第一篇：物理學(xué)中的數(shù)學(xué)故事

物理學(xué)中的數(shù)學(xué)故事

【摘要】物理學(xué)研究的范疇，決定了物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系遠(yuǎn)遠(yuǎn)親密于其他學(xué)科。物理學(xué)里同樣出現(xiàn)了不少的趣事。物理名人阿基米德的故事。

【關(guān)鍵詞】物理 數(shù)學(xué) 故事 關(guān)系

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，也是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。

在物理學(xué)的領(lǐng)域中，研究的是宇宙的基本組成要素：物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間及它們的相互作用；借由被分析的基本定律與法則來完整了解這個(gè)系統(tǒng)。物理在經(jīng)典時(shí)代是由與它極相像的自然哲學(xué)的研究所組成的，直到十九世紀(jì)物理才從哲學(xué)中分離出來成為一門實(shí)證科學(xué)。

物理學(xué)與其他許多自然科學(xué)息息相關(guān)，如數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物和地理等。特別是數(shù)學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)?；瘜W(xué)與某些物理學(xué)領(lǐng)域的關(guān)系深遠(yuǎn)，如量子力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)，而數(shù)學(xué)是物理的基本工具，地理的地質(zhì)學(xué)要用到物理的力學(xué)，氣象學(xué)和熱學(xué)有關(guān)等等。那么，物理與數(shù)學(xué)的具體關(guān)系是怎樣的呢？

物理的開山鼻祖伽利略曾經(jīng)對物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系作了極為經(jīng)典的論述：物理科學(xué)必須以數(shù)學(xué)為工具，但是物理不能僅僅依賴于數(shù)學(xué)，物理理論的最終決定權(quán)要靠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。由此我們可以看到物理與數(shù)學(xué)的聯(lián)系與區(qū)別：物理使用數(shù)學(xué)，但同時(shí)物理為數(shù)學(xué)的發(fā)展提供里絕好的空間。作為真正的物理學(xué)家，不會(huì)被數(shù)學(xué)所束縛，而是在物理的研究過程中為數(shù)學(xué)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，最典型的事例：牛頓為研究物體的即時(shí)運(yùn)動(dòng)情況建立了微積分，傅立葉對熱的研究方法開創(chuàng)了現(xiàn)代數(shù)學(xué)物理方法，愛因斯坦的廣義相對論方程刺激了數(shù)學(xué)家。數(shù)學(xué)與物理相輔相成，共同促進(jìn)相互間的發(fā)展。

物理學(xué)在其發(fā)展壯大的過程中，出現(xiàn)了一大批著名的物理學(xué)家。這些物理學(xué)家從物理學(xué)中走出來的，物理學(xué)的進(jìn)步也少不了他們的無私奉獻(xiàn)。著名的物理學(xué)家，比如：阿基米德、伽利略、牛頓、愛因斯坦、法拉第、………這些偉大的人物背后，必然會(huì)有許許多多的故事。

阿基米德(Archimedes，約公元前287～212)是古希臘物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，靜力學(xué)和流體靜力學(xué)的奠基人。

除了偉大的牛頓和偉大的愛因斯坦，再?zèng)]有一個(gè)人象阿基米德那樣為人類的進(jìn)步做出過這樣大的貢獻(xiàn)。即使牛頓和愛因斯坦也都曾從他身上汲取過智慧和靈感。他是“理論天才與實(shí)驗(yàn)天才合于一人的理想化身”，文藝復(fù)興時(shí)期的達(dá)芬奇和伽利略等人都拿他來做自己的楷模。

從洗澡的故事說起

關(guān)于阿基米德，流傳著這樣一段有趣的故事。相傳敘拉古赫農(nóng)王讓工匠替他做了一頂純金的王冠，做好后，國王疑心工匠在金冠中摻了假，但這頂金冠確與當(dāng)初交給金匠的純金一樣重，到底工匠有沒有搗鬼呢？既想檢驗(yàn)真假，又不能破壞王冠，這個(gè)問題不僅難倒了國王，也使諸大臣們面面相覷。

后來，國王請阿基米德來檢驗(yàn)。最初，阿基米德也是冥思苦想而不得要領(lǐng)。一天，他去澡堂洗澡，當(dāng)他坐進(jìn)澡盆里時(shí)，看到水往外溢，同時(shí)感到身體被輕輕拖起。他突然悟到可以用測定固體在水中排水量的辦法，來確定金冠的比重。他興奮地跳出澡盆，連衣服都顧不得跑了出去，大聲喊著“尤里卡！尤里卡！”。(Fureka，意思是“我知道了”)。

他經(jīng)過了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)以后來到王宮，他把王冠和同等重量的純金放在盛滿水的兩個(gè)盆里，比較兩盆溢出來的水，發(fā)現(xiàn)放王冠的盆里溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的體積比相同重量的純金的體積大，所以證明了王冠里摻進(jìn)了其他金屬。

這次試驗(yàn)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過查出金匠欺騙國王，阿基米德從中發(fā)現(xiàn)了浮力定律：物體在液體中所獲得的浮力，等于他所排出液體的重量。一直到現(xiàn)代，人們還在利用這個(gè)原理計(jì)算物體比重和測定船舶載重量等。

“假如給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能推動(dòng)地球”

阿基米德不僅是個(gè)理論家，也是個(gè)實(shí)踐家，他一生熱衷于將其科學(xué)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于實(shí)踐，從而把二者結(jié)合起來。在埃及，公元前一千五百年前左右，就有人用杠桿來抬起重物，不過人們不知道它的道理。阿基米德潛心研究了這個(gè)現(xiàn)象并發(fā)現(xiàn)了杠桿原理。阿基米德曾說過：“假如給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能推動(dòng)地球?！?/p>

當(dāng)時(shí)的赫農(nóng)王為埃及國王制造了一條船，體積大，相當(dāng)重，因?yàn)椴荒芘矂?dòng)，擱淺在海岸上很多天。阿基米德設(shè)計(jì)了一套復(fù)雜的杠桿滑輪系統(tǒng)安裝在船上，將繩索的一端交到赫農(nóng)王手上。赫農(nóng)王輕輕拉動(dòng)繩索，奇跡出現(xiàn)了，大船緩緩地挪動(dòng)起來，最終下到海里。國王驚訝之余，十分佩服阿基米德，并派人貼出告示“今后，無論阿基米德說什么，都要相信他?！?/p>

在這些故事背后，又隱約看見了，數(shù)學(xué)計(jì)算…不錯(cuò)，這些正是物理依賴、使用數(shù)學(xué)的體現(xiàn)。微積分在物理學(xué)中的應(yīng)用極其廣泛，比如.麥克斯韋方程組的積分式。

綜合以上論述，不難發(fā)現(xiàn)：各學(xué)科內(nèi)部有著或多或少的與其相適應(yīng)的有趣故事，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)：物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系極其密切，數(shù)學(xué)在物理學(xué)上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，物理對數(shù)學(xué)的依賴性強(qiáng)。甚至，推廣地說，各學(xué)科間的關(guān)系都是密不可分，總是相輔相成！參考文獻(xiàn)

（1）中國教師百科全書 物理（2）論物理與數(shù)學(xué)關(guān)系（3）物理故事（4）物理名人集

（5）新概念物理教程 熱學(xué)

第二篇：物理學(xué)中的人文精神

物理學(xué)教會(huì)我人文精神

摘要：人文精神的內(nèi)涵，物理學(xué)中人文精神的光輝：科學(xué)家高尚的情操、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)道德、勇于探索真理的人生觀、高尚的思維品質(zhì)。物理學(xué)的人文精神對當(dāng)代教與學(xué)的影響與意義：

1、物理的教與學(xué)的過程中注重人文精神的滲透，2、物理的考試考察中，關(guān)注人文精神的提高 主題詞：物理學(xué) 人文精神

《辭?！方忉屨f，“人文”今指人類社會(huì)各種文化現(xiàn)象。精神，首先它是一種觀念，一種思想，然后是能夠堅(jiān)持某種觀念的一種勇氣，人類的一切活動(dòng)都是處理人和物之間的關(guān)系的，主體是人。人文精神是指關(guān)注人，尊重人格和人性，以人為中心來看待世界事物的一種思想態(tài)度。體現(xiàn)在人能否正確對待自我、他人、社會(huì)和自然。是人類不斷完善自己、發(fā)展自己、提升自己，使自己從“自在”狀態(tài)過渡到“自為”狀態(tài)的一種本事。

物理學(xué)博大精深，通過幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)和基礎(chǔ)教育的實(shí)踐，本人在領(lǐng)略物理這個(gè)自然學(xué)科的科學(xué)魅力的同時(shí)，更被物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程中所蘊(yùn)含的人文精神深深吸引。下面，本人就自己的學(xué)習(xí)與教學(xué)的體會(huì)和感悟，淺談人文精神的內(nèi)涵及對我們?nèi)松^、世界觀和科學(xué)觀的影響：

一、人文精神的內(nèi)涵

根據(jù)人文精神的特定蘊(yùn)藏及其歷史性、時(shí)代性和民族性，人文精神應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）以人為本的主體思想。重視人的主體性，注重開發(fā)人的智慧和潛能，不斷發(fā)掘人的創(chuàng)造精神，把重視人的自身發(fā)展與重視社會(huì)發(fā)展和諧統(tǒng)一起來。

（2）創(chuàng)新精神。創(chuàng)新意識、創(chuàng)新情感、創(chuàng)新思維等構(gòu)成的創(chuàng)新人格及創(chuàng)新能力。

（3）道德意識。包括人口道德、環(huán)境道德、資源道德等，人是社會(huì)的人，人必然存在于個(gè)人與他人、個(gè)人與社會(huì)的復(fù)雜關(guān)系之中，要實(shí)現(xiàn)群體指向和個(gè)人意識，就必須確立某種準(zhǔn)則和價(jià)值取向來調(diào)整處理彼此關(guān)系，對于道德追求和完善也就必然成為人的自覺精神需要

（4）社會(huì)責(zé)任感。培養(yǎng)國家意識，熱愛自己的國家，熱愛祖國的大好河山，維護(hù)國家尊嚴(yán)和利益，為國家的昌盛，國民的素質(zhì)的提高。

（5）平等觀念。勇于追求真理，敢于堅(jiān)持和捍衛(wèi)真理，樹立真理面前人人平等的觀點(diǎn)。反對專制與獨(dú)裁，敢于質(zhì)疑，具有懷疑精神和證偽精神，不迷信權(quán)威，尊重每一個(gè)人的人格，維護(hù)作為人應(yīng)該具有的權(quán)利。

