周三晚接娃下晚自习回家的路上,我问娃,为什么天空看起来是蓝色的?问他是因为周二下晚自习,他考我,汽车为什么看起来是红色的?他手上的矿泉水看起来又为什么是蓝色的,这不刚好看完这本书,趁热就给娃卖了卖,然后赢得娃一句,“你物理学得好好”:)
但在回答天为什么是蓝色时,娃一本正经的回答:“天之苍苍,其正色邪?其远而无所至极邪?其视下也,亦若是则已矣。”
我立马石化了,我都忘记回一句,“你语文学得好好!”我问,这话出处在哪,答曰:“逍遥游”。回头查这句话,发现我们的老祖宗也在思考这些有意思的问题。
今天把这本书剩下印象深的说说。总得来说,强烈推荐这本不可多得的物理书,可以当科普书来翻。看完之后,我觉得最大的好处,就是我们能理解很多日常看到的新闻,很多热点在这本书都有体现。
(1)本书从温室效应和能源使用开始作为序言,谈到热力学定律,谈到了氢能源的原理,并指出,与其把氢能源看成能源,不如把氢看成储能装置,我深以为然。实际上,至少我也认为氢能源小汽车没有太大前途(重卡、轨道交通除外,氢能源不太适合个体使用,而更适合集体使用,安全更好管控),因为这涉及整个能源系统的重塑,包括了加氢、储氢、运氢以及整个过程的安全用氢,同时还涉及既有利益格局的问题,比如我们已经在光伏能源上建立起来的优势,有没有必要再另起炉灶花大力气去整一个完全不同的技术路线,同时,这个技术路线是日本占据了大量优势的领域。但氢燃料电池作为备用电源具有很强的优势,相对来说,只涉及储氢问题,当然,运和制的问题也存在,但比起日常的小汽车这个场景要简单的多。而这本来也是NASA最早用氢能的场景。
(2)搞轨道交通的都会接触磁悬浮,看完自然会想,当把电转化为动能的时候,普通的旋转电机和利用电磁生成浮力和驱动力,到底哪一种以热的形式耗散掉的更多?作为磁浮原理的线圈用什么材料就显得很关键。
(3)很多人说目前科技停滞,所以生产效率能以提升,所以国与国之间竞争加剧。张笑宇甚至在他的《产业与文明》里提到地外采矿和核聚变才是未来能看到极大提高人类效率的两个方向。那么核裂变和核聚变有什么区别?核聚变会有那么好的前景吗?为什么现在的太阳能制氢不可行呢?
(4)前阵子,福岛核废水的排泄引起全球争议,甚至有位“大师”也吐槽中国政府以政治目的攻击日本,并列举了很多日本采取的安全措施和专家说法,事实真是如此吗?
(5)我们日常生活中的很多电器、电机,之所以效率低,是因为导体都有电阻,在通电的过程,包括传输的过程,以热的形式浪费掉了。核聚变发电也有类似的事情。我们提高能源利用效率,本质是减小这部分的浪费或这部分热量的利用。那么超导体来了,超导体怎么产生和应用?
类似这些方面的例子,在这本书里还有很多,很值得我们结合日常工作进一步去思考。当然,这本书因为面向没有学过高等数学的读者,所以,这本书在解释到微观世界和相对论的时候,有一些没太说明白,或者是我没有理解到位的。比如,海参堡测不准原理,虽然有公式,但不太能理解。我只能隐隐约约,感觉电子既是粒子,又是波,那么波在某个时刻是一个状态,而粒子则是相对确定的。由于波粒两者在微观世界的统一性,导致了这么一个两难现象,也就是我们要想知道他的位置,就不太能知道他的动能,要知道了他的动能,就不太能知道其精确位置。是不是如此,我估计今后继续往深了阅读,还有机会继续更好的理解。
这本书剩下还有四个部分。第三部分是电磁学;第四部分是波和光;第五部分是原子和原子核;第六部分是相对论和日常现象。
这本书电磁学只有三章,篇幅很小,不得不说是这本书的一个遗憾。如果说,科技或工业革命对我们影响最大,那无疑是第二次工业革命,也就是电的使用。但我依旧从这部分里get到以前没太理解到的点?(刚写到这儿的时候,我同事也说,他高中物理没学好,是因为新来的物理老师没经验。嗯,我则觉得我高中,包括大学的时候,无论是老师还是我们,都把精力放在解题上了,而没去问为什么?我们可能都是解题的小能手,但对于概念和背后机理的理解,甚至都没时间和念头去想一想,这或许也是我们教育普遍存在的不足)
01 电磁学和波
对于物理学来说,对波的理解可以延伸至整个自然世界的理解。
首先波不是一种物质(我们现在先认为物质和能量是两种东西,实际就是一回事),但波携带能量,波能使物质变形,说明波的能量可以转化为动能,从而对物质有力的作用。波分机械波和电磁波,机械波传播需要介质,电磁波的传播不需要。
坦白的说,我以前确实没太理解声音、电磁波是什么,但这本书有两幅图,一下子就能理解声音的本质和电磁波的本质。
