整体观文明

《悟道相对论》 (2018-11)

《理性为什么能胜利》 (2018-10)

《父母怎么教育孩子》 (2019-07)

《生物学思想发展的历史》 (2019-06)

《中医有毒吗》 (2019-06)

《黄帝内经是真的吗》 (2018-11)

《100个科学问题及答案》 (2019-07)

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悟道相对论——飞升成仙的相对论诠释

作者:海云青飞

这是第一本正确解释相对论效应的书籍

你可以不读《道德经》,你不能不读《悟道相对论》

你可以不读《金刚经》,你不能不读《悟道相对论》

你可以不读《圣经》, 你不能不读《悟道相对论》

只有悟道的人,才能正确解释《相对论》

看不懂相对论的神秘文化大师,都是神棍、骗子

你以前看的《相对论》,其实都是《绝对论》

作者不但教你正确的《相对论》

还让你从此彻悟宇宙、人生


十多年前,51.com 董事长 庞升东 曾来电邀请我给公司管理层讲一下哲学,我在佩服他感觉敏锐之余,想到了一件事

我对 道——宇宙、人生的终极答案 略有所得,知识若不分享,实在没有意义,如果分享,又该采用什么策略

人类,地球表面的万物之灵,和其他生物的重要区别是,人类有时会仰望星空——思考宇宙、人生的意义:

生从何来
死往何去
短暂人生
意义何在
星空茫茫
魂归何方

海云青飞 虽对上述问题并无疑惑,但是又该如何解说呢,This is a big problem 这是个大问题

普通人常抱不切实际的幻想,怪力乱神总有最大的市场:

  • 上师加持消去10年业力
  • 菩萨开光助人升官发财
  • 勤做礼拜死后天使迎接
  • 枯禅终日显示功夫高深
  • ...

显然,我不能把这些抱有不切实际幻想的人定为分享的对象,一方面是我提供不了他们需要的美丽的泡沫,另外,夏虫不可以语冰

我分享的对象应该是社会的精英,他们若能对道有深刻的理解,对于这个世界无疑是件好事

何谓精英

精英有二个特点:

  • 对外部世界的了解比较深刻
  • 对于自己状态了解比较深刻

对外部世界了解比较深刻,意味着他们学东西快,容易理解别人的想法

对自己的了解比较深刻,意味着他们经常返观自己,会根据外界的反馈调整自己的言行

这两个特点结合,他们的决策就会比较正确,容易合作,不太会走极端,不会死脑筋。这就是精英,社会的进步主要是靠精英的推动

精英容易知道别人的想法,这说明精英天然地带着 “好人基因”,如果他想对你好,那么你会如沐春风

在精英那里,怪力乱神是没有市场的,用庞升东的话说:

不是我不信,而是他们无法说服我

精英也可能少量接触怪力乱神,那是无奈之下的宁可信其有,归根到底,对于理由不足东东,他终究是高度怀疑的

如何用 说服精英

又该怎么向精英分享心得,如果就事论事空谈玄妙理,他们听了以后会客气地表示感谢,内心却可能不以为然:

你说的很有道理,都对,但是,你也许只会讲大道理,其他方面还是本人厉害一点吧 :)

可不是空谈,道无处不在,道在日常生活中,也在艰深的科学知识里。那就结合现代科学来分享吧

据说全世界理解相对论的人不超过10个,这句话可能有夸张的成分,相对论很难理解却是真的。海云青飞 初中毕业考试物理是满分,不过最高学历却是文科,学校学过的物理多半已经还给了老师。这些都没有关系,精英未必是高考状元,智慧在于对事物本质的深刻洞察,在大道光辉的照耀下,即使临时抱佛脚,也必然可以深度揭秘相对论

2018年初,海云青飞 一边了解现有的相对论解释,一边整理文字,花了大约一个月的时间,写出了《悟道相对论》初稿。2018年10月末,发心整理成电子书公布在网上,就是你现在看到的内容

不怕你自负,就怕你不够自负

精英通常比较自负,现在有了《悟道相对论》,不怕你自负,就怕你不够自负。如果你对自己有信心,不妨搜集一些相对论的资料,和《悟道相对论》结合着阅读,比较一下谁的解释更加正确、深刻

不妨自问:如果是我,一个月的时间,对相对论的理解能否达到 海云青飞 的高度

本书有助于你提高对 海云青飞 的信心,兼带打击一下你的自负。如果你真是精英,最终你必然能看懂,你会恍然:

  • 并不只是神棍用来愚民的幌子
  • 并不是只能空谈玄妙理
  • 能帮助我们深刻理解相对论

然后,你对宇宙、人生有了新的理解,这会影响你的以后的行动,甚至改变你的命运

海云青飞 2018-10-29


《悟道相对论》精华

尽管 tuenhai.com 已经对相对论作了更深层次的解读,对于刚接触相对论的人还是会感觉到艰难的挑战,为了使大家更快地理解相对论,特把一些重要的概念放在前面,方便大家经常翻看

相对论最简定义

相对论是研究运动引起空间、时间变化的理论

相对论完整定义

相对论是研究同一体物运动状态变化引起空间、时间变化的理论

相对论时空效应分析必备的基本概念

  • 平台参考系: 物体原来所在的一个运动状较稳定的参考系
  • 静止者: 相对平台参考系保持静止的物体
  • 运动者: 相对平台参考系保持运动的物体
  • 静止者数据: 静止者观测到的数据
  • 运动者数据: 运动者观测到的数据
  • 静止者钟: 静止者观测到的钟的数据
  • 运动者钟: 运动者观测到的钟的数据

相对论空间、时间概念定义

  • 空间膨胀:完成一个事件所经历的的空间距离增大,表现为物体运动方向长度变长
  • 空间收缩:完成一个事件所经历的的空间距离减小,表现为物体运动方向长度变短
  • 钟时膨胀:空间膨胀以后,速度不变,需要用更多时间完成一个事件,又叫钟时变慢
  • 钟时收缩:空间收缩以后,速度不变,需要用更少时间完成一个事件,又叫钟时变快
  • 命时膨胀:空间收缩以后,需要跨过更少空间就能完成一个事件,又叫命时变慢,表现为寿命延长
  • 命时收缩:空间膨胀以后,需要跨过更多空间才能完成一个事件,又叫命时变快,表现为寿命缩短

几个重要的狭义相对论时空效应

  • 静止者钟时膨胀(钟时变慢)
  • 静止者命时收缩(寿短)
  • 静止者空间膨胀(运动方向变长)
  • 运动者钟时收缩(钟时变快)
  • 运动者命时膨胀(寿长)
  • 运动者空间收缩(运动方向变短)

相对论时空效应规律

  • 空间膨胀和钟时膨胀成正比
  • 空间膨胀和命时膨胀成反比

相对论时空效应观测原则

  • 两个作相对运动的观测者观测同一事件
  • 被观测者相对平台参考系运动
  • 静者得静,动者得动
  • 数据反映比例

标准相对论时空效应观测模型

以地球为平台参考系,静止者观测运动者,运动者观测自身

什么是生命

  • 生命:物体的画面就是物体的生命
  • 生命最小单元:以物体某段时间内的画面作为物体的生命的片段,定义的最小片段就是物体生命的最小单元

阴我、阳我

  • 阴我:画面中心的身体
  • 阳我:画面中阴我以外的部分

宇宙二大画面连接者

  • 引力,原子之类物体的画面的连接者
  • 光,人类之类视觉生物的画面的连接者

引力进化论

  • 1687年前:蒙昧时期
  • 1687: 万有引力
  • 1916: 时空弯曲
  • 2018: 画面演算

解秘牛顿运动定律

  • 牛顿第一运动定律:宇宙中因果律必须成立
  • 牛顿第二运动定律:空说无用,给你因果律的力学计算公式:F = ma
  • 牛顿第三运动定律:力把受力物体和施力物体连接成一个不可分割的整体

弱等效原理

观测者不能在局部的区域内分辨出物体向Z方向加速度被阻止所产生的惯性力或由物体受到Z方向的引力

弯曲空间分二类

  • 有质量弯曲空间
  • 无质量弯曲空间

大圆

球体表面的圆心与球心重合的圆就是大圆

三个概念缔造一个宇宙

  • 纯空:纯空间,什么也没有。数学上存在,现实中不存在
  • 纯质:纯物质,不含纯空间。数学上存在,现实中不存在
  • 物体:纯空间和纯物质混合而得物体,人类所见都是物体

宇宙(上帝)名

  • 女:寓意万物之母
  • 无:寓意无处不在(包含非人形神之意)

怎么入门狭义相对论、广义相对论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20181101

相对论的爱好者非常多,他们在网上搜索“相对论入门书籍”,“相对论通俗解释”,“相对论是什么意思”等等,并不是为了掌握相对论的计算公式,而是为了形象地理解相对论的时空效应,比如相对论空间是怎么弯曲的,相对论时间是怎么变慢的...不过他们可能会失望,因为市面上的科普书多数是新瓶装旧酒,作者自己都云里雾里,怎么可能让读者真正理解呢

新瓶装旧酒的相对论入门科普书籍

  • 搜集一些相对论的资料
  • 用自己的语言风格转述一下

天下文章一大抄,很多人就是这么做学问的,这种方法的好处是作者不用怎么动脑筋,坏处是把杂质也抄过来了。即使过了500年,学术上也不见得有所进步

《悟道相对论》 https://xdl.tuenhai.com 却是个异类,不满足于新瓶装旧酒,不屑于只做知识的搬运工

《悟道相对论》的创新

道,即宇宙、人生的终极答案,如果只是做知识的搬运工,那么势必无法通过相对论揭秘大道,真理通常是掌握在少数人手里,若是简单的资料收集就可得,那么肯定不是真理

相对论包含了时空变化的奥秘,世俗对其的解释肯定是存在错误的,对此必须有清楚认识

  • 找出世俗相对论解释的错误之处

    tuenhai.com 对道略有所悟在前,接触相对论在后。于是道和相对论可以互相检验,很快发现了世俗相对论解释存在的问题

  • 进一步深入揭秘相对论世界

    tuenhai.com 很是讨厌做新瓶装旧酒的工作,如果不能在前人基础上更进一步,那么这个工作有什么意义呢

    《悟道相对论》就是要在剔除前人错误的基础上,增加新的内容,把大家对相对论的理解提高一个档次。你读了《悟道相对论》以后就会发现,有些内容是其他地方找不到的。然后你去找世俗的资料,除了文笔各人有别,绝大多数是没有新意的

  • 给相对论入门指一条康庄大道

    相对论的世界里会有神奇的时空效应,在《悟道相对论》之前,没有一本书讲得较为清晰,多数是作者也不太懂,有的世界著名物理学家可能懂,但是懒得做物理小白的科普

    为什么很多人讲不清楚相对论的时空效应

    他们忽略了一件事,对于相对论这样有点复杂的事物,需要先明确概念,再按严格的步骤分步去解读,才能得见全貌

    否则,连最基本的概念(如静止者,运动者)都还没有搞清楚,就站在门外胡乱猜测,表面上看来像模像样,实际上却可能错误百出。现实就是这样,都是在用绝对的时空观去解释相对论的相对时空观,目前为止我还没有发现过一个例外。当然,也可能有人解读正确,只是没有被我看到

    《悟道相对论》对相对论科普界的一大贡献就是明确了相对论效应实验、观测、分析的基本概念和步骤,只要按照这些步骤去做,一定不会张冠李戴,把绝对论当成相对论

    相对论效应分析基础概念,比如 静止者运动者静止者钟运动者钟静止者数据运动者数据 等等,还有 相对论效应观测原则,这些就是本章的主要内容

    tuenhai.com 是真理狂,而非物理狂,最有心得的是 而非物理,本书肯定有错误或失误之处,欢迎联系我 tuenhai.com 并指出错漏之处


什么是爱因斯坦相对论,相对论定义

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20181103

相对论是什么意思?相对论为什么叫相对论,这里给出最简明扼要的定义

相对论最简定义

tuenhai.com : 相对论最简短的定义:

相对论是研究运动引起空间、时间变化的理论

相对论完整定义

相对论是研究同一物体运动状态变化引起空间、时间变化的理论

考虑到人类是低速生物,以低速状态为参考系时人类容易理解,《悟道相对论》中的实验都是属于下面这样的情况:

研究同一体物体由静止切换到运动状态时引起的空间和时间变化

注意,相对论定义中,tuenhai.com空间 放在 时间 的前面

相对论定义的二个要点

强调二个要点:

  • 同一物体

    这点十分重要,保证了实验的严谨性,是实验有效的前提

  • 静止和运动是相对的

    物体从低速运动切换到高速运动,以低速运动时的物体为参考系,低速运动时相当于静止

静止者和运动者

于是就有了二个相对论实验的二个主角:

  • 静止状态的物体,简称静止者
  • 运动状态的物体,简称运动者

假设物体有知觉,能观测自己的状态和别的物体的运动状态,这时相对论效应的实验变得极为简洁,有助于我们快速理解本质

但是有的人对于充分放权让物体自己观测不太放心:人呢,哪去了

他忘记了,相对论本身是虚拟实验中推理得到的,假设物体自己能观测和假设有人站在物体旁边代表物体进行观测,得到的结果又有什么不同呢

考虑到他们的担心,那么就加二个人吧

  • 静止者,即静止状态的物体,或站在静止状态物体旁边从事观测的人
  • 运动者,即运动状态的物体,或站在运动物体旁边从事观测的人

厘清了这些基本概念以后,理解相对论的时空效应变得十分简单

如果连这些基本概念都不知道,那么,是不可能对相对论有正确理解的

狭义相对论、广义相对论入门基础知识

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180108

相对论基础知识:什么是参考系

tuenhai.com :学习物理时,必然会碰到参考系、惯性系这些基础概念,如果不是在一开始就解决了陌生概念,那么你每次遇到这些词语的时候,都像是吃饭吃到了石头一样令人不快

什么是参考系:

在描述一个物体运动时,选来作为用来观察这个物体的运动的另外的某个物体就是参考系,也叫作参照系

要注意的是:

  • 用来做参考系的物体都是假定不动的
  • 一定不能将研究对象作为参考系

参考系的选定原则:

  • 从观测方便角度选择
  • 从运动的描述尽可能简单的角度选择
  • 也可以任意选择

如果选择了一个参考系后使得研究的问题变得复杂,那么这个参考系可能选错了

参考系的四个性质:

  • 相对性:物体的运动都是相对参考系而言的

  • 同一性:比较不同物体的运动时,应该选择同一参考系

  • 差异性:同一运动选择不同的参考系,观察结果可能不同

  • 任意性:并没有规定一定要用哪个参考系

注意:

  • 因运动描述的相对性,凡是提到物体的运动,都必须明确它是相对于哪个参考系而言的

  • 在同一个问题中研究多个物体的运动或同一物体在不同阶段的运动时,必须选取同一个参考系

以研究地球和太阳的关系为例,可以拟人化理解,把地球当成静止不动,地球去看太阳,地球得出结论,地球不动,太阳在动

人类在地球表面生活,默认是以地球为参考系,直观认为太阳在围绕地球旋转,从特定参考系的角度来说,这种说法并无不妥。但是,如果把这种看法绝对化,那么就是错误的了

以太阳为参考系呢?这就是把太阳当成静止不动得到的对二者运动关系的认识,这时候就是假设太阳不动,地球在动

当看到 以某物作为参考系 这样的话的时候,tuenhai.com 建议你翻译成拟人化的形式 参考某物体的看法,这样翻译几次以后,参考系这块石头就被你解决了

相对论基础概念:什么是惯性参考系和非惯性参考系

  • 牛顿第一运动定律

    除非施加外力,物体的运动速度不会改变

    也就是说,如果没有施加外力,或者施加外力之和为零,则运动物体部是保持匀速直线运动状态或者保持静止

    物体所显示出来的这种保持运动状态不变的性质称为惯性,所以牛顿第一运动定律又称为惯性定律

  • 惯性参考系

    满足牛顿第一运动定律的参考系,简称惯性系

  • 非惯性参考系

    不满足牛顿第一运动定律的参考系,简称非惯怀参考系

地面参考系是惯性参考系

相对地面做匀速直线运动的参考系是惯性参考系

惯性系可以这样理解,把你关在一个集装箱里,这个集装箱可能放在匀速直线前进的货车上,忽略路面不平引起的震动,或者把集装箱放在地上。你可以在集装箱里做各种牛顿力学实验,比如扔出一个球看它如何落下,向前或向后走动,你始终无法知道自己是在车上还是在地上。这时就可以判定,你所处的环境就是一个惯性系

简单地说,静止或者匀速直线运动的参考系是惯性系,除此就是非惯性系

狭义相对论二个基本原理

1905年,爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》,提出了狭义相对论

狭义相对论的基本原理

  • 光速不变原理

    在所有惯性系中,真空中的光速都等于 299 792 458 m/s,与光源运动无关

  • 狭义相对性原理

    在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广,它适用于一切物理定律,其本质是所有惯性系平权

相对论效应分析要使用到的基础概念、基础原理

tuenhai.com :我查了一些资料,很少有人能把相对论讲清楚,原因主要在于他们忽略了一件重要的事情,人是用概念思考问题的,只有概念清晰了,理解和讲清楚相对论才有可能

tuenhai.com 在这里提出了一些新的概念,暂时不太理解不要紧,后面会展开讲解的

狭义相对论效应是物体高速运动时呈现出来的效应,如果不能确定谁静止,谁运动,那么相对论效应就无从谈起,于是就要先确定一个平台参考系来决定各个物体的运动状态

  • 平台参考系

    相对论效应观测事件中各个物体原来所在的一个运动状态比较稳定的参考系就是平台参考系

    地球就是一个很好的平台参考系,通常以地球为参考系来确定谁静止,谁运动

  • 静止者:相对平台参考系保持静止的观测者

    以地球为平台参考系,地面观测者就是静止者

  • 运动者:相对平台参考系保持运动的观测者

    以地球为平台参考系,呈高速运动的观测者就是运动者

  • 静止者数据:静止者观测到的数据

  • 运动者数据:运动者观测到的数据

  • 静止者钟:静止者观测到的钟的数据

  • 运动者钟:运动者观测到的钟的数据

重要的狭义相对论时空效应

  • 静止者钟时变慢,运动者钟时变快

    钟时,就是钟表时间

    静止者钟慢:静止者观测运动者带在身上的时钟,不论运动者的运动方向,发现钟都随著运动速度增加而变慢,这就是静止者钟时变慢,或者说静止者钟时膨胀

    运动者钟时变快:运动者观察带在身上的钟,发现钟的走时没有变慢。和静止者钟相比较,运动者钟走得快,这就是运动者钟时变快,或者说运动者钟时收缩

  • 静止者命时收缩,运动者命时膨胀

    命时,就是生命时间

    静止者观测运动者带在身上的钟,发现钟跳一次要跨过更大的空间,于是静止者的生命时间就会收缩,也就是寿命变短

    运动者观测带在身上的钟,发现钟跳一次并不需要跨过更大的空间,和静止者比较,就是生命时间膨胀了,也就是寿命延长

  • 静止者长度膨胀,运动者长度收缩

    静止者观测运动者,发现运动者长度膨胀了,这就是静止者长度膨胀

    静止者从静止状态转换到运动状态后,发现自己在运动的那个轴向的长度缩短了。其收缩率,就是劳仑兹因子。其它轴向的长度并不会有影响

    运动者如果不用眼睛直接去看,而只相信尺子测量的结果,那么测量的结果显示自己并没有发生收缩,因为尺子也是同步收缩了,用收缩的尺子去测量收缩的物体,那么读数上自然看不出变化

  • 同时的相对性

    绝对静止系不可得,所以各惯性系的观测者,对于两事件发生,仅能作出是否相对同时的判断,而没有办法作出是否绝对同时的判断,除非两事件发生在同一时空点上

  • 相对论质量

    当某有质量之物体移动速率越接近光速,相对论质量会变重

  • 相对论能量

    运动时物体质量增大,同时运动时将会有动能,质量与动能均随速度增大而增大

爱因斯坦相对论的相对是什么意思

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180108

爱因斯坦狭义、广义相对论的相对是什么意思:空间相对、速度相对

tuenhai.com :我承认,对于非物理爱好者来说,前面关于相对论的论述充满了莫名其妙的专业术语,遇到这些术语就如走路不断踢到突起的石块一样令人不快。我当然知道大家的想法,后面会展开讲解,难以理解的地方会从多个角度重复强调

狭义相对论的 相对 是什么意思?这是学习相对论的遇到的第一块大石头,如果连名字的意思都不知道,那么就如吃饭时塞住了喉咙一样不舒服

Don:我来现学现卖,狭义相对论的相对指的是 在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式

tuenhai.com在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式,这是教科书式标准答案,但是这个答案完全没有考虑已经把物理还给学校老师的广大普通读者的感受,这句话里没有 相对 二字,只有 相同,对于已经懂了相对论的人来说这并没有什么大不了,对于还还不懂的人来说只能露出苦脸:这是相同论还是相对

1905年,26岁的爱因斯发表了他名垂青史的论文《论动体的电动力学》,文中他假设物理定律和作为特例的光速对所有做匀速运动的观测者来说都应该具有相同的形式

还是以实例说话吧

假设 Don 乘坐飞机从杭州飞往海口,座位号是32A,途中 Don 看了下时间,飞机正好飞行了一小时。从乘务员的角度看,Don 一直坐在32A,空间位置没有变化。tuenhai.com 身在杭州,会认为 Don 的空间位置发生了变化,原先在杭州,一小时后可能到了江西省的上空附近

乘务员是一名观测者,tuenhai.com 是一名观测者,二名观测者彼此作相对运动。以 tuenhai.com 为参考系,乘务员在作运动。以乘务员作参考系,tuenhai.com 在运动。以地球为参考系,tuenhai.com 静止,是静止者;乘务员在运动,是运动者。静止者和运动者在观测同一件事情的时候对空间位置的变化产生了分歧,谁的说法正确呢?

相对论认为,一件事情的空间属性不是绝对的,而是相对的。在作相对运动的观测者对同一件事情有不同的空间描述,一个观测者认为距离没有变化,另一个观测可能认为距离变化极大

理解了事件的空间的相对性,理解事件的时间的相对性就不难了

爱因斯坦狭义、广义相对论的相对是什么意思:时间相对

tuenhai.com :Don 还带了一支小型的手电筒上飞机,她觉得坐飞机很无聊,于是拿出手电照向机头的位置,测试前排的乘客能不能发现她的小把戏。现在我要问大家,光从手电到机头有一段距离,这段距离的大小,从 tuenhai.com 和 Don 的角度看是否一样

Don:从我的角度看,光走过的距离可以精确测量出来,从机头拉一根软尺,一直拉到手电的位置,如果读数是15米,那么光就是走了15米的距离

tuenhai.com :我也把我的看法描述出来,光的速度不是无限的,光不可能一发出就到达机头,于是光从手电筒到机头需要一些时间,光在离开手电向前飞的同时,机头也一直在向前飞,于是在我看来,光要走过更多的距离才能到达机头,我举一个不精确的数字,我可能认为光走了16米的距离

Don:我以前听说世界上懂得相对论的人不到十个,吓得对相对论敬而远之,现在看来一点都不难,我可以这样想:

我每天从公司回家要走500米,有一天我一跨出公司就发现了一件大事,我的家竟然在不断离我远去,我吓得小心肚乱跳,还好我走路的速度比家逃跑的速度快,我还是回到了家,关上房门后,我心里还是有点不平:谁搞的鬼,让我今天走了654米

在这个例子中,我就相当于手电发出的光,我的目的地是家,在我走路的同时家在远离,我自然要多走路了。光离开手电的同时,目的地机头在向前飞,光自然要多走一段距离才能追上机头

tuenhai.com :我认为认为光在飞机上走了更多的距离,比如说16米,因为光出发后还要去追赶高速向前飞去的机头

Don在飞机上把飞机当作静止不动,从她的习惯她认为光离开飞机后并不需要去追赶机头,于是 Don 看到的光比 tuenhai.com 看到的光飞行了更短的距离,比如15米

假设光速不变,这时奇怪的事情发生了,时间和空间一样,也变成相对的了

速度相同,走的距离越长所花的时间就越多。光速相同, Don 角看到光走了15米, tuenhai.com 看到光走了16米,于是 tuenhai.com 看到的光花了更多时间到达机头

两名观测者观测同一件事情,他们看到的光走过的距离不一样,而且他们看到的光在路上所花的时间也不一样,于是同一个事件,所经过的空间和时间都没有了标准答案。我们不能说笼统地说某个物体是静止的还是运动的,只能说谁相对谁静止,谁相对谁运动。我们也不能笼统地说这件事情发生于什么时间,而只能说在谁看来这件事情发生于什么时候

能想到事件的时间和空间的相对性的人绝对不止爱因斯坦一个人,爱因斯坦与众不同的是能抓住不放,深入研究,建立了可用数学公式验证的理论。他认为,同一件事情,所用时间的测量、所经距离的测量,都依赖于正在进行这项测量的观测者。这就是爱因斯坦1905年论文所述的狭义相对性原理

狭义相对论同时的相对性

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180110

狭义相对论时空观同时的相对性导致踏雪无痕迟到

tuenhai.com :狭义相对论的时空观认为同时性是相对的,我们可以从一个虚拟的实例来理解它

在日常经验中,人类感觉时间是绝对的,如果遇到了相对论效应的相对时间,就会难以适应

戏剧小镇有个业主群叫作神仙社,意为乐山乐水似神仙。一天,神仙社管理员伊丽发出通知,有兴趣参加活动的家人于周日上午8点到达体育馆,集合后去西白山玩。参加的社员都相信自己的时间和别人的时间走得一样快,于是她们可以在同一个时间汇合。这就是绝对的时间,不考虑钟表的机械的误差,每个人的机械钟表所指的时间都绝对一样

如果各自的时间走得不一样快呢,会发生什么情况

踏雪无痕在周日上午8点准时到达体育馆,心想时间刚好,不用多等一分钟,给自己点三个赞先。他四处打量,却见体育馆只有他一人,其他人呢?事情有蹊跷,连忙掏出电话打给伊丽

踏雪无痕:伊丽,现在正好8点,我在体育馆,你们怎么还没来

伊丽:你有没有搞错,现在8点半了,我们已经出发了,你快点追赶我们吧

踏雪无痕:我的手表是花了三万元买的,10年误差不超过1秒,是不是你们的表都不对了

踏雪无痕的表其实没有问题,如果和伊丽互换表,他还是会迟到,因为他自身的时间变慢了,任何机械手表戴在他手上,手表都会跟着他一起时间变慢。这种情况就是相对论说的同时的相对性,相对论说同时是相对的,只是人类的运动速度低,感觉不到相对论效应

时间到底是相对的还是绝对的?爱因斯坦说,时间是相对的,所以同时也是相对的,在一个观测者看来同时发生的事情,在另外一个观测者看来就可能不是同时发生的。为了说明同时的相对性,让我们做一个思维实验