二、物理學(xué)中人文精神的光輝

1、物理學(xué)史中科學(xué)家高尚的情操

瑪麗·居里和她的丈夫?qū)︹櫤外櫟母鞣N礦石進(jìn)行了深入的研究，并且發(fā)現(xiàn)了兩種放射性很強(qiáng)的新元素?，旣悺ぞ永餅榱思o(jì)念她的祖國波蘭，把其中一種元素命名為釙，另一種命名為鐳。瑪麗·居里本可以獲得巨額財(cái)富，但是，她卻把個(gè)人待遇置之度外，想到的則是如何能夠?yàn)槿祟惙?wù)。1921年5月20日，美國總統(tǒng)哈定在白宮舉行向居里夫人贈(zèng)鐳儀式。緣由是美國著名女記者麥隆內(nèi)夫人在1920年5月采訪居里夫人時(shí)，問居里夫人：“若把世界上所有的東西任你選，你最愿意要什么?”居里夫人說：“我需要一克鐳，以便繼續(xù)我的研究，但是，我買不起，鐳的價(jià)格太高了?！丙溌?nèi)夫人組織美國婦女捐款10萬美元，從美國制造商手中購買了一克鐳，贈(zèng)與居里夫人。居里夫人接受捐贈(zèng)后說：“這一克鐳代表了一筆巨款。在我活著的時(shí)候，我將完全用它作科學(xué)研究。那么在我死后，我愿意把它算作贈(zèng)與我的實(shí)驗(yàn)室的禮物。”

科學(xué)家研究出了成果后，想到的是自己的祖國，想到的是為全人類服務(wù)，科學(xué)家在研究過程中把死的威脅留給自己，把生的希望留給別人。

還有，像伽利略以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)向權(quán)威挑戰(zhàn)的故事；布魯納用生命捍衛(wèi)真理的故事；塞曼與洛侖茲互相支持與合作；菲涅耳、夫瑯和費(fèi)、馬呂斯、楊氏，各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果互相補(bǔ)充、互相支持，完善了光學(xué)理論，為人類作出巨大的貢獻(xiàn)的事例，無不表現(xiàn)了物理學(xué)家高尚的愛國情操和無私的合作與奉獻(xiàn)精神。

2、物理知識的完整美，折射出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)道德

在19世紀(jì)60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論，預(yù)言了電磁波的存在。這個(gè)理論，麥克斯韋本人未能證實(shí)，因而這個(gè)理論很久都未得到科學(xué)界的承認(rèn)。高度抽象的麥克斯韋方程僅僅幾個(gè)公式，幾個(gè)數(shù)學(xué)符號，就包羅了電荷、電流、電磁、光等自然界一切電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，這在一般人看來太不可思議了。到1868年，德國科學(xué)家赫茲進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波，科學(xué)界才把“自牛頓以后，世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”的桂冠授予逝世9年的麥克斯韋。任何理論應(yīng)該有可靠、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的嚴(yán)格論證。這是研究物理具有的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)道德。

3、科學(xué)家們探索真理的感人事跡，表現(xiàn)出勇于探索真理的人生觀。

牛頓在1687年出版了他的名著《自然哲學(xué)的教學(xué)原理》。在這部著作中，牛頓提出了三條運(yùn)動(dòng)定律，這三條定律總稱為牛頓運(yùn)動(dòng)定律，是整個(gè)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。課本在進(jìn)行歷史回顧時(shí)講到：古希臘的哲學(xué)家亞里士多德的觀點(diǎn)是必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)，沒有力的作用，物體就要靜止下來。而這個(gè)錯(cuò)誤的論點(diǎn)，在兩千年內(nèi)，一直無人指出。直到十七世紀(jì)，意大利著名物理學(xué)家伽利略才根據(jù)實(shí)驗(yàn)指出：設(shè)想沒有摩擦，一旦物體具有某一速度，物體將保持這個(gè)速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。

伽利略滿腔熱情地進(jìn)入大學(xué)后，一些教授平平庸地講：“我要教給你們的，都是自古以來就認(rèn)為正確無誤的，都是寫在亞里士多德書上的”.“大家要熟背、默記下來”等等。伽利略的讀書方法是自己思考、自己實(shí)驗(yàn)、自己證實(shí)。敢于指出權(quán)威的不對，伽利略敢于提出自己的新的正確的見解。愛因斯坦這樣評價(jià)伽利略：伽利略對科學(xué)的貢獻(xiàn)就在于毀滅直覺的觀點(diǎn)，而用新的觀點(diǎn)來代替它。牛頓在伽利略等人的研究基礎(chǔ)上，并根據(jù)他自己的研究，系統(tǒng)地總結(jié)了力學(xué)的知識，提出了三條運(yùn)動(dòng)定律。牛頓曾說：“如果說我見到的比笛卡爾要遠(yuǎn)一點(diǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟系木壒?。?/p>

可見，科學(xué)研究需要前赴后繼，需要虛心學(xué)習(xí)前人的研究成果，科學(xué)家們?yōu)樘剿髡胬?，嘔心瀝血，但他們卻淡泊名利。我們今天不但要努力學(xué)習(xí)知識，我們還要學(xué)習(xí)科學(xué)家們在科學(xué)研究中的前赴后繼，敢于質(zhì)疑，勇于探索，淡泊名利的精神。虛心向老師和同學(xué)學(xué)習(xí)，刻苦鉆研。

4、物理學(xué)家的思維品質(zhì)，是人類思維活動(dòng)的標(biāo)桿

高中物理課本在推導(dǎo)機(jī)械能守恒定律時(shí)，通過動(dòng)能定理，重力做功與重力勢能的關(guān)系，得出機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式：mv12/2+mgh1=mv22/2+mgh2，該守恒定律又可寫為：Ek1+EP1=Ek2+EP2，我們還可更簡潔的寫為E1= E2，ΔE=0，天衣無縫的簡潔美！再看動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式: m1v1+ m2v2= m1v1’+ m2v2’，可寫為P1+P2 = P1’+P2’，P1 =P2，ΔP=0。比較機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律兩數(shù)學(xué)表達(dá)式，使學(xué)生感受到相似美。

開普勒發(fā)現(xiàn)行星沿橢圓形軌道繞太陽運(yùn)動(dòng)，伽利略發(fā)現(xiàn)發(fā)射的炮彈、拋出的石子沿拋物線軌道運(yùn)動(dòng)，因此，關(guān)于圓錐曲線的進(jìn)一步研究，成為人們的迫切需要，用代數(shù)方程把曲線表示出來，笛卡爾和另一位法國數(shù)學(xué)家費(fèi)爾馬建立了解析幾何學(xué)。心靈中獨(dú)特的思維方式對科學(xué)研究起了重要作用。

三、物理學(xué)的人文精神對當(dāng)代教與學(xué)的影響與意義

1、物理的教與學(xué)的過程中注重人文精神的滲透

（1）以人為本，加強(qiáng)物理思想與方法的教學(xué)?，F(xiàn)行教材徹底改革過去陳舊的教法和手段，把學(xué)生放進(jìn)教學(xué)主體中去，采用“探究導(dǎo)學(xué)”的教學(xué)方法。學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從學(xué)習(xí)生活和社會(huì)生活中選擇并確定研究專題，用類似科學(xué)研究的方式，主動(dòng)地獲取知識、應(yīng)用知識，解決問題的學(xué)習(xí)活動(dòng)。“探究導(dǎo)學(xué)”是獨(dú)立學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)的結(jié)合在探究過程中，需要個(gè)體研究、小組或集體探討相結(jié)合，需要他人的協(xié)作；需要彼此尊重、理解，需要容忍；需要講求表達(dá)傾聽與說服他人的方式、方法?！疤骄繉?dǎo)學(xué)”倡導(dǎo)的是一種主動(dòng)的、體驗(yàn)的、發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

（2）加強(qiáng)審美意識在物理學(xué)中的權(quán)重。物理教材各章節(jié)的語言描述、精美圖片、段與節(jié)的名稱選擇皆注重了感召力與趣味性如第二章“運(yùn)動(dòng)的世界”用詩人的語言的韻律和意境贊美運(yùn)動(dòng)；圖片“海市蜃樓”、“趙州橋的倒影”等令人神往；三峽大壩、北京天壇圜丘、明代的“水輪三事”令人自豪。

（3）增加各種社會(huì)意識，加強(qiáng)對學(xué)生的思想教育。在學(xué)習(xí)慣性知識和安全用電時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識；講能的開發(fā)和利用，噪聲的危害和控制時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識；講能的開發(fā)和利用、機(jī)械效率時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的經(jīng)濟(jì)意識、效率意識；講功的原理、能量守恒定律時(shí)，補(bǔ)充介紹一些科學(xué)工作者研究水動(dòng)機(jī)的故事，培養(yǎng)學(xué)生遵循自然規(guī)律辦事的意識推至人類社會(huì)。人是社會(huì)動(dòng)物，就要遵循一定的社會(huì)規(guī)律和與社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)的社會(huì)準(zhǔn)則，在社會(huì)行為、態(tài)度傾向和價(jià)值觀等方面，與社會(huì)保持一致，這也是學(xué)生今后所在社會(huì)群體具有穩(wěn)定性所必須的。

（4）理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用。教材上的演示實(shí)驗(yàn)和課后的小實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手的習(xí)慣，如擦皮鞋的學(xué)問、拍打衣服上灰塵的道理，騎自行車上坡走“S”形路線的道理，如何從地圖上測出上海到天津鐵路線的長等。學(xué)習(xí)了光的折射，能解釋海市蜃樓；學(xué)習(xí)了電學(xué)、聲學(xué)，能解釋雷電的形成及先看見閃電后聽到雷聲的原因；學(xué)習(xí)了熱學(xué)，能回答為什么海邊及大森林里一年四季氣候宜人，為什么當(dāng)今國家推行退耕還林的政策；學(xué)習(xí)了磁學(xué)能回答為什么在一定條件下，某處江邊、湖邊、池塘邊的巖石中有“救命”之聲發(fā)出等。培養(yǎng)學(xué)生探索自然現(xiàn)象和日常生活中物理學(xué)道理，勇于探究日常用品或新器件中的物理學(xué)原理，形成將科學(xué)技術(shù)與日常生活、社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合的意識，激起學(xué)生對自然界的好奇，領(lǐng)略自然現(xiàn)象中的美妙與和諧，養(yǎng)成對大自然親近、熱愛、和諧相處的情感。樂于參與觀察、實(shí)驗(yàn)制作、調(diào)查等科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，增強(qiáng)了學(xué)生對科學(xué)的求知欲。學(xué)生也受到了辯證唯物主義教育。

2、物理的考試考察中，關(guān)注人文精神的提高

現(xiàn)在的物理考試改革了唯知識的做法，把體現(xiàn)人文教育作為一個(gè)十分重要的內(nèi)容。轉(zhuǎn)變考試的目的，從為選拔尖子學(xué)生變?yōu)闉閷W(xué)生創(chuàng)造最好的教育，從重視考查知識變?yōu)橹匾暱疾閷W(xué)生的全面素質(zhì)。如下面幾道試題：

