第一篇：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

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)的一個重要分支，為經(jīng)典統(tǒng)計物理的發(fā)展做出重要貢獻；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)計解釋——概率幅。

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

概率論與數(shù)理統(tǒng)計作為數(shù)學(xué)的一個分支學(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，與生活實踐和科學(xué)試驗都有著緊密的聯(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)計物理中的應(yīng)用

統(tǒng)計物理學(xué)也叫統(tǒng)計力學(xué)，是用統(tǒng)計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)計分布是研究獨立經(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個量子態(tài)的可能方式有g(shù)iNi種。根據(jù)獨立性N1，N2，?Ni，?個粒子分別占用能級的可能占據(jù)方式共有∏igiNi種。由于N個粒子是可以區(qū)分的，N個粒子分別為N1，N2，?Ni?個粒子的組合方式也可能有很多種。從N個粒子中取出N1個粒子放到能級中去，粒子的組合方式數(shù)為CNi?N1N!；在余下N1!(N?N1)!的N-N1個粒子中取出Ｎ2個粒子放入能級中去，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)計物理學(xué)中，對于費米子的費米-狄拉克統(tǒng)計（F-D分布）、對于波色子的玻色-愛因斯坦統(tǒng)計（B-E分布）和上文提到Boltzmann分布是三種重要的統(tǒng)計規(guī)律，而它們的得出都與概率論與數(shù)理統(tǒng)計有著密不可分的關(guān)系。由此可見，概率與統(tǒng)計是統(tǒng)計力學(xué)中一項重要的理論武器。

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：“雙縫衍射實驗表現(xiàn)了量子力學(xué)的一切奧秘?！痹谖锢韺W(xué)中的雙縫衍射實驗中，當(dāng)兩條縫同時打開時，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衍射圖形的疊加。這一實驗事實表明：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)——一個粒子通過某一條縫到達屏幕上某處的概率幅等于兩條縫輪流打開時，該事件的兩個概率幅之和——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)與實驗結(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。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。”4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5，但是至少在目前還是不能動搖這一理論的地位。

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)計的方法給出結(jié)論，這與經(jīng)典物理學(xué)中的嚴格因果律是矛盾的。而如今，混沌正是物理學(xué)中一個重要的研究分支。

結(jié)束語

概率論與數(shù)理統(tǒng)計的發(fā)展，促進了包括物理學(xué)等其他學(xué)科的發(fā)展；另一方面，20世紀以來，由于物理學(xué)和其他學(xué)科的推動，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)濟各個部門，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：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

第二篇：物理學(xué)中的人文精神

物理學(xué)教會我人文精神

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，然后是能夠堅持某種觀念的一種勇氣，人類的一切活動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)教育的實踐，本人在領(lǐng)略物理這個自然學(xué)科的科學(xué)魅力的同時，更被物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程中所蘊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)人文精神的特定蘊藏及其歷史性、時代性和民族性，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，人是社會的人，人必然存在于個人與他人、個人與社會的復(fù)雜關(guān)系之中，要實現(xiàn)群體指向和個人意識，就必須確立某種準則和價值取向來調(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，維護國家尊嚴和利益，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，敢于堅持和捍衛(wèi)真理，樹立真理面前人人平等的觀點。反對專制與獨裁，敢于質(zhì)疑，具有懷疑精神和證偽精神，不迷信權(quán)威，尊重每一個人的人格，維護作為人應(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礦石進行了深入的研究，并且發(fā)現(xiàn)了兩種放射性很強的新元素?，旣悺ぞ永餅榱思o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?，旣悺ぞ永锉究梢垣@得巨額財富，但是，她卻把個人待遇置之度外，想到的則是如何能夠為全人類服務(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，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，贈與居里夫人。居里夫人接受捐贈后說：“這一克鐳代表了一筆巨款。在我活著的時候，我將完全用它作科學(xué)研究。那么在我死后，我愿意把它算作贈與我的實驗室的禮物。”

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，像伽利略以實驗事實為依據(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、馬呂斯、楊氏，各自的實驗結(jié)果互相補充、互相支持，完善了光學(xué)理論，為人類作出巨大的貢獻的事例，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精神。

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

在19世紀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。這個理論，麥克斯韋本人未能證實，因而這個理論很久都未得到科學(xué)界的承認。高度抽象的麥克斯韋方程僅僅幾個公式，幾個數(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)家赫茲進行了一系列實驗，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、準確的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的嚴格論證。這是研究物理具有的嚴謹?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，牛頓提出了三條運動定律，這三條定律總稱為牛頓運動定律，是整個動力學(xué)的基礎(chǔ)。課本在進行歷史回顧時講到：古希臘的哲學(xué)家亞里士多德的觀點是必須有力作用在物體上，物體才能運動，沒有力的作用，物體就要靜止下來。而這個錯誤的論點，在兩千年內(nèi)，一直無人指出。直到十七世紀，意大利著名物理學(xué)家伽利略才根據(jù)實驗指出：設(shè)想沒有摩擦，一旦物體具有某一速度，物體將保持這個速度繼續(xù)運動下去。

