大作用力。 P21

太阳产生数量惊人的中微子(在地球上可被探测到),通过测量这些太阳中微子,我们就可以了解在太阳核心发生的核反应和中微子的属性。 P28

我们在地球上看到的各种各样的物质——岩石、矿物质、可呼吸的空气、植物和动物——都是由死亡恒星的灰烬通过4种基本相互作用形成的。 P29

标准模型中的粒子还有等价反物质——质量相同但电荷相反的粒子——当一个粒子遇到它的等价反物质时,二者就会相互湮灭,将质量转化为高能光子。 P30

如果你加热大块材料(无论是什么材料),只要温度足够高,它就会开始发光,先是红色,然后是黄色,之后是白色。 P34

几百年后,同样是这个简单而普遍的行为,给了阿尔伯特·爱因斯坦不一样的启发,建立了广义相对论(到目前为止,它仍然是最好的引力理论)。 P35

当然,我们还需要了解一些背景知识,看看经典物理学是如何解释光、热和物质的。 P37

这对任何波源都适用,比如,游乐场造浪池中的复杂波浪就是据此制造的,“降噪”耳机则是基于声波的相消干涉发明的。 P38

1900年,马克斯·普朗克找到了一个可以将两者结合起来的数学函数,终于使预测结果与观测数据取得一致。 P44

瑞利–金斯模型在解决热辐射问题时依据的是一个非常简单的思想,就是麦克斯韦和玻尔兹曼用来描述气体的热性质的均分概念:先测算热能的值,然后按照光的不同频率平均分配。 P45

在一个盒子上钻一个小孔,只要这个小孔相较盒子的尺寸足够小,任何进入的光线就极不可能立即返回,相反,它会在盒子里反弹多次才能逃逸(前提是它没有被盒子吸收)。 P46

用我们熟悉的日常事物打个比方,这个盒子就像乐器的弦。 P47

波长是指从初始状态上升至波峰,然后下降到波谷,再回到初始状态的距离。 P48

但是,琴弦两端或盒壁反射的大量波,它们之间会发生相消干涉,在极短的时间内消除大部分波长,而只留下那些与驻波模式对应的波长。 P49

振子数量与辐射通量的此消彼长,正好形成了黑体辐射的可观测的光谱峰值:在波长较长的区域,振子数量的增加速度比每个振子辐射通量的减少速度快,因此总的辐射通量不断增加直至峰值,之后逐渐减少直到零。 P53

天文学家只需测量出遥远恒星和气体云的光谱,就可以利用普朗克公式确定它们的温度。 P54

如果单个光子的能量超过被照射材料的特征能量,即所谓的“逸出功”,每个光子就可以帮助一个电子摆脱束缚,电子会带走光子的剩余能量。 P67

密立根的实验对金属表面的污染以及因不同金属间的接触而造成的小的电压偏移非常敏感,但密立根及其团队/发现并解决了所有这些问题。 P68

从严格的技术意义上说,直到1977年,/人们才找到了关于光子存在的不容置疑的实验证据,但实际上,光的粒子性早在1930年前后就被公认为量子物理学的一部分。 P69

地球的轨道运动使得这两种计时方法都有一定的复杂,但由于人们已经密切追踪了这些模式几千年,因此只观察太阳和恒星就可以相当准确地计时。 P77

机械时钟对制造过程中的小差异很敏感,钟摆形状的微小变化都会导致两个时钟的走时略有不同。 P78

19世纪早期,阿拉戈证实了光具有波动性,几乎在同一时间,其他物理学家通过研究不同物质发出的光,也取得了一些发现。 P80

普朗克在19世纪末指出黑体辐射光谱仅与温度有关,而火焰光谱则非常敏感地取决于被加热的元素:每种元素只能发出特定波长的光,并形成非常狭窄的线。 P81

与爱因斯坦共进早餐 科学与自然电子书 第2张不过,物理学家只有对频率的可靠性充满信心,才能确保这一想法具有真正的吸引力,为此他们必须了解原子是如何产生这些谱线的,以及如何根据物理定律确定它们的频率。 P82

1909年,卢瑟福已经是物理学界的一位重要人物,他因为1898—1907年在蒙特利尔的麦吉尔大学进行的一项研究而成为1908年的诺贝尔化学奖得主。 P84

他利用镭放射性衰变产生的α粒子轰击金箔,然后通过少数粒子在穿过金箔时发生的角度偏转,推断物质结构的详细信息。 P85

卢瑟福几乎立即认识到这个问题:除非原子内部的正电荷不是弥散的,而是集中的(也就是说,带正电荷的原子核包含了原子的绝大部分质量),否则马斯登和盖革的惊人发现就无法解释。 P86