［例1］大城市中建蓋一些高樓，用玻璃做墻，由于太陽光發(fā)生，使附近的住戶受較強(qiáng)的光照射不能很好的工作和休息，形成了一種新的城市污染（光污染）。

本題喚起學(xué)生對自然的關(guān)愛和對社會(huì)的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。［例2］祖國統(tǒng)一是全體中國人民的共同愿望，兩岸人民為實(shí)現(xiàn)“三通”作出了不懈的努力，2001年6月8日，“金門快輪”滿載385名臺(tái)灣同胞，首次實(shí)現(xiàn)了由高雄經(jīng)金門直航廈門港，海上航行歷時(shí)約12h，航行的平均速度約為25km／h，問：高雄到廈門的海上航程大約是多少km？ 本題激發(fā)學(xué)生愛國主義熱情。

［例3」（2002年青島市中考題）公遠(yuǎn)前300多年前，古希臘的學(xué)者亞里士多德認(rèn)為：“從高空落下的物體，重的要比輕的落得快！”2000多年前，人們對亞里土多德的話都深信不疑。16世紀(jì)末，伽利略對這位學(xué)者的話產(chǎn)生了懷疑。有不少人諷刺嘲笑枷利略的無知與輕狂，伽利略便下決心在比薩斜塔上進(jìn)行公開實(shí)驗(yàn)。枷利略登上斜塔，一手拿著一個(gè)10磅鐵球，一手拿著一個(gè)1磅鐵球，喊了一聲“請各位注意”兩手一松，兩球同時(shí)落下，撲通一聲，兩球同時(shí)著地了，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使原來迷信亞里士多德的人目瞪口呆?。?）閱讀后你最深的感受是什么？（2）根據(jù)你的感受，你認(rèn)為在今后的學(xué)習(xí)生活中應(yīng)怎樣去做？ 本題的目的就是為了對學(xué)生進(jìn)行人文精神教育，作為中考試題，堪稱考試改革的先鋒。

總之，人文精神無處不在，我們物理學(xué)中的人文精神，更加具有獨(dú)特的魅力，在物理學(xué)中發(fā)掘與培養(yǎng)人文精神，沒有環(huán)境條件的限制，關(guān)鍵在于我們觀念的轉(zhuǎn)變。要善于捕捉科學(xué)與人文精神的最佳結(jié)合點(diǎn)。我們在學(xué)習(xí)與傳授知識的同時(shí)，不要忽視了自身科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，更不要忽視了人文素質(zhì)的培養(yǎng)。我們可以挖掘培養(yǎng)人文素質(zhì)的素材，只要我們認(rèn)真去挖掘，著力去培養(yǎng)，我們能夠成為“科學(xué)素質(zhì)和人文素質(zhì)整合型”、“德、智、體、美、勞全面發(fā)展的”社會(huì)主義事業(yè)的建設(shè)者和接班人。

第三篇：淺談物理學(xué)中的概率論

淺談物理學(xué)中的概率論

課程名稱：概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)

任課教師：史靈生

姓名：李上

班級：化工系分2班

學(xué)號：2012011849

淺談物理學(xué)中的概率論

摘要：概率論作為數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支，為經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)；然而，在量子力學(xué)中，Copenhagen學(xué)派卻對波函數(shù)的物理意義有著與經(jīng)典概率論不同的統(tǒng)計(jì)解釋——概率幅。

關(guān)鍵字：統(tǒng)計(jì)物理 Boltzmann分布律 量子力學(xué) 概率幅

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)作為數(shù)學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科不僅與其他數(shù)學(xué)學(xué)科有十分深入的相互滲透，而且與其他自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、管理科學(xué)、以至于人文科學(xué)都有著廣泛的交叉，與生活實(shí)踐和科學(xué)試驗(yàn)都有著緊密的聯(lián)系，是許多新發(fā)展的前沿學(xué)科的基礎(chǔ)。作為基礎(chǔ)科學(xué)的物理學(xué)與概率論有著密不可分的關(guān)系，本文講主要談一談物理學(xué)中的概率論。

1.概率論在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理中的應(yīng)用

統(tǒng)計(jì)物理學(xué)也叫統(tǒng)計(jì)力學(xué)，是用統(tǒng)計(jì)平均的方法研究大量微觀粒子的力學(xué)行為，是理論物理學(xué)重要分支。麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布是研究獨(dú)立經(jīng)典粒子按能量的最概然分布。對物理學(xué)，對物理化學(xué)，對化學(xué)工程都極其重要的意義。該分布在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中占有重要地位，系統(tǒng)的各種熱力學(xué)性質(zhì)都與之有著十分密切的聯(lián)系。

在定域子系中，Ni個(gè)彼此可以區(qū)分的粒子（可分是指它們可以按照位置加以辨別）占據(jù)gi個(gè)量子態(tài)的可能方式有g(shù)iNi種。根據(jù)獨(dú)立性N1，N2，?Ni，?個(gè)粒子分別占用能級的可能占據(jù)方式共有∏igiNi種。由于N個(gè)粒子是可以區(qū)分的，N個(gè)粒子分別為N1，N2，?Ni?個(gè)粒子的組合方式也可能有很多種。從N個(gè)粒子中取出N1個(gè)粒子放到能級中去，粒子的組合方式數(shù)為CNi?N1N!；在余下N1!(N?N1)!的N-N1個(gè)粒子中取出Ｎ2個(gè)粒子放入能級中去，這些粒子的組合方式數(shù)

CN2

N?N1?(N?N1)!；依此類推，很容易得出可能出現(xiàn)的粒子占據(jù)方式總N2!(N?N1?N2)!

NgiiN!Ni數(shù)為??。這樣，我們便依據(jù)現(xiàn)有的概率論知識推出了?gi?N!?iN!?Ni!iii

Boltzmann分布定律中微觀狀態(tài)數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。后面根據(jù)微積分中已經(jīng)學(xué)到的1 《基礎(chǔ)物理化學(xué)》【M】,朱文濤

Lagrange乘數(shù)法，結(jié)合物理化學(xué)中的Boltzmann公式，即可得出Boltzmann分布律的最終的表達(dá)式。后半部分的證明并沒有涉及到概率論的知識，因此這里不再贅述。

在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中，對于費(fèi)米子的費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)（F-D分布）、對于波色子的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)（B-E分布）和上文提到Boltzmann分布是三種重要的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而它們的得出都與概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)有著密不可分的關(guān)系。由此可見，概率與統(tǒng)計(jì)是統(tǒng)計(jì)力學(xué)中一項(xiàng)重要的理論武器。

2.量子力學(xué)中概率幅概念的引入

著名的美國物理學(xué)家Feynman曾說：“雙縫衍射實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)了量子力學(xué)的一切奧秘?！痹谖锢韺W(xué)中的雙縫衍射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)兩條縫同時(shí)打開時(shí)，衍射圖形應(yīng)該是在兩條縫輪流打開的條件下得到的兩個(gè)衍射圖形的疊加。這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明：經(jīng)典概率論中的全概率公式并不不適用于雙縫衍射過程。2概率幅是以著名物理學(xué)家Born為代表的Copenhagen學(xué)派為解釋這一現(xiàn)象而提出的假設(shè)——一個(gè)粒子通過某一條縫到達(dá)屏幕上某處的概率幅等于兩條縫輪流打開時(shí)，該事件的兩個(gè)概率幅之和——波函數(shù)Ψ是復(fù)數(shù), 而所有可觀察的物理量都必須用實(shí)數(shù)表示，因此Born建議將Ψ的絕對值的平方看作是波函數(shù)和可觀察物理量之間的聯(lián)系橋梁，稱為概率幅。概率幅疊加的假設(shè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好，這一假設(shè)在量子力學(xué)中有著重要的意義，它被Feynman稱為“量子力學(xué)的第一原理”3，玻恩本人也因此而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻恩本人這樣理解這一假設(shè)——“量子本身遵守概率定律，但是概率本身還是受因果律支配的?！?雖然有一些物理學(xué)家如愛因斯坦、德布羅意等人反對這一觀點(diǎn)5，但是至少在目前還是不能動(dòng)搖這一理論的地位。

在物理理論中引入概率概念在哲學(xué)上有著重要意義，它意味著，在已知給定條件下，不可能精確地預(yù)知結(jié)果，只能用統(tǒng)計(jì)的方法給出結(jié)論，這與經(jīng)典物理學(xué)中的嚴(yán)格因果律是矛盾的。而如今，混沌正是物理學(xué)中一個(gè)重要的研究分支。

結(jié)束語

概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了包括物理學(xué)等其他學(xué)科的發(fā)展；另一方面，20世紀(jì)以來，由于物理學(xué)和其他學(xué)科的推動(dòng)，概率論飛速發(fā)展，理論課題不斷2《概率的干涉與態(tài)迭加原理》【J】，譚天榮《The Feynman's Lectures on Physics》，【M】, Feynman 4 《Introducing quantum theory》，【M】, Joseph P.McEvoy 5 《Quantum Paradoxes and Physical Reality》，【M】, F.Selleri

擴(kuò)大與深入，應(yīng)用范圍大大拓寬，已滲透到許多科學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，成為科學(xué)研究不可缺少的工具。因此學(xué)好概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)這門課程對我們的學(xué)習(xí)、工作、生活都有著極其重要的意義。

參考文獻(xiàn)：1.《基礎(chǔ)物理化學(xué)》【M】,朱文濤

2.《概率的干涉與態(tài)迭加原理》【J】，譚天榮

3.《The Feynman's Lectures on Physics》【M】, Feynman4.《Introducing quantum theory》【M】, Joseph P.McEvoy5.《Quantum Paradoxes and Physical Reality》【M】,F.Selleri

第四篇：《星際穿越》中的物理學(xué)

《物理學(xué)基礎(chǔ)與前沿專題》課程論文

題目：《星際穿越》中的物理學(xué)

姓 名：

林亞南 學(xué) 號： SY140954 年 級： 2014 院 系：

理學(xué)院 專 業(yè)：

學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè) 任課教師： 鄒斌

2014年

12月日

《星際穿越》中的物理學(xué)

一、為什么宇宙飛船要旋轉(zhuǎn)？

這是一個(gè)比較簡單的問題。首先簡單解釋一下對于在太空飛行的宇航員來說何謂 “失重”。下面是一些關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）太空里仍有萬有引力；

（2）當(dāng)宇航員（和飛船）只在萬有引力的作用下加速時(shí)，宇航員就會(huì)有失重感；

（3）對于宇航員來說，這種感覺就像重力“消失”了；

（4）但人類并不怎么能感覺到重力，因?yàn)樗饔糜谖覀兩眢w的每一個(gè)部分。

事實(shí)上，我們將重量和接觸到的外力，例如地面支撐我們的力，聯(lián)系起來。我們稱這種力為“表觀重量”（apparent weight）。

飛船當(dāng)然受到引力，但引力都用來改變飛船的速度了。宇航員感到的“失重”，失去的其實(shí)是表觀重量。而解決失重感的方法，就是對物體施加某種力，使之具有表觀重量。