伽利略滿腔熱情地進入大學(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、自己實驗、自己證實。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。愛因斯坦這樣評價伽利略：伽利略對科學(xué)的貢獻就在于毀滅直覺的觀點，而用新的觀點來代替它。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，提出了三條運動定律。牛頓曾說：“如果說我見到的比笛卡爾要遠一點，那是因為我站在巨人的肩上的緣故?！?/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)，是人類思維活動的標(biāo)桿

高中物理課本在推導(dǎo)機械能守恒定律時，通過動能定理，重力做功與重力勢能的關(guān)系，得出機械能守恒定律的表達式：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！再看動量守恒定律的表達式: m1v1+ m2v2= m1v1’+ m2v2’，可寫為P1+P2 = P1’+P2’，P1 =P2，ΔP=0。比較機械能守恒定律和動量守恒定律兩數(shù)學(xué)表達式，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動，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動，因此，關(guān)于圓錐曲線的進一步研究，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)家費爾馬建立了解析幾何學(xué)。心靈中獨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，主動地獲取知識、應(yīng)用知識，解決問題的學(xué)習(xí)活動?！疤骄繉?dǎo)學(xué)”是獨立學(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)的是一種主動的、體驗的、發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)方式，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實踐。

（2）加強審美意識在物理學(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“運動的世界”用詩人的語言的韻律和意境贊美運動；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）增加各種社會意識，加強對學(xué)生的思想教育。在學(xué)習(xí)慣性知識和安全用電時，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，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識；講能的開發(fā)和利用、機械效率時，培養(yǎng)學(xué)生的經(jīng)濟意識、效率意識；講功的原理、能量守恒定律時，補充介紹一些科學(xué)工作者研究水動機的故事，培養(yǎng)學(xué)生遵循自然規(guī)律辦事的意識推至人類社會。人是社會動物，就要遵循一定的社會規(guī)律和與社會發(fā)展相適應(yīng)的社會準則，在社會行為、態(tài)度傾向和價值觀等方面，與社會保持一致，這也是學(xué)生今后所在社會群體具有穩(wěn)定性所必須的。

（4）理論聯(lián)系實際，強調(diào)學(xué)以致用。教材上的演示實驗和課后的小實驗，養(yǎng)成學(xué)生動腦動手的習(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、社會實踐相結(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、實驗制作、調(diào)查等科學(xué)實踐活動，養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度，增強了學(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)愛和對社會的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生的社會責(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名臺灣同胞，首次實現(xiàn)了由高雄經(jīng)金門直航廈門港，海上航行歷時約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）公遠前300多年前，古希臘的學(xué)者亞里士多德認為：“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行公開實驗。枷利略登上斜塔，一手拿著一個10磅鐵球，一手拿著一個1磅鐵球，喊了一聲“請各位注意”兩手一松，兩球同時落下，撲通一聲，兩球同時著地了，實驗的結(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。我們在學(xué)習(xí)與傳授知識的同時，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”社會主義事業(yè)的建設(shè)者和接班人。

第三篇：《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：

（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，宇航員就會有失重感；

（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，因為它作用于我們身體的每一個部分。

事實上，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

上面的圖中有兩個宇航員。左邊那個站在地球上，右邊那個站在宇宙飛船里。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力呢？這就要從力的性質(zhì)入手了。大家對下面這個公式應(yīng)該十分熟悉：

這個公式表明物體會在其受到的（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間內(nèi)物體的運動狀況。在這個極短的時間段內(nèi)，物體的平均加速度是：

圖2 宇宙飛船中的宇航員的速度

做圓周運動需要加速度，這一點其實我們早就知道了——每次開車轉(zhuǎn)彎時，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——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動，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，以及用一個純粹的數(shù)學(xué)模型來解釋整個宇宙，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)家路德維希·弗拉姆（Ludwig Flamm），同樣是在解愛因斯坦的方程的時候，獨立發(fā)現(xiàn)了這些“橋”。不幸的是，這個“萬有理論”并不成功，因為這些“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“穿越時空結(jié)構(gòu)的隧道”這個概念得以流行，其它物理學(xué)家不得不認真地考慮這些隧道帶來的影響。