狭义相对论规定同时是相对的

tuenhai.com :宇宙是客观存在的,并且达到了高度平衡,这说明因果律必须成立,也就是说,我们观察到的物理现象必须符合逻辑,于是我们就可以从假想的场景中推理得出相对论的相对时空观

两个作相对运动的观测者观察同一件事情,如果一个观测者认为事件同时发生,另一观测者会说事件不是同时发生的

假设 Don 站在匀速前进的车厢的中间,然后打着打火机,tuenhai.com 站在车外路边观察车厢内的情况,这时以地球为参考系,Don 是运动者,tuenhai.com 是静止者,她们看到的光到达车厢两头的时间一样吗

相对论同时性实验

上图,相对论同时性实验

Don:我在车内观测,并把时间分成三个阶段

  • 打着打火机的刹那,时间0阶段,也就是 t = 0,光产生了但还没有出发
  • t = 1 阶段,光向前和向后各走了一半的路程
  • t = 2 阶段,光同时到达车头和车尾

在我看来,向前和向后两束光分别走了相同的路程,结果当然是同时到达目的地

tuenhai.com :我在车外观测,我也把时间分成三个阶段描述,请结合示意图理解

  • t = 0 的时候,光还没有出发,我看到的情况和 Don 的相同
  • t = 1 的时候,向前的光因为要追着车头,所以光离车头大于一半路程。向后的光就反过来,车尾不断接近光,于是光离车尾的距离小于一半的路程
  • t = 2 的时候,向前的光还未追上车头,向后的光已经在此时之前到达车尾

Don 认为车同时到达车头和车尾,在我看来却不同时了。这就表明,同时是个相对的概念

什么是相对论的静止者、运动者

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180110

谁是静止者钟,谁是运动者钟

tuenhai.com :Don 坐在杭州飞往海南的飞机上,她除了带着手电筒,还带着小弹球。她放下座位面前的搁板,拿出弹球,左手高举,再松开手,弹球落在搁板上,弹起,再落下……

从 Don 看来,弹球向上飞到最高点的时候共飞了15厘米,我从地面看,弹球也是飞行了15厘米吗

(假设)我是千里眼,能从地面看到飞机上的一切细节。弹球刚向上飞离搁板的时候,飞机正在高速向前飞行,于是弹球也随同飞机向前飞行,弹球既向上飞,也向前飞,在我看来弹球轨迹是向前上方飞斜线,这条斜线的长度要大于15厘米,比如说是16厘米

大家可以比划一下,伸出你的左手,使左手既指向前方,又指向上方,那么必然是倾斜指向前上方

大家可以观察自己的房间,假如地面到天花的垂直距离是3.5米,你拿一个梯子,上头顶住墙角,使梯子倾斜靠在墙上,这时梯子的长度必然大于3.5米,比如说是4米。3.5米相当于 Don 在飞机上看到的弹球飞行距离,4米相当于 tuenhai.com 在地面看到的弹球飞行距离

现在可以明确,地面看到的弹球飞行距离要比飞机上看到的弹球飞行距离长

现在我们把弹球换成光子钟

相对论光子钟示例

上图,光子钟 (图片引自 汪洁著《时间的形状——相对论史话》)

这个光子钟的原理十分简单,有个光子在上下两面镜子间来回反射,两面镜子的距离是15厘米,光子飞过15厘米作为一个计时的节拍,于是光子从上到下一次,或者从下到上一次,都作为一个计时的节拍。一个节拍就是相当于钟走了一格

根据我们先前的定义,以地球为平台参考系, Don 在运动的飞机上,是运动者。tuenhai.com 在地面,相对地面静止,是静止者

  • 静止者看到的钟的数据,是静止者钟数据
  • 运动者看到的钟的数据,是运动者钟数据

运动者在飞机上的观察,光子从下面飞到上面共飞行了15厘米,如果是静止者从地面观察,静止者看到光子飞行了一条16厘米长的斜线(数据非精确值,只是用来表示谁大谁小)

现在我们假定光速不变,也就是运动者在飞机上观察时光速是约30万千米/秒,静止者在地面观察时光速也是约30万千米/秒

光速是就光子的速度,飞机上看到光子一个节拍飞行了15厘米,地面看到光子一个节拍飞行了16厘米,谁看到的光子钟一个节拍消耗的时间长

Don:走路的速度一样,那么毫无疑问,要走的路越长,所花时间就越多。静止者看到的光子要走更长的路,于是一个节拍的时间更长。可以假设伪数据,静止者看到的钟的一个节拍包含了2秒,运动者看到的钟的一个节拍包含了1秒

tuenhai.com :相对于钟运动的静止者观看到的光子钟一个节拍所用时间长,相对于钟静止的运动者看到的光子钟一个节拍所用的时间短,于是同是飞机上的钟,运动者钟只要一秒就能走一格,这就是走得快了,静止者钟要花2秒时间才走一格,这就是走得慢了。用霍金的话说:

假如我们考虑两名观测者观察一只钟( tuenhai.com 注:霍金这里指的是飞机上的钟),就能发现这个分析如何运用到计时仪器上。狭义相对论保证了,在相对于钟保持静止的观测者看来,钟走时会变快,而在相对于钟运动的观测者看来,钟走时会变慢

不同观测者看同一个钟,对钟走时的快慢产生了分歧。从这个例子可以看出,运动者钟走得快,静止者钟走得慢

Don:可是我听说过运动使时间变慢,但是这里的结果是运动者钟快,这究竟是怎么回事

tuenhai.com :这不但是你的疑惑,也是很多相对论爱好者的疑惑,观测者看到的空间、时间都是相对的,静止者怎么能看到运动者的真实情况呢,如果这样的话就不是相对论了。静止者看到钟走得慢,那么飞机上的钟观察自己走时速度呢,看到的情况和静止者看到的一样吗,如果一样,相对论就不存在了

如果你能理解并区分我在一开始说过的 静止者运动者静止者钟运动者钟,那么,相对论是不难理解的,否则,你只会笼统地说 “运动使钟变慢” 这句没有任何意义的话,于是就始终无法理解相对论

Don:我看过一些资料,关键的地方总是觉得看不太懂,现在看来并非是我理解能力不足了,哈哈。我以后 说到相对论效应时,一定要和观察者的身份结合起来说,观察者是静止者还是运动者,这个一定要清楚,这是前提。这使我想到了一个笑话:

小兵气喘吁吁跑进中军大帐:

大帅,不好了,死了!

大帅:

谁不好,谁死了,竟敢诅咒本大帅,来人,给我推出去砍了!

tuenhai.com :恭喜你,你已经知道了,*在相对论的世界里,首先要分清楚静止者和运动者,这是进入相对论世界的门槛 你已经踏入门槛了

多数人相信相对论是违反直觉的,相信它超出人类头脑的理解能力。事实不是这样的,人是用概念思考事物的,把基本概念搞清楚了,相对论是十分简单的。如果用模糊的概念研究相对论,那么理解相对论就成了很难完成的任务

大道至简:深刻理解 静止者数据运动者数据

tuenhai.com :我们再来复习一下定义

静止者和运动者,这个不难理解吧

Don:静止者,相对参考系静止。运动者,相对参考系运动,这个很容易理解

地面观测者相对地球静止,是静止者,飞船和飞船上的钟相对地球运动,是运动者

那么静止者数据运动者数据,能理解吗

Don: 这个也很容易啊,你看到的是你看到的,我看到的是我看到的,这个我想没有人会反对

所以,静止者看到的静止者数据,运动者看到的运动者数据

tuenhai.com : 更进一步,静止者看到的数据反映了静止者的运动状态,运动者看到的数据反映了运动者的运动状态

我举一个例子,李静站在马路边,呆呆地看着旁边的树木:

我不动,树不动,我不动,树不动...

王动乘坐城乡公交回城,坐在窗边的位置,正好听到李静的喃喃自语,摇头道:

什么这个不动,那个不动,我看到路边的树在快速向后移动!

Don: 在这个例子中,李静是静止者,他看到树静止,本质上反映了他自己的运动状态,也就是他静止

王动是运动者,他看到树运动,原因在于他自己在运动,本质上他看到的是自己的运动状态

静止者看到的是静止者数据,运动者看到的运动者数据,这个似乎也很容易理解啊

tuenhai.com : 人们感觉到相对论很复杂,一方面是因为低速世界的生物难以直观体验到相对论效应,另外也是因为人为地把简单事情复杂化了。世界上的事情往往这样,没有深刻理解的时候,人们自然地会把简单事情复杂化,深刻理解了以后,会发现其实并不复杂,大道至简的奥义就在于此吧

绝对论不是相对论

tuenhai.com : 如果你理解了李静和王动的例子,那么你就能理解我下面说的话

在地球上的静止者观测手上的钟的走时快慢,这反映了他自身静止的运动状态下的时间流逝速度。假设他有千里眼,他抬头去看飞船上的钟的时候,他看到的钟还是代表了他的运动状态和他自己的时间流逝速度。他可以把10个钟放到10个不同飞行速度的飞船上,他看到的都是反映他自己的运动状态和自己的时间流逝速度

Don:我有点脑子转不过弯来,毕竟以前没有听说过 静止者数据运动者数据 的概念,我看到的书都是笼统地说时间变快或变慢,并不强调这是静止者数据还是运动者数据

tuenhai.com :这确实不是很容易理解,正是因为理解不了,才会出现 *同一个观测者去观测二个事件 这样的不好的实验方法,我们把这种观测分解为二个事件来分析:

  1. 在地面观测手上的钟,一个节拍用了一秒
  2. 再去观测飞船上的钟,一个节拍用了二秒

事件1代表了地面观测者在地面的时间流逝速度

事件2是一种换算,说的是把事件1的时间流逝速度换算到事件2的运动速度下,也就是以观测者在地面的时间流逝速度来衡量,结果发现,事件2里,一个节拍要花更多的时间,或者说地面观测者完成同一件事情要花上更多的时间,也就是钟走时更慢了。大家看出来了吗,同一观测者看到的始终是自己的时间流逝速度,并没有别人

回想一下李静和王动的例子,李静和王动看到本质上是自己的运动状态,不要有任何怀疑,观测光子钟的情况也是类似的

静止者看到钟走得慢,如果飞船上有人在观测钟,他看到钟走时并没有变慢。飞船上的人的运动状态是和钟一样的,如果钟有知觉,飞船上的人看到的钟的走时快慢就是钟自己看到自己的走时快慢

如果你理解了我说的话,那么应该能够看出下面的表达是不够精确的:

当我手里的光子钟嘀嗒一次的时候,飞船上的光子钟还来不及嘀嗒一次呢。换句话说,当我手里的光子钟嘀嗒了10亿次的时候,我看到飞船上的光子钟可能只嘀嗒了5亿次(打个比方,不要纠结5亿次怎么算出来)。根据我们前面已经达成共识的对时间的最自然的定义,我很自然的就得出了这样的结论:在宇宙飞船上,你的时间过的比我慢!

静止者数据不是运动者数据,静止者看到的是静止者钟,不是运动者钟

李静看到树静止,不等于树静止,王动看到树在运动,不等于树在运动。树还是同样的树,不可能既静止又运动,各人所见不同,只是因为各人自己运动状态不同

同样,静止者看到飞船上的钟走得慢,不等于钟走得慢,不等于飞船上的人时间过得慢,这是 相对 论。如果静止者看到飞船上的钟走得慢,就认为飞船上的你的时间过得慢,那就是 绝对 论了,就等于不承认相对论的存在

Don:相对论竟然变成绝对论了...

tuenhai.com :观测相对论效应事件是有一些讲究的,不知道这些讲究,又没有深刻理解它,那么就会自然地把简单事情复杂化

不要用绝对论研究相对论,相对论和绝对论

相对论效应实验方法:两个作相对运动的观测者观测同一件事

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180110

飞船上的光子钟

上图,地面上的观察者看到的宇宙飞船中的光子飞行路线比地面上的光子要长

……现在你拿上这个光子钟,坐上宇宙飞船,发射,你就飞起来了。而我也拿着一个光子钟,站在地面上,看着你的宇宙飞船从我的眼前飞过,注意,既然是思维实验,我就想象我拥有神奇的能力,能够看清你手上的那个光子钟的情况,现在我把这个情况画出来,你看是不是这样:

……当我手上的光子钟在来回折腾的时候,你的飞船就会从A位置飞到了B位置,那么我将会看到你手上那个光子钟里面的光子走过的是一条斜线(上图那根虚线),这是显而易见的,如果光子飞过的路径在我眼里不是斜线的话,光子必定飞到光子钟外面去了。现在我们运用光速恒定不变的原理,因为宇宙飞船上的光子飞行的路线比我手里的光子更长了,那么也就意味着,当我手里的光子钟嘀嗒一次的时候,飞船上的光子钟还来不及嘀嗒一次呢。换句话说,当我手里的光子钟嘀嗒了10亿次的时候,我看到飞船上的光子钟可能只嘀嗒了5亿次(打个比方,不要纠结5亿次怎么算出来)。根据我们前面已经达成共识的对时间的最自然的定义,我很自然的就得出了这样的结论:在宇宙飞船上,你的时间过的比我慢!

tuenhai.com :上面引用了一本科普书的二段话,作者文笔生动,不过我们要改进一下其中的实验方法

作者假设有二个小光子钟,一个放到了飞船上,一个放在地上,作者在地上同时观测二个钟的走时情况

这里钟的走时是观测对象,观测两个钟就是二个事件。这种实验方法叫作 一个观测者同时观测二个事件,正确的实验方法是 两个作相对运动的观测者观测同一件事

请记住,相对论效应的实验是 两个作相对运动的观测者观测同一件事

以前面讲到过的车厢中同时性实验为例,一个人站在行驶的车厢的中间,打着打火机,观测光何时到达车头和车尾。车外有另外一个人同时在观测车内光何时到达车头和车尾。光何时到达车头和车尾,这是事件,相当于一个光子钟,然后车内和车外的人同时观测同一个事件。这就是 两个作相对运动的观测者观测同一件事,这是正确的相对论效应的实验方法

我们试着把车厢中的实验改成 一个观测者同时观测二个事件

车外观测者准备二辆同样品牌、型号的车辆,在车厢的中间分别设置一个遥控电子灯,让一辆车开动起来,然后车外观测者同时开启二个遥控灯,观测比较灯光何到达车头和车尾。二个车厢相当于二个光子钟,一个车厢运动,一个车厢静止,相当于一个光子钟运动,一个光子钟静止,观测者都在地面

Don:这样改动恐怕有问题,二辆车虽然是同一品牌、同一型号,但一定有差异,长度就不可能相同。二个遥控灯,又如何保证二个灯同时开启?于是这个实验的结果也就没有了价值

tuenhai.com :如果我保证二辆车绝对一样,灯光开启的时间也绝对一样呢

Don:相对论说同时是相对的, tuenhai.com 老师的保证无效呢

tuenhai.com : 相对论说的就是作相对运动的不同观测者观测同一物体的运动,她们对物体的运动状态的看法不同,也就是说物体的运动状态是相对于不同观测者的,不存在绝对的物体运动状态的描述,这才是叫作相对论的原因

用一个观测者观测二个事件(二个光子钟),那么相对运动的观测者在哪里呢!只有一个观测者,他观测事件A,得到的是事件A的绝对的描述,他再观测事件B,他得到的是事件B的绝对的描述,两个描述中都带了同一观测者的绝对的运动属性,这是 绝对论 的实验方法,不是 相对论 的实验方法

相对论效应实验的观测原则

tuenhai.com :20180111

光子走了直线还是斜线

tuenhai.com :我们再次把光子钟请出来

光子钟

上图,光子钟 (图片引自 汪洁著《时间的形状——相对论史话》)

Don坐在杭州飞往海口的飞机上,座位号是32A,搁板上放着一个光子钟,上下是镜子,镜子间距离是15厘米,有个光子在上下间不断来回折腾。因为光速是固定的,那么光子上一次或者下一次所用的时间是一样的,于是就可以当作计时的钟。假设 Don 能看清光子的每次跳动。她看着光子来回跳动,心想,这个光子钟倒是个好东西,如果不摔破的话,可以当作传家宝永久留传,而且走时不会有误差,最关键的是,没钱的时候把它卖了,就可以去做感兴趣的事情,再也不用为五斗米折腰

tuenhai.com 没有随同 Don 上飞机,不过挂念着 Don,他抬头向海口方向看去,突然眼前时空裂开,竟然看到了坐在飞机上的 Don ,tuenhai.com 来不及去想为什么会有这么神奇的事情发生,他的眼睛已经被 Don 面前的光子钟吸引住了: Don 这个人好小气,这么好的玩具竟然自己偷偷藏着,不让我们知道

tuenhai.com 看到光子从底镜跳起向上飞去,光子在向上飞的时候,同时在随着飞机向前飞,所以看到光子走了一条斜线。光子在向前上方飞的同时,上镜也在向前飞,光子和上镜向前飞的距离是一样的,因此最后光子碰到了上镜而不是落在上镜的外面

tuenhai.com 看着光子划过一条条斜线,呆呆出神,心想,如果我在地面向上抛一个球,我看到球是直线向上的,怎么飞船上的光子是划着斜线来回跳动呢,苦思冥想不得,突然灵机一动,心想,即期时空已经裂开,也许可以直接问 Don

tuenhai.com : Don 丫头,飞机上有没有无聊

Don正盯着光子钟研究,突然耳边传来 海云青飞 的声音,“见鬼了,怎么我听见了 tuenhai.com 的说话声。”向声音传来的方向看去,突然发现时空已经裂开,她看到了远方的 tuenhai.com 正皮笑肉不笑地看着她, Don 转过身来,有意识地挪动了一下身子把光子钟遮住

Don:有什么事吗

tuenhai.com :我有个问题想问你,和你面前的那个玩具有关

Don:什么玩具,我哪有玩具

tuenhai.com :你就别装了,我早就看见了

Don:噢,原来说你的是光子钟

tuenhai.com :你看一下光子钟,光子在来回跳动的时候,走的路径是直线还是斜线

Don:我已经看了许久了,可以马上回答你,光子上和下都是垂直的,哪里会是斜线

tuenhai.com :可是我看到的是光子走的都是斜线,是不是你看错了

Don:你看错了吧,光子明明垂直镜面上下跳动

tuenhai.com :我绝对没有看错,我是谁,你可以怀疑任何人,你不能怀疑我

Don:我也绝对没有看错,我是谁,我怎么会骗你

相对论效应观测原则一:两个作相对运动的观测者观测同一事件

tuenhai.com :100个人讲相对论,99个出现了绝对论。相对论效应怎么分析?这是有原则的,掌握这些原则,只要初中毕业的人都不难理解

什么是作相对运动的观测者?

tuenhai.com 和 Don 都站在原地。以 tuenhai.com 为参考系,Don 没有运动。以 Don 为参考系,tuenhai.com 没有运动。这是没有作相对运动的两个观测者

tuenhai.com 和 Don 都坐在公交车上,以 tuenhai.com 为参考系,Don 静止。以 Don 为参考系,tuenhai.com 静止。这是没有作相对运动的两个观测者

tuenhai.com 和 Don 分别在平行、匀速骑电动车,以 Don 为参考系, tuenhai.com 静止。以 Don 为参考系, tuenhai.com 静止,这是两个没有作相对运动的观测者

tuenhai.com 静止, Don 在走路。以 tuenhai.com 为参考系, Don 在运动。以 Don 为参考系,tuenhai.com 在运动。这是两个作相对运动的观测者

两个作相对运动的观测者,就是两个运动的速度或者方向不同的观测者

Don:为什么一定要是两个作相对运动的观测者,两个运动速度和方向都向同的观测者不行吗

tuenhai.com :如果是两个不作相对运动的观测者,比如两个静止于地面的人,他们同时观测地上的光子钟,或者他们同时观测飞机上的光子钟,他们分辨不出两个人看到的有什么不同,那么又如何开展研究呢

Don:那么为什么一定要观测同一件事呢?

tuenhai.com :观测同一件事情时,这时观测到的数据可以直接拿来比较,数据真实地反映了不同观测者的对比关系

比如高考,北京考生用的是北京出的试卷,浙江考生用的是浙江出的试卷, Don 在北京考了700分,tuenhai.com 在浙江考了650 分,你能断定 Don 的真实水平超过 tuenhai.com

Don:这样恐怕很难比较,因为不同地区出的试卷的难度不同。如果一定要比较,就要先测定各地区试卷的难度系数,比如说测出北京试卷的难度系数是0.8,浙江试卷的难度系数是1.0,再把难度系数和卷面成绩相乘,这时得到的数据就可以直接互相比较

tuenhai.com :怎么测定各地区试卷的难度系数

Don:这个恐怕很难,试卷不同,各道题目难度不同,很难测定出准确的难度系数

tuenhai.com :两种不同的试卷就是两个事件,如果观测者分别去观测二个不同的事件,是不能把观测到的数据直接拿来比较的,即使勉强去比较,也会变得十分复杂

Don:谢谢老师,这下子理解了。如果北京和浙江用的是同一份试卷,那么每个考生的成绩就可以直接拿来比较了,谁的分数高就是谁的成绩好,十分简单明了

tuenhai.com :相对论效应的观测也是这样,不同观测者观测同一件事,观测得到的数据就是真实对比关系的反映,直接比较就行

相对论效应观测原则二:被观测者相对平台参考系运动

tuenhai.com :把光子钟放地面,然后从地面、飞机上观测光子钟,这样做是不好的。人类日常生活在地面,人类日常运动是低速的,人类的运动速度和光速比可以忽略不计,所以人类也可以看作地面钟。如果说地面钟有强烈相对论效应,这就和人类的日常体验不相符了

其实地面钟也是可以作为观测对象的,就是飞机上的观测者以自己为参考系,那么可以认为地面在动而飞机不动,然后把观测到的数据颠倒一下,这样就行了。问题是这样做有必要吗,相对论本来就不容易理解,然后再告诉相对论粉丝,你把观测到的数据颠倒一下就可以了,这岂不是把粉丝逼疯的节奏

地球的运动十分稳定,人类无法改变地球的运动状态,运动状态稳定的物体适合作为平台参考系,相当于运动状态是0,即静止。一个人相对地面高速运动,就是从原来相对地面静止转换到相对地面高速运动,于是这个人就会高速运动的相对论效应

一架飞机在天空高速飞行,人类可以理解成飞机原来在地球上,相对于地球静止,现在天空高速飞行,于是飞机就会有相对论效应。以地球为平台参考系的相对论效应事件,这对人类来说理解起来就十分顺畅

把相对论效应观测原则一、二结合起来,就得到了 标准相对论效应观测模型以地球为平台参考系,静止者观测运动者,运动者观测自身

以地球为平台参考系是为了方便人类理解,如果你理解了地球为平台参考系的相对论事件的分析,那么就可以把这个模型平移到其他平台参考系,相当于把 地球 二字替换成其他词语

地面观测者观测飞船上的时钟,假设时钟能自我观测,或者假设飞船上有人在观测一同运动的钟,这种观测就符合 标准相对论效应观测模型 。地面观测者相对地面静止,是静止者。飞机上的观测者相对地面运动,是运动者。光子钟相对地球运动,是运动物体

Don: 一些世界著名物理学家应该知道如何分析相对论效应,他们为什么不写这么详细的相对论入门教程呢

tuenhai.com : 可能他们认为这种事情太简单了,没有必要

相对论效应观测原则三:静者得静,动者得动

tuenhai.com :能不能这样分析相对论效应的时间膨胀,做二个光子钟,一个放在飞船上,另一个抓在手里,观测者在地面同时观测二个钟

Don:这种观测方法有好几个问题:

  • 只有一个观测者,违反相对论效应观测原则一了

  • 观测两个钟,就是两个事件了,又违反相对论效应观测原则一了

  • 地面钟相对地面静止,违反相对论效应观测原则二了

tuenhai.com :还违反了现在要说的,相对论效应观测原则三:谁观测到的数据是谁的。观测者静止,观测到的都是静止者钟数据,这时没有了运动者钟数据,又如何比较研究呢

相对论效应观测原则三可以分步执行:

  • 先判断观察者的运动状态,谁静止,谁运动
  • 静止者观测到的数据都是相对论意义上的静止者数据
  • 运动者观测到的数据都是相对论意义上的运动者数据

张四在地面观测钟,于是她是静止观测者,观测的是静止者钟,观测到的都是静止者数据

李三在飞机上观测钟,于是她是运动观测者,观测的是运动者钟,观测到的都是运动者数据

这个原则是理解相对论的一个难点, tuenhai.com 发现多数人没有理解这点(目前为止还没有发现谁理解了)

Don:请教老师,静止者为什么不能观测到运动者钟,毕竟被观测的钟在飞机上运动

tuenhai.com :说到运动和静止,一定是相对的。静止者和运动者相比较,静止者观测到的是静止者钟,运动者观测到的是运动者钟

Don:相对论就是说物体的运动是相对的,我又把这个忘记了

tuenhai.com :静止者观测不到运动者的数据,否则就不是相对论,而是绝对论了。静止者当然可以观测到自己的数据,如果也能观测到运动者数据,那么就不需要运动者了,只要一个观测者就可以包打天下,这就是绝对论。我们不能以绝对论来分析、解释相对论

相对论效应观测原则四:数据反映比例

tuenhai.com : Don 在飞机上盯着光子钟看,她看到光子是上下垂直跳动,走的距离短,同样的光速,一个节拍所花的时间少,比如说1秒。也就是说运动者钟走一格花了1秒时间

tuenhai.com 在地面遥视光子钟,看到光子走的是条更长的斜线,同样一个节拍,所花的时间就多,比如说2秒。也就是说静止者钟走一格花了2秒时间

运动者钟走一格所花的时间是静止者钟的一半,于是运动者钟走时的速度是静止者钟的2倍

结论就是:

  • 静止者钟时变慢
  • 运动者钟时变快

Don:相对论不是说运动会使时间减慢,现在怎么变成相反了

tuenhai.com :你这样笼统地说变慢或变快是没有意义的。时间分二种:

  • 钟表时间
  • 生命时间

你刚生下来的时候,就有人给你一个变快两倍的钟表,可以显示年月日时。你生下来的同时,钟从0值往上走……你临终一看钟,你已经210岁了,世界第一高寿,将永载人类史册,这辈子也值了,不过,我问你,你真活了210岁吗