圖1 地球上與飛船上的宇航員所受的力

上面的圖中有兩個(gè)宇航員。左邊那個(gè)站在地球上，右邊那個(gè)站在宇宙飛船里。如果宇航員處于引力非常小的地方（如深空），唯一使他“感受到重量”的方法辦法就是令地面對他施加支持力。這種情況下，右邊的宇航員也能像左邊的一樣感受到重量。

那么要如何在太空里對宇航員施加這個(gè)力呢？這就要從力的性質(zhì)入手了。大家對下面這個(gè)公式應(yīng)該十分熟悉：

這個(gè)公式表明物體會(huì)在其受到的（凈）合力下加速。力和速度都是矢量，現(xiàn)在我們只研究極短時(shí)間內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)狀況。在這個(gè)極短的時(shí)間段內(nèi)，物體的平均加速度是：

圖2 宇宙飛船中的宇航員的速度

做圓周運(yùn)動(dòng)需要加速度，這一點(diǎn)其實(shí)我們早就知道了——每次開車轉(zhuǎn)彎時(shí)，你都能感受到這股沿著角加速度方向的力。宇宙飛船在旋轉(zhuǎn)時(shí)的原理亦是如此。宇航員（在旋轉(zhuǎn)飛船里）受到的表觀重量只取決于兩點(diǎn)——圓周的半徑和旋轉(zhuǎn)的速度（通常用角速度ω表示）。以合適的速度做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，飛船里的宇航員也可以獲得表觀重量。下面是在旋轉(zhuǎn)飛船里的表觀重量的表達(dá)式（用重力加速度g來衡量）：

大的宇宙飛船（半徑r比較大）不需要轉(zhuǎn)得太快。如果飛船比較小，就要轉(zhuǎn)快一些。

圖3 《星際穿越》中的宇宙飛船

二、宇航員能活著穿過蟲洞嗎？

(一)蟲洞是什么？

雖然愛因斯坦和他的助手納森·羅森（Nathan Rosen）最早不這么叫它，但是蟲洞最初的確是他們的智慧結(jié)晶。當(dāng)時(shí)他們正在試圖用各方法來解愛因斯坦的廣義相對論方程，以及用一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)模型來解釋整個(gè)宇宙，包括重力，以及構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子。其中包括的一種方法是將空間描述成兩個(gè)幾何面，其間由“橋”連接，而在我們的感知中，這些橋就是粒子。

1916年，另外一位物理學(xué)家路德維?！じダ罚↙udwig Flamm），同樣是在解愛因斯坦的方程的時(shí)候，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這些“橋”。不幸的是，這個(gè)“萬有理論”并不成功，因?yàn)檫@些“橋”的表現(xiàn)并不像是真正的粒子。但是愛因斯坦和羅森在1935年發(fā)表的論文使得“穿越時(shí)空結(jié)構(gòu)的隧道”這個(gè)概念得以流行，其它物理學(xué)家不得不認(rèn)真地考慮這些隧道帶來的影響。

20世紀(jì)60年代，普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）在研究“愛因斯坦-羅森橋”的數(shù)學(xué)模型時(shí)，創(chuàng)造了“蟲洞”這一術(shù)語。他指出，這些橋很像蟲子鉆過蘋果后留下的洞。一只螞蟻從蘋果的一端爬到另一端，選擇一是繞著蘋果彎曲的表面爬上半圈，選擇二則是抄蘋果上的蟲眼這條小路。想象一下在更高緯的空間里，如果我們所處的三維時(shí)空就像是蘋果皮一樣彎曲著的，那么穿越高維空間實(shí)體的“蟲洞”，必然可以讓我們更快地在三維空間中的兩個(gè)點(diǎn)之間往返。這聽上去有些奇怪，但從數(shù)學(xué)上來說，這是的確是廣義相對論的一個(gè)合理的解。

(二)我們能通過由經(jīng)典的史瓦西黑洞造成的蟲洞嗎？

惠勒意識到愛因斯坦-羅森橋入口的特性與史瓦西黑洞（Schwarzschild black hole）的描述恰好相符：一個(gè)由物質(zhì)組成的球體，密度大到連光也無法從它的引力場中逃逸。天文學(xué)家認(rèn)定黑洞是存在的，認(rèn)為大質(zhì)量恒星核心坍縮之后就會(huì)形成它們。所以黑洞可以同時(shí)是蟲洞，亦即星際旅行之門嗎？數(shù)學(xué)上來說，可能可以——但是沒人能活著完成這次旅行。

圖4 影片中花朵狀的永恒號太空船正在接近蟲洞

在史瓦西模型中，黑洞的核心是一個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)具有無限大密度的，中性的，靜止的球體?；堇沼?jì)算了如果三維空間中兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)奇點(diǎn)跨越更高維度相連會(huì)發(fā)生什么——形象一點(diǎn)兒說，就是兩個(gè)史瓦西黑洞通過隧道相連。他發(fā)現(xiàn)這樣的蟲洞天生就不穩(wěn)定，這樣的隧道可以形成，但是很快就會(huì)收縮“夾止”（即從中收縮斷開），重新形成兩個(gè)獨(dú)立的奇點(diǎn)。這個(gè)過程非?？?，隧道從形成到斷開的時(shí)間如此之短，以至于連光都來不及從中穿過。而且如果宇航員想要從中通過的話，必然會(huì)遇到其中的一個(gè)奇點(diǎn)——這是件必死無疑的事情，因?yàn)槠纥c(diǎn)巨大的引力會(huì)將任何一個(gè)試圖靠近的人撕得粉碎。

索恩也在這部電影的配套書籍《星際穿越中的科學(xué)》中寫道：“任何試圖穿越（蟲洞）的人或物都會(huì)在夾止過程中被毀滅?！?三)如果黑洞轉(zhuǎn)起來，形成一個(gè)克爾黑洞呢？

當(dāng)然我們還有選擇的余地：廣義相對論認(rèn)為還有可能存在著一種轉(zhuǎn)動(dòng)著的克爾黑洞（Kerr black hole）。與史瓦西黑洞中的球體不同，克爾黑洞中的奇點(diǎn)是一個(gè)環(huán)。有一些模型認(rèn)為，人可以舒服地從這個(gè)環(huán)的中間通過，就像籃球通過籃筐那樣。但是索恩對此觀點(diǎn)有諸多異議。在1987年他發(fā)表的一篇關(guān)于穿越蟲洞的論文中，他提出克爾黑洞的喉部具有一個(gè)非常不穩(wěn)定的區(qū)域，叫做柯西視界（Cauchy horizon）。數(shù)學(xué)告訴我們，任何物質(zhì)，包括光，試圖通過這一視界的時(shí)候，這個(gè)通道都會(huì)坍縮。而且即使通過什么特殊的途徑使得這個(gè)蟲洞穩(wěn)定下來，量子理論告訴我們蟲洞里也將充滿各種高能粒子。涉足克爾黑洞，會(huì)被炸得像薯片一樣脆。

(四)如果再加入一些量子理論呢？

現(xiàn)在的關(guān)鍵是，經(jīng)典引力理論尚未與量子理論完美結(jié)合——雖然有很多研究人員試圖搞定它，但是用數(shù)學(xué)來表示量子世界依然很難實(shí)現(xiàn)。不過在一方面，普林斯頓大學(xué)的胡安·馬爾達(dá)西那（Juan Maldacena）和斯坦福大學(xué)的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）認(rèn)為，蟲洞可能是量子糾纏態(tài)的物理表現(xiàn)——這種狀態(tài)下的物體不論距離多遠(yuǎn)都是相互關(guān)聯(lián)的。

愛因斯坦曾譏諷量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”，并拒絕接受這一理念。但是很多實(shí)驗(yàn)告訴我們量子糾纏是真實(shí)存在的——這一現(xiàn)象甚至在商業(yè)上都得以應(yīng)用，例如在銀行交易時(shí)用以保護(hù)在線傳輸?shù)陌踩浴８鶕?jù)馬爾達(dá)西那和薩斯坎德的理論，大量的糾纏態(tài)變化會(huì)改變時(shí)空的幾何形態(tài)，以糾纏態(tài)黑洞的形式形成蟲洞。但是這個(gè)版本的蟲洞并不會(huì)使星際穿越之門。

“這些蟲洞并不能讓你超光速航行，”馬爾達(dá)西那表示，“但是它可以讓你與蟲洞里的人見面，當(dāng)然得提前警告你們，兩邊的人會(huì)同時(shí)死于引力奇點(diǎn)的作用?！?五)除了黑洞，我們還有其他的選擇嗎？

所以，黑洞是個(gè)大問題。那，蟲洞可能是什么？哈佛-史密森尼天體物理中心的阿維·勒布（Avi Loeb）表示其實(shí)要形成一個(gè)蟲洞的話，我們還有很多可能性：“因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在還沒有一個(gè)理論可以很好地將廣義相對論與量子理論統(tǒng)一起來，所以我們還不知道能夠形成蟲洞的時(shí)空結(jié)構(gòu)都有哪些可能性。

還有一個(gè)問題。索恩在他1987年的工作中發(fā)現(xiàn)，符合廣義相對論的任何類型蟲洞都會(huì)坍縮，除非它是由具有負(fù)能量的“奇異物質(zhì)”支撐著的。他認(rèn)為我們有證據(jù)表明奇異物質(zhì)的存在，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明真空中的量子漲落似乎會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，就像兩面緊靠著的鏡子一樣。勒布還表示，我們觀察到的暗能量可能進(jìn)一步暗示著宇宙中奇異物質(zhì)存在的可能性。

圖5 我們的宇航員，似乎真的兇多吉少。

“縱觀宇宙近代史，不難發(fā)現(xiàn)河外星系都在遠(yuǎn)離我們而去，而且速度越來越快，就像是受到了反重力的作用一樣，”勒布表示，“如果我們認(rèn)為宇宙中充滿具有負(fù)壓力的物質(zhì)，就可以解釋宇宙的加速擴(kuò)張??就像是我們制造一個(gè)蟲洞所需要的那種一樣。”當(dāng)然，這兩位科學(xué)家都認(rèn)為，自然形成一個(gè)蟲洞需要的奇異物質(zhì)太多了，而且只有高度發(fā)達(dá)的文明才有可能收集足夠的奇異物質(zhì)，來維持蟲洞的穩(wěn)定。