20世紀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，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空就像是蘋果皮一樣彎曲著的，那么穿越高維空間實體的“蟲洞”，必然可以讓我們更快地在三維空間中的兩個點之間往返。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)家認定黑洞是存在的，認為大質(zhì)量恒星核心坍縮之后就會形成它們。所以黑洞可以同時是蟲洞，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，黑洞的核心是一個奇點，一個具有無限大密度的，中性的，靜止的球體。惠勒計算了如果三維空間中兩個相距遙遠奇點跨越更高維度相連會發(fā)生什么——形象一點兒說，就是兩個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，但是很快就會收縮“夾止”（即從中收縮斷開），重新形成兩個獨立的奇點。這個過程非?？欤淼缽男纬傻綌嚅_的時間如此之短，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，必然會遇到其中的一個奇點——這是件必死無疑的事情，因為奇點巨大的引力會將任何一個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）的人或物都會在夾止過程中被毀滅。”(三)如果黑洞轉(zhuǎn)起來，形成一個克爾黑洞呢？

當(dāng)然我們還有選擇的余地：廣義相對論認為還有可能存在著一種轉(zhuǎn)動著的克爾黑洞（Kerr black hole）。與史瓦西黑洞中的球體不同，克爾黑洞中的奇點是一個環(huán)。有一些模型認為，人可以舒服地從這個環(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候，這個通道都會坍縮。而且即使通過什么特殊的途徑使得這個蟲洞穩(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現(xiàn)。不過在一方面，普林斯頓大學(xué)的胡安·馬爾達西那（Juan Maldacena）和斯坦福大學(xué)的倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）認為，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。但是很多實驗告訴我們量子糾纏是真實存在的——這一現(xiàn)象甚至在商業(yè)上都得以應(yīng)用，例如在銀行交易時用以保護在線傳輸?shù)陌踩?。根?jù)馬爾達西那和薩斯坎德的理論，大量的糾纏態(tài)變化會改變時空的幾何形態(tài)，以糾纏態(tài)黑洞的形式形成蟲洞。但是這個版本的蟲洞并不會使星際穿越之門。

“這些蟲洞并不能讓你超光速航行，”馬爾達西那表示，“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，兩邊的人會同時死于引力奇點的作用?！?五)除了黑洞，我們還有其他的選擇嗎？

所以，黑洞是個大問題。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）表示其實要形成一個蟲洞的話，我們還有很多可能性：“因為我們現(xiàn)在還沒有一個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空結(jié)構(gòu)都有哪些可能性。

還有一個問題。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坍縮，除非它是由具有負能量的“奇異物質(zhì)”支撐著的。他認為我們有證據(jù)表明奇異物質(zhì)的存在，因為實驗表明真空中的量子漲落似乎會產(chǎn)生一個負壓，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，“如果我們認為宇宙中充滿具有負壓力的物質(zhì)，就可以解釋宇宙的加速擴張??就像是我們制造一個蟲洞所需要的那種一樣?！碑?dāng)然，這兩位科學(xué)家都認為，自然形成一個蟲洞需要的奇異物質(zhì)太多了，而且只有高度發(fā)達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。馬爾達西那表示： “一個穩(wěn)定的，可以穿行的蟲洞的存在會讓人十分困擾，因為這與已知的物理學(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。實際上很多人都認為它不可能存在，因為那樣的話真空就會不穩(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。實際的效果可能取決于蟲洞周圍的時空曲率，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。”

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“五維時空”，要把這個概念呈現(xiàn)在大銀幕上是非常困難的。通常認為我們所處的世界是四維時空，也就是三個空間維度加一個時間維度，而五維時空則有四個空間維度。擁有四個空間維度的立方體被稱為超立方體，雙重否定團隊的任務(wù)便是用視覺來呈現(xiàn)這個超立方體。從藝術(shù)角度講，他們本可以很抽象地表現(xiàn)這個空間，但是受導(dǎo)演影響，團隊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空間維度，因此諾蘭設(shè)計讓庫伯掉入超立方體的其中一個面里。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，墨菲的臥室位于超立方體的另外一個三維面上，在五維時空里他們隔得如此之近，這也是為什么庫伯會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，即便是進入高維時空。但影片中設(shè)計讓引力波可以穿越時間，影響過去，而對庫伯來說，他需要看到所有的時間，從過去到未來。正如塔斯所說，五維時空里時間是實體，就像一根線，你可以看到線上從頭到尾的每個瞬間，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)“時間是一個實體”，如何展現(xiàn)所有物體在整個時間線上的每個瞬間。富蘭克林得找到一個平衡點，既不能讓畫面顯得太過雜亂，又要從庫伯的角度觀察時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像縮小，并讓每個像發(fā)射兩條垂直的線，這兩條線就是“時間線”。每當(dāng)時間線相交的時候，就會產(chǎn)生一個臥室的像，因此整個五維空間里可以有無數(shù)個臥室的像，這些像位于時間線不同的位置上，因此每個像所代表的時間不同，庫伯只要沿著時間線漂浮，就可以看到墨菲臥室的過去或未來。