Don:实际上我只活了105岁,因为钟走快了,不能反映我的真实年龄

tuenhai.com :你的钟也可以调慢,你说这样调整钟时,对于你的命时——生命时间有意义吗

Don:乱调钟时丝毫不影响命时的流逝速度,这样做反面会给我带来困扰

海心土地申:运动使时间变慢,你首先要知道你说的时间是钟时还是命时,是钟时的话,还要知道钟时是否被调快了或调慢了,否则这句话相当于什么也没有说

Don:我只是听到别人这样说,没有想过这里的时间变慢指的是钟时还是命时

tuenhai.com :运动者钟完成一次事件需要跨过的空间更少,于是运动者钟命时变慢,也就是运动者钟命时延长了

运动者钟时跳得比静止者钟快,于是运动者钟时变快了,或者说运动者钟时收缩了

Don:原来时间分钟时和命时。这下以前难以理解的地方也有点懂了。静止者看到飞船上的钟走时慢了,这应该叫作静止者钟时变慢

现在我明白了 “在宇宙飞船上,你的时间过得比我慢” 这句话没有意义,静止者数据不是运动者数据,另外,也没有指定是钟时还是命时

我突然觉得自己很厉害的样子,你们觉得呢

tuenhai.com :我代表广大人民群众同意 Don 同学很厉害了

Don:我还有个小小的疑惑,让我心里隐隐不安

我是静止者,我看到飞船上的光子钟走时变慢, tuenhai.com 老师说这表明静止者钟时变慢。可是钟在运动,我看到的是运动的钟的状态,怎么是静止者钟时变慢呢,是不是可以改成这样,这显示出运动者钟时变慢

tuenhai.com :飞船上的人也在观测光子钟,他观测的是同一个光子钟,他观测到钟走时并没有变慢,那么就有了二个矛盾的结论,你说运动者钟时变慢,飞船上的人说运动者钟时没有变慢,我们该听信谁的话呢

Don:这确实是个问题

tuenhai.com :看见只是看见,一切看见都打上了观测者自己的运动状态的烙印。静止者看到飞船上的钟跳得慢,只是静止者看到,而不是钟本身这样慢,这个规律是低速世界和高速世界通用的。相对论并没有推翻低速世界的物理规律,而是低速世界的相对论效应过于低微,人类的观测手段精度不够,不容易分辨出来

人们因不理解相对论,把相对论想象得过于高深莫测,变得连低速世界的常识也不认识了,于是把简单事情复杂化了

静止者和运动者同时观测飞船上的光子钟,观测到的数据反映了静止者钟和运动者钟的属性的比例关系

这就像是称体重,小胖和小鱼在地球称体重,小胖重量是小鱼的6倍,他们再到月球去称,小胖的重量还是小鱼的6倍。不要去管体重秤的计数是多少,那是无关紧要的,但是一个是轻者,一个是重者,这两个角色始终未变,而且她们的体重的比例也始终不变

静止者钟时慢了2倍,也就是运动者钟时快了2倍,我们要关注的是这个比例关系

不懂相对论的会说:

我(在地球)看到飞船光子钟走时变慢了,这是相对论的运动使时间变慢,我懂相对论了

懂相对论的人会说:

我是静止者,我看到飞船上的钟走时变慢,这就是静止者钟时变慢,换句话说,运动者钟走时变快了,这个变快或者变慢的比例是真实的,不要去想静止者都没动,钟走时怎么会变慢。这就像小胖到月球上去称体重,发现变轻了,这又有什么可以奇怪的呢,只要发现体重还是小鱼的6倍,那么大可放心,不用大吃一惊。如果小胖和小鱼一起在月球上称体重,小胖的体重是小鱼的10倍,那么才是其中必然有怪了

不懂相对论的人以绝对论去解释相对论,于是只能得到错误的认识。懂了相对论的人以相对论去解释相对论,这就是真懂了

人类是低速生物,相对论效应不明显,喜欢用绝对论判断事物,在低速世界里这么做通常关系也不大,但不能把这个不尽正确的习惯带到相对论的高速世界,用绝对论理解相对论,这就是相对论版的南辕北辙

Don:我懂了,静止者看到飞船上的钟走时慢了二倍,根据 相对论效应观测原则:数据反映比例,那么是运动者钟走时比静止者快了二倍

tuenhai.com : 正确!很多人忽略了快或慢,多或少,重在比例关系,现实生活中也是这样。政府多印10倍的钱,于是大家手上数字意义上的钱多了,但是你并不会比你的同事更有钱。同样,静止者看到飞船上的钟变慢二倍,这只是计算方式的变化,于是静止者看到的还是静止者数据,又有什么大惊小怪的呢

Don: 我回去再好好消化一下

飞升成仙,道解狭义相对论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 2018-10-29

功成白日飞升的传说

中国古代有 “积功累德,功成白日飞升” 的传说,飞升上去干什么呢?到另外世界做神仙

既然要飞升去另外世界,想必是速度极快,否则,如果是汽车速度,恐怕在有生之年连月亮也飞不到,更不用说去更加高级的世界

人真的可以飞升去另外世界吗

没有飞升的人就不用问他了,飞升了的人肯定不想再回来,于是世上又多了一个不解之谜

不过,有了狭义相对论以后,飞升成仙有了现代的诠释,人类终于有了一丝长生不死的希望

飞升成仙的狭义相对论解

狭义相对论说的是高速运动会造成时空的变化:

  • 运动者在运动方向上空间缩短
  • 运动者在运动方向上命时延长

命时,就是生命时间,这不就是寿命延长吗

是的,只要你飞得足够快,你就可能 飞升成仙,这不是神棍吹嘘的死后永生,而是真实的寿命延长,寿命延长到极点,就是长生不死,这是狭义相对论所规定,如果狭义相对论为真,此话即不假,而狭义相对论已经为实践所证实

想必你已经很兴奋了,道解狭义相对论,只此一家,别无分号


狭义相对论效应实例分析

tuenhai.com :20180114

tuenhai.com :理解狭义相对论时空效应并不难,难的是人的旧习惯、旧观念太顽固,难以一下子改变

我决定分析一些实例,大家只要掌握这些实例,就能更加直观地理解相对论效应

相对论效应分析实例:静止者观测运动钟,看到钟时走慢了

tuenhai.com :静止者观测高速运动的飞船上的光子钟,光子钟由上下二块玻璃镜子组成,一个光子在里面上下跳动,光子从上到下或者从下到上作为一个计时的节拍。静止者看到光子钟的计时节拍慢了。这个例子我已经讲过多次,大家再分析一下,这个例子太经典了,理解了这个例子就能举一反三,更容易理解其他事件

Don:我来分析一下

  • 判断是不是标准的相对论效应观测事件

    标准的相对论效应观测事件是静止者观测运动者,运动者观测自身。现在静止者有了,运动物体有了,没有运动者,可以假设运动物体在观测自身,或者假设有运动者随着光子钟运动并观测光子钟

    现在静止者,运动物体,运动者齐备,这就是标准的相对论效应观测事件

  • 静者得静,动者得动

    相对论效应观测原则告诉我们,静者得静,动者得动。静止者观测到的是静止者数据,也就是自己的数据,这就是说,静止者看到运动者钟走时(动作)变慢,实际是他自己动作变慢,而不能说钟动作变慢

    tuenhai.com :可是观测者在地面的动作并没有变慢,他只是看到钟动作变慢,怎么变成他自己动作变慢了

    Don:这就要用到相对论效应观测原则:数据反映比例

  • 数据反映比例

    Don:静止者看到钟动作变慢,这个慢是他自己动作变慢而不是钟的动作变慢。静止者怎么可以既是正常速度,又是慢动作呢?这是因为他自己的动作慢是相比较而言的,他的动作比钟本身的动作慢了,他的动作变慢的程度就是他看到的钟的动作变慢的程度

    Don:怎么我还不是太懂

    tuenhai.com :很多人理解不了相对论,就是绝对的观念始终去不掉。他看到钟的动作变慢了,就当成钟本身的动作变慢了,然后就说飞船上的你的动作也变慢了,你的时间变慢了,你的时间膨胀了,这种说法是错误的

    你站在原地不动,向不断远去的公交车挥手,远去的公交车上坐着你的亲密爱人

    我用高速摄像机把这个场景拍下来,然后以正常速度放给你看,你会发现你的动作变慢了,同一个你怎么会有两个速度呢,你会说这只是摄像机拍得快,不是我真的有两个速度。然而同样的你是可以有两个速度的,如果把摄像机当作一种动物的眼睛,那么它看到你的动作比你自我观察的动作要慢,于是同一个你真的有两个速度了

    你能想通为什么同一个你有两个速度,也就能想通你看到钟动作变慢其实是你自己动作变慢

    Don:别人看到我是正常速度挥手,有的动物却看到我是慢动作挥手,我知道是同一个我在挥手,但是这是怎么回事,我还不是太清楚

    tuenhai.com :数据反映比例。无所谓快或慢,只要比例始终不变就行。你在正常速度挥手的时候,假如车的运动速度是你挥手速度的10倍。在一种动物看来,你挥手速度减慢了5倍,它看到车的速度也是同步减慢。其实你的速度并没有变化,只是在不同情况下计算方式有了变化

    Don:这么说来,我看到飞船上的钟动作变慢,只是在飞船上的速度计算方式有了变化,其实我的速度始终未变

    tuenhai.com : 你在月球上称体重,发现你变轻了,你不用担心,月球上的变轻,只是体重计算方式的变化而己,并不是你身体的组成部分有了变化

同一件事的三种视角

tuenhai.com :这件事情完整解释是这样的:

  • 静止者不改变自己的静止者身份来到飞船旁边,趴在窗户外面朝里面看,发现光子钟慢了,而且里面的人的动作也慢了,她觉得真奇怪,这些是外星人吗,怎么动作这么慢,但是样子看上去却是地球人

  • 飞船上的人突然发现窗外多了个人,这个人的动作好慢,难道被冷风吹坏了身子导致身体僵硬

  • 一个运动速度达到光速的存在正好经过,她发现飞船外的那个人动作比飞船里的人慢

第三种视角,就是上帝视角,为了防止有人误认为 tuenhai.com 是宗教人士,我把上帝命名为妩, 表示万物之母, 表示无处不在,也表示无形无象。妩的视角看事物没有了偏差,她看到的全部是真实,她看出了运动者的动作比静止者快,运动者钟时变快了

Don:可是我们不是妩,怎么从她的视角分析事件

你可以从 静者得静,动者得动,数据反映比例,这样去分析标准相对论效应事件,你的看法就会与妩的看法保持一致

相对论效应分析实例:静止者看到手里的钟走时慢了

tuenhai.com :假设你旁边的桌子上有一只机械钟,平时走时非常准确,然后这只钟高速运动起来,你发现钟走时比手机慢了,你正好听 tuenhai.com 讲过相对论,知道静止者钟走时会变慢。我们先不要理会原地的钟怎么会呈高速运动,我们只是从相对论角度分析一下

Don:我来分析一下,我是静止者,钟是运动者,静者得静,静止者看到的都是自己的数据,于是我就知道在钟看来,我的动作变慢了,实际上动作慢的是我,而不是钟

Don:可是我明明看到钟走时变慢了,难道我眼前看到的都有假的

tuenhai.com :前面不是已经分析过了,静止者看到飞船上的光子钟走得慢,实际上是自己动作慢,在光子钟或者运动者看来自己动作慢了

Don:可是那个例子是在地上看遥远的飞船上的钟,现在钟放在我的眼前了

tuenhai.com :我们设想这样的情景,静止者不改变自己的运动状态,就站在飞船上的光子钟的旁边,飞船上有个乘客也站在钟边,乘客看到钟走速正常,静止者会看到钟走得慢

Don:可是我不可能不改变自己的运动状态就可以看见运动钟,我一到飞船上站在钟边,我就从静止者变成运动者了

tuenhai.com :以下三个事件是等效的:

  • 你从地面看飞船上的光子钟,就是不改变自己的运动状态看见运动钟
  • 你不改变自己的运动状态,来到飞船上看光子钟走时
  • 现在你看桌上的运动着的钟,你还是静止者,你并没有改变自己的运动状态

Don:我想想,好像是这样

tuenhai.com : 不是好像,是三个事件一样。静止者看到的总是静止者钟

Don:我看到桌上的钟走时慢,只是钟看我慢,那么是不是说钟其实是走得快的,只是我看不到而已

tuenhai.com在相对论的世界,静止者看运动者,实际的和看到的是相反的,举例来说,静止者看到运动者钟时慢了,实际上是运动者看到静止者钟时慢了。太多的人把静止者钟走慢当成运动者时间膨胀的证据,这就是绝对论,还没有踏入相对论的门槛,实际上,从妩的角度看,运动钟时比静止钟走时快

你看到运动着的钟走得慢,是你在始终不改变自己的运动状态前提下,来到钟的运动着的世界,你看到钟走时慢了。这相当于你把家里的钟拿出来,不改变钟的运动状态(仍旧保持静止),你拿到运动着的世界,你发现你的(静止的)钟走时慢了,而运动钟走时并没有变慢,你始终看到的只是静止者钟

这相当于你去到月球称体重,你的体重轻了,但那个还是你,并没有变成别人。同样道理,你看到运动着的钟走时慢,其实是你的静止钟处在那个地方会变慢,而不是运动着的钟时变慢。因为换了个地方比较,许多人就不能理解了

Don:谢谢老师,我只要记住 在相对论的世界里,静止者看运动者,实际的和看到的是相反的 这个秘诀就行了,可以省下几个脑细胞,呵呵

在接近光速飞行的飞船上生活是怎样一种体验

tuenhai.com :相对论中有观点认为高速运动的物体,运动速度越快,寿命就越长,那么推论之下,就会发现物体运动速度到达光速时就长生不老了。物体运动速度越是接近光速,寿命越是接近无限。事实真相如何,我们先来看一种流行的说法:

比如我们的速度如果能达到 0.99c,则γ ≈ 7,也就是你的1年相当于地球人的7年,如果达到了 0.99999c,则γ ≈ 224,也就是你的1年相当于地球人的224年。我们不用再算下去了,因为我知道你已经禁不住的开始狂喜了,哈哈哈,原来长生不老是真的可以的啊。对不起,我不得不再次粉碎你的这个长生不老梦,我们的计算确实没错,如果你坐上了0.99999c的飞船飞了1年回来后,我们地球确实已经过去了224年之久,但是对于你自己的感受来说,你真真切切的也只活了1年,一秒钟不会多,一秒钟也不会少,如果你的寿命是100年,你一直在飞船上飞,当你回到地球的时候,地球确确实实过去了22400年,但是对于你自己来说,你仍然只能感受到你自己生命中的100年,一天也没有多出来,一天也没有少掉,每天仍然是24小时,1小时仍然是60分钟,只是在走出飞船舱门的那一刹那,你看着地球上的景物,已经隔世,你只不过用了自己的一生验证了你向前穿梭了22400年的时间而已,但你仍然已经老去。从我们地球人的眼里来看,其实你也并没有比我们潇洒多少,虽然你的1分钟相当于我们的224分钟,可是在我们眼里,你的一切动作全都变慢了,我们吃一个包子1分钟就吃完了,而在我们眼里,你吃一个包子却要吃224分钟;我们打一个响指只用了1秒钟,而在我们眼里,你却花了224秒钟才慢慢腾腾的把一个响指打完。我们在地球上仰望着飞船中的你,感慨道:“噢,可怜的人啊,行动的比蜗牛还慢,活着还有什么意思呢?”

Don:如果上面说的是真的,飞船上的人自我感觉寿命没有延长,而且在地球人看来,飞船上的人还可怜得很,每个动作慢得要死,怎么会这样呢,这样的长寿又有什么意义

tuenhai.com : 地球上看到飞船上的人动作慢,这就是飞船上的真实情景吗

Don:对啊,我记起刚才保存下来的秘诀:相对论的世界里,静止者看运动者,实际的和看到的是相反的,那么实际上是飞船上的人看地球上的人动作超级慢了,我差点又陷进 绝对论 了,静止者观测运动者,眼见为实,把看到的情景当作对方的真实情景,这就是不折不扣的 绝对论

tuenhai.com : 如果你能把 相对论效应观测原则 背得滚瓜烂熟,那么可以轻易知道接近光速的飞船上发生了什么,否则,难免思维受到干扰,陷进绝对论的怪圈

在相对论的世界里该怎么说话

tuenhai.com :要还原接近光速的飞船上的真实情景,还得再次请出 相对论效应观测原则 相对论规定了在相对论的世界里,一切观测者观测到的数据都打上了自身运动状态的烙印,静止者和运动者观测同一事件,得到的数据必然不同

于是得到了在相对论世界里表达观点时必须包含的二个要点:

  • 观测者的身份(静止者或运动者)
  • 观测到的数据(属于特定身份的观测者)

比如下面的说法是有问题的:

我(静止者)看到飞船上的钟走得慢,你的钟走得比我慢

这是低速世界的说法,在地球人类低速世界里,我看到你比我矮,于是断言你比我矮,通常是成立的。在相对论效应明显的高速世界里,低速者看到的未必是高速者的真实

在相对论的世界里,静止者看到运动钟走得慢,并不代表运动钟真的走得慢。如果你明白 tuenhai.com 在说什么,那么你就可以凭简单一句话断定一个人其实不懂相对论

飞升成仙的狭义相对论解释

tuenhai.com :我从来没有看到过有人从相对论的角度描述接近光速船上的情景,那么就让我第一个来尝试吧

这是一个用高速运动达到的神奇世界,可以视为飞升成仙的相对论诠释:飞得快,成了很厉害的人,用中国古代的话讲就是成仙了

飞升成仙,飞得快才能成仙

静止者看不到运动者的真实情景,人类目前也没有可能建造出接近光速的载人飞船,不过相对论效应观测原则 就是透视眼,可以帮助我们透过表象看到本质

光速为c,飞船以0.99999c的速度飞行,飞船上有一个光子钟,光子钟里有一个光子上下跳动,光子一上或者一下相当于钟走了一格

然后我们要构建一个标准相对论效应观测事件:静止者观测运动者,运动者观测自己

这时候观测到的数据就是真实的数据,tuenhai.com 概括为 静者得静,动者得动,但是我们要注意,我们关注的是数据的比例,我概括为 数据反映比例

地面观测者观测飞船上的光子钟,不要去管能不能看到,我们假设可以把镜头拉近,让地面观测者也能看到飞船里面发生的事情。地面观测者就是静止者,光子钟就是运动物。飞船上也有人同时在观测光子钟,这个人就是运动者。标准相对论观测事件构建完毕

静止者看到光子钟的每次跳动都是走了很长很长的斜线,静止者估算,这条斜线长度为在地球上静止时的长度的224倍。光速不变,距离越大,耗费的时间越多,于是光子钟跳动一次花费了224倍的时间,静止者感觉到了光子钟跳动的速度比自己的日常经验慢了224倍,用相对论专业术语来说,静止者钟时慢了224倍

运动者站在光子钟旁边看,看到光子上下跳动的距离是垂直的,飞船从地球上时的静止状态到现在的高速运动,这个距离一直未变。这段距离很小,光速不变,距离越小自然所耗费的时间越小。运动者认为光子钟没有变快,也没有变慢,运动者看到钟时不变

相对论效应观测原则告诉我们,静者得静,动者得动,静止者看到的数据代表了静止者本人的运动状态,运动者看到的数据代表了运动者的运动状态。理解了这点以后,就可以开始分析在飞船上的体验了

飞船上钟时是变快了还是变慢了

静止者在地球过了224天,然后抬头看了下飞船上的光子钟,发现光子钟的时间显示只过了1天。运动者看飞船上的光子钟,发现已经过去了224天

理解:静止者看到的始终时静止者钟时。在飞船上,静止者钟慢了224倍,意思是说静止者不改变自己的运动状态来到飞船上,那么钟时慢了224倍。地球钟时过了224天,飞船上慢了224倍,那么静止者必然看到飞船上的钟时只过了1天

数据反映比例,224是个比例系数,静止者钟变慢224倍的意思就是运动者钟没有变慢,这也与运动者实际观测到的情况一致。把变慢224倍后的钟时1天恢复到没有变慢,那么就是1天乘上224倍,于是运动者钟时显示是224天

Don:地球上的人观察钟时,过了224天,飞船上人观察钟时,也是过了224天,地球上和飞船上的钟时一样啊

tuenhai.com相对论效应观测原则说,数据反映比例,静止者观察飞船上的钟时,发现慢了224倍,静者得静,也就是在飞船上静止者钟时慢了224倍

Don: 地球上和飞船上的钟时到底有没有一样

tuenhai.com : 数据反映比例,在飞船上,静止者钟比运动者钟慢了224倍,我们关注的重点是比例,而不是钟表读出的数字

如果你只需要一个结论,那么我可以告诉你,在这个例子中:

运动钟走时速度是静止钟的224倍

Don: 可是按照前面说的,地球人看身边的钟,发现过了224天,飞船上的人看身边的钟,也是发现过了224天,这是怎么回事,时间怎么是同步的

tuenhai.com : 我举个例子,你就明白了,你 体重 120 斤,你女儿体重 20 斤,你到月球上一称,你的体重变成了 20 斤,你会不会这样说:

糟糕,变成和女儿一样重了,难道我的身体的大部分被外星人不知不觉间掏空了

Don: 明白,地球上的人看身边的钟时,飞船上的人看身边的钟时,两者的计算方法不一样,不能直接比较

tuenhai.com : 对,是这样

Don: 如果我一定要比较呢

tuenhai.com : 请先把 相对论效应观测原则静者得静动者得动数据反映比例 背诵 100 次,不懂再问我

...

Don: 我知道了,在这个例子中,运动者钟走时速度是静止者钟走时速度的224倍

tuenhai.com : 具体怎么说

Don: 我就知道这么多

tuenhai.com : 嗯,可以,只要记住数据反映比例,至于钟表上的读数是大还是小,这是无关紧要的,只要比例不变,钟走时快慢可以随便调整

飞船上的人寿命延长了吗,说说相对论命时效应

tuenhai.com : 命时,就是生命时间。命时越长,就是寿命越长

你可以不关心钟时,你没有办法不关心命时

世界上没有一个人不关心命时

如果有可能,任何人都希望延长命时

从有些人的叙述看,利用狭义相对论效应来延长命时似乎没有一点意义,甚至反而看上去可怜的要命,这是真的吗

就让 tuenhai.com 来帮你揭开谜底吧

人类是低速动物,无法直观体验相对论效应,相对论世界发生了什么事情,需要通过分析、计算才能知道。千万要注意,钟时不是命时,命时不是钟时,虽然数值上有类似之处,但二者是根本不同的,如果你把二者混为一谈,就无法深刻理解狭义相对论的本质

静止者观测飞船上的光子钟,发现光子跳动一次要越过224倍的空间距离,这是在飞船上的静止者钟,走时速度是地球上的静止者钟走时速度的 1/224

跨越空间是需要消耗命时的,居住在一线城市的人应该深有体会,有的人上班就得赶 2 小时的路,这 2 小时既是钟时也是命时,你用了这2小时,你生命中就少了这 2 小时。你仔细想想,人类做任何事情都需要跨越空间,人类是低速生物,每次的跨越空间就是命时的大量流失,这似乎注定人类不能永生

空间的距离的延长,对光子钟走时来说是变慢了,对于生命来说是消耗的命时增加了。一切生命活动事件都需要跨越空间,生命中一个事件需要跨越的空间的增加,意味着消耗的命时增加

如果静止者不改变自己的静止者身份来到飞船上,那么他完成一个事件要消耗224倍的命时,而飞船上的人则觉得命时消耗并没有增加,因为运动者看到光子跳一次走过的空间距离并没有延长

数据反映比例,在飞船上这样的环境,静止者的寿命是运动者的1/224,或者说运动者的寿命是静止者的224倍

Don: 那么,飞船的人是否知道自己因为相对论效应而延长寿命了呢

tuenhai.com : 关于这个问题,似乎很少人能说清楚。我只是为了讲解大道而临时了解了一下相对论,想不到一不小心成了相对论科普专家,可以帮助大家解开相对论的一些谜底

飞船上的人知道自己寿命延长了吗

tuenhai.com : 按照有些人的描述,似乎飞船上的人并不知道自己寿命延长了:

你仍然只能感受到你自己生命中的100年,一天也没有多出来,一天也没有少掉,每天仍然是24小时,1小时仍然是60分钟

Don: 从上面的描述看,似乎无趣得紧啊,郁闷

tuenhai.com : 且慢无趣,且慢郁闷,容我慢慢道来

以 0.99999c 的速度飞行的人,就是一个比古代神仙还要神的人,他所处的世界就是比宗教人士信仰的天堂、佛国还要美妙的世界,怎么可能无趣而郁闷呢,我有限的笔墨无法形容那个世界的奇妙之处

Don: 那么他是知道自己的寿命延长了吗?

tuenhai.com : 当然知道

Don: 他怎么知道的

tuenhai.com : 假设他原来在地球上,然后不断加速飞升,偶尔瞄一眼光子钟,发现光子钟的走时似乎并没有什么变化,最后他加速达到 0.99999c 的速度

Don: 这是否意味着他无法从光子钟的数据知道自己寿命延长了

tuenhai.com : 光子钟的读数是无关紧要的,你应该已经知道了,不断加速的过程,就是运动钟时相比静止钟走时不断变慢的过程,只是他身边没有静止钟可以比较,不知道他的光子钟被拨慢了

Don: 看来他还是不知道自己寿命延长了

tuenhai.com : 不断加速飞升的过程,就是生命中每个事件需要跨越的空间不断减少的过程,意味着命时不断得到延长,到最后,他的身体中每个层次的生命活动的效率都提高到原来的 224 倍,这并不等于他的寿命只延长到原来的 224 倍

Don: 我很好奇,寿命延长到原来的多少倍了

tuenhai.com : 无法估算,用人类的数学来表达是接近无穷大

Don: 这是为什么

tuenhai.com : 人体是个复杂的巨系统,当把你的记忆力增强224倍,那么你的学习成绩必然突飞猛进,当把你视力增强 224 倍时,带来的好处也是可以研究的,当把你的每个细胞的活动效率提高224倍,研究起来就吃力了,还有线粒体,细胞核,无数的生命大分子,所有这些生命活动,需要跨越的空间都减小了,综合起来会有什么果,这是人类目前的技术无法估算的

虽然无法估算,不过我可以告诉你的是,他早就不是人类了,他早就进化到了远比人类高级的物种,应该不会再回到地球了。所以,下面的情况是不会发生的:

只是在走出飞船舱门的那一刹那,你看着地球上的景物,已经隔世,你只不过用了自己的一生验证了你向前穿梭了22400年的时间而已,但你仍然已经老去

而且他不会再去关心光子钟显示的年龄,上面的读数对他来说已经没有了意义,他留着光子钟只是因为对地球故乡的一丝怀念,更可能他早就扔掉了这个来自地球的小玩意。或许他会偶尔回望一下地球,发出一声感叹:

> 噢,可怜的地球人啊,每个动作都慢得要死,我看着就觉得心里憋得慌,这样活着又有什么意义呢  

狭义相对论膨胀和收缩是怎样发生的

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180117

相对论空间、时间概念定义

tuenhai.com :在讨论相对论效应时经常用到时间膨胀,时间收缩,空间膨胀,空间收缩,有必要先定义一下这些概念

  • 空间膨胀:完成一个事件所经历的的空间距离增大,整体表现为物体运动方向长度变长
  • 空间收缩:完成一个事件所经历的的空间距离减小,整体表现为物体运动方向长度变短
  • 钟时膨胀:空间膨胀以后,速度不变,需要用掉更多时间完成一个事件,又叫钟时变慢
  • 钟时收缩:空间收缩以后,速度不变,需要用掉更少时间完成一个事件,又叫钟时变快
  • 命时膨胀:空间收缩以后,需要跨过更少空间就能完成一个事件,又叫命时变慢,表现为寿命延长
  • 命时收缩:空间膨胀以后,需要跨过更多空间才能完成一个事件,又叫命时变快,表现为寿命缩短

事件:举例,光子钟,光子上或下跳动一次的距离一样,跳动方向和物体运动方向垂直,光子上或下一次就是一个事件

更多时间 里的 时间 是什么时间:这是同一个观测者的时间感觉,既是他的钟时,也是他的命时。静止者钟慢,从钟时的角度说,钟跳一次包含了更多的钟时,相当于把钟拨慢了;从命时角度说,一次事件用掉了更多的命时,所以静止者寿命缩短了

狭义相对论效应结论

tuenhai.com :有了明确的时间、空间定义以后,下面就可以直接给出结论了

  • 静止者钟时膨胀(钟时变慢)
  • 静止者命时收缩(寿短)
  • 静止者空间膨胀(运动方向变长)
  • 运动者钟时收缩(命时变快)
  • 运动者命时膨胀(寿长)
  • 运动者空间收缩(运动方向变短)

从以上结论可以总结出二条狭义相对论效应规律:

  • 空间膨胀和钟时膨胀成正比
  • 空间膨胀和命时膨胀成反比

静止者钟时是怎样膨胀的

tuenhai.com :下面我们从数学计算的角度理解一下静止者钟时膨胀是怎样发生的

光子钟计算静止者钟时膨胀

上图,勾股定理计算静止者钟时膨胀效应 (图片出处 《时间的形状》一书《时间会膨胀》一节)

图片上有两个飞船,第一个飞船表示飞船原先的位置,第二个飞船表示飞船现在的位置,飞船上放了个大大的光子钟,一个光子在钟里面上下跳动

在飞船上的运动者看来,光子只是上下垂直跳动,距离很短,用的时间很少。在地面的静止者看来,光子一出发,还没有到达镜子的时候,同时在随着飞船向前飞行,于是光子走了一条长长的斜线,距离变长,于是光子花了更大时间到达镜子

静止者看到的是静止者钟,运动者看到的是运动者钟。我们已经知道静止者钟时变慢,但是静止者钟跳一次到底有多慢?这就要用数学公式计算了

喜欢数学公式的人恐怕不多,因为太抽象,而人是形象(画面)的自动计算机,于是对人来说抽象的数学就会很枯燥。不过,若是能从数学角度理解相对论效应,那么你的理解就会更加深刻。好在这里只是用到了初中数学,难度并不大

图中有个三角形,三角形的斜边是静止者钟光子走过的距离,垂直镜子的直角边是运动者钟光子走过的距离,水平直角边是飞船水平方向飞过的距离。每条边中间标注了一些奇怪的字符,我来解释一下:

  • c :光速,每秒约 30 万公里
  • v :飞船速度。为什么用字母v, 因 velocity 在英语中就是速度,于是你顺便学了个英语单词
  • t :运动者钟跳一次的时间。为什么用字母 t ?因为 英语中 time 就是时间的意思
  • t' :静止者看到的飞船飞行的时间,也是静止者钟跳一次的时间。为什么 t 后面加个小不点?你可以解释成静止者钟拖了个小尾巴,导致运动不起来,于是只能静止,这样就把枯燥的字母形象化了,有助于你记住公式

长度 = 速度 × 时间,三角形的三条边都是 速度 × 时间 的格式来表示的,不过把两个字母中间的 × 省略掉了,数学家嫌每次写乘号太麻烦了。现在你们理解了三条边中间写的字符的含义了吗:

  • ct :运动者钟一次跳动走过的距离
  • ct' :静止者钟一次跳动走过的距离
  • vt' : 飞船水平方向飞过的距离

计算这三个距离的关系,就要用到勾股定理,勾股定理应该小学就学过了,即使忘记了,稍微复习一下应该就能想起来。好吧, tuenhai.com 直接告诉懒得查书的部分同学吧,勾股定理说的是直角三角形的两条直角边的平方和等于斜边的平方,写成公式是这样

(ct)²+(vt')² = (ct')²

去掉括号得到:

c²t² + v²t'² = c²t'²

等号两边同时减去 v²t'² 得到:

c²t² = c²t'² - v²t'²

等号两边同时除以 c² 得到:

t² = t'² - t'²(v²/c²)

最后得到静止者钟时膨胀公式:

狭义相对论静止者时间膨胀公式

上图,狭义相对论静止者钟时膨胀公式

你不妨把数字代入计算一下,当物体运动速度 v 很小的时候,公式右边的分母近似 1,所以静止者时间膨胀极其有限。当速度 v 无限接近光速的时候,公式右边分母的值就无限小,于是静止者钟时就膨胀到运动者钟时的无数倍了

要注意的是,是静止者钟时膨胀了,你在地面观测,你是静止者,你的钟时膨胀了。不懂相对论的人会说:

我都没动,我的钟时怎么就膨胀了

他不知道数据反映的是比例,静止者和运动者相比较,是运动者的钟时收缩了。静止者钟时膨胀了10倍,意思是运动者钟时收缩了10倍

Don: tuenhai.com 老师,静止者钟时膨胀我已经懂了,空间膨胀和钟时膨胀同步,那么静止者空间也应该膨胀了,这又怎么理解呢

静止者空间是怎样膨胀的

tuenhai.com :运动者看到光子上下走的是垂直线,于是垂直线就是光子的空间

在静止者看来,光子走的是向前和(上或下)结合起来形成的斜线。光子垂直方向走的的距离没变,和运动者看到的距离一样,这就是静止者垂直方向的空间没有变化。光子同时向飞船飞行方向水平走了一段距离,这段距离在运动者的空间里是没有,于是这段空间就是静止者膨胀出来的空间

静止者空间膨胀了多少,并不是去量这段空间的绝对长度是几米。量出飞船向前飞行了 1000 公里,就认为静止者空间膨胀了 1000 公里,这样无疑是错误的,这时没有了比较对象,只有一个观测者,那就不是相对论了

数据反映的是比例,我们要知道的是静止者和运动者相比较,空间膨胀了多少的系数

Don:那么怎样计算静止者空间膨胀的系数

tuenhai.com :我们已经得到了静止者钟时膨胀计算公式。公式左边是静止者的钟时t',也就是飞船飞行的时间。把公式两边乘上飞船速度 v,飞船飞行速度乘上飞船飞行时间,不就是飞船飞行距离吗!这段距离就是静止者向飞船飞行方向膨胀出来的空间

Don:数学上来说,等式两边乘上同样的数字,对于公式求解来说是没有意义的

tuenhai.com :所以就没有必要在公式两边同时乘上飞船速度了。静止者钟时膨胀公式就是静止者空间膨胀公式,两者完全相同,于是就得到静止者空间膨胀公式:

狭义相对论静止者空间膨胀公式

上图,狭义相对论静止者空间膨胀公式

运动者在运动方向上空间收缩

tuenhai.com :静止者空间膨胀是有方向性的,是向运动方向上膨胀。飞船速度十分接近光速时,静止者看到运动者做的每个动作都在向飞船运动方向上慢了许多,因为运动方向上空间膨胀了,静止者以为运动者的每个动作都要向运动方向上跨越更多的空间,于是看上去动作速度就慢了,不过这只是一个方向的动作变慢,大家能想象出来吗

Don:我想象一下,静止者看到运动者抬起手,在手上升过程中,手随着飞船快速前飞,于是在静止者看来,手运行的距离极大拉长,速度 = 距离 ÷ 时间,计算出来在飞船飞行方向上手的上抬速度极慢

静止者空间膨胀了,运动者在飞船上,可以认为并不知飞船是静止还是在运动,所以他不应该知道空间膨胀了,但是相对于静止者,运动者的空间在运动方向上收缩了

运动者并不知道空间收缩吗

tuenhai.com :运动者还是会知道自己的空间收缩了。宇宙有个奇怪的特性,整体的空间收缩会投影到物体的每个部分,每个原子之间的空间,原子各个组成部分的空间,反正所有的空间都在运动方向上收缩了

飞船在运动,飞船运动方向上的空间收缩表现为长度的缩短,飞船里的一切都随飞船运动同方向空间收缩

Don:原来是这样,在这种情况下,在飞船里的我能看到自己在飞船运动方向上明显收缩了吗

tuenhai.com :我问你,把你的前胸压到后背,你自己能不能看到

Don:我当然能看到

tuenhai.com :空间收缩不是幻觉,是真实发生的

Don:可能我又被一些文章论误导了,书上说用来测量的尺也缩短了,于是测不出来空间收缩了

tuenhai.com :物体在运动方向上收缩,尺子和物体运动方向平行去量,那么尺子的收缩程度和物体是一样的,于是尺子上就不能测量出物体收缩了

然而我们这里说的是明显的空间收缩效应,这时肉眼就可以分辨出来了,根本不用拿尺子去测量。你拿一根棒子,棒子和飞船飞行方向平行,你会看到棒子短了。你再把棒子和飞船飞行方向垂直放,你发现棒子扁了

Don:我想到了测试空间收缩的一个办法,我可以带些碗上飞船,碗口本来是圆的,我在飞船上转动碗,就应该能发现碗总是在运动方向上扁了。如果是我自己呢,岂不是在运动方向上变形,天哪,如果我去照镜子,会不会把自己吓死。我拍一张照片发到朋友圈,是不是会把朋友们吓坏……

静止者能不能看到运动者已经收缩

Don:我在飞船上,在运动方向上我收缩了,那么地面的静止者能否看到我收缩了

tuenhai.com :这要从三个方向分析

  • 如果运动者没有在运动方向上收缩

    这时静止者看到的是运动者在运动方向上膨胀了。比如你在飞船上面朝飞船前进方向站着,这时静止者看到你的前胸和后背的距离变大了。如果静止者的空间膨胀了5倍,那么静止者看到你前胸和后背的距离变得很大,会把胆小的偷看的静止者吓得半死

  • 事实上运动者在运动方向上收缩了

    Don: tuenhai.com 老师,我懂了,让我来分析一下好不好。如果静止者的空间膨胀了5倍,也就是我在飞船上,运动方向上收缩到原来的 1/5,这是我的实际情况。静止者必然会膨胀空间,于是他把我在运动方向上已经收缩的身体又膨胀到实际的5倍,他把我在运动方向上的收缩还原了

    这么奇怪,难道静止者看到了没有在运动方向上收缩的我吗

    tuenhai.com :是啊,你的身体在运动方向上收缩了,但是静止者看到的却是你并没有收缩

  • 静止者的视觉畸变

    如果静止者不改变自己的运动状态来到飞船里观看,这时运动者看到自己在运动方向上收缩了,但是静止者却看到运动者一切正常

    静止者在地面遥视速度接近光速的飞船,由于飞船速度太快,飞船距离太远,静止者看到的和实际的会有少许不一样,比如视觉上产生红移或者蓝移,这不是我们关注的重点,不再展开

运动者命时收缩有方向性

Don:从前面的狭义相对论效应结论可以知道,静止者空间膨胀的同时,必然会伴随着命时收缩。请教老师,静止者的空间膨胀有方向性,那么静止者命时收缩也有方向性吗

静止者空间膨胀,也就静止者命时收缩,空间膨胀的方向就是命时收缩的方向,这是从静止者的角度述说。如果从运动者的方向述说,运动者在空间运动方向上命时膨胀了,也就是时间流逝变慢,变得更年轻。运动者在运动方向上老得更慢

Don:运动者能不能自己发现在空间运动方向上老得更慢

tuenhai.com :如果一个人在飞船上方向不变长时间枯坐,那么有可能观察出来自己哪个方向上老得更快,哪个方向老得更慢

但是人是活动的,而且人是立体的,不是只有一个方向,一个方向上时间流逝得慢会同时影响到其他方向的时间,于是就不能轻易发现自己哪个方向上老得更慢

物理规律不变吗

tuenhai.com :物理学认为在任何惯性系中,物理规律保持不变。你在一个地方做物理实验,你不能通过实验的就去测出这个地方是静止的还是在匀速运动,如果是在匀速运动,那么你也不能通过实验测出在这个地方在向哪个方向运动

然而,物体运动接近光速,狭义相对论效应明显时,你是可以测出物体是静止还是运动,并且可以测出物体在向哪个方向运动。实际上不用做物理实验,你看一眼就知道了

物体飞行速度接近光速时,物体在运动方向上就会有明显的空间收缩和命时膨胀,于是飞船上的人就可以利用空间或命时的方向性看出物体在向哪个方向运动

相对论光速为什么不变,光速不随观察者速度的变化而变化

如果理解爱因斯坦光速不变原理

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180120

枯燥的光速不变定义

tuenhai.com :网络有很多人在查找答案:爱因斯坦光速不变原理是什么,为什么光速不变。民科为了证明自己是民科,有必要否定一下狭义相对论,他们喜欢以光速不变是错误的来证明自己是合格的民科

狭义相对论说的光速不变到底是什么意思呢

Don:光速不变原理指的是 真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。在狭义相对论中,指的是无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是299,792,458 米/秒

tuenhai.com :真空中的光速不变是人类观测得到的现象,人类目前的实验都都证明了光速不变。至于为什么,科学并不能回答这个问题。这就像一些物理学常数,人们知道它的值,但是无法回答为什么。然而人类是充满好奇心的动物,总是喜欢刨根究底,再次问一下,光速为什么不变

如果宇宙有强大自由意志,那么光速必然不变

宇宙极为复杂,又达到了极为精妙的平衡,使地球上生命的出现成为可能,这就提示我们,宇宙有强大的自由意志,相比之下,人类反而自由意志弱小,行动总是被过去的习惯捆绑,明知是错误的事情也不愿改正,生活得就如没有生命的机器人一般

如果宇宙有强大自由意志,那么光速不变肯定是一条设定的规则,否则,如果光的性质不稳定,地球上根本不会出现生命

从概率上计算,地球偶然出现最原始的生命大分子的机率无限约等于0,以至于有的人归功于上帝的帮助。上帝一词暗示上帝是人,人形的“神”,人是寿不过百的低阶生命,如果真有上帝,怎么可能是人形呢,这种混人不去理他就是了。宇宙就是宇宙,是有强大到无边的自由意志,如果一定要给宇宙起名,她就叫

地球原始生命大分子的形成就是一系列的巧合的物理、化学反应的过程,这些反应离不开光的参与,如果光的性质不稳定,那么这个地球生命的元祖就可能不会出现了,地球至今一片死寂,不会有任何生命,更不会有人类

光的性质要稳定,其中重要一条就是光速稳定。光速和能量有关,光速不稳定,能量就不稳定,那么即使地球好不容易诞生了元祖分子,也不会有机会发展、进化出复杂的生命

光是视觉生物的分离的宇宙的连接者

在人们的日常感觉中,睁开眼睛的同时,一幅画面就展开了,画面里的物体立刻同时出现了,有自己的身体,有房子,有行人,有白云,有太阳,仿佛不需要时间,人直接看到了任何物体

事实上是,人是无法直接看到物体的,人看到东西都要光作为媒介。没有了光,人什么也看不到。即使有了光,但是光没有进入人的眼睛,人也什么也看不到

如果身体没有反射光进入眼睛,那么人也是看不到自己的身体

对于人类来说,周围物体本来是和人分离的,人不知道物体的存在,人也就不可能主动和物体交互,是光把物体和人连接起来,光是分离的宇宙的连接者

若是没有光把物体和人连接起来,人就不能看见物体,那么就难以与物体交互

  • 人看不见书,那么怎么读书
  • 人看不见路,那么怎么走路
  • 人看不见水,那么怎么游泳
  • 人看不见手,那么怎么写字
  • 人看不见门,那么怎么开门
  • 人看不见狗,那么怎么喂狗

人与物体的绝大多数交互都离不开看见,而看见离不开光

有人会说盲人看不见,不也照样活下来了吗。这是有看得见的人在照料他,如果每个人看不见,那么谁来照料盲人。如果盲人独自生活在原始丛林,那么很可能被其他生物猎杀

有了光,就有了看见,于是人的身体才能和环境建立了密切的连接,在身体和环境的交互过程中,身体就会有演化。正是因为有了光,环境才能正式成为生命必不可少的重要组成部分

光对视觉生物是如此的重要,对于视觉生物来说,光保持稳定的性质(包括光速不变)是有好处的和必要的

反过来的,如果光的性质不稳定,那么很可能地球上不会进化出视觉生物,人类也就不会出现

人的视觉系统分辨物体远近的原理

人没有专门的距离感受器,人的视觉系统主要由以下线索知觉深度:

  • 肌肉线索

    • 睫状肌反馈回的信息,睫状肌紧张度强则距离近,松弛则距离远
    • 双眼辐合,也就是眼球肌的调节
  • 单眼线索:

    • 遮挡
    • 线条透视
    • 空气透视
    • 相对高度
    • 结构极差
    • 运动透视与运动视差
  • 双眼线索

    物体在两眼视网膜上的成像是有差别的,视差小则距离距离大,视差大则距离小。视差太大则看到双像。双眼视差是人眼知觉距离的主要方式,VR虚拟现实技术就是利用了此原理

人类的主要知觉器官是视觉器官,人类知觉器官所接收的的外界信息主要来自视觉。视觉生物并不能直接看见物体的本来面目,视觉系统把接收到的光信号解释成画面,画面就像是地图一样,是人类的行动指南

视觉生物能生成画面离不开光的帮助,光的速度极大,人类这样的视觉生物的行动速度相比之下小得可怜,正因为这样,人类主要不是依靠光速来定位物体离自己的距离

如果将来人类进化到运动速度极快,快到相对论效应引起的时空变化可以直观感知的时候,靠双眼视差来判断距离就会退居次要地位,这时很可能改成主要利用光速来判断距离,这时光速不变就更加重要了,如果光速可变,那么人类就难以进化到这样的高阶生命

狭义相对论与引力,欢迎来到引力世界

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180123

原来有二种狭义相对论

tuenhai.com :狭义相对论分二种:

  • 第一种,以引力为连接者的狭义相对论,简称引力狭义相对论。爱因斯坦说的狭义相对论其实是引力狭义相对论,不过爱因斯坦本人可能不知道这个事实

  • 第二种,以光为连接者的狭义相对论,简称光狭义相对论

引力狭义相对论对一切物质起作用。光狭义相对论对视觉生物起作用。视觉生物本身是物质组成的,所以视觉生物身上引力狭义相对论和光狭义相对论同时起作用

两种狭义相对论原理上是一样的,所以从光的角度理解引力狭义相对论也有可取之处

引力是原子之间的连接者

tuenhai.com :上过中学的人应该都知道万有引力

宇宙中的所有物体都互相吸引,引力的方向沿着物体中心的连线,与各物体的质量成正比,与物体之间距离的平方成反比,这就是牛顿提出的万有引力定律。人是充满好奇的动物,人类不但关心结论,更关心原因。引力的本质是什么,宇宙为什么存在引力,教科书式冷冰冰的答案无疑再次让人失望

理解引力是理解宇宙、人生奥秘的一把钥匙,宇宙、人生的大道就在其中

光是视觉生物的连接者,光把视觉生物和物体连接起来。有光,视觉生物才能看到其他物体存在,看到物体以后才可能研究它,接触它。人也有听觉、触觉、嗅觉、味觉辅助,但是这四觉的范围太小。光速每秒30万公里,理论上,人在1秒内可以看到30万公里内的物体,也就是说光在1秒内把人和30万公里内的物体连接起来了,可是人体的解释功能还十分有限,并不能把光提供的信息全部利用起来,即使这样,视觉也是五觉中最重要的一觉,是人类得以进化的关键

引力是原子之类粒子之间的连接者。一个原子要和其他原子交朋友,首先要看到其他原子。如果没有引力,原子之间就互相看不见了,那么原子之间一切物理、化学反应都不会存在,宇宙的每个原子都会一动不动,整个宇宙一片死寂,顷刻间,所有原子死亡,整个宇宙也马上完蛋

有了引力之后,原子之间就能互相看见了,有看见才可能交朋友,原子之间交朋友在人类看来就是各种物理化学反应

Don:有个问题我想请教一下,原子之间是怎样互相看见的

tuenhai.com :和人类对比,引力相当于光。A原子发出引力,你可以暂时形象化理解成A原子发出引力光,B原子接收到以后,就看到了A原子。同理,B原子发出引力光,A原子接收到以后,A原子就看到B原子。我在引力后面加了个 光 字,只是帮助你理解,要知道引力并不是光。A原子和B原子要交朋友,前提是互相看见,这和人类之间交朋友类似,你看见朋友,但是朋友看不见你,你们就无法交朋友

引力的速度必然有限

tuenhai.com :要理解引力,我们要把自己代入进去,用引力的视角去看世界

原子之间要交互,必须要互相知道对方的距离远近,一切物理化学反应都和空间距离有关,不知道距离显然是不行的,那么原子是如何知道对方的距离远近的呢

答案就是有限的引力速度。引力的速度有限,那么随着距离的变化,引力连接物体所用的时间也会有变化,时间的变化可以被原子解释成空间的变化,于是原子解释引力所形成的的画面中的物体就有了空间远近的不同,这使原子之间的交互成为可能

总结就是,连接者引力的速度有限,于是连接物体就需要时间,宇宙中时间就产生了。时间产生以后,原子就可以把引力连接时间的不同解释成空间距离的不同,于是原子的画面中的物体就有了空间空远近的区别

什么是画面?原子之间不可能直接看见,必须以连接者引力为中介,原子要在空间中活动,必须把接收到的引力解释成画面,画面就相当于空间地图,对于人和原子都是这样,都是按照画面所标出的空间位置在空间里活动。这需要大家革新一下观念,每个人都只是在自己所画的地图里活动,因为地图所画的空间的比例还是蛮正确的,你才会自然地把地图世界当成真实世界,其实地图世界只是真实世界的部分解释

引力的速度还不能是无限的。引力速度如果无限,那么宇宙中不同位置的一亿个原子发出的引力会同时被A原子接收到,A原子就无从辨别谁远谁近,她的画面中所有原子密密麻麻堆积在一起,让A原子无所适从。更彻底地说,如果引力无限,那么宇宙里没有了时间,也没有了空间

引力有限,就有了时间和空间,原子就有了寿命,原子所有的活动都要跨过空间,也就是跨过时间,原子的生命时间就开始流逝

引力的速度是光速

Don:为了让宇宙中有时间和空间,引力的速度必须有限,那么引力的速度到底是多少呢

tuenhai.com :人是光敏动物,能看见光,于是就可能测出光的速度。人可以在很远的左边放一块镜子,再在右边放一块镜子,然后让光在镜子中间来回反射,两块镜子间的距离是已知的,人类依此原理就能测出光速

两块镜子互相也有引力的作用,可是人完全感受不到引力,不知道左镜的引力何时发出,也不知道右镜何时接收到左镜发出的引力,于是引力速度的测量就没法实施。但是对于左右两块镜子而言,她们是清楚知道对方的引力何时到达的。好像有一道无形的墙,把人和原子分隔在二个不同的世界

引力的速度人类很难法测量,但是人类知道引力的速度必定很大。引力使宇宙物质聚集形成天体,天体的质量非常大,这使天体之间的引力很大。强大而作用很远的引力也让天体之间相互吸引,形成按照轨道运转的不同尺度的天体系统,这要求引力的速度必须很大

引力的速度到底多大呢

牛顿认为引力的传递不需要时间,速度无限大,这显然是不可能的

tuenhai.com 认为,引力的传播速度是真空中的光速

光是视觉生物的连接者,引力是原子之类粒子的连接者。光把宇宙中的物体和视觉生物连接起来,引力也把宇宙中的物体互相连接起来。光所起的作用和引力类似,引力的速度应该和光速相同,宇宙没有必要为两个十分类似的系统设定不同的连接速度

宇宙是个高端艺术家,以简洁的的形式表现复杂的内容为美,于是我们就能断定引力的速度和光速相同

Don:这样的话,我就理解了为什么爱因斯坦可以从光的思维实验开始得到狭义相对论计算公式,因为光速和引力速度本就相同。但是导致高速运动物体产生狭义相对论效应的并不是因为光,而是因为物质之间的引力

引力与光的不同

tuenhai.com :引力的传播速度虽然和光速相同,但是二者还是有些不同

  • 光是外界介入,引力是原子自发

    物体发出的光到达人的眼睛,视觉系统解释接收到的光,在画面中添加该物体。多数物体自己并不发光,只是把外界的光的反射到人的眼睛。在地球上,人眼接收到的光基本来自太阳,如果太阳熄灭,那么视觉生物的眼睛就没有用武之地。有人可能会说人类自己发电点灯就可以了,太阳熄灭以后人类都毁灭了,又叫谁去发电呢

    原子的引力却是自己发出的,并不需要外界的“太阳”的介入帮忙。人类这样的视觉生物是在太阳哺育下长大,原子却是自己养自己。这说明,在进化阶段上,原子远远地把人类甩在后面。人类如果能继续进化,那么在遥远的将来也会实现自养,不需要太阳就能互相看见

  • 人是偏面视角,原子球体视角

    人的眼睛只能从正确接收到光线,并且角度有限,于是人的画面是比较小的

    原子则是360度立体全向视角,原子从上下左右、四面八方同时接收到引力。你想象一下,你全身上下都是眼睛,皮肤上头发细的地方都是眼睛,如果你能想象一些出来,那么你就会十分羡慕原子了

    画面是生命的最小单元,人的偏面的画面和原子的全方位立体画面相比是微不足道的,于是你就能理解人和原子在进化阶段上的巨大差距,原子可以寿命几乎无限,人寿不过百年,这不是因为原子命好,谁让人类的画面这么小呢

    为什么画面的差别直接导致了生命质量的差别呢?画面就是物体活动依靠的地图,人类的地图十分不全,于是相对原子而言,决策就会有更多失误,做错的事情多了,自然要承担后果

  • 人类只看表面,原子透视里外

    人类只能看到物体的表面,看不到物体内部的情况,而引力是穿透力,A原子发出引力,B原子接收到引力后不但看到A原子的表面,连A原子的内部也看到了

    我们想象原子的画面时,不能想象在人那样的只画出物体表面的画面,原子的画面里把物体的里外都画出来了,包含的信息十分丰富,这又是一个原子和人类的一个质的区别

原子的长寿经:无偏差画面

tuenhai.com :我总结一下原子和人的最大区别

原子可以和人直接比较吗,这是人们万万不敢想象的,在人类的眼中,原子是无生命的物质,而人类是生物,二者根本不是搭界的

如果你能想象进入引力世界,那么你就会明白原子和人都是画面的自动演算机,原子和人的一切行为只不过是各自画面演算结果所决定的行为。生命画面论,实是 tuenhai.com 一大创见,其重要性无法估量。有了生命画面论,原子和人就可以同台论高下了