當(dāng)然其他的物理學(xué)家并不太相信這一觀點(diǎn)。馬爾達(dá)西那表示： “一個(gè)穩(wěn)定的，可以穿行的蟲洞的存在會(huì)讓人十分困擾，因?yàn)檫@與已知的物理學(xué)定律相違背”。北歐理論物理研究所的薩賓·霍森菲爾德（Sabine Hossenfelder）對此更加懷疑：“我們目前沒有任何證據(jù)表明它（奇異物質(zhì)）存在。實(shí)際上很多人都認(rèn)為它不可能存在，因?yàn)槟菢拥脑捳婵站蜁?huì)不穩(wěn)定?！奔词蛊娈愇镔|(zhì)存在，想要漂亮地穿越蟲洞，可能也不是那么容易的事情。實(shí)際的效果可能取決于蟲洞周圍的時(shí)空曲率，以及蟲洞中的能量密度，霍森菲爾德表示：“這里發(fā)生的情況可能和在黑洞里發(fā)生的差不太多：潮汐力太大，試圖穿越的人被撕碎?！?/p>

三、五維空間是如何呈現(xiàn)的？

影片高潮片段，我們見識到了所謂的“五維時(shí)空”，要把這個(gè)概念呈現(xiàn)在大銀幕上是非常困難的。通常認(rèn)為我們所處的世界是四維時(shí)空，也就是三個(gè)空間維度加一個(gè)時(shí)間維度，而五維時(shí)空則有四個(gè)空間維度。擁有四個(gè)空間維度的立方體被稱為超立方體，雙重否定團(tuán)隊(duì)的任務(wù)便是用視覺來呈現(xiàn)這個(gè)超立方體。從藝術(shù)角度講，他們本可以很抽象地表現(xiàn)這個(gè)空間，但是受導(dǎo)演影響，團(tuán)隊(duì)決定嘗試按照超立方體確切的樣子來制作。

圖6 基普在黑板上解釋四和五維空間中的引力情況

由于人類目前無法理解四個(gè)空間維度，因此諾蘭設(shè)計(jì)讓庫伯掉入超立方體的其中一個(gè)面里。我們知道立方體的面是二維的，因此超立方體面是三維的。諾蘭正是讓庫伯掉入超立方體的“三維面”，才使得庫伯沒有灰飛煙滅。同時(shí)，墨菲的臥室位于超立方體的另外一個(gè)三維面上，在五維時(shí)空里他們隔得如此之近，這也是為什么庫伯會(huì)在超立方體中看到墨菲的臥室。

圖7 庫伯可以從上下左右前后六個(gè)方向來看墨菲的臥室

根據(jù)愛因斯坦的相對論，回到過去是不可能的，即便是進(jìn)入高維時(shí)空。但影片中設(shè)計(jì)讓引力波可以穿越時(shí)間，影響過去，而對庫伯來說，他需要看到所有的時(shí)間，從過去到未來。正如塔斯所說，五維時(shí)空里時(shí)間是實(shí)體，就像一根線，你可以看到線上從頭到尾的每個(gè)瞬間，但是，要改變過去瞬間發(fā)生的事情，只有借助引力波。

于是，電影制作者開始思考超立方體里面應(yīng)該是什么樣子的，尤其是如何展現(xiàn)“時(shí)間是一個(gè)實(shí)體”，如何展現(xiàn)所有物體在整個(gè)時(shí)間線上的每個(gè)瞬間。富蘭克林得找到一個(gè)平衡點(diǎn)，既不能讓畫面顯得太過雜亂，又要從庫伯的角度觀察時(shí)間線上不同瞬間墨菲臥室里發(fā)生的事情。

他的辦法是把墨菲臥室的六個(gè)像縮小，并讓每個(gè)像發(fā)射兩條垂直的線，這兩條線就是“時(shí)間線”。每當(dāng)時(shí)間線相交的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)臥室的像，因此整個(gè)五維空間里可以有無數(shù)個(gè)臥室的像，這些像位于時(shí)間線不同的位置上，因此每個(gè)像所代表的時(shí)間不同，庫伯只要沿著時(shí)間線漂浮，就可以看到墨菲臥室的過去或未來。

圖8 垂直的時(shí)間線組成無數(shù)個(gè)墨菲的臥室

四、關(guān)于超大黑洞——“卡岡圖雅”

(一)黑洞是什么樣子的？

圖9 電影中展示的“黑洞”形象

為什么黑洞看起來會(huì)是這個(gè)樣子？

“當(dāng)然啦，黑洞就應(yīng)該是這個(gè)樣子的?！碑?dāng)基普·索恩（Kip Thorne）望著在他的幫助下建立起來的黑洞時(shí)，心里便是這樣想的。這個(gè)黑洞其實(shí)是一個(gè)有史以來最精準(zhǔn)的黑洞模型。它以接近光速旋轉(zhuǎn)著，將宇宙的物質(zhì)一點(diǎn)點(diǎn)地吸引過去。理論上講，黑洞本是一顆恒星，然而它最終沒有熄滅或爆炸，而是像做塌了的蛋奶酥一樣，坍塌成一個(gè)小小的、不可逃逸的奇點(diǎn)（singularity）。一道光輪環(huán)繞著里面的球形大漩渦，看起來似乎既從上面彎過去，也從下面彎過去了。

但這一切都十分自然，因?yàn)楹诙锤浇３０l(fā)生奇怪的事。例如，黑洞引力極大，以至于彎曲了宇宙的結(jié)構(gòu)。愛因斯坦對此進(jìn)行了解釋：質(zhì)量越大的物體，產(chǎn)生的引力就越大。像恒星和黑洞這樣的物體就能產(chǎn)生巨大的引力，導(dǎo)致光線彎曲，時(shí)空扭曲。更神奇的是，如果你離黑洞比我近，我們對時(shí)間和空間的感覺會(huì)不一樣。相對來說，我的時(shí)間會(huì)過得快一點(diǎn)。

為了向觀眾傳達(dá)黑洞是球狀的這一信息，它看起來會(huì)像是個(gè)圓盤，唯一能看到的就是它如何使筆直的光線拐彎。吸積盤是一團(tuán)凝聚在一起的物質(zhì)，它圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。電影制作者發(fā)現(xiàn)可以用這圈環(huán)繞的碎石來確定黑洞的外觀。

特效人員做了一個(gè)巧妙的演示。她建立了一個(gè)多色的平面圓環(huán)代表吸積盤，然后把它放在旋轉(zhuǎn)的黑洞的外周。一些非常非常奇特的事情發(fā)生了?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)黑洞外圍扭曲的時(shí)空同樣彎曲了吸積盤，”弗蘭克林說：“因此吸積盤并不像是土星環(huán)那樣圍繞著一個(gè)黑色的球，相反，光線彎曲會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)奇特非凡的光暈?！?/p>

圖10 特效人員構(gòu)建出了黑洞模型

根據(jù)索恩提供的公式，特效人員構(gòu)建出了黑洞模型，黑洞周圍的光呈現(xiàn)出奇特的景象。

圖11 電影中的吸積盤形象

這就是為什么當(dāng)索恩第一次看到黑洞的最終效果時(shí)會(huì)覺得“就該是這樣嘛”。雙重否定團(tuán)隊(duì)開始認(rèn)為一定是渲染器里出了bug導(dǎo)致這個(gè)效果，但是索恩意識到他們已經(jīng)正確地建立出與他給出的數(shù)學(xué)公式一致的現(xiàn)象模型。

盡管如此，沒有人會(huì)知道黑洞到底是什么樣子的——除非他們真的造一個(gè)出來。黑洞周圍那些被吸過去但是逃脫一劫的光，在黑洞的陰影附近展示了出人意料的復(fù)雜特征圖譜。而發(fā)光的吸積盤則在黑洞的上下方以及前方出現(xiàn)。(二)“卡岡圖雅”自轉(zhuǎn)到底有多快？

旋轉(zhuǎn)黑洞會(huì)導(dǎo)致很復(fù)雜的星象場，也會(huì)導(dǎo)致黑洞本身和吸積盤左右看起來不對稱。如果按照導(dǎo)演諾蘭的要求，米勒行星上的1個(gè)小時(shí)等于地球上的7年，那么“卡岡圖雅”的自轉(zhuǎn)幾乎需要達(dá)到黑洞的最大可能自轉(zhuǎn)（僅比最大可能自轉(zhuǎn)慢100萬億分之一）。索恩在科學(xué)設(shè)定中使用的都是這樣的自轉(zhuǎn)速度。然而諾蘭對廣大電影觀眾是很負(fù)責(zé)任的，為了減少這種不對稱和復(fù)雜的背景帶來的困惑，他把卡岡圖雅的自轉(zhuǎn)降到了最大可能自轉(zhuǎn)的 60%。

補(bǔ)充說明：克爾黑洞的自轉(zhuǎn)受到廣義相對論的限制，如果旋轉(zhuǎn)再快的話，裸奇點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)，這在目前的大多數(shù)理論中不被允許。無論運(yùn)動(dòng)多快的物質(zhì)進(jìn)入到黑洞，都不可能再增加黑洞的自轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的極端克爾黑洞周圍會(huì)看到很多復(fù)雜的現(xiàn)象。(三)為什么靠近黑洞的人沒有被吸積盤的輻射殺死？

“卡岡圖雅”吸積盤的溫度只有幾千度，與大多數(shù)黑洞吸積盤不同。而太陽的表面溫度也不過 5500 ℃，太陽光中高能的 X 射線、伽馬射線很少，對地球上的我們無害。同樣，溫度只有幾千度的吸積盤，對“卡岡圖雅”的3顆行星是無害的。

補(bǔ)充說明：吸積盤的溫度與吸積物質(zhì)的多少等因素相關(guān)，單位時(shí)間內(nèi)吸積的物質(zhì)越多，吸積盤的溫度就越高。按照設(shè)定，“卡岡圖雅”已經(jīng)很久沒有吃到東西了，餓到了極度“貧血”的地步，所以吸積盤的溫度就降下來了。

黑洞的視覺效果呈現(xiàn)—— 一團(tuán)發(fā)光物質(zhì)圍繞著它，并逐漸被引力吞掉——是相當(dāng)合理的。但是如果你進(jìn)入了這個(gè)區(qū)域，那你要么會(huì)被灼熱的伽馬輻射殺死，要么會(huì)被引力撕開

(四)人類真的可以活著靠近黑洞嗎？

NO.如何死掉？

視頻：掉入黑洞的2.5種死法

第五篇：《三體》中的物理學(xué)

《三體》中的物理學(xué)

大家好，我叫李淼，來自于廣州的中山大學(xué)，在廣州中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院做院長，以后會(huì)到珠海成立物理天文學(xué)院。今天跟大家聊聊我的一本書，叫《三體中的物理學(xué)》。介紹劉慈欣《三體》三部曲科幻中所涉及的物理學(xué)中的一些問題。今天跟大家聊三個(gè)問題，第一個(gè)問題就是前段時(shí)間美國人發(fā)現(xiàn)的引力波。這個(gè)引力波是怎么回事，在三體小說中也涉及到了。第二個(gè)問題我們講講大劉的地球往事第一部《三體》，三體的來歷，三體星人受到的不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)到底是真的還是假的？第三部分我們談?wù)勅S人進(jìn)入四維空間的碎片會(huì)發(fā)生什么？