圖8 垂直的時間線組成無數(shù)個墨菲的臥室

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是這個樣子？

“當(dāng)然啦，黑洞就應(yīng)該是這個樣子的。”當(dāng)基普·索恩（Kip Thorne）望著在他的幫助下建立起來的黑洞時，心里便是這樣想的。這個黑洞其實是一個有史以來最精準的黑洞模型。它以接近光速旋轉(zhuǎn)著，將宇宙的物質(zhì)一點點地吸引過去。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，坍塌成一個小小的、不可逃逸的奇點（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，因為黑洞附近常常發(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，時空扭曲。更神奇的是，如果你離黑洞比我近，我們對時間和空間的感覺會不一樣。相對來說，我的時間會過得快一點。

為了向觀眾傳達黑洞是球狀的這一信息，它看起來會像是個圓盤，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。

特效人員做了一個巧妙的演示。她建立了一個多色的平面圓環(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。“我們發(fā)現(xiàn)黑洞外圍扭曲的時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)那樣圍繞著一個黑色的球，相反，光線彎曲會產(chǎn)生這樣一個奇特非凡的光暈。”

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會覺得“就該是這樣嘛”。雙重否定團隊開始認為一定是渲染器里出了bug導(dǎo)致這個效果，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，沒有人會知道黑洞到底是什么樣子的——除非他們真的造一個出來。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)黑洞會導(dǎo)致很復(fù)雜的星象場，也會導(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個小時等于地球上的7年，那么“卡岡圖雅”的自轉(zhuǎn)幾乎需要達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，裸奇點就會出現(xiàn)，這在目前的大多數(shù)理論中不被允許。無論運動多快的物質(zhì)進入到黑洞，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。但是如果你進入了這個區(qū)域，那你要么會被灼熱的伽馬輻射殺死，要么會被引力撕開

(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

第四篇：《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。今天跟大家聊三個問題，第一個問題就是前段時間美國人發(fā)現(xiàn)的引力波。這個引力波是怎么回事，在三體小說中也涉及到了。第二個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)則的運動到底是真的還是假的？第三部分我們談?wù)勅S人進入四維空間的碎片會發(fā)生什么？

第一個問題就是引力波。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，你如果定向發(fā)射的話，是沒有任何東西可以阻擋它的，因為它是一個時間和空間的波動，它和我們平?？吹降牟▌硬灰粯?。平?？吹降牟▌?，水波是水在晃動。比如說你在河里面扔一個石子，就產(chǎn)生了一個波動，這是水波。光波稍微抽象一點，它并不是一個介質(zhì)的波動，而是一個純粹的由電磁現(xiàn)象引起的波動。最早發(fā)現(xiàn)光波的人是英國一個偉大的物理學(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)這個方程里面有波動解，就像水波一樣。而且這個波動解的速度，他認為和光速是一樣的，于是他就預(yù)言，光其實也是一種電磁波。

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，所以赫茲是第一個驗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、手機信號，都是射電波段。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波遠遠不只這個，因為他還預(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之外的天體，他們會發(fā)射出射電。我們通過光學(xué)望遠鏡，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的天體。

話扯了這么長，我們回來談?wù)勔ΣāＲΣê凸獠ㄒ粯樱瑦垡蛩固拱l(fā)明了萬有引力這個方程組，他就像麥克斯韋對電磁現(xiàn)象一樣，他發(fā)現(xiàn)了完整的一個方程組，他也發(fā)現(xiàn)在他的方程組里也存在著波，這個波當(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？有點像電磁波依賴于電荷的變動，引力波的產(chǎn)生是依賴于質(zhì)量的變動、能量的變動。我們都知道世界上萬事萬物都有質(zhì)量都有能量，比如一個人的身體體重大概70公斤左右，重一點的話是80公斤90公斤，輕一點的話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。

到了愛因斯坦的時代，它認為其實萬有引力不像牛頓說的那樣是一種力，而是種時空彎曲的現(xiàn)象，就相當(dāng)于給你一個球體，你把它想辦法變成一個桔子皮，桔子皮上面是彎的，高低不平的，其實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。整個愛因斯坦理論是說，如果有了能量和質(zhì)量，那么時間和空間就會變彎。對于時空變彎，有靜態(tài)的變彎，比如說一個太陽，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，這是一個靜態(tài)的，太陽產(chǎn)生的引力場是通過時間和空間的一個靜態(tài)的彎曲，所謂的靜態(tài)是不隨時間變化。地球在太陽產(chǎn)生的彎曲時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。同樣一個球體上也有最短程線，球體上的最短程線就是一個大圓，不可能在球面上走一個直線，因為球本來是彎的，你只能繞著一個大圓走。所以當(dāng)空間變的更彎的時候，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。這是一個靜態(tài)的時空。但是引力波是怎么回事呢？引力波是說這個時空彎曲還會隨著時間變化。就像水里面的波動一樣，一個靜態(tài)的水你可以看成是一個平面，當(dāng)然你也可以放一個閘，左邊水面高一點，右邊水面低一點，這也是一個靜態(tài)的，但是他不是一個完整的平面。但水波不一樣，水波的波谷和波峰不時的在變化，才是波。同樣時間和空間的彎曲也會是這樣。如果他也隨著時間變化，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。他們花了二十多年的時間，終于檢測到彎曲時空會隨著時間變化的波動叫引力波，而這個引力波是來自于兩個黑洞合并的過程。這兩個黑洞非常遙遠，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，我們看不到這兩個黑洞，但是它合并的過程中就有點像我們?nèi)右活w石子在水里面一樣，它會使得時空產(chǎn)生強大的波動，這就是引力波。其中一個黑洞大概質(zhì)量是36個太陽那么大，還有一個黑洞是29個太陽那么大，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黑洞的質(zhì)量發(fā)現(xiàn)只有62個太陽質(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，這兩個黑洞總共有65個太陽質(zhì)量，合并之后損失了3個太陽質(zhì)量。這3個太陽質(zhì)量到哪里去了呢？因為這兩個黑洞不發(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，這樣就被我們的實驗看到了。