人类的画面是有极大偏差的画面,相比之下,原子的画面偏差极小,作数学省略处理,可以称原子的画面为无偏差画面

人的画面偏差在哪里呢?其中一个大偏差是人的画面中身体是被放大的,如果你学过美术素描的透视,你会十分容易地明白我说的是什么,没有学过素描的同学可以去找相关资料了解一下。身体,我称为阴我,而画面中身体以外部分可以称为阳我。人类的画面中阴我放大,阳我缩小,这就是说人类的天性是把阴我的利益放到异常重要的位置,简单地说就是人类天生自私

世界上有很多宗教,有很多信教徒,表面是看来教徒在崇拜是人形神,实际上崇拜的却是自己。宗教,本质上都是拜己教,人类把阴我看得太重要了,明知阴我会死,也不愿意相信,于是虚构出人形神来使自己死了以后可以不死

自私的另一种说法就是反集体主义,对治自私的方法就是集体利益为重

我说过:

生命升华的唯一途径就是投入到集体中,以集体意识作为自己的意识,以集体生命作为自己的生命,如此才能得到大自在,大幸福。这不仅是人之道,也是万事万物之道,小到原子,大到宇宙,全部统摄于此

问题的关键在于如何才能有真正的改变,光是道德宣教,天天给人灌输无我、善良、修德、布施、爱是能量,这样有用吗

Don:光是宣教洗脑,大吹法螺恐怕作用很小。因为人的画面中阴我总是很大,这是事实,是宣教很难改变的。首先是要改变画面,让画面中的阴我变小

有什么办法让画面中的阴我变小吗

tuenhai.com :现代人都趋向不直立了,不直立以后,视野的范围变小,也就是画面变小,于是画面中阴我的比例增大,人就会变得更加自私。改变的办法就反其道而行之,用直立来代替不直立

自私是人类的天性,并不是依靠宣教就能简单改变的。那么原子是什么样的情况,谁能分析一下

Don:老师前面说过原子是360度全向球体视角,于是画面中环境部分比例很大,自身比例很小,也就是阴我没有被放大很多了,阴我被放到了比较合理的位置。相比人类而言,原子是不自私的

tuenhai.com : 说得没错,原子的画面是无偏差的画面,这就是说原子的生命是无偏差的生命——接近完美的生命,所以原子是万寿无疆,在人类看来就像是永生不死的神灵

原子画面中阴我基本没有放大,阴我不放大就是不自私,不自私就能自然地把自己融入到集体生命中去,只要集体长寿,原子就能长寿。宇宙就是达到引力平衡的最大的集体,宇宙寿命有多长,哪个人能计算出来,于是原子寿命极为悠长就成了十分正常的事情

纯粹的引力狭义相对论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180124

tuenhai.com :世俗流传的狭义相对论解释都是用光举例,这在一开始确实更加容易理解,但是等你有点懂了以后,你又变得不懂了。物体并不是光子钟组成的,难道给每个原子发一个光子钟,这显然不可能。如果你是个不求甚解的人,那么理解不理解也就无所谓了,如果你是个认真的人,那么你会觉得如同用汉字去注解英语发音那样别扭

光的例子并不能解释为什么静止者钟时膨胀、运动者命时膨胀、运动者长度缩短,难道是人的观察产生了魔力,改变了物质?如果没有人观察呢,这些狭义相对论效应是否还会存在?这世间就怕认真二字,如果你认真了,你就会对前人的认识不满,再加上活泼、独立的思维,那么你就会如 tuenhai.com 那样发现 狭义相对论应该是引力狭义相对论

下面就是正本清源,从引力的角度理解狭义相对论,这才是纯粹的、正宗的狭义相对论

静止的引力钟

tuenhai.com :现在我们再不能用光子钟举例了,改用引力钟来代替

地球上有一个引力钟,由上下二个原子组成,上面原子名叫南东,下面原子名叫佩西

南东向下发出引力,佩西接收到以后解释成一个画面,画面里下边是佩西自己,中间是空间,上边是南东

佩西向上发出引力,南东接收到以后解解释成画面,佩西的画面与南东的类似

引力向上、向下各一次,两个原子都有了对方的画面,也就是知道了对方的存在,这就是一个事件。引力上或下一次所用的时间是相同的,于是可以把引力上或下一次作为一个计时的节拍,这就得到了一个最简单的相对地球静止的引力钟

运动钟发生空间收缩

tuenhai.com :引力钟以接近光速的速度向左运动,上下两个原子的连线保持与运动方向垂直。这时会发生什么变化呢,还是让佩西和南东自己来说说吧

以下对话纯属虚拟:

佩西:南东,我突然觉得浑身充满了力量,想找些事情用掉一点力气,我们随便聊聊怎么样

南东:我也有同样的感觉,正想找你说话

佩西:我们一直在听 tuenhai.com 唠叨个不停,什么宇宙、人生、宗教、相对论,我都快听得睡着了。刚才我朦朦胧胧听他说“地球上有一个引力钟,由上下二个原子组成”,心中一惊,我和你就是一上一下,难道他说的是我们

南东:我也注意到了,不过地球上有这么多原子,他说的应该不是我们吧

佩西:可是他又说“引力钟以接近光速的速度向左运动,上下两个原子的连线保持与运动方向垂直”,他一说完这句话,我们就这样运动起来了,这又怎么解释

南东:原来 tuenhai.com 说的真是我们,这下糟糕了,我以前经常在他讲话时打瞌睡,可能被他看见了

佩西:肯定是看见了,不过以后注意点就行了,过去的事情就让其过去吧。他还给我们起了名字,我叫佩西,冲着白得一个这么好的名字,我以后听课时一定打起精神来,不漏过一个字

南东:哈哈,我也有名字了,南东,挺合我的心意,不知他喜欢什么礼物,我总得表示一下心意吧

佩西: tuenhai.com 让我们高速向左飞,可不是让我们在这里闲聊的,而是通过我们演示空间、时间的本质,我们可不能辜负他的期望

南东:你说的有道理,那就开始吧。佩西,你说我们在这里说话, tuenhai.com 能听见吗

佩西:当然能听见,而且我们的对话会被千千万万的人所知道

南东:那我们岂不是成了名人了,我得严肃点了,以免被人取笑

佩西:照他的话说,我和你其实是不能直接互相看见的,而是通过引力为媒介,我接收到你发出的引力后,就画出一幅画来,画面中有你、我和我们之间的空间,这幅画就是我的行动地图,我是依照这幅画和你交往的

南东:虽然我听得不是很认真,好在他反复讲了多次,我这样聪慧的原子当然早就懂了。不过,我觉得不用去管画不画的,我们就把画当作真实,这又有什么关系。几亿年了,我一直按画行动,并没有出现什么差错,可见我可以把画当作真实对待

佩西:画和真实是不一样的,在我们运动速度较低的时候是感觉不到两者的差别,但是运动速度接近光速以后,画和真实的不同就被放大了。南东,你没听懂 tuenhai.com 的讲课吗

南东:呵呵,我其实在考考你,看你没有有懂……(南东有点后悔以前听课不够认真,于是趁说话的份儿快速把记忆中的画面调出来复习)

佩西:以前在地球上的时候,你发过来的引力包含了二件事,一是你的里外信息,二是引力跨过你我之间的间空间所用的时间,第二件事,时间,会被我解释成空间,于是我就从画面中知道了你离我多远了

南东:我也一样,你的引力到达我这里需要时间,这个时间会被我解释成空间,于是我就知道你离我的距离

佩西:我们之间的真实的距离是一样的,引力对谁的速度都一样,于是我的引力到你这里,还有你的引力到我这里,两者所花的时间必然相同,这意味着什么呢

南东:这难不倒我,这说明我们俩的画面的中间部分是可以重合的

佩西:和在地球时的情况相比较,现在我们在以接近光速的速度向左运动,情况就有些不一样了

南东:什么不一样

佩西:我向你发出的引力要经过更长的距离才能到达你这里了

南东:这么奇怪,不过距离长就长吧,我们的画面不变就行了,我们不用管它

佩西:问题是我们是无法直接看见对方的,我们是在依据引力提供的信息画图,再按图行动

南东:对啊,这样的话确实是个问题了

佩西:你想,我的引力一发出,在这同时你在高速要左移动,那么我的引力不是需要向左追你了吗。假如我和你的直线距离是10米,你向我走来,突然发现我在向左跑,那么你追上我是不是要走过更大的距离了

南东:这样的话,是不是我们都看到对方在更长的斜线的方向上

佩西:更正确地说,我们都在向运动方向膨胀了。这就像有人从我们身体的左侧拉住我们的皮,把我们的身体向左拉长

南东:具体是怎么样的情况,佩西你不妨详细说一下,我想感兴趣的人一定很多

佩西:好的。你向我发出引力,在这同时我的身体和你的身体都在向左膨胀,于是你的引力需要更长的时间到达我这里。在我看来,引力走的是直线,但在另外角度看,引力走的是斜线

南东:你能不能画一幅示意图,这样别人会好懂些

佩西:我们身体的膨胀是个动态的过程,示意图还是不容易表达清楚,所以我就偷懒不画了。如果我做成动画,你会一看就懂了,不过我现在没有时间搞这个

南东:这又有何难。引力在向对方走的同时我们的身体在向左膨胀,于是我们互相看见对方的引力走的是直线,但是这条直线要走更长的时间才能到达对方。不过不对,如果我发出的线力要花2倍时间才能到你那,你看到的我就会在原来两倍远的地方,可实际上我们之间的距离并没没有变化,这是怎么回事,难道是垂直方向的空间膨胀了,你不是说身体向左膨胀了吗

佩西:其实是身体向左膨胀到原来的2倍的宽度了,然后导致我们看到垂直的距离也变成了原来的2倍。我们看到的画面横向宽度是原来2倍,纵向高度也是原来的2倍

南东:横向膨胀导致纵向看上去膨胀,有点复杂,不过对我来说并不算什么,先不说这个了。问题是我们真实的情况并不是这样,我看到我和你之间的距离并没有变化

佩西,我说的膨胀的意思是,如果按照我们在地球时的标准,理应身体向左膨胀,并看到我们之间的距离变远

南东:问题是真实情况并不是这样,所以我觉得不用去考虑在地球时是怎么样的,我们只要关心目前的情况就够了

佩西:我们曾在地球呆过,你不否认吧

南东:这是当然,不用说的

佩西:那么我说的身体膨胀必定会发生,如果不发生,那么就是否定了过去的我们,但是,谁能否定过去呢

南东:你还不懂我的意思吗,我们不可能既膨胀,又不膨胀。现实情况就是不膨胀,并不是我要否定过去

佩西:两种情况必须同时存在。不能说过去的我们不存在,也不能说现在的我们不存在

南东:难道你有妙招让两种矛盾的情况同时存在

佩西:不是我有妙招,是宇宙有妙招。假设这样,按照在地球时的标准计算,身体应该向向左膨胀到原来的二倍,那么真实的身体向右缩小到原来的二分之一,就一切解决了

南东:有这回事,不妨说来让我听听

佩西:身体向右收缩到原来的二分之一时,就是膨胀的反操作,这就把刚才的膨胀效应低消了。这时候我们自己看,我和你之间的垂直距离并没有变化,我们的身体向运动的反方向收缩了。如果地球上的原子看我们,我们之间纵向的距离没有变化,并且他们看到的是没有横向收缩的我们

南东:好办法,用收缩来抵消膨胀,让两种矛盾的情况不矛盾。不过还有一个矛盾,就是真实的我们是向运动的反方向收缩了,但是地球原子看到我们并没有收缩

佩西:要让两种矛盾的情况不矛盾,当然是要付出点代价的。不过,从另外的角度看并不矛盾,地球上的原子并不知道我们会发生收缩,他们看到的是没有收缩的我们才符合他们的预期,如果他们看到我们收缩了,反而让他们觉得不正常

南东:没有过去就没有现在,过去不容否定,于是高速运动的物体必须向运动的反方向发生空间收缩,原来宇宙是个以理服人的原子

我听说过高速运动的物体在运动方向上发生收缩,与你说的有点不一样

佩西:物体向运动的反方向发生空间收缩,运动的反方向也是在物体运动的这条直线上的。物体运动的直线有二个方向,一个是正方向,一个反方向。说得模糊点就成了物体在运动方向上发生收缩。举个例子,你两手相对含住一个气球,你先是左手不动,右手用力按,接着是右手不动,左手用力按,这两种情况是不一样的,不过你也可以模糊地说这两次用力都是在同一条直线上

南东:我还是喜欢更加精确的说法

静止者钟时变慢

南东:佩西,我们再来讨论一下静止者钟时变慢。我们虽然懂了,不过我们也要为别人着想是不是(南东暗下决心,以后要认真听 tuenhai.com 讲课)

佩西:我们是运动者,我们从地球的静止状态切换到现在的高速运动状态,我们接收到双方引力的时间并没有变化

南东:这是怎么知道的

佩西:接收引力的时间被我们解释成画面的空间,你看到我和你的距离没有变化,这说明你接收到我发出的引力的时间没有变化。把接收一次引力当作钟的一次跳动,于是我们只要看一下空间距离的变化就知道钟走时的变化

南东:嗯,确实是这样的,我看到你我之间的距离没有变化,说明我的钟走时快慢一直不变

佩西:地球原子看我们就不一样了,他们看到我们在向左飞,于是你我发出的引力都有向左飞的成分,引力飞的距离拉长了

南东:引力飞的距离拉长了,就是钟时变慢了,可是我们的钟并没有变慢

佩西:我们是运动者,我们看到的是运动者钟时。地球上的原子是静止者,他们看到的是静止者钟时。实际上和他们比较,我们的钟时走快了。也就是说,大家都在地球上时,我们的钟时和他们的走得一样快,我们在高速运动时,我们的钟时走得比他们快了

南东:这么说来静止者看运动的钟走得慢,其实是自己的钟走得慢。静止者有没有可能看到运动的钟的真实走时快慢

佩西:这个 tuenhai.com 老师说过多次了,静止者是看不到运动的钟的真实走时的。这相当于,在高速运动的时候,静止者和运动者看到的情况互相隔离了。在低速的时候,可以近似地视为大家可以互相看到对方的钟的真实的走时,在接近光速的高速的时候,静止者看到的运动的钟的走时和对方的真实走时是不一样的

运动钟命时延长

南东:运动钟命时延长又是怎么回事,佩西,我们精神都这么好,不妨多讨论一些,可以让更多人知道佩西和南东的大名

佩西:我们高速在向左飞,于是我们的身体向右收缩了

南东:我不太看得出来我们的身体收缩了,我还是用尺子量一下比较标准(南东拿出直尺测量自己在运动方向的长度)

我量了好几次,没有发现自己收缩了

佩西:尺子也在运动,当然尺子也在运动方向上收缩了,用收缩的尺子测量收缩的身体,当然是量不出来。不过不要紧,现在我们飞行速度还不够快,于是你的感觉不明显,我们加快速度以后,你就能看到了

南东:我们是 tuenhai.com 老师讲到我们高速飞行的时候才突然发现自己已经在太空高速飞行了,现在我们怎么自己加速

佩西:你不妨再看

南东:好神奇,我们的速度越来越快了,我看到我们的身体在运动方向上越来越扁了

佩西:你有没有感觉自己的力气越越来多

南东:我感觉到自己似乎有开天辟地的力气

佩西:这就是运动者命时延长带来的效应

南东:太好了,这是怎么回事,想必很多人对此感兴趣

佩西:我们身体内部还有许多物质,电子,质子,中子等等,他们要交互,首先要知道对方的位置、远近,然后才能做事。他们互相接收到对方发出的引力,于是就可以形成画面,有了画面,就可以按照地图在空间做事了。做事就要跨越空间,他们在运动方向上跨越更小的空间就可以完成以前同样的事情了,做事时跨越空间需要消耗命时,于是在运动方向上消耗的命时就会减少,原子的整体命时就会增加,现在你和我的生命时间——寿命都得到了延长,这就是运动者命时膨胀,或者说运动者命时延长

如果是很多原子在一起,原理也是一样的,在运动方向上,原子之间的交互跨越的空间减少了,于是在运动方向上相比以前命时增加了,同时运动的所有原子都延长了寿命

南东:原子类物体交互的事件跨越的空间大小对应于消耗的命时多少,空间越大,消耗命时越多。相对来说,空间缩小时,在空间缩小的方向上物体的命时会相应增加

我想到了一个问题,我和你向左运动,于是身体空间向右收缩,假如收缩到原来的二分之一宽度,运动方向上我的命时为原来的二倍,那么我整体的命时是不是原来的二倍呢

佩西:我想整体命时可能比原来的二倍少那么一点点

南东:这可怎么办,我可得想想办法,虽然我的寿命已经很长很长了,但是谁会嫌自己命太长呢,放弃一点点命时也是不行的,我坚决不答应

佩西:你急什么, tuenhai.com 老师的课不是还没有讲完吗

南东:那我们还是赶紧回去吧

宇宙战争——道解广义相对论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 2018-10-29

飞升成仙的现实困难

tuenhai.com : 通过学习《飞升成仙——道解狭义相对论》,你想必知道,从相对论的角度,只要飞得足够快,“成仙”确实是可能的

感谢狭义相对论,千百年来,虽然很多人向往成仙,但是理出无据,总是不能令人信服,现在至少理论依据有了

人类的实践已经证实了狭义相对论真实不虚,所以,飞升成仙的理论根据是十分的坚实,剩下的主要是实践了

如何才能飞得很快呢?要知道这可不是一般的快,你是千万富豪,24小时坐在飞驶的汽车里办公,这个速度对延长命时的作用可以忽略不计。你是世界前100首富,整天坐在自己的飞机里飞来飞去,这个速度还是远远不够看。而且汽车发生车祸,飞机因故障掉下来的可能也是有的,那就更加得不偿失了

即使集中全人类的资源,打造出速度比较接近光速的超级火箭,然后你独得尊宠坐上火箭,把火箭发射向太空,你这下可满意了吧?可是火箭谁来维护呢,燃料耗尽或者故障无法修复时,不就成了太空葬吗

Don: 看来,飞升成仙虽然有理论依据,但是实践很难做到

tuenhai.com : 还好,天无绝人之路,我们不是还要讲《宇宙战场——广义相对论》吗?所以,人类,还是有希望长生久视的

广义相对论说的是什么

Don: 广义相对论讲的是什么

tuenhai.com : 我要借助广义相对论揭示宇宙、生命更深层次的本质。衷心感谢广义相对论,如果没有广义相对论,我讲得再深刻,你们可能还是无法信服。有了广义相对论,你们就可以从科学的角度对大道有深刻的洞察

表面上,广义相对论是把引力纳入了相对论的框架,在更深刻的层次上透视,引力也是源自运动,狭义相对论中的单向运动只不过是广义的运动的一个特例而已。于是,相对论再无狭义、广义之分,相对论,是关于运动引起时空变化的理论

原来,宇宙是静止的空间和运动的空间的战场,宇宙生命起源于空间的运动,运动可以增加正命时,静止会增加负命时

深刻理解运动与时空的关系,你的人生将再无疑惑


如何理解牛顿运动定律,道解牛顿运动定律

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180207

什么是牛顿三大运动定律

tuenhai.com :要理解广义相对论,首先要深刻理解牛顿引力理论。许多人对牛顿引力理论的理解就很浅,然后到处问:爱因斯坦等效原理是什么,弱等效原理指的是什么,怎么理解等效原理。基础不牢,学习效果就会不好

牛顿引力理论的基础是牛顿运动定律。我复述如下:

  • 牛顿第一运动定律:物体沿直线匀速运动或保持静止,直到有外力改变其速率或方向为止

  • 牛顿第二运动定律:力产生加速度,且加速度的大小与物体质量成反比。公式: F = ma

    • F 力的大小
    • m 物体的质量
    • a 加速度
  • 牛顿第三运动定律:有作用力就有反作用力,二者大小相等,方向相反

深刻理解牛顿三大运动定律

  • 牛顿第一运动定律:因果律

    牛顿第一运动定律说的是,如果物体不受力,静止物体将继续保持静止,或者继续保持匀速直线运动

    如果你向前滚动一个球,如果没有地面摩擦力和空气阻力,球将以恒定的速度直线运动,永远不会停下来

    Don:我在学到第一定律的时候,心里有个困惑,我在任何地方滚动一个球,球不可能没有阻力,即使在太空中,也存在引力,第一定律说的那种情况恐怕在宇宙中都不会存在,既然不存在,牛顿为什么要提出这条定律呢

    tuenhai.com :第一定律其实说的是因果律,凡事都有原因,有果必有因。如果没有原因,那么物体就不会有变化。对于力学来说,原因是物体受力,原因引起的变化就是物体运动状态的改变

    宇宙所有和物体都在动,且宇宙表现出很高的稳定性,说明因果律必然是成立的,也就是牛顿第一定律是有效的。为什么这样,可以反向理解,如果物体不需要原因就可以改变运动状态,那么一切都乱套了,你走在路上,突然间你出现在北极,下一秒你就成了冰棍。地球好好地转动着,不知怎么回事突然出现在太阳内部,于是一切生物瞬间化成了飞灰

    朴素、原始状态的因果律知道的人很多,宗教教主知道,你也知道,牛顿厉害之处在于把它提炼,升华为最简洁、精确的形式,用物理的语言表达出来了,这就是牛顿运动定律

  • 牛顿第二运动定律:因果律的力学计算公式

    第一定律规定了宇宙中因果律必然成立,第二定律则是给出了因果计算公式:

    F = ma
    
  • 牛顿第三运动定律:整体观

    第三定律则是整体观的力学表达。力把施力物体和受力物体连接起来成了一个整体,谁也没有办法忽略掉受力物体或施力物体。宇宙中一切物体都在动,动必有力的作用,力的作用把双方绑定,这就提示宇宙是个整体

道解牛顿运动定律

  • 牛顿第一运动定律:宇宙中因果律必须成立
  • 牛顿第二运动定律:空说无用,我给你因果律的力学形式计算公式:F = ma
  • 牛顿第三运动定律:力把受力物体和施力物体连接成一个不可分割的整体

物理看似很枯燥,如果你深刻理解,就是最好的哲学教程

Don: 以前我总埋怨自己记不住牛顿三大运动定律,现在恐怕要忘记也难了,我只要理解了它的哲学含义,那么我就再也不用死记硬背

tuenhai.com : 即使我现在对道已经略有心得,见到牛顿运动定律,也不得不佩服牛顿的洞察力。牛顿运动定律不但是力学的定律,也是精确的哲学,更是提示了广义相对论,提示了宇宙、生命的本质

引力进化论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180205

tuenhai.com :我们终于要进入广义相对论世界了。如何讲解广义相对论,有二种方案:

  • 直接讲自己的心得
  • 从世俗理论讲起,再过渡到自己的看法

第一种方案无疑十分简洁,可以节省很多时间,不过存在一个问题,能听懂我在讲什么的大多接触过世俗理论,如果我略去世俗的不讲,那么大家还是会拿世俗中得来的问题问我,于是绕开第二种方案成了不可能

从狭义相对论到四维时空

tuenhai.com :有了狭义相对论,为什么还需要广义相对论,这还得从狭义相对论说起

狭义相对论告诉我们,不同速度的观测者观测同一事件,她们对事件的描述是不同的。一个高速飞行的引力钟由上下二个原子组成,飞行方向与两个原子的连线垂直,在静止者看来原子所接收的引力走过了更长的距离,在(运动者)原子看来飞行的速度和所接收的引力走过的距离大小没有关系,同一件事件有了二个矛盾的描述,物理学家应该以谁的描述为标准来描述事件呢

物理学家意识到,如果光速对所有参考系都相同,那么时间也就随着空间距离的变化而变化了,只要把时间因素考虑进去,不同速度的观测者的观测结果就不矛盾了

在狭义相对论出现以前,人们用上下、左右、前后这样三个空间维度来描述物体的运动状态,在有了狭义相对论以后,对于低速运动的物体,还是可以用三维空间近似地描述物体运动状态,但是对于高速运动的物体,就有必要在三个空间维度的基础上加上时间维度,物理学家把这种空间和时间的结论体称为“时空”

时间毕竟不是空间,把时间和空间相提并论给人怪怪的感觉,于是物理学家把时间的过去、未来二个方向类比于一个空间维度的二个方向(比如左、右),这样在形式上时间和空间就有了相似性,物理学家得到了时空的第四维——时间,三个空间维度加上一个时间维度组成了四维时空。要注意,四维时空不是四维空间,空间还是三维的

物理学家用时空来描述物体的运动状态,时间是与空间绑定在一起的,这表现在二个方面:

  • 时间流逝的速度随着观测者速度的变化而变化,以不同速度运动的观测者会从时空中选择不同的时间流逝速度
  • 时间的方向与物体运动的方向绑定,静止者在运动方向上钟时膨胀、命时缩小;运动者在运动方向上钟时缩小、命时膨胀

于是爱因斯坦的狭义相对论成为了一个描述物体运动状态的新模型,它排除了绝对时间和绝对静止(即相对于固定的以太静止)的概念

爱因斯坦为什么会去研究引力

tuenhai.com :爱因斯坦发表了狭义相对论以后,很快意识到狭义相对论和牛顿引力理论不兼容

牛顿认为,任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关

要计算两个物体之间的引力,就要知道它们之间的距离,遥远距离的测量一般是通过对速度和时间的测量结果计算得出,狭义相对论说没有绝对的时间,那么也就没有了绝对的距离,距离不确定,又如何计算两个物体之间的引力呢,如果狭义相对论正确,那么牛顿引力理论必须加以修正。爱因斯坦自然是对自己的狭义相对论充满信心,于是他就有必要修正牛顿引力理论了

Don:爱因斯坦相信自己的理论正确就行了,为什么一定要去修正引力理论呢

tuenhai.com :在爱因斯坦发表广义相对论之前的200多年间,牛顿万有引力定律被广泛接受,它成功地解释了物质之间的引力作用。在牛顿的定律中,引力来自大质量物质之间的相互吸引。现在牛顿引力定律和狭义相对论不一致了,狭义相对论是新思想,接受的人还不多,人们可能会这样想:牛顿引力定律正确还是狭义相对论正确?爱因斯坦作为狭义相对论的创立者,会有迫切的心情主动去修正牛顿引力定律。爱因斯坦以为只需要对牛顿引力定律作出微小的修改就可以了,结果表明这种想法大错特错了。从1907年到1915年,整整8年时间,爱因斯坦只做了二件事情:

  • 搞清楚引力的本质是什么

  • 用数学形式把引力表达出来

1916年,爱因斯坦发表了他的研究成果《广义相对论的基础》,之后他又忙着对其进行了数次修正。广义相对论成功地为一些物理学模型提供了框架,这些模型解释了很多令人印象深刻的现象。广义相对论是一种关于引力的理论,根据广义相对论,物质之间的引力来自于时空的弯曲。时空为什么会弯曲,这对科学界来说还是个未解之谜。 tuenhai.com 认为,解开引力之谜,会有助于我们解开、宇宙、人生的秘密