我床头的那个廉价闹钟没有联网,它从墙上插座的交流电中获取时间信号,每秒钟电流都会在高压与低压之间来回振荡60次。 P98

由于光在不同介质中的传播速度不同,因此当光从一种介质进入另一种介质(例如,从空气进入玻璃)时,它的波长就会发生变化,但振荡频率保持不变。 P99

通过互联网,我们可以购买音乐和电影,订购各种送货上门的商品,与远方的亲朋好友分享信息和照片。 P100

现在,大多数远程网络流量都是由沿玻璃纤维传输的光脉冲承载的,如果不了解量子物理学,我们就不可能利用激光产生这些脉冲。 P101

不过,在那短短的一个月内,欧洲和北美洲之间不再需要借助横跨大西洋的船只并且等上数周来交流信息。 P102

从概率的角度思考这个简单的原子–光子相互作用模型,爱因斯坦发现了一笔物理学的宝贵财富。 P110

例如,如果将一块高温金属放到冷水中,一开始系统的状态会变化得非常快,金属冷却,水温升高。 P111

普朗克的黑体光谱量子公式是将量子概念应用于光的自然产物,这一事实为证明光子的存在提供了强有力的证据。 P112

爱因斯坦还利用他的统计模型指出,自发发射率、受激发射率和吸收率之间存在一种简单直接的关系。 P113

但就本书而言,爱因斯坦1917年进行的光子研究中最重要的部分是,它引入了受激发射的概念。 P114

这台激光器使用氙气闪光灯实现粒子数布居反转:突然闪现的明亮的白光脉冲将铬原子激发到高能态,其中一些铬原子在5毫秒(按照原子物理学的标准,这算很长时间了)后下降至某个能态。 P121

在物理学领域,激光器是精密测量的重要工具。 P122

在施工测量中使用的窄激光束可以在适度的距离范围内提供水平基准线,大大简化了楼层地面的施工工序。 P123

而且,没有激光的话,现代光纤技术就不可能实现。 P125

最新的跨大西洋光纤链路于2017年建成,传输数字数据的速度为160万亿比特/秒,是1987年的光纤电缆的50多万倍,是1858年的第一条跨大西洋电报电缆的1 000万亿倍以上。 P126

1997年的诺贝尔物理学奖得主是:斯坦福大学的朱棣文(Steve Chu,美国第12任能源部部长),巴黎高等师范学院的克劳德·科恩–坦诺奇(Claude Cohen-Tannoudji),我的博士论文导师、马里兰州国家标准与技术研究所的比尔·菲利普斯(Bill Phillips)。 P127

其中较为流行的是“形状理论”,它认为,不同类型的受体分子会对被探测分子中原子的三维排列方式做出响应;而“振动理论”则认为,受体分子通过分子的运动方式来区分目标分子,特定分子内原子的振动频率受该分子的特征频率及其原子排列方式的影响。 P132

1870年前后,正在编写一本教科书的门捷列夫决定绘制周期表,作为该教科书的组织框架。 P133

一些小的迹象表明,他对这种周期律的理解是不完整的,尤其是碲和碘。 P134

在门捷列夫发明元素周期表后的几十年里,许多发现都为原子基本结构的相关研究提供了线索,原子的周期性行为由此凸显出来。 P135

莫塞莱对尽可能多的物质进行了系统研究,他发现,对在周期表中位置明确的所有元素而言,测得的能量都与玻尔模型的预测高度匹配。 P136

到20世纪20年代初,人们已经十分确定元素的化学性质是由电子壳层决定的,每个电子壳层可容纳的电子数都有上限,而且这些电子携带的能量相等。 P137

在一个有名的故事中,沃尔夫冈·泡利与他的一位同事在街上偶遇,这位同事问泡利为什么他看上去闷闷不乐,泡利答道,“当一个人在思考反常塞曼效应的问题时,他怎么可能快乐呢?”无论是在玻尔–索末菲模型还是在现代量子力学中,添加l和m值的最终结果都是,原子有一组“简并”态/电子,其n和l值完全相同,因此能量也完全相同。 P141

1924年,曾是索末菲学生的沃尔夫冈·泡利通过大胆探索,解决了这些难题。 P142

在整个20世纪20年代,他对量子力学的发展起到了至关重要的作用,不仅做出了直接贡献,还成为研究量子物质的物理学家间的通信网络的关键节点。 P143

氦原子的第二个电子,n、l、m的取值与氢的电子相同,因此能量也相同,但它的第四个量子数取的是另一个可能值。 P144

目前还有很多化学难题,即使计算简单分子的结构,可能也是一项艰巨的计算方面的挑战。 P157

用l和m来表示这两个新整数有点儿背离历史,玻尔–索末菲理论中使用的真正数字有不同的名称,而且是相互关联的。 P158

其中最著名的悖论之一是,指出运动是一种错觉,因为所有的运动都需要无穷多的时间。 P159

更倾向于运用数学方法解决这个悖论的思想家指出,每当距离减半,走完这段距离所需的时间也会减半。 P160

要防止固体因内爆不复存在,就需要一些额外的因素增强粒子紧密结合时的能量,以确保某个尺寸的最小能量。 P161

这被称为“振铃”,因为它是音乐中的常见现象,当两件略微走调的乐器试图演奏完全相同的音调时,就会产生不和谐的振铃噪声。 P172

另一方面,减少可能波长的数量,以便更好地定义动量,但这必然会使波包变宽,并增加位置的不确定性。 P173

根据定义,束缚电子或多或少都会被限制在原子核周围的一个小空间区域内。 P174

事实上,电子的动能是核物理学领域的一个重要历史问题。 P175

单个原子的计算非常简单,可作为留给物理学专业本科生的作业,但一旦添加了第三个带电粒子,就不可能利用纸笔计算出能量的确切值,而至多有可能计算出近似解和做出数值模拟。 P176

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