回到三體，三體里面有一個很長的故事，咱們也忽略了，就是說三體人和地球人進入一個威懾時代，就是暫時和平時代，就相當(dāng)于我們很多國家擁有核武器，核威懾時代。他們就進入了一個所謂的黑暗森林的威懾時代。為什么說是有威懾呢？是因為地球人掌握了通過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引力波發(fā)射器。這個引力波發(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，羅輯一家遠遠的看到引力波天線，但車行駛了半個小時才到達它旁邊。這時候，他們才真正感覺到它的巨大。天線是一個橫放的圓柱體，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，用他們一句名言來講就是，通過忠實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小小的綠洲。這片草地并不是專門種植的，因為引力波系統(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上方聚集，使得天線周圍經(jīng)常降雨，有時，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，其實整個直徑50米的圓柱體里面是作為一個包裹體，里面是非常細的弦，但這個弦非常重，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，是一個中子一個中子的挨在一起的，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，比如說傳遞出很遠很遠，銀河系其他地方，讓其他文明收到這個信號，這是做不到的。

要到什么程度呢？它必須是由不是單個中子排在一起，而是有很多很多中子排在一起，它有一個截面，這個截面里面有很多很多的中子，其實就是中子形成的一個小的圓柱體，而不是單個兒中子排的細線，形成了一個小的圓柱體。而且中子要密密麻麻的排在一起。這樣的話，應(yīng)該可以達到像全銀河系做廣播的目的。我計算了一下，它的功率是每秒一億焦耳，這是相當(dāng)強大的功率。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)生了一個技術(shù)爆發(fā)，爆發(fā)了兩次，第一次是人類建造了非常強大的星際艦隊，這個星際艦隊形成了幾個共和國。但是第一個星際艦隊被三體人摧毀了，這是有非常美妙的一個故事，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的星際艦隊。這個星際艦隊其中有一個叫萬有引力號。萬有引力號和其他的星際艦隊長的完全不一樣，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，這個引力波天線其實是一個活動的引力波天線，三體星人沒有把能把它摧毀，因為它是活動的，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，剩下了幾個星艦，其中一個叫藍色天空號，藍色天空號逃跑，為什么逃跑呢，是因為他們認為太陽系已經(jīng)不適合居住了，因為時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。確確實實在廣播后不久，有一個光粒，就是以光速運動的巨大的東西，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。其實《三體中的物理學(xué)》這本書有一個東西沒有講，這個東西實際上是三體的關(guān)鍵。因為三體星人是處于一個三顆恒星系統(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)常會被毀滅，然后重新再誕生。后來他們的文明先進到什么程度呢，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)律的時候，他們又出來了。那時候也許就像我們地球一樣，有四季變化。

三體星為什么會運行不規(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壁上來回反射，這個反射有規(guī)律，如果一個球順著一個斜線打到壁上，它可以反彈出來，它反彈出來的角跟入射的角是一樣大的。這個是有規(guī)律的。但是時間長了以后你會發(fā)現(xiàn)，這個球被四個壁來回來回反彈，最后完全沒有辦法預(yù)言它的軌跡，變的非常混亂，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)計的這么一個故事，非常有意思。為什么三體星人要入侵地球呢？很簡單，因為他們經(jīng)常被毀滅。葉文潔是三體里面的一個主角，收到了三體星的信號，而且她還回了，因為她對地球人不信任，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，所以她就在地球發(fā)起了一個組織，三體組織，是干什么的呢？其實就是希望三體星入侵地球，取代人類的統(tǒng)治地位，因為三體星人的文明更先進，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。這個災(zāi)難的源頭就是三顆恒星運行的不規(guī)律，他們有三個太陽，就像我們的古代傳說一樣有九個太陽，被羿給射掉了八個。他們有三顆，大家經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一顆太陽會突然靠近他們，或者是兩顆太陽突然靠近他們，甚至是三顆太陽同時靠近他們，那就完全把這個行星烤化了，更不要說整個文明了。