第一個(gè)問題就是引力波。美國LIGO在2月11號公布他們發(fā)現(xiàn)引力波的結(jié)果，所以我先想講第18章，引力波天線這一章節(jié)。

引力波天線的好處是什么呢？是它可以發(fā)射的更遠(yuǎn)，你如果定向發(fā)射的話，是沒有任何東西可以阻擋它的，因?yàn)樗且粋€(gè)時(shí)間和空間的波動(dòng)，它和我們平?？吹降牟▌?dòng)不一樣。平?？吹降牟▌?dòng)，水波是水在晃動(dòng)。比如說你在河里面扔一個(gè)石子，就產(chǎn)生了一個(gè)波動(dòng)，這是水波。光波稍微抽象一點(diǎn)，它并不是一個(gè)介質(zhì)的波動(dòng)，而是一個(gè)純粹的由電磁現(xiàn)象引起的波動(dòng)。最早發(fā)現(xiàn)光波的人是英國一個(gè)偉大的物理學(xué)家，叫麥克斯韋。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁學(xué)的一組完整的方程，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)方程里面有波動(dòng)解，就像水波一樣。而且這個(gè)波動(dòng)解的速度，他認(rèn)為和光速是一樣的，于是他就預(yù)言，光其實(shí)也是一種電磁波。

電磁波是如何產(chǎn)生的呢？它有很多種，其中有一種是赫茲為了驗(yàn)證麥克斯韋的預(yù)言，用電火花產(chǎn)生了射電波段。電火花產(chǎn)生波動(dòng)之后，在另外一邊，就可以被檢測到，也產(chǎn)生電火花了，所以赫茲是第一個(gè)驗(yàn)證了電磁波存在的人。大家都知道現(xiàn)在電磁波的應(yīng)用非常廣泛，比如說電視、廣播、手機(jī)信號，都是射電波段。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只這個(gè)，因?yàn)樗€預(yù)言光也是一種電磁波。那物理學(xué)家就可以通過電磁波來探測很多東西，比如說我們可以探測很遠(yuǎn)之外的天體，他們會(huì)發(fā)射出射電。我們通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可以看到月球上的環(huán)形山，土星環(huán)，諸如此類的。而且現(xiàn)在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以做到很大，口徑非常大，已經(jīng)超過十米了，我們可以看到非常非常遙遠(yuǎn)的天體。

話扯了這么長，我們回來談?wù)勔Σ?。引力波和光波一樣，愛因斯坦發(fā)明了萬有引力這個(gè)方程組，他就像麥克斯韋對電磁現(xiàn)象一樣，他發(fā)現(xiàn)了完整的一個(gè)方程組，他也發(fā)現(xiàn)在他的方程組里也存在著波，這個(gè)波當(dāng)然就不是電磁波了，也不是水波，也不是聲波，這就是所謂的引力波。引力波是怎么產(chǎn)生的呢？有點(diǎn)像電磁波依賴于電荷的變動(dòng)，引力波的產(chǎn)生是依賴于質(zhì)量的變動(dòng)、能量的變動(dòng)。我們都知道世界上萬事萬物都有質(zhì)量都有能量，比如一個(gè)人的身體體重大概70公斤左右，重一點(diǎn)的話是80公斤90公斤，輕一點(diǎn)的話50公斤60公斤，這都是質(zhì)量，地球也有質(zhì)量，太陽也有質(zhì)量，所有這些天體都有質(zhì)量。有了質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生萬有引力，這是牛頓最早發(fā)現(xiàn)的。

到了愛因斯坦的時(shí)代，它認(rèn)為其實(shí)萬有引力不像牛頓說的那樣是一種力，而是種時(shí)空彎曲的現(xiàn)象，就相當(dāng)于給你一個(gè)球體，你把它想辦法變成一個(gè)桔子皮，桔子皮上面是彎的，高低不平的，其實(shí)由于宇宙里面充滿了各式各樣的能量和天體，天體有質(zhì)量，這些各式各樣的質(zhì)量和能量使得時(shí)間和空間都是彎曲的，特別是空間是彎曲了，就像桔子皮一樣。當(dāng)然桔子皮表面上看來是兩維的，我們的空間是三維的。整個(gè)愛因斯坦理論是說，如果有了能量和質(zhì)量，那么時(shí)間和空間就會(huì)變彎。對于時(shí)空變彎，有靜態(tài)的變彎，比如說一個(gè)太陽，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，這是一個(gè)靜態(tài)的，太陽產(chǎn)生的引力場是通過時(shí)間和空間的一個(gè)靜態(tài)的彎曲，所謂的靜態(tài)是不隨時(shí)間變化。地球在太陽產(chǎn)生的彎曲時(shí)空里面就繞著太陽轉(zhuǎn)，就是所謂的最短程線。這就像我們出門吃飯，比如說我們家附近有一個(gè)餐館，你不可能是彎彎曲曲的走過去，除非你喝醉了，你肯定是直著走過去，這叫最短程線。同樣一個(gè)球體上也有最短程線，球體上的最短程線就是一個(gè)大圓，不可能在球面上走一個(gè)直線，因?yàn)榍虮緛硎菑澋?，你只能繞著一個(gè)大圓走。所以當(dāng)空間變的更彎的時(shí)候，可能你走的線就不是我們通常想象的一條直線。他的短程線是彎的，就像地球繞著太陽轉(zhuǎn)一樣，是彎的。這是一個(gè)靜態(tài)的時(shí)空。但是引力波是怎么回事呢？引力波是說這個(gè)時(shí)空彎曲還會(huì)隨著時(shí)間變化。就像水里面的波動(dòng)一樣，一個(gè)靜態(tài)的水你可以看成是一個(gè)平面，當(dāng)然你也可以放一個(gè)閘，左邊水面高一點(diǎn)，右邊水面低一點(diǎn)，這也是一個(gè)靜態(tài)的，但是他不是一個(gè)完整的平面。但水波不一樣，水波的波谷和波峰不時(shí)的在變化，才是波。同樣時(shí)間和空間的彎曲也會(huì)是這樣。如果他也隨著時(shí)間變化，這就是引力波，這就是愛因斯坦大約在一百年前就預(yù)言了。正好去年9月份，叫LIGO，極光干涉引力波天文臺(tái)。他們花了二十多年的時(shí)間，終于檢測到彎曲時(shí)空會(huì)隨著時(shí)間變化的波動(dòng)叫引力波，而這個(gè)引力波是來自于兩個(gè)黑洞合并的過程。這兩個(gè)黑洞非常遙遠(yuǎn)，離我們大概有13億光年，也就是說光從那邊跑過來要13億年。但是黑洞是不發(fā)光的，我們看不到這兩個(gè)黑洞，但是它合并的過程中就有點(diǎn)像我們?nèi)右活w石子在水里面一樣，它會(huì)使得時(shí)空產(chǎn)生強(qiáng)大的波動(dòng)，這就是引力波。其中一個(gè)黑洞大概質(zhì)量是36個(gè)太陽那么大，還有一個(gè)黑洞是29個(gè)太陽那么大，合并之后就變小了。應(yīng)該加起來質(zhì)量守恒，36+29應(yīng)當(dāng)是65，但是合并之后的這個(gè)黑洞的質(zhì)量發(fā)現(xiàn)只有62個(gè)太陽質(zhì)量。這些黑洞是怎么發(fā)現(xiàn)的？完全是通過LIGO探測到引力波不到一秒中間的信號，把它分析出來的。換句話說，在合并之前，這兩個(gè)黑洞總共有65個(gè)太陽質(zhì)量，合并之后損失了3個(gè)太陽質(zhì)量。這3個(gè)太陽質(zhì)量到哪里去了呢？因?yàn)檫@兩個(gè)黑洞不發(fā)光了，黑洞黑洞，太黑了，不發(fā)光，它是以引力波的形式傳播出來的，引力波也攜帶能量，這樣就被我們的實(shí)驗(yàn)看到了。

回到三體，三體里面有一個(gè)很長的故事，咱們也忽略了，就是說三體人和地球人進(jìn)入一個(gè)威懾時(shí)代，就是暫時(shí)和平時(shí)代，就相當(dāng)于我們很多國家擁有核武器，核威懾時(shí)代。他們就進(jìn)入了一個(gè)所謂的黑暗森林的威懾時(shí)代。為什么說是有威懾呢？是因?yàn)榈厍蛉苏莆樟送ㄟ^太陽放大電磁波信號的手段，可以向銀河系其他地方廣播三體人的位置，那么其他高級文明一旦收到這個(gè)信號，就像黑暗森林中的狩獵者一樣，啪，一下子就把他干掉了。地球人掌握了這個(gè)東西之后，三體人處于被威懾的狀態(tài)，就跟三體人要很多技術(shù)，其中一個(gè)技術(shù)就是發(fā)射引力波，就是我剛才講的。所以三體人就幫助地球人在地球上建了好幾個(gè)引力波發(fā)射器。這個(gè)引力波發(fā)射器也有具體的描述，我們看一下劉慈欣是怎么描述的，我來讀一段。

五年之后，羅輯一家遠(yuǎn)遠(yuǎn)的看到引力波天線，但車行駛了半個(gè)小時(shí)才到達(dá)它旁邊。這時(shí)候，他們才真正感覺到它的巨大。天線是一個(gè)橫放的圓柱體，有一千五百米長，直徑有五十米，整體懸浮在距地面兩米左右的位置。它的表面也是光潔的鏡面，一半映著天空，一半映著華北平原。它讓人想起幾樣?xùn)|西，三體世界的巨擺，低維展開的質(zhì)子，水滴。這種經(jīng)面物體反映了三體世界的某種至今也很難為人類所理解的觀點(diǎn)，用他們一句名言來講就是，通過忠實(shí)的映射宇宙來隱藏自我，是融入永恒的唯一途徑。天線周圍有一大片翠綠的草地，形成了華北沙漠上的一個(gè)小小的綠洲。這片草地并不是專門種植的，因?yàn)橐Σㄏ到y(tǒng)建成后，一直在不間斷地發(fā)射，只是發(fā)出的波沒有被調(diào)制，與超新星爆發(fā)、中子星或黑洞發(fā)出的引力波無異，但密集的引力波束卻在大氣層中產(chǎn)生了奇特的效應(yīng)，大氣中的水汽在這個(gè)上方聚集，使得天線周圍經(jīng)常降雨，有時(shí)，降雨的區(qū)域僅有三四公里半徑，一塊圓形的雨云像晴空中的巨形飛碟般懸在天線上方，從雨中可以看到周圍燦爛的陽光。于是這一區(qū)域長出了豐茂的野草。但今天羅輯一家并沒有看到這種奇觀，只見到天線上空聚集的一片白云。