声音的本质是振动产生波,这个波在空气中传播时,就类似波在绳索中传播类似,对空气压缩或稀释(把空气想象成弹簧),而这波通过空气再压缩耳膜,从而接收到声音,振幅是声音的高度,频率是声音的尖锐度。既然如此,声音在不同的介质中速度不一样,在空气中,如果温度不一样,空气分子的密度和运动速度不一样,也会导致速度不同。
而电磁波是“变化的磁场产生电流、变化的电流产生磁场”,无限循环下去的结果就是电磁波,这三者互相垂直,所以我们才可以用左手或右手定则来辅助记忆。
02光
光学这部分印象深的是望远镜和放大镜的原理,以及近视眼手术,理解近视眼手术为什么可能对夜视产生影响。手机屏幕、眼镜如何设计可以不反光,实际都需要一层一定厚度的膜材料,光在进入屏幕前后两次反射可以起到相消干涉作用,从而实现消除反光的作用。
其次是望远镜和放大镜,最早17世纪初在荷兰首先被发明出来,伽利略很快用望远镜观察到地球绕太阳转。现在阿斯麦的光刻机是我们芯片生产最大的短板,阿斯麦也是荷兰企业,不知道是不是跟荷兰光学制造有传统优势有关系。
03 原子和原子核
关于原子的认知首先来自化学家,他们发现了化学反应中的元素守恒,于是就猜测物质的底层是元素。再以后就发现化学反应的固定比例,门捷列夫做梦梦见了元素周期表,相关的猜测就开始了。现在我们知道物质的化学性质与物质最外层的电子数目有关。
关于原子和原子核内部结构,都来自实验结果的猜测和检验,目前的技术水平看不到原子内部结构。物理学家通过散射实验,也就是用高速的微粒子去轰击原子,根据实验结果来猜测其内部结构。最近些年关于这方面的新闻是杨振宁老先生反对我们国家花巨资去建大型粒子轰炸机。
这本书关于电子跃迁、光能量子化说得不是很多。但比较精彩的是详细讲述了原子弹和核反应堆的原理。看完,我们能清楚,福岛核电站泄露到底应该如何看待。放射性对于人体的危害,这个事目前在科学界也是有争议的。但福岛核泄漏,并非地震直接造成,而是地震引发海啸,海啸引发海水破坏了冷却堆的柴油发电机,导致冷却堆关闭后,无法冷却,最后反应堆过热导致核泄漏。所以,这个核废水的辐射比起冷却蒸汽发电的冷却水,污染大多了。有的专家认为,经过了长期稀释,核废料的含量较低,对身体无害。但这本书在这儿并没有给出明确解答,只是批评日本人当时为了保住发电设备,没有及时用海水来冷却反应堆(也就是下图中的燃料部分,也就是核反应堆)
核聚变和核裂变相比,核聚变利用高温高压,让更轻的原子核互相碰撞聚合成更重的原子核,并释放热量。核聚变因为反应可控,也不会产生核废料,所以是未来理想的能源产生形式,有点类似大家觉得氢能源也比较理想差不多,但这两者目前的净能源(从太阳能制氢)产出还达不到零,所以商业化应用尚有距离。去年曾报道了美国做出了核聚变的突破技术。
04相对论
相对论分狭义相对论和广义相对论,狭义相对论说的是不同惯性参考系之间的观测下,时间和质量都会发生变化。广义相对论则进一步引申,将参考系扩展到非惯性系。
狭义相对论最著名的两个例子,就是爱因斯坦的头脑实验。就是两个观测者,一个在飞船上,看飞船中间的光到达飞船两端的时间是一样的;但站在地球上的观测者,看到的时间是不一样的。所以爱因斯坦提出,不同的惯性参考系下,会发生时间膨胀效应和质量膨胀,甚至还有长度膨胀。一句话,飞船里的人的时间和地球上的时间不一样。这就颠覆了我们传统对时间的观念。那么继而引出一个有意思的孪生悖论。双胞胎姐妹,如果一个在远离地球的飞船上高速旋转,一个在地球上,有没有可能等天上那个回来的时候,发现妹妹是个老太太,而她还是个少年?但如果我们反过来,把飞船当参照系,那地球就在高速运动,那结果又应该反过来。这个悖论是物理学家郎之万来反驳爱因斯坦的狭义相对论的。后面的故事也很精彩,大家可以百度去搜索(双生子佯谬_百度百科 (baidu.com)。
不得不说,古人很厉害。我们很小看西游记,就知道“天上一日地上一年”,而不是反过来,天上一年地上一日,也不知道古人是如何想象到的?
广义相对论里,牛顿的三大定律都需要做出相应修正。涉及到比较复杂的数学问题,本书也只是说说了结果。比较复杂,所以,打算等以后看完高数后再找相关的书来看。
除了相对论以下,日常现象部分讲了半导体和超导体。嗯,物理学的很多东西对我们影响太大,这部分的内容今后还需要结合高等数学继续理解。
这本书陆陆续续看了两年,最近重新翻了一遍,算正式把这本书翻完,并就此笔记。
后续翻《费曼物理学讲义》。