其實我要指出這一點，非常重要的一點，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，但是他在書里寫了一個東西有點問題。他說這個三體星其實就是靠我們最近的恒星，那個恒星叫比鄰星。確實是靠我們最近的恒星和另外兩個恒星形成了三星系統(tǒng)。為什么說大劉的設(shè)定有問題呢，其實他后來也發(fā)現(xiàn)了問題。這個問題還蠻大，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。比如說太陽發(fā)出的光，其實你是看到的光，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？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。

但是盡管遙遠，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，一個叫南門A，一個叫南門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恒星，肉眼看不到。一百年前被歐洲的一個天文學(xué)家用望遠鏡發(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恒星，是跟南門A和南門B形成一個三星系統(tǒng)。

確實是存在這么一個三星系統(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？其實這三個系統(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)，因為地球的質(zhì)量不大影響到太陽的質(zhì)量，太陽太大了。那兩個南門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，是不是會形成剛才我們說的沒有規(guī)律的運動呢？不是的。因為比鄰星離這兩個星比較遠，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)。所以從更長的時間來看，應(yīng)當(dāng)是一個不可預(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，其實也是一個三星系統(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。但是在一個世紀，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?，沒有因為三星系統(tǒng)而混亂。雖然那個三星不一樣，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光年是非常遙遠的。所以估計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發(fā)生紊亂現(xiàn)象。上億年的尺度上不會發(fā)生紊亂現(xiàn)象我覺得三體星人會活的挺好的。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)》里面三維人進入高維空間會發(fā)生什么事情，這是第14章，三維人進入四維空間發(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，第二批比較先進的星艦來追擊另外一個逃亡的星艦藍色空間號。藍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艦隊里面的星艦，叫量子號。為什么要消滅呢？是因為覺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。其實在他們消滅量子號的時候，量子號同時也想消滅他們，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。

因為他們不知道后來地球人發(fā)現(xiàn)了羅輯，發(fā)現(xiàn)了黑暗森林法則，跟三體人進入了一個短暫的和平時期，威懾時代，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，可是對于藍色空間號，他們認為我們是一個新的人種誕生了，這個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，這第二批艦隊的航速更高，遠遠超過第一批艦隊，是光速的百分之幾。其中追擊藍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星艦上生活50年呢？因為大部分人一直在冰凍狀態(tài)，冷凍起來了?？赡苤挥邪俜种畮椎娜嗽诠ぷ鳎麄冚啌Q工作，百分之幾人的工作三兩年，然后也去冬眠了，再喚醒兩三個人再工作。

但是當(dāng)萬有引力號追藍色空間號，他們之間只有一個天文單位的時候，一個天文單位是什么呢？就是地球到太陽的距離，大概是1.5億公里。一個天文單位的時候，他們就開始喚醒了所有的人，認為戰(zhàn)爭要一觸即發(fā)了。如果是星艦以光速運動，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小時就追到了，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)生了一個非常離奇的事情，就是藍色空間號和萬有引力號進入了一個四維空間的碎片。

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，用三個坐標(biāo)來描述。他們進入了一個四維的碎片，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。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。突然藍色空間號和萬有引力號都進了四維空間的碎片。就相當(dāng)于一個螞蟻在紙上爬，我們可以用手把它提到第三維里面。所以就發(fā)生了這么一個奇怪的事情，藍色空間號知道進入了四維空間，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。因為藍色空間號上的人數(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四維空間的碎片，他要膽敢爬到四維空間里去，他會立刻毀滅，爆炸或者什么樣。用我們的成語講就是灰飛煙滅。為什么會灰飛煙滅呢？他跟螞蟻從紙面上拿起來不一樣，因為螞蟻在紙面上所體會的物理學(xué)規(guī)律和離開紙面體會到的物理學(xué)規(guī)律是一樣的。但是三維空間的人體會到的物理學(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動，形成了一個穩(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，這個原子系統(tǒng)都是不穩(wěn)定的。

換句話說，我們非常幸運，在這個世界，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，你比如說一個燈泡發(fā)出的光，比如說40瓦，是每秒鐘它的功率是40個焦耳，這個是不會變的。所以你離這個燈泡越遠，你會感到光越弱，因為它散布的球面就更大，它總的球面上所受的功率是每秒鐘40焦耳，你離它很遠，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，而這個弱是跟距離有個關(guān)系，就是跟距離平方成反比。原因很簡單，這個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。

那么到了四維會怎么樣呢？同樣的燈泡你讓它發(fā)光，這個時候包著燈泡的球面就不再是兩維的球面了，因為它在四維空間里面，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，因為它是三維的，它是立方。所以如果你在四維里面用眼睛看一個燈泡，你看到的這個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方程，這個是不穩(wěn)定的，馬上就崩潰。所以三維人是沒有辦法進入四維的。這個是跟我們的直覺完全相反的。它和紙上的螞蟻不一樣，因為螞蟻盡管在紙上爬，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，它不會發(fā)生變化。今天就跟大家聊這么些，以后有機會和大家再聊，我有可能在我的公眾號上會繼續(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