引力进化论

tuenhai.com :从引力的角度,我把人类对宇宙的认识的进步分成四个阶段:

  • 1687年前:蒙昧时期
  • 1687: 万有引力
  • 1916: 时空弯曲
  • 2018: 画面演算

下面分别说说这四个阶段

  • 蒙昧时期

    在1687年牛顿发表《自然哲学的数学原理》前,人类对宇宙的认识被感官所捆绑。在人们眼中,地面向左右和前后二个方向延伸,这是一个大大的二维平面,从这个角度来说,人类是平面动物。天空则是半圆形漂浮并盖在平面上,日月星晨在围绕地面转动

    人们眼中的宇宙是个中空的半球形,下面平地上生活着人类和其他生物,上面的半圆球的天空上镶嵌着日月星晨。至于地面上为什么会有山川河流及各种生物,天上为什么会有日月星晨,人们只能说爷爷的奶奶说过他们那时候就这样了

    这个时期,人类对宇宙的认识被感觉器官所捆绑,这一点类似于其他低等生物,大家都在为生存而奔波,还谈不上多高的智慧,这就是蒙昧时期

  • 万有引力

    艾萨克·牛顿(1643年1月4日—1727年3月31日)爵士,英国皇家学会会长,英国著名的物理学家,百科全书式的“全才”,著有《自然哲学的数学原理》、《光学》

    他在1687年发表的论文《自然定律》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述

    只要是中学生,一定知道牛顿运动定律,初看之下,这三条定律平淡无奇,如同一杯白开水般,不能在心中引起一丝波澜。实际上,正是这三条定律撕开了宇宙神秘面纱的一角,使人类开始走出蒙昧,走向宇宙

    牛顿运动定律第一条说:物体沿直线匀速运动或保持静止,直到有外力改变其速率或方向为止。从这条定律你可以悟得什么?学习一个知识并不在于记住它,而是深刻理解它。理解,是智慧生物的特征,记住,只是机器人的特征

    物体从高处落下,是个加速下落的过程,如果牛顿第一运动定律成立,那么物体下落的过程必然持续被施加了加速力。如果加速力不存在,物体应该保持原来的运动状态,要么静止,要么匀速直线运动,也就是说物体要么呆在空中不下落,要么在空中呈匀速直线运动

    那么第一运动定律有没有可能不成立呢?如果物体没有受到外力就能改变速率或方向,那么就违反了因果律,违反了因果律的宇宙显然不可能存在。于是可以得出:下落的物体和地面上的物体必然是被施加了加速力

    下落的物体越是接近地面,加速度越大,于是反推上去,离地面越来越远的地方加速度会越来越小,这样就能解释月亮为什么不掉到地面

    牛顿把物体受到的加速力叫作引力,最后得出了万有引力定律

    如果你理解了上述推理过程,你必然会由衷地赞叹牛顿惊天动地般的智慧,真正的智慧和怪力乱神没有关系,我们的一切所见都是在演示宇宙的秘密,牛顿发现万有引力的过程就是 道就在日常生活中 的最好诠释

    生物都有惰性,见得多了,就以为本来就是这样。人类站在地面,以为本来就是应该站在地面,没有原因。引力定律告诉我们,人能站在地上是被地球引力所吸引,否则人也可以掉向太空。不但是人,我们所看见的地球上一切都是因为引力而存在,如果没有引力,地球上就没有植物,没有动物,没有空气,没有水,连地球都没有,从这个意义上说,人类之所以能存在,源头活水在引力,是引力把生物进化所需要的各种条件一起连接在地球

    牛顿把目光投向了太空,引力不但是组成地球各个要素的连接者,从太阳系、银河系直到整个宇宙都是以引力作为连接者。牛顿的万有引力定律可以解释许多物理现象,至今仍是物理学界最具影响力的思想之一

  • 时空弯曲

    牛顿的万有引力定律认为引力来自大质量物质之间的相互吸引。虽然牛顿也不知道这种力的本质,但它在描述运动时却非常成功。爱因斯坦于1905年发表了狭义相对论以后,发现牛顿引力定律还不够完美,1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,标志着人类对引力的认识,同时也是对宇宙的认识迈入了新的纪元

    广义相对论认为,物质之间的引力来自于时空的弯曲。爱因斯坦是怎么得出这个结论的呢,我们将进一步探讨

  • 画面演算

    人类对宇宙的认识不断加深,但是人类的身体却是在不断退化,人类的命运在不断恶化。和2万年前的古人相比,现代人更加劳累,饮食更加单调,体质更差,幸福感更加缺乏。现在环境污染越来越重,人口膨胀造成自然资源日趋紧张,武器的进步使人类自相残杀的本事越来越大

    人类技术的进步反而给人类自己带来了不祥,这是为什么呢?人类是不是应该放弃对物理规律的探索,重新回到丛林生活?

    tuenhai.com 认为,物理规律是人类进化规律的镜子,只要对物理规律的认识再进一层,就能用物理规律来指导人的身体的进化,如此,人类技术的发展就走上了正确的轨道

    引力,从世俗物理的角度来说,是空间的扭曲造成的现象,那么空间为什么会扭曲呢,世俗物理就回答不出来了

    从更深的层次说,引力的本质的可以从二个方面解读:

    • 外部视角观察,宇宙和物体都起源于有规律运动的空间,这种空间的运动传导到外部空间,就表现为引力

    • 从物体内部视角观察,一切物理规律的本质是画面的自动演算

      海云青飞 https://www.tuenhai.com 写此文是在2018年,2018年成了“画面演算”理论的元年

      把生命定义为画面(及其自动演算),这就把原子之类(人类认为的)物质和(人类定义的)生物的隔阂打通了,你理解了以后,就会有大彻大悟的感觉,以前看来死板、机械的宇宙现在变得生机勃勃

      什么是画面,什么是画面的演算,你可能有了许多的疑惑,后面会有详述

理解广义相对论弱等效原理

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180207

广义相对论基本原理

tuenhai.com :爱因斯坦决心把引力纳入相对论框架的时候,他首先要解决的是 引力的本质究竟是什么

如果是你,这个问题该如何着手研究呢

Don:引力人类又无法感知,如果是我处在爱因斯坦的位置,恐怕茫然无措,不知道该做些什么。我原来在学习物理的时候,只是在试图记住它以应付考试,并没有去想如果是我,我会怎么研究引力

tuenhai.com :广义相对论有二个基本原理:

  • 等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的
  • 广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式

爱因斯坦能得出这二个基本原理,无疑是科学界的明星,多数人会对他满怀崇拜之情,并且自然地会觉得广义相对论十分艰深,恐怕很难搞懂

实际上,一切科学明星都是依照秘不外传 武功秘笈 炼成, tuenhai.com 把此秘笈偷偷抄录如下,得之者珍之秘之 :)

  • 深刻理解前人的实践成果
  • 再在前人的基础上前进一小步

这个星球上还未出现过生而知之的神明,一些自封的神明只是小学生知识水平在吹大牛。爱因斯坦能提出广义相对论,是以牛顿运动定律、万有引力定律为基础的,没有伟大的牛顿,就没有爱因斯坦的伟大的广义相对论

Don:那么牛顿和爱因斯坦哪个更伟大呢

tuenhai.com :近代有三个耀眼的科学明星:牛顿、达尔文、爱因斯坦,很难说哪个比哪个更伟大,如果我们能深刻理解他们的思想,并且再进一步,就能大彻大悟宇宙、人生的奥秘

惯性质量和引力质量

tuenhai.com :你左手拿一个小球,放开手,如果小球不受力,那么小球将不改变运动状态,也就是悬浮在手中,现实中小球将加速下落,说明小球受到了外力,虽然看不见谁施加了外力,但是我们分析现象就行了,并不一定需要看见。从第二定律可知:

F = ma

F是小球受到的加速力,m是小球的惯性质量,a是加速度。小球的惯性质量越大就越难推动,同理,所需要的加速度越大,小球也是越难推动。牛顿认为小球受到的加速力就是引力,引力和小球的惯性质量成正比,也和小球的加速度成正比

什么是惯性质量?就是物体阻止外力改变自己运动状态的质量。一瓶矿泉水和一桶矿泉水放在地上,都是处于静止状态,你要改变它们的运动状态,把它们提起来,它们会保持惯性,阻止你提起它们,一瓶矿泉水的惯性质量小,于是你能轻易提起来,一桶矿泉水的惯性质量大,你提起来需要花更大的力气

如果你左手拿一个小球二倍大的中球,中球下落的加速度是否和小球一样?中球可以理解成二个小球用极细的线平行串在一起,分别观察二个小球,它们下落的加速度肯定一样,于是中球的加速度和小球一样。中球惯性质量大了,作用在中球上的引力变大了

牛顿以三大运动定律为基础,进一步研究,提出了万有引力定律:

宇宙中的所有物体都互相吸引,引力的方向沿着物体中心的连线,与各物体的质量成正比,与两物体之间距离的平方成反比

万有引力定律中的质量是引力质量,也就是与引力大小有关的物体的质量。万有引力定律并不需要惯性的概念,定义中的质量是引力质量,不是惯性质量

有的人会想到,惯性质量是不是源于引力质量,两者可能是一回事。这样想是可以的,但是必须注意,从惯性角度分析物体运动状态时不能夹杂引力,同样从引力角度分析物体运动状态时是不能夹杂惯性的,惯性质量和引力质量确实是不同的物理量。如果两者的比例对一切物体相同,在实用上可把他们当同一个物理量来对待,即是物体的质量。引力质量与惯性质量成正比例时,在适当的单位制下,令比例常数成为1,引力质量与惯性质量相等

爱因斯坦找到了打开引力大门的钥匙

tuenhai.com :人们用实验的方法证明引力质量应该等于惯性质量,爱因斯坦走得更远,用思维实验证明引力质量必然等于惯性质量,爱因斯坦想明白了这点以后,说过一段话:

引力场中一切物体都具有同一的加速度,这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等,它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇,并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙

可见爱因斯坦是相当兴奋的,以为自己找到了打开引力之门的钥匙。爱因斯坦为什么会这么兴奋?毕竟即使没有爱因斯坦的思维实验,人们也相信惯性质量等于引力质量,既然如此,又有什么好兴奋的呢?

真正使爱因斯坦兴奋的并不是引力质量和惯性质量相等,而是两者的相等使爱因斯坦可以从惯性的角度分析、研究引力的本质,而这是爱因斯坦以外的其他人普遍忽略的,即使现在也是如此,物理爱好者可能读过一些相关科普文章,却难以真正走进广义相对论的世界

人类是光敏感动物,不是引力敏感动物,对于人类来说,引力是异世界的产物。并且引力微弱,大质量天体才显示出明显的引力效应,这给实验研究引力带来了极大的难度。如果可以从惯性的角度研究引力,那么就是忽然云开日出,再也不用担心看不见引力,也不用担心怎样拿星球做引力实验,纯粹的理论研究就可能知道许多引力的秘密。明此,我们就不难理解爱因斯坦想通此点以后,就如同得到了仙人赠予的仙丹一样兴奋

失重思维实验:引力质量和惯性质量相等

tuenhai.com :你住在32楼,准备下楼办点事,走进电梯以后,你按了1,电梯以匀速下行,你从脚底传来压力感受到了自身的重量。电梯下行到21层突然钢索断裂,于是电梯向下作自由落体运动。这时你会突然发现自己好像没有重量了,脚底的压迫感完全消失了,你感觉是漂浮在地面上。你觉得很奇怪,难道身体的重量消失了吗,你拿出手机,却感觉不到手机的重量了,你大胆地把手前伸,再松手,手机竟然没有向下坠落,你呆呆地出神……难道我进入了tuenhai.com 所讲的失重的思维实验么

电梯里所有物体都自我感觉失重了,说明物体的引力质量被加速度所抵消了

在电梯下坠到10楼的时候,宇宙有个恶作剧狂把桥厢瞬间移到了没有引力的太空环境中静止不动,这个恶作剧狂极为高明,你不能从移动过程中的震动或者桥厢内的蛛丝马迹知道自己被移动了。电梯里的你还是感觉不到自身的重量,手机还是浮在空中,一切和在地球上时一模一样

在地球上作自由落体运动,这是一个假惯性参考系。在无引力的太空,是真惯性参考系,电梯内的观测者不可能分辨出属于以下哪种情况:

  • 在假惯性参考系,加速度抵消了引力场强度(引力质量转换成了加速度)
  • 在真惯性参考系,引力场强度及加速度为零(引力质量本来为零)

加速度思维实验:加速度可以生产引力

tuenhai.com :引力质量可以转换成加速度,反向思考,由引力产生的现象也可以通过让物体处于加速运动的零引力参考系而产生,任何由加速运动而产生的现象同样可以用等价的引力场来解释

设想你在家里做引力实验,你让一个小球自由下落,因为地球引力的作用,小球自由下落具有加速度。这时宇宙恶作剧狂又出现了,她把你连同房子瞬间搬到了无引力的太空环境,房子内的所有物体以在地球时小球下落的加速度下落,这时你做各种动力学实验,你脚底的压迫感没有丝毫变化,小球下落的加速度也没有丝毫变化,你无法知道你是在地球还是在太空

在太空中,你感觉到脚底的压迫感,这是由于你的指向地面加速度下落被地面阻止,你感受到了自己的惯性质量。你在地球时,引力质量使你感受到脚底的压迫感。这两种压迫感完全等效,这说明引力质量等于惯性质量

在太空中,你松开一个小球,小球在向地面作加速度运动,加速度和在地球上时的自由落体的加速度一样。于是你分辨不出自己处在引力环境或是等效的加速度环境

你不能在局部的区域内分辨出由加速度下落被阻止所产生的惯性力或物体受到的引力

Don: tuenhai.com 老师,我插一句,我看到的资料都是太空中房子或者电梯、火箭什么的向上加速度运动,于是里面的人从脚底感受到体重,现在老师说是人向地面加速度下落,这两者有什么区别

tuenhai.com :他们是在你抄我,我抄你,没有独立思考。如果用太空中的房子向上加速度飞行作为类比,那么房子中的人也是向上加速度飞行,可是人在地球上时并没有向上加速度飞行,两种不相同的情况怎么可以当作相同拿来类比呢,要知道加速度和引力都是有方向的

Don:我当时学习相对论有点隐隐不安,觉得别扭,我还以为我的理解能力不够好,看来并非如此

广义相对论的弱等效原理是什么

tuenhai.com :广义相对论的等效原理通常指的是弱等效原理

从上面两个思维实验可以得出弱等效原理:

弱等效原理原是指 观测者不能在局部的区域内分辨出物体向Z方向加速度被阻止所产生的惯性力或由物体受到Z方向的引力

注意:传统的弱等效原理定义忽略了引力和加速度的同向性,往往用方向相反的加速度和引力来解释引力效应,这就是南辕北辙,混乱的解释使得真正理解广义相对论的人少之又少

物体受到的引力与物体在无引力环境向引力来源方向的加速度是等效的,很多人忽略了加速度的方向性,举的例子的加速度运动的方向反掉了,从错误的例子理解广义相对论,这只能说明理解的是错误的广义相对论,或者说根本没有理解广义相对论

无引力的太空是真惯性参考系,有引力的地球是假惯性参考系,弱等效原理也可以表达成 惯性参考系和非惯性参考系的动力学效应是分辨不出差异的,其中的两类观察者都能用各自的方式去正碓描述事实,所以这两种分析方法是等效的

狭义相对论默认是在惯性参考系成立,但是宇宙中到处有引力,并不存在真正的惯性参考系,弱等效原理告诉我们,假惯性参考系描述的事件也可以从真惯性参考系描述,于是,所有由引力导致的假惯性参考都成了真惯性参考系

至此,你应该全部理解了广义相对论的两条基本原理

  • 等效原理:惯性力场与引力场的动力学效应是局部不可分辨的
  • 广义相对性原理:所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式

引力产生的加速度,引力不一定是加速度

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180209

tuenhai.com :很多相对论的解释说:引力就是加速度,但是实际举的例子却是错误的,鉴于此,有必要专门说一下,引力未必等于加速度

千万不要忘记力是有方向的,如果连这个基础知识也忘记了,那么引力是不等于加速度的。不要辩解说,你举的例子是为了说明力的大小一样,没有考虑方向性。不要忘记,我们研究的是相对论的时空效应,物体运动引起的空间的变化和时间的变化都是有方向的

下面从一本相对论科普书中摘录一段话:

加速度就是引力,引力就是加速度,他们在物理性质上是完全等价的,这个我把它叫做等效原理。对于任何参考系来说,我们都可以把它分解为一个在引力场中的惯性系来考虑,这样一来,所有的参考系就平等了,参考系与参考系之间就没有任何区别了。比方说,你在地球上一列匀速直线运动的火车中做物理实验,我可以理解为是在一个施加了地球引力的惯性系中做实验;同样,如果我在太空中一部加速上升的电梯中做实验,假设上升的加速度刚好等于地球的重力加速度的话,那么在没有等效原理之前,我们只能认为这部电梯不是一个惯性系,但是现在,我们可以看成是在一部地球上的、静止的电梯中做实验

我们来剖析一下这段话

在太空中加速上升的电梯中做实验,和在地球上的、静止的电梯中做实验,有相同的地方,有不同的地方。太空电梯中的惯性力和地球电梯中的引力相等,观测者分辨不出两者的区别,从这个方面来说没有问题。但是,我们知道这二者相同是为了计算相对论时空效应,相对论时空效应是有方向的,方向错了就全错了

人站在无引力的太空电梯中,电梯以地球引力加速度向上飞行,把这个情况类比到人站在地球上就成了这样:地球托着人以同样加速度向上飞行,或者理解成人吸引住了地球。很明显,地球上的实际情况正好相反,依照这样的例子去计算地球引力的时空效应,得到的结果和实际是相反的,如果谁能从这样错误的例子理解相对论效应,那么这个人是反人,什么事都要跟他反着说,他才会理解

修正后的表达是这样的:

我在无引力的太空中的静止电梯中做实验,我下降加速度刚好等于地球的引力加速度。无引力的太空就是惯性参考系,我是在惯性参考系中做实验。依照等效原理,我可以看成是在一部地球上的、静止的电梯中做实验,地球的引力环境是假惯性参考系,我在假惯性参考系中做实验。惯性参考系和非惯性参考系的动力学效应相同,其中的两类观察者都能用各自的方式去正碓描述事实,所以这两种分析方法是等效的,这就是弱等效原理

引力就是加速度,这句话可以是对的,也可以是错的,引力和加速度都是有方向的,如果两者方向匹配,那么这句话是对的;如果两者方向不匹配,那么这句话是错的。照理来说,默认情况下两者的方向应该是匹配的,遗憾的是,我找了许多资料,他们的例子都举错了,这说明他们说的“引力就是加速度”是错误的

因为已经积非成是,我们不能简洁表达成“引力就是加速度”,更准确的表达是是这样的:物体受到的引力和物体在无引力环境下向引力来源方向的加速度等效

广义相对论限定了时间的方向,时间有方向

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180209

住在山顶和山脚,谁寿命更长

tuenhai.com :广义相对论的基础知识已经讲过了,下面我们就来实践一下

你住在山顶和住在山脚,受到的地球引力是不一样的,从引力的角度分析,住在山顶的你寿命长,还是住在山脚的你寿命长

Don:人类是光敏感动物,不是引力敏感动物,无法直观感知引力,人类也没有发展出从引力直接分析时空效应的理论

这可怎么办

tuenhai.com :还好爱因斯坦的广义相对论帮我们解决了这个问题,既然不能直接从引力入手,我们可以当成引力不存在,加速度存在,于是就可以从加速度角度分析引力的时空效应了,这就是广义相对论弱等效原理

Don:嗯,这个道理 tuenhai.com 老师说过

我觉得应该是用狭义相对论的方法来分析,在分析狭义相对论时空效应时,默认是相对地面静止的观测者观测相对地面匀速直线运动物体的时空效应,不过加速度运动并不是匀速直线运动,这可怎么办

tuenhai.com :狭义相对论的观测事件可以视为静止者切换到匀速直线运动,这是一次加速,加速度运动是持续的加速,于是加速度运动可以分解为多个持续的狭义相对论观测事件

Don:因为加速度的方向是指向地心的,越是接近地面,物体运动速度越大,也就是说山顶时的速度小,山脚的速度大,以山顶的速度为标准,我在山顶时是静止者,我在山脚时是运动者,于是我就可以用狭义相对论时空效应计算公式计算了,可是我怎么才能知道两个速度的差值

tuenhai.com :你从山顶垂直往下丢一块石头,忽略空气的阻力,你测量出石头的末速度,这个速度就是狭义相对论观测事件里面的运动者速度。你也可以用计算的方式,知道地面附近的重力加速度,再测出石头下落所用的时间,就可以得出石头的末速度

Don:我知道了,山脚的人寿命比山顶的人长,因为石头从山顶丢下来时是加速度运动,越是接近地面时,石头的运动速度越大,狭义相对论说运动者命时寿长,于是山脚的人寿命会更长了

tuenhai.com :要注意,这只是从引力角度分析,这里说的长寿是相对于原子之类物质而言的,就是说山脚的人的原子会更长寿

Don:原子长寿,人也同步长寿吧

tuenhai.com :不一定同步

Don:为什么

tuenhai.com :人死了的时候,原子可没有死,原子的寿命和人的寿命相关,但不是绝对的

Don:看来住在山脚也不是很保险,那么人该怎么做才可以长生久视

tuenhai.com :人类是光敏感生物,光是人类的画面的连接者。原子类物质是引力敏感的存在,引力是她们的画面的连接者。光和引力只是表现形式的不同,本质上是一样的。我们知道引力敏感的存在的长寿之道,也就知道了光敏感生物的长寿之道

Don:我怎么感觉光和引力是不一样,人类有引力类似的加速度吗……

想不到时间真的也有方向

tuenhai.com :根据广义相对论等效原理,引力也可以理解为没有引力环境中的加速度,加速度的方向是引力的来源方向。于是就可以知道,地面的人指向地心的运动速度比山顶的人快,运动者命时延长,于是山脚的人(的原子)寿命会延长

地球在自转,地球自转一周,山顶的人划过一个大圆,山脚的人划过一个小圆,地球自转一周的时间是固定的,于是山顶的人自转线速度更大,运动者命时延长,那么应该山顶的人寿命长,而刚才根据加速度分析得出的结论是山脚的人寿命延长,似乎产生矛盾了

加速度的方向指向地心,自转线速度的方向与加速度的方向垂直,这是二个不同的方向,所以两个结论没有矛盾,在加速度的方向上山脚的人寿命延长了,在地球自转线速度的方向上,山脚的人寿命缩短了,两者合在一起计算,可以确定综合效果山脚的人寿命是延长还是缩短

Don:想不到时间也有方向,是不是空间有几个方向,时间就有几个方向呢

tuenhai.com :时间是空间的一个属性,于是空间有几个方向,时间就有几个方向了。所以四维时空不是四维空间,有的人把四维时空的概念偷换成四维空间,这样无疑是不对的

怎样综合计算多个方向的时间

Don:我把山脚的人在指向地心的方向上延长的正数的命时加上地球自转线速度方向上缩短的负数命时,就能得到山脚人的综合命时,是这样吗

tuenhai.com :确实是这样的,延长的命时是正数,缩短的命时是负数,两者相加,如果是正数,说明山脚的人寿命延长了,反之则是寿命缩短了

Don:这个恐怕计算起来有点复杂,谁能算一下,我最感兴趣的是结论,山脚的人寿命延长了吗

tuenhai.com :其实并没有大家想象的那么复杂

地球表面的加速度约 9.8米/秒²,通常取10米/秒²计算。假设从山顶丢下一块石头,石头作自由落体运动飞行了 10 秒,根据高中物理学过的加速度计算公式,则石头末速度 = 10 × 10 = 100 米/秒,山的高度 = 1/2 × 10 × 10² = 500 米

地球自转的线速度和自转圆周长成正比,圆周长又和半径成正比。假设山在赤道,地球赤道半径 6378.14千米,山顶位置相当于赤道半径增加了 0.5 千米,0.5 / 6378.14 = 0.00007839,也就是山顶线速度增加了原来速度的0.00007839 倍,地球赤道上的自转线速度为 466 米/秒,446 * 0.00007839 = 0.035 米/秒

以500米山高为例,山顶在与加速度垂直方向上的命时延长按照 v = 0.035 米/秒 计算,山脚在加速度方向上的命时延长按照 v = 100 米/秒计算,不用具体计算也可以看出结果来了

Don: tuenhai.com 老师这样的计算方法把狭义相对论与广义相对论统一起来了,确实更加容易理解了

这下我知道结论了,还是山脚的人寿命长。喜马拉雅山脉主峰珠穆朗玛峰是世界最高峰,高度为8844.43米,有很多人去挑战珠峰,有的人就死在山上了,去这种地方有什么意思,这么冷,空气又这么稀薄,一个严重不适合生物生存的地方,生气不足,我才不去呢

人类为什么不容易理解弯曲空间

tuenhai.com :20180213

人类为什么难以理解相对论空间弯曲:平面空间生物

tuenhai.com :人类为什么难以理解弯曲空间,一个原因是人类是低速生物,活动范围太小。虽然地球是圆的,但是人能看到的地面范围很小,在人的感觉中地面是平的,而且人类日常中使用的物体的空间都是平面为主的,人类呆得最多的地方——房子的地面、墙壁就是平面的,这就培养了人的平面空间的意识。人类的数学几何,最早也是平面几何,曲面几何直到近代才出现

地球的表面就是曲面,地球本身就是弯曲空间的演示,地球周围的弯曲空间只是地球本身弯曲空间对外部空间拉扯的效应。如果人类是在太空活动的生物,那么他会时时刻刻看到弯曲的空间,理解弯曲空间就会很容易了

一切存在的意识是被输入的画面控制的,更准确、彻底地说,一切物体都是由无数画面(及其自动演算)组成的。地球的生物画面范围小,看不到地面的弯曲,于是都成了平面空间生物。即使你觉得理解了宇宙的空间是弯曲的,这只是在逻辑思维上的理解,并未改变你是平面生物的事实

大圆是个什么东东

tuenhai.com :我们先要引入大圆的概念。什么是大圆,球体表面的圆心与球心重合的圆就是大圆

注重学习的家庭一般会有地球仪,赤道就是一个大圆,每条经线也是一个大圆。对于正球体来说,周长最大的圆都是大圆

以地球为例,你可以这样想象,你照着球心,任意角度一刀切下,把地球切成两部分,地球表面的切痕就是大圆。如果你的刀功足够好,可以切出一万个与大圆平行的小圆,这就是说,你随意乱切,切出大圆的概率微乎其微。概括起来就是二点:

  • 大圆定义:圆心与球心重合的球体表面的圆
  • 随机取圆,取得大圆的概率极小

人是平面空间生物,星球是弯曲空间存在

tuenhai.com :知道了大圆和小圆,就可以实践一下了。 tuenhai.com 建议你先准备一个地球仪,家里没有可以去买一个,花不了多少钱

想象你要从美国纽约飞往西班牙马德里,从地球仪上找到这两个城市,你会发现这两个城市几乎处于同一纬度。飞机沿着怎样的路线飞行的距离最短呢

Don:这里正好有一个地球仪,我找到了这两个城市,确实两者的纬度差不多,忽略微小的纬度差异,飞机从美国起飞,一直向东飞就可以飞到马德里了

tuenhai.com :大多数人会有你这样的想法,因为人类是平面空间生物,具有根深蒂固的平面空间观念。你虽然知道地球是圆的,但是你每天看到的地面在你看来都是平面的,于是你会自然地把地面当成平的来理解,平面几何告诉你两点之间直线最短,于是你沿着两个城市的纬度线画一条“直线”,就规划了一条你认为的最短的航线。如果你这样飞的话,你将飞行 3707 英里才能到达马德里

实际的飞行航线还要短, Don 规划的航线与赤道这个大圆平行,但不是属于大圆,飞机按照大圆飞的路最短,为了飞成大圆,航线就要向北面突起一个弧度,具体来说,先向东北方向飞行,再逐渐向东,然后再往东南,你只需要飞行 3605 英里就到了马德里

这个例子可能不是太好理解,你实际操作一下就变得很容易了。找一根能变形并且能保持弧度的条子,比如细钢丝,细竹条。两手拿条子,一手按在纽约,另一手按在马德里,按照 Don 规划的航线使条子贴合地球仪

然后你保持两手按在两个城市的同时,把条子向北边,也就地球仪的上面这个方向转动小小的角度,这时候条子应该保持原来的弧度不变,如果弧度垮掉了就需要找新的强度大一点的条子

这时你会发现本来贴合地球仪的条子,现在隆了起来,条子和地球仪之间有了空间,要把这个空间消除,你的一只手需要往外抽出一段条子。条子就是航线,航线向北边一挪,两手间的条子就变短了,找到最短的位置,这条航线就在大圆上

航空公司知道这个原理,实际都是安排飞行员沿着大圆飞行

在爱因斯坦的理论中,物体沿测地线运动,测地线是弯曲空间中最接近直线的东西。如果宇宙中没有物体,测地线是直线,在地球表面,测地线是大圆。当物体存在时,物体作为混合空间,其中物质对空间的扭曲会传导到周围的空间,使周围的空间也发生扭曲,其他物体在扭曲的空间中运动,不再是匀速直线运动,如果不知道空间已经被扭曲,看上去好像物体受到了外力的作用

星球都是按照测地线运动,这是空间球面上的最短运动路径,人类是平面空间生物,不能看到空间的弯曲,人类在地球表面并不按照测地线运动,即使按照测地线安排了航线,这也只是为了减小飞行时间作出的近似安排,人类对宇宙空间的偏面的认识使人类付出了代价

相对论弯曲空间分二类:有质量弯曲空间,无质量弯曲空间

tuenhai.com :我已经讲过了如何形象地理解地球周围的空间是如何弯曲的。解决一个疑问必然会带来新的疑问,你们的心里一定积压了有很多个为什么,在寻找机会抛出来

Don:我是整理了一些疑问,一一写在纸上了,谢谢老师提供机会,我先来问吧。宇宙的空间为什么要弯曲呢,我的意思是这样做一定是有什么好处,宇宙不会做没有意义的事情

tuenhai.com :思考问题是要这样,要知其然,更要知其所以然

说到弯曲空间,有些人以为是看不见的空间的弯曲,因为看不见,所以难理解。实际上,弯曲空间既有看得见的,也有看不见的,而且看不见的弯曲空间来源于看得见的弯曲空间。地球就是看得见的弯曲空间

我把弯曲空间分成二类:

  • 含有质量的弯曲空间

    物体都有质量,一切物体本身就是含有质量的弯曲空间

    宇宙大尺度的物体最常见的是星球,星球就是有质量弯曲空间的代表

    有的同学可能会问,物体怎么成了空间了?这样的问题反映了人类共同的错觉,人类觉得物体表面是致密的,拆开看,还是致密的,觉得这是物体,不是空间,实际上,人看到的一切物体的组成部分绝大部分是空间

    于是物体可以叫作混合空间,组成部分有二类:

    • 纯物质,不含空间,是物体质量的来源,所占位置极少
    • 纯空间,不含物质,占据混合空间的绝大部分位置

    人们说到“物体”二字时,含有了不是空间的暗示,但是从事实情况看,把物体叫作含有质量的弯曲空间更加名实相符。从更深的层次说,物体中的纯物质可能只是另一种形式的空间,这是另外的话题了

  • 不含质量的弯曲空间

    地球周围的空间就是无质量的弯曲空间

    有质量的弯曲空间人类看得见,人类很容易理解,无质量的弯曲空间看不见,所以十分神秘,人们只能从逻辑上理解并选择相信,却不能眼见为实

空间弯曲的好处:物体之间通信的距离缩短

tuenhai.com :大家不要再说弯曲空间看不见,无法理解了,星球就是宏观尺度最常见的弯曲空间。相对平面表面的长方体、正方体,星球的表面是弯曲的,宇宙不做无意义的事情,星球的表面为什么是弯曲的呢,这其中定有必然性在里面

空间弯曲必然会带来好处,说到好处,必然是某个对比的结果。下面我们就来对比一下不太弯曲的空间——比如正方体,和宇宙常见的弯曲空间——球体有什么不同

  • 假如有一个正方体,边长10厘米,那么体积是10000立方厘米,表面积是600平方厘米

  • 把正方体变形成球体,算出球的半径

    这需要用到球形体积计算公式4/3 π r³

    1000 = 4/3 π r³

    r³ = 1000 × 0.75 ÷ π = 238.73

    r = 6.2

  • 算出球面积

    根据球面积公式 4πr²,得出球面积为约 484平方厘米

正方体的面积是600平方厘米,变形成球体后面积缩小成了484平方厘米,这意味着表面随机二个点之间的通信空间距离变小了,这就是表面的空间收缩了,空间收缩代表着命时延长,球体表面的存在的寿命延长了

物体和周围的空间是个整体,物体表面空间的收缩必然会传导到外部的空间,于是越是靠近球体的外部空间收缩程度越大

要注意的是空间收缩是个动态过程,不是空间收缩一次就一劳永逸了,而是在任意时刻,都是空间收缩叠加在不收缩的空间上

这里的计算只是用一个示例来帮助大家理解,并不是说原来的空间就是正方体。球体是表面积最小的形状,从任意其他形状变形到球体,都会发生表面积收缩,于是生活在球体表面的存在的寿命都会得到延长

虽然球体有其好处,那么星球为什么会呈现球体而不是其他形状,根源在于最微小的粒子也是球形,这使得宇宙中的物体都趋向呈现球形

关于平面空间和弯曲空间的对比,科学家霍金讲过一个规划飞机航线的例子,这需要用到大圆的概念

从自由落体理解空间弯曲

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180211

相对论是引力相对论

海云青飞 :如何计算引力导致的时空效应?在爱因斯坦之前,这是个旷世难题,因为你根本无从着手。还好出现了爱因斯坦这位天才,他分二步帮我们解决了这个问题:

  • 光速不变,那么时间必然是相对的,而且运动的物体必须在运动的方向上空间收缩,这就是狭义相对论的

    爱因斯坦纯粹依靠推理得出这样的结论,即使想做实验验证当时也没有这样的条件,爱因斯坦坚信自己的推理是正确的,他相信宇宙是讲理的,只要推理过程正确,那么结论必然是宇宙的事实。他这是对人形神赤裸裸的否定,他眼里没有随心随欲的神明的一丁点的位置。他这样的想法其实是冒了很大的风险,万一宇宙有一丁点的随意性,那么他的推理就可能失败

    在此 tuenhai.com 多说几句,有的人总是喜欢宣扬爱因斯坦信教,还有哪个某某著名科学家信教。他们理解不了科学的意思是什么,科学是从理性的角度认识宇宙,宗教是幼儿园水平的对宇宙的随心随欲的解释,二者是对立的关系,一切科学家事实上做的都是反宗教的事情,如果宇宙可以从理性的角度认识,那么人形神就失去了存在的价值。即使科学家的话中出现了“上帝”这个词,也不见得是教徒眼中的上帝。如果是有点知识,并且有点骨气的教徒,应该抵制一切科学的东西,重新回到丛林中生活。用宗教的敌人来证明宗教的合理性,怎样的奇葩才会做出这样荒唐的举动呢!

    除了压宝宇宙以理服人的风险,爱因斯坦还有第二个风险,他是以光为连接者来分析物体的运动,这样的分析适用于人类这样的视觉生物,如果宇宙没有视觉生物,或者宇宙没有发光的恒星,狭义相对论效应是否还存在?实际上狭义相对论应该从引力速度不变推导而得,只是引力速度恰好等于光速,才使爱因斯坦的推导误打正着。从此可见,天才除了天才,还得有天才般的运气加持才行

  • 引力和无引力下的局部自由落体惯性力等效,这为我们分析引力的时空效应开启了一扇窗户

    于是就可以沿用狭义相对论的同样思路来分析自由落体的加速度运动,只是自由落体的运动速度是个随时间变化的过程,要得出通用的计算公式需要用到较深的数学知识,爱因斯坦为此特意付出了几年时间的努力

    可见,无论狭义相对论,还是广义相对论,都是关于引力的理论,相对论的完整名称应该是 引力相对论

从自由落体的石头理解空间的收缩

海云青飞 :前面我们曾经分析过,一座500米高的山,山顶的钟走得快些,山脚的钟走得慢些。住在山顶的人和山脚的人相比较,理想条件下,山脚的人寿命会长些

那么是否不能住在500米的高山上呢?不见得!住在山脚的延长寿命的效应极为微弱,你完全可以忽略不计。所有这些,我们是通过两处位置的速度差计算出来的,速度决定了钟走得慢还是快,速度也决定了寿命长还是短

速度不但决定了时间,也决定了运动物体在运动的反方向上空间收缩的程度。现在问题来了,你怎么计算住在山脚的人的空间收缩程度

Don:上次我们计算过了,从500米山顶往下扔石头,石头最后的速度是 100米/秒,于是可以用这个速度来计算住在山脚的人的空间收缩的程度

海云青飞 : Don ,如果我从1000米高的山上往下扔石头,那么石头落地时的速度肯定不止100米/秒

Don:这个……我也可以从2000米、3000米……的高空往下扔石头,这下怎么办

海云青飞 :你穿上喷气式智能飞行鞋,设定一个恒定的飞行速度,你在向上飞的过程中,你观察仪表上的输出功率,会发现功率越来越小,到功率接近0的时候,你往下扔一块石头,假设没有空气阻力,石头会以加速度向下自由落体,并且加速度越来越大,石头砸落地面时速度达到最大,测出石头的末速度就可以计算出石头的收缩程度

如果石头是长方形,长的方向就是加速度方向,石头在下落的过程中速度越来越大,你随着石头一起下落,你的目力够好的话就会发现石头的长度越来越小,在落地时石头的长度最小,现在你们应该明白了物体运动速度和空间收缩的关系

Don:物体运动速度越大,物体在运动方向上空间收缩越大,这个道理我懂了,不过空间收缩是什么样子的,我还不是很清楚

海云青飞 :自由落体是个加速度运动,这就是说石头在飞行方向上的前端的速度比后端大。假设石头静止时的长度是10厘米,然后你用笔画成10等份,每份长度1厘米,从前端到后端,你分别标上序号:1,2,3……10。在石头前端朝地球下落过程中,石头整体长度越来越短,同时石头序号前面部分的格子总是比后面的格子收缩程度大

如果石头是匀速下落,石头整体长度也会变短,但是每个格子变短的程度是一样的

Don:我想象一下……现在有些明白了加速度下落的物体空间伸缩是怎么回事

相对论空间弯曲为什么会导致加速度自由落体

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180211

物体周围空间会发生空间收缩

Don: tuenhai.com 老师,我有个疑问,如果没有人从高空往地球丢石头,地面以上的空间是否也是发生了空间收缩

能不能这样理解,没有人丢石头,就没有物体在运动,没有运动就不会发生空间收缩

tuenhai.com :那么石头为什么会下落,而不是保原来的运动状态不变呢

Don:这是因为石头受到了地球引力

tuenhai.com :引力是什么

Don:这个我就不知道了

tuenhai.com :引力场中物体作加速度运动,这是一个现象,现象背后肯定有原因。就像你看到一辆车在动,肯定是有原因的。引力确实是物体加速度下落的原因,但是这样的回答只是说了个名词,并没有道出本质。物体加速度下落的过程伴随着物体发生空间收缩,这就提示我们空间本身是收缩的,才使物体加速度下落并发生空间收缩,除了空间本身是收缩的,我们目前找不到其他的原因

Don:我头顶的空间是收缩的,好神奇啊。下落的石头的空间收缩我懂了,地球外面的空间是怎么收缩的,我也有点数了,就像是四面八方从高空往下扔石头,石头落下的速度越来越大,于是石头收缩得越来越短,把石头拿掉,空间的收缩却不变

tuenhai.com : Don 的办法不错,把以前理解的内容扩展用来理解新的内容

我近似地举个例子以帮助大家理解

  • 先假设空间不收缩

    你拿一根米尺垂直立在地上,然后想象围绕整个地球画了个离地高1米大圆球。然后再往上量1米,画一个大球形,这是第二个球形,一直这样操作,以1米的高度为递增的单位一直分隔到宇宙深处

  • 空间收缩以后

    你画好以后,空间收缩了,原来垂直地面的每个1米的空间高度都了变成了不足1米,越是接近地面,空间收缩越大。不精确的数字示例,从地面到远离地面,分别成了0.990米、0.991米、0.992米……

    我以1米举例是帮助大家理解,实际的空间收缩是极小尺度来划分的,你去观测一个原子,并把原子划分成10000个高度单位,每个高度单位的空间收缩程度都不一样,如此可以一直细分下去,到什么时候才能停止,这对人类来说还是个未知数

    一切物质的外部空间都会发生类似的纯粹的空间收缩。比如你的身体是物质,你周围的空间也是收缩了。你看到的一切物体,桌子、电脑、手机、房子,周围的空间都发生了收缩

空间收缩为什么会导致加速度

Don:从地面向上看,空间的收缩是个加速度递减的过程,从太空往地球看,空间收缩是个加速递增的过程,可见自由落体是空间收缩的加速递增转换成了物体下落的加速度,空间收缩为什么会导致加速度呢,我以1米/秒的速度走路,路长10米,那么我要走10秒才能走到头,空间收缩以后路长成了9米,我的速度显然还是1米/秒,并不会有加速度

tuenhai.com :你这是犯了静态看问题的错误。我曾批评过不懂装懂的禅师,别人问禅师“我是谁”,禅师不知道“我”是动态的过程,以为有个绝对的静止的我,于是只能反问别人“知道疼的是谁”,这样的反问正好暴露了禅师的无知

地球周围的空间发生收缩为什么会导致高处的物体呈加速度下落呢?这是因为空间的收缩是动态的过程,在任意一个时间点,任何一处空间,都包含了不收缩到收缩的过程,人类看不到这个过程,会以为空间收缩是绝对的静止的(tuenhai.com 注:这也提示过去和现在是同时存在的)

原来人们以为牛顿第一运动定律是假设的理想环境,其实不是的,牛顿第一定律在宇宙任何地方都在实际发生。空间的第一状态是没有收缩的状态,物体在空间中的运动是匀速直线运动,空间的第二状态是在物体的作用下发生了收缩,并且越是接近物体,空间收缩程度越大,于是人类看自由落体是加速度下落,并不是匀速直线运动。你可以用实验的方法验证这点,如果地球突然消失,那么加速度下落的物体就会十分接近匀速直线运动

物体周围的空间可以视为无收缩的空间和空间收缩的叠加态,空间收缩叠加在不收缩的空间的上面,这是一个随着时间的动态的过程

Don:一不小就又从静态角度看问题了

tuenhai.com :人类的静态视角总是挥之不去

Don:这么说,引力其实并不存在,自由落体运动只不过是空间收缩的一种表象,并不是有一种力作用在下落的物体上

tuenhai.com :我们知道了空间收缩以后,就有了对引力的更深层次的理解,这个时候就不需要用引力的概念了,说引力不存在就是这个意思

Don:那么物体周围的空间为什么会发生收缩呢

tuenhai.com :这就涉及到了更深层次的本质,宇宙的核心机密,偷偷地告诉你,这可是爱因斯坦都不知道的,只有理解了这个机密,才能对整个宇宙的运作有了宏观、整体的理解

怎样理解广义相对论空间弯曲

tuenhai.com :20180213

广义相对论空间弯曲通俗解释

tuenhai.com 有一个很好的比喻帮助你理解地球周围的空间是怎么弯曲的

假设有一种方法可以把地球均匀地吹膨胀1米,也就是半径增加1米,这时候地球里面纯物质部分并没有增加,也就是地球质量不变,只是纯空间部分增加了,这是物质被稀释了

这时再把膨胀出来的1米半径那部分的纯物质抽掉,抽掉以后这1米的高度必然降低一些。你你可以这么理解,在水盆里有一些玻璃球,拿掉玻璃球,水的高度必然下降,玻璃球相当于膨胀出来的那1米半径里面的纯物质部分,这就是第一次空间收缩

接着把地球吹成半径增加2米,再把第2米的空间里的物纯质抽掉,第2米的高度降低的比例会比第一次少,也就是第2米的空间收缩减少了一点

这样一直继续下去,结果就是越是接近地面,自由落体方向的空间收缩就越大,反之则越小

地球周围的空间收缩,可以理解成地球持续无级外扩的同时抽掉外扩部分的纯物质,这是一个动态的过程,外扩的的速度是每秒30万公里

这个比喻十分精妙,表现在:

第一,表达出了地球周围空间弯曲的形状,这形状类似于地球形状的外扩

第二,表达出了空间弯曲程度和地球的质量成正比

第三,表达出了各个方向空间弯曲的程度和地球各个方向的质量成正比

网上也有一些不太切合实际的比喻,比如下面这张图:

地球压弯背景空间图

上图,地球使得周围的时空弯曲 (图来自网络)

宇宙就像张开的大网,地球就压在这张网上,网被压得凹陷下去了,地球弯曲了周围的时空,所以苹果沿着这一时空运动,就掉下来了

这个比喻虽然简单,但是遗漏了很多信息,这就带有了误导性。不要试图从这个图去理解空间弯曲,这个图能给你的只有点滴的提示

空间弯曲的本质:物质和空间的战斗

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180214

科学的进步意味着上帝大权旁落

tuenhai.com :宇宙为什么以现在这样的方式存在并运转?有人说是上帝在操控一切,这相当于什么也没有说。人类中第一个给出实用的答案的是牛顿,牛顿说是引力使物体聚拢,是引力使物体按现在的方式运动,他还给出了计算引力的方程,可以解释宇宙中的许多现象,这就把上帝从许多工作中解放出来了,换句话说,上帝也得服从引力,那么上帝就不能随心所欲了,这显然不是有些人心目中的上帝了。有的人把牛顿抬出来为宗教站台,脸皮真是厚得可以,无论牛顿是否说到过“上帝”这个词,他实际做的事情就是在打脸随心所欲的上帝。你可以说牛顿相信上帝,这时候你就不能说上帝可以随心所欲做事了。既要说上帝无所不能,又要说牛顿相信上帝,这就迹近无耻了

牛顿的引力理论虽然能解释宇宙中的很多现象,但是新的问题马上就来,引力是什么,为什么会有引力,而且人们也发现了有些现象和引力理论有不一致的地方

给民科的忠告:放弃攻击文字,改成攻击数学

这时又一位大神——爱因斯坦出场了,爱因斯坦说引力的本质是时空弯曲,所以实际上引力并不存在,因为时空弯曲了,人类看不到弯曲的时空,于是给人的感觉是物体受到了力的作用。爱因斯坦也和牛顿一样给出了公式,人们用爱因斯坦的公式一计算,发现原来引力理论不能解释的一些现象也得到了解答。目前为止,爱因斯坦的时空弯曲计算方程都得到了实验的支持

这里 tuenhai.com 又要多说几句,很多民科为了证明自己是民科,必须用最大力气向全世界高呼爱因斯坦相对论是错误的。民科对相对论的攻击多是从“光速不变”这样的文字描述入手,用文字来描述复杂的事物时,因各人理解能力的不同,各人会有不同的理解,民科的理解能力不足,于是用自己的曲解来证明爱因斯坦的文字描述错误了

相对论的精髓在于爱因斯坦给出的方程,方程是数学形式,不会有理解造成的歧义,他们应该去攻击爱因斯坦的方程,这才是方向正确,然而目前为止的实验都证明了相对论方程是适用的,所以民科对相对论的攻击必然只是证明了他们的无知

相对论是否推翻了牛顿引力理论呢?理论都是对现象的解释而不是绝对真理,太阳系的引力比较弱,太阳系内很多现象都可以用引力理论解释,说明牛顿引力理论还是一定范围适用的。时空弯曲理论能解释更多的现象,但也不是能解释所有现象的理论,只是相对而言时空弯曲理论比牛顿引力理论适用范围更广

有了时空弯曲理论以后,人类是否就可以摆脱宗教的纠缠了呢?还是不行!科学的每一个进步都是对无所不能的上帝的否定,不过,只要科学不能解答所有问题,就会有人跳出来说,这几个未知的问题就是属于神的权力范围,科学的尽头是神学

比如说时空为什么会弯曲,有人会说是神使物体周围的时空弯曲,接下来发生的事情神就充分放权了,神只要掌握最后的那点权力就行了,神还是间接掌控了一切

这样的宣教相当于什么也没有说,稍微有点智慧的人自然是不会理睬,不过问题始终存在:物质的存在怎么就弯曲了时空呢

如何用三个概念缔造一个宇宙

tuenhai.com :爱因斯坦说的是 时空弯曲,我喜欢说 空间弯曲,时间源于空间,只要理解了空间,也就理解了时间

空间的秘密和宇宙的秘密有关,我们可以从空间入手揭秘宇宙,同时,要彻底理解空间也需要我们对宇宙的本质有深刻认识

宇宙的本质是什么?让我们尝试从零开始,用三个概念就缔造出一个宇宙:

  • 纯空:纯空间,什么也没有。数学上存在,现实中不存在
  • 纯质:纯物质,不含纯空间。数学上存在,现实中不存在
  • 物体:纯空间和纯物质混合而得物体,人类所见都是物体

为了表达简单,有时把纯空间简称为空间,把纯物质简称为物质,请结合上下文理解

人类所见中不存在 纯空 和 纯质,定义她们是为了讨论的方便。就像是无限小和无限大,在数学中是存在的,在现实中却很难找到。宇宙接近无限大,但不是无限大,有时简略说成某某物体无限大,但是我们要清楚知道具有无限性质的物体在现实中未必存在

Don:我知道了,有的时候表面上看老师的话可能有无限的意思,这是老师为了简化表达,其实老师认为宇宙之中并无绝对

纯空 是什么也没有,该怎么理解,我看到太阳和地球之间有距离,这个距离是空间距离,这里的空间是不是老师定义的 纯空

tuenhai.com :你看到了的空间就不是纯粹的空间,也就不是什么也没有了。如果 空间 可以表示 纯空,那么就没有必要另起炉灶创造一个新的概念

从零开始缔造一个宇宙,宇宙最早的时候只有 纯空,没有 纯质,这里说的 纯空 才是纯粹的空间。什么也没有,自然没有看见,被你看见的空间,就不是什么也没有

Don:如果我不看太阳,没有被我看见的空间是不是纯粹的空间呢

tuenhai.com :你不去看,还有别人在看,也是一样的

Don:如果地球上没有人,这时还会有纯粹的空间吗

tuenhai.com :没有人,还有原子及各种其他粒子,她们看见了,于是空间就不纯粹了,或者说纯空间被纯物质污染了。实际上,我们现在所处的这个宇宙找不到纯粹的空间。纯空 只存在从零开始的宇宙的最早的时候,这时的空间才是纯空,她没有形状、没有颜色,没有动静,你不能用描述物质的任何词语去描述,这就是无,这就是什么也没有

区分纯质、纯空和物体

tuenhai.com :人眼睛所见的都是 物体,人体、生物、山川河流、星球,都是物体。人不能直接看见,但是能通过技术观测发现的也是 物体,比如原子、亚原子粒子,都是 物体,甚至整个宇宙也是个 物体

物体 不是 纯质,而是纯质和纯空的混合物

纯物质——纯质 是什么?不含空间,那么含有的就全是 纯质 , 纯质 使物体有了质量。 纯质 就是 纯空 的反面。和纯空间一样,现在的宇宙中找不到纯粹的 纯质 。把原子一直细分下去,一路上得到的都是物体,细分到最后,就来到了近似纯粹的空间

Don:我这个身体是物体,不是 纯质 ,虽然我能从理性上理解这个道理,但是我的感觉告诉我,身体是 纯质 ,身体的周围是空间,现在我要艰难地转过弯来

难道身体周围的空间真的不是纯空间

tuenhai.com :你身体周围的空间已经被你和其他物体所“染污”,已经打上了你和其他物体的标记,已经和你,和其他很多物体绑定,已经不是纯空间

Don:我明明看到空身体周围的空间是空的,而我的身体并不是空的。身体是 物体 我可以理解,身体周围的空间不是纯空,这点最难理解了

tuenhai.com :你可以从二个方面理解:

  • 第一,你的身体并不是致密的,里面绝大部分是空的,你感觉身体是致密的,只是你的身体把她解释成致密的。身体由原子组成,原子质量极大部分在原子核,原子核里集中了99.96%以上原子的质量,而原子核只占据了原子极小比例的空间,原子核和原子的比例差不多相当于一个乒乓球和一栋楼的比例,这说明原子并不是致密的,由原子组成的身体当然也不是致密的

  • 第二,你身体周围的空间并不是什么也没有,广义相对论告诉我们,物体周围的空间是扭曲的,扭曲的空间自然是有形状的,只是你的身体不去解释扭曲的空间的形状,于是你会认为它是空的。如果你能看到扭曲的空间,你就不会认为它是空的

Don:我的理性告诉我,我周围的空间是扭曲的,如果我能看见扭曲的空间的形状多好,我就很容易就能理解空间不空,看来我不能总是依赖自己的感觉,对于超出人的感觉能力的事物,我只能选择相信理性

tuenhai.com :世界上至今有不少人相信地球是个平面,不是球形,还有千奇百怪的阴谋论,这些都是理性不足所导致的

人类所见的空间都是被纯质“污染”的空间或者说和物体绑定的空间,没有纯空。同样,人类也找不到纯质。人类所见都是物体,物体是纯空和纯质的混合得来的

那么空间的 纯质 属性又是怎么来的呢

空间弯曲的本质:运动的纯空间向周围扩散

tuenhai.com :现在我们来到了一个地方,这个地方只有纯空间,没有纯质 ,更没有物体,我们只是逻辑思维上降临了这个地方,不能真身降临,这个地方叫作 什么也没有,如果我们或者其他任何的物体来到了这个地方,就不能叫作什么也没有了。勉强描述这个地方的特点,是五无:

没有颜色
没有形状
没有动静
没有时间
没有生命

忽然之间,纯空间中起了一丁点波澜,也就是纯空间的某处微弱地旋动了一下,这是外部视角观察到的现象

从起了波澜的空间的内部视角看,则是忽然有了对环境的一丁点感知, tuenhai.com 把这个感知叫作画面,画面是生命的最小单元,这标志着宇宙中诞生了最原始的生命,称为元始生命

纯空先是有波澜还是先有画面?这就像是先有鸡还是先有蛋一样,是个难解的问题。没有画面,纯空不会有变化。从另外一方面说,纯空没有变化,就不会有画面

这时物体也就诞生了,局部的纯空间的运动使这部分空间带上了 纯质 属性,这是宇宙中第一个物体,也是宇宙中第一个生命,这就是道生一

原来的纯空间是个不可分割的整体,现在极小的局部的空间发生扭曲,这个扭曲自然也会传导到四面八方的纯空,使物体的周围的纯空发生了扭曲,并且离物体越近的空间的扭曲程度越大,空间的扭曲不断向四周扩散,最终全部的纯空间都被扭曲,于是物体宇宙诞生了,这个宇宙是个生命,称为 元始宇宙,中心发起波澜的物体是她的阴我

至此,大家应该理解了爱因斯坦说的空间弯曲的本质:

  • 纯空间是个整体
  • 纯空间某处的运动,使局部的空间扭曲
  • 局部空间扭曲会扩散到四周,使周围空间也发生扭曲,这是引力的来源
  • 空间扭曲就是空间的运动,越是接近运动的空间的中心,空间扭曲程度越大
  • 局部空间的扭曲会扩散到全部空间
  • 现在这个宇宙,空间扭曲扩散的速度是光速

宇宙是空间和物质的战场

tuenhai.com :纯物质就是纯生命,也就是永生,纯空间就是没有生命。纯空间和纯物质是相反的关系。人是运动的物体,也就是运动的空间

从 纯质 的视角看,不运动的空间是无生命的。如果是从纯空间的角度看,会不会认为纯物质是无生命,纯空间才是永生呢?有这个可能!