寫了很多，這是看到天線的外觀，巨大的天線，我再重復(fù)一遍這個(gè)天線有多大，有1.5公里長，直徑有50多米。

到底是不是說引力波天線就有這么大呢，我要發(fā)射引力波就需要這么大嗎？不是的，其實(shí)整個(gè)直徑50米的圓柱體里面是作為一個(gè)包裹體，里面是非常細(xì)的弦，但這個(gè)弦非常重，不是普通物質(zhì)組成的，是中子物質(zhì)組成的。

這樣的中子物質(zhì)組成的弦，到底能不能強(qiáng)大到發(fā)射出引力波，我的分析的結(jié)果是這樣的，如果說這根天線的弦是密密麻麻的，是一個(gè)中子一個(gè)中子的挨在一起的，那么它發(fā)射引力波的功率是比較小的，完全不足以來傳遞出信號，比如說傳遞出很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，銀河系其他地方，讓其他文明收到這個(gè)信號，這是做不到的。

要到什么程度呢？它必須是由不是單個(gè)中子排在一起，而是有很多很多中子排在一起，它有一個(gè)截面，這個(gè)截面里面有很多很多的中子，其實(shí)就是中子形成的一個(gè)小的圓柱體，而不是單個(gè)兒中子排的細(xì)線，形成了一個(gè)小的圓柱體。而且中子要密密麻麻的排在一起。這樣的話，應(yīng)該可以達(dá)到像全銀河系做廣播的目的。我計(jì)算了一下，它的功率是每秒一億焦耳，這是相當(dāng)強(qiáng)大的功率。只要你方向性好，你就可以讓別的文明收到你的信號，比如說你可以廣播，三體人在什么地方。確實(shí)后來這件事情發(fā)生了，這件事情怎么發(fā)生的呢？不是在地球上發(fā)生的，是萬有引力號。萬有引力號是人類在三體星人的幫助下，又發(fā)生了一個(gè)技術(shù)爆發(fā)，爆發(fā)了兩次，第一次是人類建造了非常強(qiáng)大的星際艦隊(duì)，這個(gè)星際艦隊(duì)形成了幾個(gè)共和國。但是第一個(gè)星際艦隊(duì)被三體人摧毀了，這是有非常美妙的一個(gè)故事，我建議大家去三體中學(xué)習(xí)，讀一讀，非常好的故事。

然后被水滴摧毀之后，第二次發(fā)生了科學(xué)技術(shù)的爆發(fā)，建立了第二批更加先進(jìn)的星際艦隊(duì)。這個(gè)星際艦隊(duì)其中有一個(gè)叫萬有引力號。萬有引力號和其他的星際艦隊(duì)長的完全不一樣，長的就像我剛才讀的那段故事一樣，長的就是引力波天線。長大概是1.5公里，直徑有50米。這里面是有一根中子物質(zhì)組成的線，這個(gè)引力波天線其實(shí)是一個(gè)活動(dòng)的引力波天線，三體星人沒有把能把它摧毀，因?yàn)樗腔顒?dòng)的，它可以走。當(dāng)然最后我們知道，在三體里面發(fā)生了這樣的故事，第一批星艦被三體人摧毀了，用水滴摧毀了，剩下了幾個(gè)星艦，其中一個(gè)叫藍(lán)色天空號，藍(lán)色天空號逃跑，為什么逃跑呢，是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為太陽系已經(jīng)不適合居住了，因?yàn)闀r(shí)刻受到三體星人的威脅，所以他們向外太空逃跑，而且逃跑的過程中，他們還殺死了自己別的星艦，所以犯下了一些反人類罪行，萬有引力號就來追擊它，在追擊的過程中發(fā)生了很多的故事，然后就合并了，合并了以后，他們發(fā)現(xiàn)威懾時(shí)代已經(jīng)過去了，三體星人已經(jīng)戰(zhàn)勝了人類，他們不得不向全宇宙廣播，他們廣播的方式就是用萬有引力號。確確實(shí)實(shí)在廣播后不久，有一個(gè)光粒，就是以光速運(yùn)動(dòng)的巨大的東西，把三體星人的三體星給摧毀了。我們關(guān)于萬有引力就講到這。

現(xiàn)在接著講三體中的物理學(xué)，三體中涉及到方方面面的物理學(xué)，有很多很多點(diǎn)。其實(shí)《三體中的物理學(xué)》這本書有一個(gè)東西沒有講，這個(gè)東西實(shí)際上是三體的關(guān)鍵。因?yàn)槿w星人是處于一個(gè)三顆恒星系統(tǒng)中的智慧生命。他們的行星受到三顆恒星的影響，使得三體星人受到的周期變成和我們地球人不一樣，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，是很規(guī)律的，一年有四季，夏天比較熱，冬天比較冷，春天和秋天比較舒服。但是三顆恒星在一起是沒有規(guī)律的變化，所以三體星人經(jīng)常被毀滅，他們的文明經(jīng)常會(huì)被毀滅，然后重新再誕生。后來他們的文明先進(jìn)到什么程度呢，他們可以把自己脫水，變成了一張皮，然后把它收起來，比如說藏在很深的山洞里面，免得被三顆恒星烤焦。等三顆恒星變得更加規(guī)律的時(shí)候，他們又出來了。那時(shí)候也許就像我們地球一樣，有四季變化。

三體星為什么會(huì)運(yùn)行不規(guī)律。這件事情非常有意思，在物理學(xué)里面經(jīng)常見到，叫混沌系統(tǒng)，所謂混沌系統(tǒng)就是亂七八糟的，沒規(guī)律。舉一個(gè)最簡單的例子，打桌球，大家都知道打桌球是球在長方形的四個(gè)壁上來回反射，這個(gè)反射有規(guī)律，如果一個(gè)球順著一個(gè)斜線打到壁上，它可以反彈出來，它反彈出來的角跟入射的角是一樣大的。這個(gè)是有規(guī)律的。但是時(shí)間長了以后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)球被四個(gè)壁來回來回反彈，最后完全沒有辦法預(yù)言它的軌跡，變的非?；靵y，就不像地球繞著太陽轉(zhuǎn)那么規(guī)律，沒有辦法預(yù)言。

三顆恒星放在一起也是這樣的，不像地球繞著太陽轉(zhuǎn)是規(guī)律的，它們互不相干的繞，亂七八糟的，沒有辦法預(yù)言。這就是大劉在三體里面設(shè)計(jì)的這么一個(gè)故事，非常有意思。為什么三體星人要入侵地球呢？很簡單，因?yàn)樗麄兘?jīng)常被毀滅。葉文潔是三體里面的一個(gè)主角，收到了三體星的信號，而且她還回了，因?yàn)樗龑Φ厍蛉瞬恍湃?，對地球失去信心了，她發(fā)現(xiàn)三體星人的文明比我們更先進(jìn)，所以她就在地球發(fā)起了一個(gè)組織，三體組織，是干什么的呢？其實(shí)就是希望三體星入侵地球，取代人類的統(tǒng)治地位，因?yàn)槿w星人的文明更先進(jìn)，說不定道德也比地球人更高，它是這樣的。

我們回到三體，三體星人為了逃避不斷發(fā)生的災(zāi)難，要入侵地球。這個(gè)災(zāi)難的源頭就是三顆恒星運(yùn)行的不規(guī)律，他們有三個(gè)太陽，就像我們的古代傳說一樣有九個(gè)太陽，被羿給射掉了八個(gè)。他們有三顆，大家經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一顆太陽會(huì)突然靠近他們，或者是兩顆太陽突然靠近他們，甚至是三顆太陽同時(shí)靠近他們，那就完全把這個(gè)行星烤化了，更不要說整個(gè)文明了。

其實(shí)我要指出這一點(diǎn)，非常重要的一點(diǎn)，物理學(xué)，劉慈欣的設(shè)定沒有問題，三顆恒星如果形成了三星系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)這種非常不規(guī)律的變化，而且在銀河系里面。三星系統(tǒng)也占了千分之幾，并不很少，所以挺多。劉慈欣的設(shè)定是沒錯(cuò)，但是他在書里寫了一個(gè)東西有點(diǎn)問題。他說這個(gè)三體星其實(shí)就是靠我們最近的恒星，那個(gè)恒星叫比鄰星。確實(shí)是靠我們最近的恒星和另外兩個(gè)恒星形成了三星系統(tǒng)。為什么說大劉的設(shè)定有問題呢，其實(shí)他后來也發(fā)現(xiàn)了問題。這個(gè)問題還蠻大，他說離我們最近的三星系統(tǒng)大約有4.2光年。換句話說光從那邊發(fā)出到我們這邊來，已經(jīng)是4.2年前發(fā)出的，非常遙遠(yuǎn)。比如說太陽發(fā)出的光，其實(shí)你是看到的光，是8分鐘之前來的。8分鐘和4.2年比，那是少很多。光跑8分鐘跑了多遠(yuǎn)？1.5億公里。你可以換算一下跑4.2年得跑多少億公里，所以非常遙遠(yuǎn)。

但是盡管遙遠(yuǎn)，它也是距離我們最近的三顆恒星，其中兩顆恒星我們古代人已經(jīng)知道了，一個(gè)叫南門A，一個(gè)叫南門B，就是南門星。我們中國人都知道有南門星。而比鄰星是非常非常小的一個(gè)恒星，肉眼看不到。一百年前被歐洲的一個(gè)天文學(xué)家用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了，一測，也是離我們大約有4.2光年。所以就推測這顆比鄰星是離我們最近的一個(gè)恒星，是跟南門A和南門B形成一個(gè)三星系統(tǒng)。

確實(shí)是存在這么一個(gè)三星系統(tǒng)，所以劉慈欣拿來作為他的設(shè)定，三體人就在那。但問題出在什么地方呢？其實(shí)這三個(gè)系統(tǒng)，在我看來還是比較穩(wěn)定的，為什么比較穩(wěn)定呢？首先我們知道，兩顆恒星互相繞著轉(zhuǎn)是穩(wěn)定的，這就有點(diǎn)像地球繞著太陽轉(zhuǎn)一樣，只不過是地球比太陽的質(zhì)量小很多，體積是小了一百萬倍。所以基本上是地球繞著太陽轉(zhuǎn)，因?yàn)榈厍虻馁|(zhì)量不大影響到太陽的質(zhì)量，太陽太大了。那兩個(gè)南門A和南門B的質(zhì)量是差別不大，所以他們互相繞著轉(zhuǎn)。換句話說，用我們物理學(xué)的術(shù)語是繞著他們的質(zhì)心在轉(zhuǎn)，但是是有規(guī)律的。加上比鄰星，是不是會(huì)形成剛才我們說的沒有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)呢？不是的。因?yàn)楸揉徯请x這兩個(gè)星比較遠(yuǎn)，因此對他們之間相互繞著轉(zhuǎn)影響不大。應(yīng)該這么看，我覺得是南門A和B相互繞著轉(zhuǎn)，然后比鄰星繞著他們轉(zhuǎn)。所以從更長的時(shí)間來看，應(yīng)當(dāng)是一個(gè)不可預(yù)測的系統(tǒng)，但是比較短的尺度看是可以預(yù)測的。就像月亮、地球、太陽，其實(shí)也是一個(gè)三星系統(tǒng)。我們能不能說月亮、地球和太陽是不可預(yù)測的？我們不能說，只是說在更長的，也可能是上億年，或者是數(shù)十億年的尺度上說，是不可預(yù)測的。但是在一個(gè)世紀(jì)，甚至幾十萬年，都是可以預(yù)測的。所以我們?nèi)祟愐恢被畹耐玫?，沒有因?yàn)槿窍到y(tǒng)而混亂。雖然那個(gè)三星不一樣，是兩顆恒星靠的近，互相繞著轉(zhuǎn)，另外一顆小的比鄰星繞著他們轉(zhuǎn)，而且很明顯比鄰星繞著他們轉(zhuǎn)的周期非常長，我估計(jì)得有上千萬光年到上億年。大概距離是0.2光年，8光分是1.5億公里，0.2光年是非常遙遠(yuǎn)的。所以估計(jì)得上千萬光年繞著轉(zhuǎn)。因此至少在上億年的尺度上是不會(huì)發(fā)生紊亂現(xiàn)象。上億年的尺度上不會(huì)發(fā)生紊亂現(xiàn)象我覺得三體星人會(huì)活的挺好的。這是關(guān)于三體設(shè)定的物理學(xué)知識介紹。