第五篇：樂器中的物理學(xué)

樂器中的物理學(xué)

張無忌

摘要：本文主要介紹了令人“耳”花繚亂的各式各樣樂器的簡單分類以及各類樂器具體的發(fā)聲機制，還列舉了“鋼琴“、“笛子”的一些簡單原理，使得“音頻”、“音色”、“響度”、“聲阻抗“、”彈性模量“等抽象的物理詞匯有了更進一步的與我們面對面。

正文：

愛因斯坦在不斷探尋真理的過程中始終與小提琴相伴，錢學(xué)森更是把自己在導(dǎo)彈領(lǐng)域做出的突出貢獻歸功于妻子優(yōu)美的琴聲，可見樂器早已和物理結(jié)下了不解之緣。

在姿彩萬千的藝術(shù)天地中，音樂是一條永無止息的河，它源自人類的心靈，經(jīng)由生活的沉淀，幻化精美的華章。聲音是音樂的直接化身，在我們周圍的生活中，既有震耳欲聾的雷鳴，也有小溪流動的熙熙嘩嘩，既有蕭的悵然憂傷，也有嗩吶的高亢喜悅，不同感覺的聲音源自紛繁多樣的樂器，這么多的樂器又可以分為哪些種類呢？大致可分為一下四種：

一、弦樂器。它們通過拉、彈、撥，擊的方法使弦振動而發(fā)聲，再借助共鳴箱使弦的聲音在共鳴箱中共嗚而被放大。常見的弦樂器有小提琴、大提琴、吉他，二胡、琵琶等。

二、管樂器。它們是一些一端封閉另一端開口的管子，人用嘴吹動簧片或哨子之類的振動器件，激發(fā)管內(nèi)的空氣柱振動而發(fā)聲。西洋樂器中的單簧管、雙簧管、等，以及民族樂器中的笛、簽、蕭、嗩吶等都屬于這一類。

三、打擊樂器。它們是指用器物（棒、槌等）打擊膜、板、棒等東西，使之振動而發(fā)音的樂器的總稱。這類樂器包括：西洋樂器中的定音敲、木琴、三角音叉等，還包括民族樂器中的鑼等。

四、電子樂器?，F(xiàn)代電子樂器可以分成兩類。一類如電吉他、電提琴等，指在原來樂器（吉他、提琴等）的基礎(chǔ)上，增添電子擴音系統(tǒng)和音色變化裝置，大大改善原有樂器的表現(xiàn)能力。另一類，電子琴等，完全由電子振蕩器來完成音階的組成。在傳統(tǒng)樂器中，鋼琴彈不出小提琴的音色，笛子也吹不出二胡的聲響。而電子琴依靠音色合成網(wǎng)絡(luò)，能演奏出幾十種不同音色的樂器聲。此外，它還裝有各種自動裝置，可以自動產(chǎn)生節(jié)奏、和弦等音響效果，大大簡化了演奏，甚至一臺電子琴能奏出一個樂隊的效果來。

樂器就是發(fā)出音樂聲的機器。因此，任何一種樂器實際上也就是一種聲學(xué)儀器。下面讓我們進一步對樂器的結(jié)構(gòu)進行具體的剖析。

首先，一個樂器必然有聲源，即振動源。弦樂器的振動源是振動的弦線。管樂器的振動源可以是振動的簧片，如單簧管，可以是嘴唇的振動，如銅管樂器，也可以是邊棱形成的氣流振動，如笛子。簧振樂器的振源是簧片的振動，鼓的振源是一個圓膜，鐘的振源是整個鐘體，電子樂器的振源可以是石英振蕩器或是振蕩電路。振源是任何樂器必不可少的。

樂器都有發(fā)聲體。有的樂器的振源就是發(fā)聲體，如鼓皮、鐘體、口琴或手風(fēng)琴的簧片等。管樂器是靠管來決定音調(diào)的?？諝庠诠軆?nèi)形成駐波，通過管口把聲音傳播出去而發(fā)聲。有的簧管樂器是由簧和管共同決定音調(diào)、在管口處發(fā)聲的。

不少樂器的發(fā)聲體還包括了共鳴體，如提琴的弦線振動發(fā)出一定音調(diào)的音，但聲音很小，幾乎聽不出來.通過琴馬、音柱把振動傳到琴箱的上下音板，使弦線與琴箱產(chǎn)生共鳴，才能發(fā)出我們現(xiàn)在所聽到的提琴的聲音。

有些樂器還有附件，如大提琴的支桿是一種支持體，還如柳琴的撥子、風(fēng)琴的風(fēng)箱、提琴的指板、琴馬等。這也同儀器一樣，要有個支腿、配件等。

樂器作為一種聲學(xué)儀器，除了本身結(jié)構(gòu)以外，其發(fā)聲原理、聲駐波的形成、聲頻的合成、聲波的傳播、電子樂器的調(diào)制和控制、數(shù)字音源的制作、線路或結(jié)構(gòu)設(shè)計等都是物理內(nèi)容。

樂器的分類要以其發(fā)聲的物理機制為依據(jù)。制作樂器材料的性能，如濕度、硬度、彈性模量、密度、聲波在材料中的傳播速度、材料的阻尼性質(zhì)、聲阻抗等，都是物理屬性。材料的處理，如人工老化、加濕、烘烤、上保護層等，都是物理方法，用的是物理測量儀器。許多研究樂器的方法如頻譜分析、波形觀察、激光全息、聲電模擬等等都是物理方法。樂器的保存和維護如保持一定溫度、濕度等，都是物理環(huán)境。

因此，物理學(xué)是樂器學(xué)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，還要加上人的演奏以及音樂學(xué)、美學(xué)、心理學(xué)以及工藝等，才是樂器學(xué)的全部。

接下來，讓我們一起認識幾種有特色的樂器： 0、爛漫的吉他。

聲學(xué)吉他的祖先，可以追溯到公元兩三千年前古埃及的彈撥樂器耐法爾，及古巴比倫和古波斯的古彈撥樂器。8字型內(nèi)彎的琴體決定了吉他類樂器特有的共鳴特點（電吉他所沒有）和外形特點，這也是吉它屬樂器和其它彈撥樂器的最大區(qū)別。

按照發(fā)源地的不同，吉他又可以分為

1、西班牙式吉他；

2、美國式吉他；

3、爵士吉他。

一、樂器之王——鋼琴。

廣泛流行于世界各國的鍵盤弦樂器——鋼琴，是樂器世界中歷史最悠久者之一。主要是它獨具的非凡的表現(xiàn)力，從千軍萬馬、驚濤駭浪到潺潺流水、細語低聲，無一不可以表達，而且隨心所欲、千變?nèi)f化。下面我們將從其物理基礎(chǔ)上來略略予以說明。首先，鋼琴的音域廣。它的發(fā)聲頻率范圍可以從27.5赫茲以下到4186赫茲以上。

第二是它可以奏出和聲。鋼琴可以同時或很快按下許多個鍵，發(fā)出各種和弦聲，利用腳踏板還可以大大擴展和聲效果。

第三是音色豐富。由于鋼琴的特殊結(jié)構(gòu)，即所有的琴弦都緊固在一塊鋼板上，因此，即使彈奏一根弦，其它的弦也能“感應(yīng)”而發(fā)出諧波，因此諧波特別豐富。還有一個重要的特點是，鋼琴可以通過演奏時變換擊鍵和使用踏腳板的方式，隨心所欲地控制力度和音色，使強弱適度，并有千變?nèi)f化的表現(xiàn)力。

二．豎笛

笛子可以說是樂器中發(fā)音最為清脆明亮的。

笛子的發(fā)音原理是邊棱效應(yīng)，是氣流柱被吹孔切開而產(chǎn)生音響。好比說大風(fēng)吹著緊閉的門窗會產(chǎn)生咻～咻～咻～像鬼叫的聲音一樣道理，因此，只要細小的空氣柱被切開，笛子就會發(fā)出聲音。

吹笛子的時候，用手按住或放開一些側(cè)孔，就是改變管長，也就是改變音調(diào)。其實，笛子的音調(diào)隨溫度的變化很大。如果溫度改變10℃，音調(diào)可以改變約1/3個“半音”。這種變化能被人耳清晰的捕捉，影響很大。而笛子的好壞與制作其的材料直接相關(guān)。物理是一門探尋真理的學(xué)科，從哥白尼到伽利略，再從牛頓到愛因斯坦，一代又一代的大家們把我們帶入奇妙的物理世界中；音樂是一種藝術(shù)，音樂是大自然的心跳，創(chuàng)造音樂的過程也是對生活，對自然真理的一種追尋。19世紀法國文學(xué)家福樓拜所說：“藝術(shù)越來越科學(xué)化，科學(xué)越來越藝術(shù)化，兩者在山麓分手，有朝一日，將在山頂重逢”。音樂這門藝術(shù)與物理這門自然科學(xué)正契合的越來越緊密。也正是有了這些豐富的物理原理，世界上才有如此多各具特色的樂器，我們才能聽到各種美麗的聲音。

參考文獻：

1、龔鎮(zhèn)雄，董馨著《音樂中的物理》，1994-8-1；

2、（法）納塔利?德高爾德著；孟筱敏譯《西方的樂器》，1999.5

3、趙沨主編《中國樂器》1991.1

4、劉麗芳、王琴納主編《中國世界音樂文化》2008.5