下面一段我們講講《三體中的物理學(xué)》里面三維人進(jìn)入高維空間會(huì)發(fā)生什么事情，這是第14章，三維人進(jìn)入四維空間發(fā)生什么。

這件事是三體中一段非常有趣的故事產(chǎn)生出來的，就是講萬有引力號，第二批比較先進(jìn)的星艦來追擊另外一個(gè)逃亡的星艦藍(lán)色空間號。藍(lán)色空間號是人類第一批星艦被三體人剩下的所剩無幾的星艦之。他們認(rèn)為人類在地球已經(jīng)沒有希望了，所以就向外面逃亡。在逃亡的過程中，他們消滅了另外自己的同一個(gè)艦隊(duì)里面的星艦，叫量子號。為什么要消滅呢？是因?yàn)橛X得如果向外太空逃亡，可能他們星艦上所含的資源不夠，包括能源、燃料、食物之類的。其實(shí)在他們消滅量子號的時(shí)候，量子號同時(shí)也想消滅他們，他們的想法是一樣的。消滅對方然后把對方的燃料和生活用品都拿過來。

因?yàn)樗麄儾恢篮髞淼厍蛉税l(fā)現(xiàn)了羅輯，發(fā)現(xiàn)了黑暗森林法則，跟三體人進(jìn)入了一個(gè)短暫的和平時(shí)期，威懾時(shí)代，他們不知道，他們就逃。但是對于地球人來看，他們就犯了反人類罪行，可是對于藍(lán)色空間號，他們認(rèn)為我們是一個(gè)新的人種誕生了，這個(gè)人種為了活命不擇手段，包括干掉同類，拿到他們的資源。所以地球人后來由于新的技術(shù)的發(fā)展，又建造了第二批艦隊(duì)，這第二批艦隊(duì)的航速更高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過第一批艦隊(duì)，是光速的百分之幾。其中追擊藍(lán)色空間號的叫萬有引力號。追擊了大約有50年，終于快追到了。為什么說人類可以在一個(gè)星艦上生活50年呢？因?yàn)榇蟛糠秩艘恢痹诒鶅鰻顟B(tài)，冷凍起來了。可能只有百分之幾的人在工作，他們輪換工作，百分之幾人的工作三兩年，然后也去冬眠了，再喚醒兩三個(gè)人再工作。

但是當(dāng)萬有引力號追藍(lán)色空間號，他們之間只有一個(gè)天文單位的時(shí)候，一個(gè)天文單位是什么呢？就是地球到太陽的距離，大概是1.5億公里。一個(gè)天文單位的時(shí)候，他們就開始喚醒了所有的人，認(rèn)為戰(zhàn)爭要一觸即發(fā)了。如果是星艦以光速運(yùn)動(dòng)，8分鐘左右就到了，當(dāng)然星艦沒有那么高，是光速的百分之幾，那也不過是8分再乘上幾十。換句話說也就是幾個(gè)小時(shí)就追到了，所以他們就喚醒了所有的人。但他們突然發(fā)現(xiàn)本來護(hù)衛(wèi)他們的三體星人的水滴突然失靈了。原來發(fā)生了一個(gè)非常離奇的事情，就是藍(lán)色空間號和萬有引力號進(jìn)入了一個(gè)四維空間的碎片。

就是宇宙里面的空間不完全是三維的，我們知道三維是什么意思，就是上下前后左右，用三個(gè)坐標(biāo)來描述。他們進(jìn)入了一個(gè)四維的碎片，四維就比三維還高出一維，就相當(dāng)于三維比兩維高出一維一樣，一個(gè)立方體比一張紙要多一維，一張紙張只有上下和左右，我們高出一維，還有一個(gè)前后。我不知道怎么來形容四維，可能除了上下左右前后還有一個(gè)。我們?nèi)S空間放在四維空間里，就像一張紙放在我們的空間里一樣。突然藍(lán)色空間號和萬有引力號都進(jìn)了四維空間的碎片。就相當(dāng)于一個(gè)螞蟻在紙上爬，我們可以用手把它提到第三維里面。所以就發(fā)生了這么一個(gè)奇怪的事情，藍(lán)色空間號知道進(jìn)入了四維空間，萬有引力號不知道。所以他們就相當(dāng)于通過了第四維，然后抄近路把水滴給干掉了，他們又抄近路占有了萬有引力號。因?yàn)樗{(lán)色空間號上的人數(shù)是他們的十倍，有一千多人，而萬有引力號只有一百多人，而且他們根本不知道存在著這個(gè)四維空間，就突然被占領(lǐng)了。

我們回過頭來看，四維碎片的事是怎么回事兒。我們讀劉慈欣的小說覺得很正常嘛，就像爬在紙上的螞蟻，你用手把它提出來，放到高于紙面一樣的第三維空間一樣，這很正常，劉慈欣也覺得很正常，但這個(gè)物理上是有缺陷的。

我的結(jié)論是，如果真的三維人坐著星艦駛到一個(gè)四維空間的碎片，他要膽敢爬到四維空間里去，他會(huì)立刻毀滅，爆炸或者什么樣。用我們的成語講就是灰飛煙滅。為什么會(huì)灰飛煙滅呢？他跟螞蟻從紙面上拿起來不一樣，因?yàn)槲浵佋诩埫嫔纤w會(huì)的物理學(xué)規(guī)律和離開紙面體會(huì)到的物理學(xué)規(guī)律是一樣的。但是三維空間的人體會(huì)到的物理學(xué)的規(guī)律和四維空間的物理學(xué)規(guī)律是完全不一樣的。我們?nèi)S的人之所以生存要依賴于三維物理學(xué)規(guī)律。到了四維里面，物理學(xué)規(guī)律變了，那么三維人就沒有辦法生存了。我就講講為什么沒有辦法生存。

我們知道，有兩個(gè)非常重要的因素使得人類得以生存，首先存在原子和分子。原子就是電子繞著原子核在運(yùn)動(dòng)，形成了一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，然后原子之間再相互吸引，再形成分子，等等，組成了我們?nèi)梭w。原子之所以存在，依賴于一個(gè)非常重要的規(guī)律，就是說，電子和原子核之間的相互作用是庫侖力，庫侖力是什么意思呢？就是他們的吸引力是跟距離平方成反比的。而且我們可以證明，只有當(dāng)庫侖力成立的時(shí)候，原子才是穩(wěn)定的，如果不是和距離平方成反比，比如說和距離的三次方成反比，或者是和距離四次方成反比，這個(gè)原子系統(tǒng)都是不穩(wěn)定的。

換句話說，我們非常幸運(yùn)，在這個(gè)世界，庫侖力是成立的。但是非常遺憾，庫侖力到了四維就變成了和距離的立方成反比，R的立方成反比，如果把我們身體的原子突然放到四維里面，這個(gè)原子核和電子之間的吸引力突然變成R的三次方了，馬上就崩潰了，原子都崩潰了，那人的整個(gè)身體都崩潰了。

我們回過頭來再講講，為什么說庫侖力在三維空間里面跟距離平方成反比，而在四維空間里面是跟距離立方成反比，非常簡單，我們想想能量是守恒的，你比如說一個(gè)燈泡發(fā)出的光，比如說40瓦，是每秒鐘它的功率是40個(gè)焦耳，這個(gè)是不會(huì)變的。所以你離這個(gè)燈泡越遠(yuǎn)，你會(huì)感到光越弱，因?yàn)樗⒉嫉那蛎婢透?，它總的球面上所受的功率是每秒?0焦耳，你離它很遠(yuǎn)，它的球面變的更大了，所以你看到的，你的眼睛接收到的是有限的光，有限的面積，因此你看到的燈泡就弱，而這個(gè)弱是跟距離有個(gè)關(guān)系，就是跟距離平方成反比。原因很簡單，這個(gè)球面是跟距離平方成反比的。因此你單位面積里面接受的光一定是跟距離平方成反比的。庫侖力也是這么一個(gè)道理，他雖然不是能量守恒，但道理是類似的。

那么到了四維會(huì)怎么樣呢？同樣的燈泡你讓它發(fā)光，這個(gè)時(shí)候包著燈泡的球面就不再是兩維的球面了，因?yàn)樗谒木S空間里面，它的球面就變成三維了。因此根據(jù)能量守恒，它的燈泡發(fā)出的光的強(qiáng)度，是跟三維球面的體積有關(guān)的。而三維球面的體積是跟距離的立方成正比，因?yàn)樗侨S的，它是立方。所以如果你在四維里面用眼睛看一個(gè)燈泡，你看到的這個(gè)亮度是跟距離的立方成反比，同樣在四維空間里面，庫侖力也是跟距離的立方成反比。所以我們就回到前面的話題，如果把我們身體的原子放到四維空間里，他們之間的關(guān)系是跟距離的立方成反比，然后根據(jù)我們的物理學(xué)，你可以很快的解這個(gè)方程，這個(gè)是不穩(wěn)定的，馬上就崩潰。所以三維人是沒有辦法進(jìn)入四維的。這個(gè)是跟我們的直覺完全相反的。它和紙上的螞蟻不一樣，因?yàn)槲浵伇M管在紙上爬，它的規(guī)律還是三維的，它的身體里面分子原子還是三維的，所以你把它提到三維里，它不會(huì)發(fā)生變化。今天就跟大家聊這么些，以后有機(jī)會(huì)和大家再聊，我有可能在我的公眾號上會(huì)繼續(xù)談一些和科幻相關(guān)的物理學(xué)問題，歡迎大家關(guān)注我的公眾號，我的公眾號叫淼叔。謝謝大家。

撰稿：李淼 講述：李淼