以 物质 为中心的生命观是单向的看法,是不全面的,现在我表达的时候持物质中心论,是为了把事情解说清楚,理解了 物质 中心论,你会发现空间中心论只是换了个角度,也应该成立。换一种大家更加容易理解的表达形式,我们是正宇宙的生命,有正必有反,负宇宙的生命也应该存在

于是,生命就成了物质和空间的战争,或者说静止的空间的运动的空间的战争。纯空间的局部的运动,相当于把一部分纯空间吃掉了,变成了带有物质属性的空间——物体,从 物质的角度看,就是物体的生命值增加了。物体为了增加生命值,就趋向于使劲吃掉空间,越是靠近物体的空间,被吃掉的空间就越多,表现为越是靠近物体的空间,空间扭曲的程度越大

空间如果是活的而不是死的,她就会反制,不让自己被吃掉。她的反制方法就是空间膨胀,纯空间是什么也没有,换句话说,空间(接近)无限,让你(永远)吃不完。物质就和空间发生了战争,如果物质不加大力度把空间吃掉,局部的空间运动就会被膨胀的空间稀释掉,最终还原成纯粹的空间,于是物体会趋向于增加自己的运动属性以增加自己的生命值

从物体内部视角看,物体的运动就是画面的运动,有了画面,物体才会运动,有了画面,物体才知道应该怎么运动。具有画面是生命的特征

宇宙万物都在动,原子在动,原子是否是生命?原子若有画面,原子就是生命

地球是否是生命?地球如果有自己的画面,那么地球就是生命

人类为什么知道自己是生命,就是因为活着时有画面,人死了以后没有了画面,生命就消失了

从画面入手,就能透过复杂的表象,揭开宇宙、人生的奥秘

宇宙就是空间和物质的战场,或者说正生命和负生命的战场

怎样理解引力红移,引力红移与加速度、空间弯曲的关系

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180223

tuenhai.com :在相对论效应的世界里,看到的不一定是对方的真实,静止者看到运动的钟走时变慢,并不表示运动的钟真的走慢了,这个结论我反复强调过多次,不一定每个人都能很好地理解,因为这违反了人们的日常经验。人类是低速生物,信奉眼见为实,现在眼见不为实了,这可称为维度隔离。低速世界是低维世界,高速世界是高维世界,低维生物去看高维世界,看到的现象可能只是自己状态的反映,而不是对方的真实。引力红移已经得到验证,通过引力红移可以形象理解维度隔离

什么是广义相对论引力红移/重力红移

重力红移或称重力红位移指的是光波或者其他波动从重力场源远离时,整体频谱会往红色端方向偏移,亦即发生“频率变低,波长增长”的现象

大质量星球射出的光会发生红移

上图,质量庞大的星球上所发出的光远离星球时,会发生红位移——从蓝色偏到红色(图片来自wikipedia)

换一种表达方式,射入引力势阱中的光会发生蓝移,而相反从势阱中射出的光会发生红移;这两种现象被笼统地称作引力红移

大质量星球射出的光会发生红移

上图,光波远离黄色恒星向外传播时,远方的观察者会看到红移现象

引力红移模拟实验:从加速度理解引力红移

光是螺旋前进的,光螺旋的尺度太小,人类不能直接看见,只能通过实验间接知道光是波,光波具体长什么样还是个谜

现在我们来构建引力红移的模拟实验,这个实验十分简单,我建议你亲自动手实践一下

请你找一段能伸缩的弹簧,你手持弹簧的一头,找一个小孩手持另一头,稍微把弹簧拉伸开一点。你扮演的是大质量恒星,小孩扮演的是微小的星球,弹簧是光波,现在弹簧是静止不动的,你想象成弹簧是流动的光组成,流动的速度是光速。现在是没有发生引力红移的情景

人类看不见引力,怎么理解引力红移?爱因斯坦替我们找到了解决办法,可以当作引力不存在,然后从加速度去理解。从加速度理解引力并不需要宇宙飞船的介入。你是大恒星,你的质量极大,物体越是靠近你,物体自由落体的速度越大。弹簧越越靠近你,弹簧向你坠落的速度越大,这意味着弹簧越是靠近你,弹簧收缩得越紧,而在小孩这头弹簧会松一些。紧的弹簧代表频率高,松的弹簧代表频率低,高频光波在蓝端,低端光波在红端,于是你看到的光波会偏蓝,小孩看到的光会偏红

理解这个模拟例子需要你对光波的频率有所了解,理解了光波的频率,那么你应该已经理解了引力红移和引力蓝移。同一束光,大质量星球上的人看到的光频率会高些,也就是偏蓝,远离大质量星球的人看到的光频率会低些,也就是偏红

这里还包括了维度隔离,假设弹簧有千万公里长,你这端看到的弹簧比较紧,你会以为全部弹簧都是这样。小孩这端看到弹簧比较松,会以为整条弹簧都是比较松

大质量恒星上的人看到光偏蓝,会以为自己看到了一个偏蓝的星球;远离恒星的人看到光偏红,会以为自己看到了偏红的星球。大家看到的是同一束光、同一个星球,结果不同,说明大家看到的都是自己空间状态的反映

引力红移证明了什么,空间弯曲造成引力红移

tuenhai.com :从加速度的角度理解引和红移是比较简单的,不过带来了一个新的问题,加速度从何而来?这就需要空间弯曲的概念了,加速度的原因在于物体周围的空间是弯曲的

你手持弹簧的一头,小孩手持弹簧的另一头,两人都用一点力拉开弹簧,这时的弹簧是被均匀拉伸开的,这种情景就代表了没有空间弯曲时的情景

空间弯曲以后的情景只能靠想象,设想你把整段弹簧纵向分成10等分的空间,从你这边开始给每个空间编号:1,2,3……10,序号越小,空间收缩越大,于是越是靠近你这边的弹簧看上去越密,越是靠近对方的弹簧看上去越松。这表示同一束光,你这边频率偏高,你看到偏蓝,对方这边频率偏低,他看上去会偏红。同一束光,两个不同的观察者对光的颜色产生了分歧,观察者的空间状态决定了他看到什么

你可能已经直观地理解了为什么说 *静止者钟时变慢 不能说成 你(运动者)钟时变慢了,静止者看到运动的钟走时慢了,反映的是静止者自己的空间状态,而不是钟本身的空间状态

小质量星球上的人观测天空时看到了红光,于是说:

大家快来看,那颗星是红色的

这样说的人肯定不知道相对论。你看到了红色,不代表那颗星就是红色的

看到了太多的绝对论的说法,用绝对论去解释相对论,那么 全世界理解相对论的人不超过10个 也就没有夸张的成分了

现在把模拟实验替换成真实的场景,你是一颗巨大质量的恒星,你发出的光穿透了遥远的空间,被极远的小孩看到了,小孩看到恒星的颜色偏红,你自己观察自己,你看到的颜色会比小孩看到的颜色要蓝一些,同样的星球怎么会有两种颜色?如果你们都绝对相信自己所见,那么你们可能会大打出手。小孩相当于静止者,你相当于运动者,静止者只能看到反映自己空间状态的数据,我们只能说静止者看到运动的钟变慢,静止者看到大质量星球偏红,而不能说成运动的钟变慢了,大质量星球的颜色偏红了

空间弯曲使我们对宇宙有了更加深刻的理解,但是新的问题又至?空间为什么会弯曲?这就涉及到了宇宙、生命的本质

引力红移与静止者钟时变慢,引力蓝移与运动者钟时变快

假设大质量恒星上站着大明,小质量星球上站着小王,她们都看着大质量恒星,那么必然的结果是,小王看到恒星偏红,大明看到恒星偏蓝

  • 大质量恒星:大明的家
  • 小星球:小王的家
  • 大明:我的家是个蓝色的星球
  • 小王:我看到大明住在红色的星球上

她们看到的结果不同,是因为大恒星空间弯曲厉害,空间弯曲可以理解为加速度,于是以低速者为参考系,大明相当于运动者,小王相当于静止者,可得到如下相对论效应判断:

  • 大质量恒星 (大明)
    • 钟时变快(收缩)
    • 命时变慢(膨胀)(长寿)
    • 加速度方向长度收缩
  • 小星球(小王)
    • 钟时变慢(膨胀)
    • 命时变快(收缩)(短寿)
    • 加速度方向长度膨胀

相对论启示录

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20181101

全世界 好道 者没有几十亿,也有十几亿...

揭开皇帝的新装的小孩子见 tuenhai.com 这样说话,一定会问:

好道,好什么道,道指的是什么

确实, 是个多义词,怎么解释都可以

如果这个世界上没有 相对论,那么 tuenhai.com 会回答小孩:道可道,非常道...

有了相对论,那就直说无妨,道,就是长生不老的理论与方法

Don: 奇怪,为什么有了相对论以后才把 的含义说得那么直白

tuenhai.com : 在相对论之前,人们也在孜孜不倦地追求长生不老,但是结果呢:

  • 没有证据证明任何人曾长生不死
  • 没有理论可以证明长生不老可能

一句话,在以前,长生不老,理论到实践都玄虚得很,用 来暂时指代是最好不过了

Don: 那么现在为什么可以说得那么直白了呢,难道有人达到长生不老了

tuenhai.com : 重要的不是有没有谁达到长生不老,而是 相对论明白无误地提示我们,长生不老至少在理论上是可能的

如果有人还认为长生不老不可能,那么他一定是读不懂相对论


物理规律是强大自由意志的体现

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20181030

tuenhai.com真空中的光速对任何观察者来说都是相同的,知道这句话的人不少,然而,人类是充满好奇的动物,人类关心结论,更关心为什么有这个结论。于是疑问就产生了:

为什么真空中的光速对任何观察者来说都是相同的呢

其实这个问题并不难回答,每个人都应该能自悟而得。那么为什么还有那么多人在到处询问“为什么爱因斯坦说光速不变”,其中原因值得深思

原因就在于,人类的科学存在一种普遍的偏见,科学界总是有意地把宇宙当作没有生机却极端复杂的机器。用大白话说,人们认为宇宙是死物,但是却以极端复杂的方式在自动运作。既然默认宇宙是死物,死物为什么比人这样的活物还要复杂呢,这不是自相矛盾吗

有错就改才是好孩子,把人们的错误观念纠正过来,我们不得不承认宇宙是活物,宇宙达到极高的平衡程度,正是宇宙的极其强大的生机的体现

Don:如果宇宙是活物,那么她的动作是由物理规律支配的,物理规律在宇宙各处普遍适用,于是宇宙各处的动作都是高度类似的,而人类这样的动物却可以随心所欲做事。宇宙不能随心所欲做事,于是人们会认为人是活物,宇宙是死物

tuenhai.com :这又是人类的一个偏见。正是人类目前文明程度还很低级,人们才会觉得很多事情可以随心所欲。举一个例子,人人知道吸烟有害健康,那么为什么人类不能彻底禁止生产、销售香烟呢?如果人类文明进步了,能够做到知行合一,那么全世界任何一个地方都不会有人生产、销售香烟,于是所有人在对待香烟这件事情上整齐划一了,人类利用自己的强大自由意志战胜了恶习。这件事情表面上看好像人类的自由意志减少了,实际上却是人类的自由意志更加强大了

Don: 怎么我还是不太懂,我想吸烟就吸烟,想喝酒就喝酒,想打麻将就打麻将,想吸毒就吸毒,因为我是人类,我有自由意志,我可以想做我想做的事情

tuenhai.com : 以随心所欲来证明自由意志,这个所谓随心所欲,不过是现在的行动被过去(的习惯)捆绑的另一种说法

一个没有吸过烟的人,并不会随心所欲去吸烟,她没有吸烟的过去,就不会被不存在的过去所捆绑。如果她习惯了吸烟,然后说,我想吸就吸,因为我是人类,我有自由意志。这恰恰说明她的自由意志不够强大,被过去所捆绑,有恶习也不愿改,也改不了,怎么可以说是自由意志的体现呢。如果这也算自由意志,那么软件也有自由意志,软件只不过是被过去(程序员的代码)捆绑而已,软件可以说:

你看,我是在自由地运行,我有比人类强大的自由意志

Don:现在有些理解了,这么说来,宇宙处处适用同样的物理规律,宇宙达到了精妙的平衡状态,正是宇宙极其强大自由意志的体现,反而证明了宇宙是个极为高级的生命

tuenhai.com :正是如此。说宇宙是活物,并不是要引进人形神,有些一知半解的人把宇宙当作人形神崇拜,或者当作人形神在掌控,那是对宇宙极大的贬低。说成人形神,提示其具有类似人随心所欲的低级特性,自由意志不强,现在的行为容易受过去捆绑,于是神就不神了

Don:我的观念又一次被颠覆了。人类认为宇宙是机械的死物,其实正确的应该是宇宙看人类,人类的文明程度还极为低下,于是人类会做许多随心所欲的不正确的事情

tuenhai.com :人类引以为傲的随心所欲做事的特性,说穿了就是二种情形之一:

  • 人类不知道怎么做一件事情是最正确的
  • 人类即使知道怎么做一件事最正确,也不会去坚持做到

我已经说得十分明白了,人类把自己的缺点当作宝贝,作为否定宇宙是活物的证据。人类的逻辑是这样的,因为我是废柴,所以你是废柴

Don:那么是不是意味着,随着人类文明的进步,人与人之间行为相同的地方会越来越多

tuenhai.com :你说的没错,人类文明发展到高级阶段以后:

  • 没有人偷盗
  • 没有人贪污
  • 没有人吸烟
  • 没有人吸毒
  • 没有人打麻将
  • 没有人喝酒
  • 没有人使用无营养的添加剂
  • 没有人使用农药(再也不用担心农药超标)
  • 没有人近视(预防了)
  • 没有了战争
  • 没有了宗教
  • ...

趋同的行为会越来越多

Don:那时的人还会有自由意志吗

tuenhai.com :人类文明发展到高级阶段后,人与人类似的地方多了,每个人都是有自由意志的,而且自由意志更加强大了,她们用强大的自由意志控制自己的行为,个人利益服从集体利益,看似单调,实际上非常幸福快乐

我们看原子,好像每个原子一模一样,没有任何区别,其实每个原子都是有自由意志的,只不过她们都坚持做正确的事情,很多事情正确通常意味着唯一,于是看上去似乎是一个模子出来的,其实每个原子长相、个性都不同,我们无法进入原子的引力画面世界和原子交朋友,技术手段又不足,于是就误以会每个原子一模一样

Don:原来原子也是有自由意志的,这太出人意料了

tuenhai.com :我说这些是为了让你们明白,如果只是把宇宙当成机械死物,那么“真空中的光速对任何观察者来说都是相同的”这句话是冷冰冰的,你始终无法深刻理解它,如果你能想通物理规律的普适性是高级生命强大自由意志的体现,那么“真空中的光速对任何观察者来说都是相同的”是再正常不过的事情了

对于视觉为主的生物来说,视觉画面中的物体的空间比例关系必须正确。画面中的物体的大小不能随意、不能颠倒,画面中的物体的远近不能随意,不能颠倒。如果画面中的物体的大小比例关系与实际不符,或者画面中的物体的远近比例关系与实际不符,生物依画面作出的决策就会有错误。画面是生物作出决策的依据,画面是生命的最小单元。画面的错乱就是生命的错乱,错乱的画面会使生物难以生存,更难以进化

你想一下,你睁开眼睛,所见一切组成画面,如果画面中的物体似上实大,似大实小,似远实近,似近实远,那么你又如何做事呢

画面虽然如此重要,但是画面中的物体的空间比例关系不是生物自己决定的,生物自己肯定不会故意制作出错乱的画面以让自己早点消失。决定画面中物体空间比例的是光。如果光的性质不稳定,那么生物就可能接收到错乱的信息从而造成画面错乱,这使地球生命的出现和生存变得更加困难

最理想的情况就是同一生物接收到的光的性质保持稳定,其中包括光的速度不变,至于生物如何解释接收到的光线,这是生物自己的事情了。光的性质稳定,给视觉为主的生物提供了最好的、公平的进化条件

宇宙说:

我通过光的性质稳定把你们和宇宙中的物体正确地连接起来,你们各显神通自己去解释接收到的光线吧,你们对光线的解解释就是你们的画面,有了画面,并且有了画面的自动演算,你们就可能进化,是进化还是退化,就看各位自己的努力了。我会为你们加油,但我不会直接插手干预你们的演化,你们是死是生,这是你们自己的事情。如果我看到你们其中一个将要死了,心中不忍,强行干预,那么我就不公平了

tuenhai.com 对光速不变的解释,本质上是和那个冷冰冰的物理定义是一样的,我并没有引入宗教那样的人形神。区别在于我考虑问题不受传统习惯的束缚,透视到了物理规律的本质。从机械的宇宙观改变到活泼的宇宙观,物理规律也就活了过来,光速不变就成了再正常不过的事情,有什么难理解的呢,即使是有智慧的人类来制定物理规律,也会规定光速不变,更何况达到极高平衡状态的宇宙呢,为了让生命进化,光速不变是自然的事情

物理之中有真理

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180125

物理规则就是生命进化的规则

tuenhai.com :现在我们可以来讨论一下生命和物理的关系

Don:我在电影中看到过时空穿越,听说和相对论有关。后来找了些科普书学习,知道了一些结论,比哪说速度越快时间越慢,速度达到光速就长生老了。物体速度越越质量就越大,也就是越重。还有一个很奇怪的现象,物体速度越大,看上去就越扁。为什么会有这些现象,我不是很明白

tuenhai.com :人类技术的进步日新月异,人类可以在自己发明的设备的帮助下做很多事情,可以乘潜艇遨游海底,可以坐飞船登月探索。可惜人类的身体的进化却跟不上技术发展的脚步,甚至反而退化了

在20世纪80、90年代的时候,那时候气功大湿盛行,有个气功杂志的编辑突发奇想,认为现代技术是人类自身功能的外化,只要把人体的特异功能激发出来,那么人也可以遥遥视、遥听、飞行等等。这是一个脑洞,如果能实现自然是好事,然而他只停留在脑洞的层次,对于如何实现就没有下文了,那么这个脑洞就有了误导性,去练气功,还是念六字大明咒,或者天天向神像叩头?这时候,他的脑洞就没有了正面价值

正确的说法是,宇宙的物理规律是通用的,物理既可以用来丰富人类的物质生活,也可以用来指导人类自身进化

为什么物理规律竟然是通用的,适用于不同尺度的系统,既适用于原子之类物质世界,也适用于人类所属的生物界

  • 从技术角度来说,生命和非生命物质并没有绝对的界限

  • 另外,我相信宇宙是个伟大的艺术家,以简洁为美。比如说,如果全世界所有国家都讲同一种语言,你到国外旅游的时候就会觉得很方便,人类现在还做不到全世界统一语言,这是因为人类还处在比较低级的发展阶段。人类都懂的道理,宇宙岂会不知

追求真理的战略

tuenhai.com :宇宙、人生的真理并不复杂,我可以在很短的时间内把结论告诉大家。不过,我只告诉你结论的话,会存在一个问题,就是你的信心不够,宇宙的真理为什么是这样的,我为什么要相信你的话……

如果是宗教教主的话就简单多了,几句话就可以搞定一切:

  • 我即使放一个屁,也必然是香屁
  • 即使我拉出的屎,你们也要视若珍宝
  • 我说的任何一句话,你们都要无条件相信

如果教主说的话真的是真理,那么教徒只要信受奉行就行了,确实极大简化了学习的过程。如果教主说错了呢,无条件相信就变成了无条件欺骗,行善不成反而行恶。事实上,已知的宗教只是世俗观念加上神话幻想,和真理并没有什么关系

追求真理者可以这样做:

  • 杜绝宗教式崇拜
  • 重视原因更甚于结论

杜绝宗教为避错,防止走入陷阱,白白耽误大好人生

重视原因是战略,我们是需要得到结论,但是战略上的重心放却在寻求原因。世界上自以为是者很多,最喜欢拿怪力乱神的东西混乱人心以收割智商税,对此,我们只要追问一句:你说了那么多,你知道你的结论的原因吗?若是没有原因,那么骗子的可能很大

到物理中寻找宇宙、人生的真理

tuenhai.com :我说过一些结论:

  • 身体是阴我,环境是阳我,合起来才是完整的我
  • 直立使人进化

这两条结论确实十分重要,但是原因更重要,到哪里去找证明呢?到科学中去找证据,特别是到自然科学中的物理科学中去找证据

为什么物理学特定重要:

  • 物理规律是客观存在的

    即使人类不存在,物理规律照样存在。谁也无法否定物理,如果谁否定了物理,那么他就否定了自己,因为他自己的身体也是在忠实地遵守物理规律

    基于物理规律的生命真理,这就是客观真理,谁也无法否定,谁要否定,只能说明智商不够无法理解物理规律,智商足够的人在深刻理解物理规律的同时也就深刻理解了生命真理,这时就不需要宗教神佛了,这个宇宙本来就是这样运转的,还要那些宗教宣教洗脑干什么呢

  • 物理规律是中立的

    物理规律中立的,不偏袒任何人、任何宗教。宗教可以宣扬自己教主如何英明、神武、玉树临风,但是物理规律根本不鸟你,管你是神还是佛,统统被物理规律所统治。物理不会为了照顾某个自封的神的自尊而开个后门给他延长寿命,这样的事情是不会发生的

    tuenhai.com 要讲自己的心得,物理也不可能为我而改变,要么我说的确实是符合物理规律的,要么我说错了,物理规律不可能会为了迎合我的需要而作出半点的更改

  • 物理规律是普适的

    同样的物理规律适用于整个宇宙,即使你一天时间里面做到了次18次的物种进化,然后你飞到太阳,飞到水星,发现物理规律还是一样,而且作用在你身上的物理规律也没有丝毫变化。即使你能飞遍整个宇宙,你会发现物理规律还是不变

    这意味着宇宙其实是极小的。表面上宇宙很大,但是每个地方都是换汤不换药,都是被同样的规律统治,又大在哪里呢。宇宙的庞大好像是为了腾出一些空间,于是从极小的宇宙膨胀成现在的样子,并且膨胀还在继续中

    物理规律的普适性也意味着生命真理的普适性。同样的生命真理必然同时适用于原子、宇宙、所有不同的生物

    不可能存在下面这样的事情:

    • 原子适用一套生命进化的规律

    • 人类适用另一套生命进化规律

    • 猪适用别的生命进化规律

    • 宇宙又有宇宙的进化规律

      宇宙规律的普适性,这也提示我们生命的真理要到原子、宇宙那里去取经,而不是到西天去取经。原子、宇宙的寿命人类连估计都估计不出来,只能说至少以亿年计算吧,这说明原子、宇宙掌握了生命的真经,人类若是能够透彻领悟原子、宇宙的所应用的物理规律,那么人类就可能总结出适用于一切存在的生命的真理

生命真相之:宇宙起源

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180126

幸福的母原子

tuenhai.com :宇宙奇点之前的宇宙,我称之为母原子。母原子极小,小到无限接近于无,但这个小只是外面看小,里面却极大,说极大也不太准确,而是没有大、小的概念。这与人类的日常经验不一样,人类看到饭碗比桌子小,实际一定也是这样,否则人就无法吃饭了,但是这个经验却不能沿用于母原子,母原子外面看很小,里面看无大无小

Don:怎么理解母原子内部无大无小

tuenhai.com :说到大和小,一定是有比较对象的,没有比较对象,就无从判断一个物体大和小了,母原子里面是个整体,没有一个单独的局部的物体存在,那么你又如何判断大小呢

Don:人看到桌子大,饭碗小,原因在于桌子和饭碗所占的空间大小不同,难道母原子里没有了空间,也没有了物体吗

tuenhai.com :母原子里没有人类感觉世界中的空空荡荡的空间,也没有人类感觉世界中的有形的物体,她就是一个整体,但是没有边界

Don:这样的话,在母原子里确实不好判断母原子有多大了,但是这种没有边界的整体的存在有什么意义呢

tuenhai.com :你可以把母原子理解为有无限个的不同宇宙同时存在并且互相重叠,每个宇宙都有很多生命在其中生存、演化,奇怪的这些重叠的宇宙是互相隔离的。从人类的角度说,母原子这样的状态有二个意义:

  • 生机无限
  • 幸福无边

生机无限是说母原子时间相当于停滞,于是寿命无穷

幸福无边是说母原子的幸福感是无数宇宙里无数生命的幸福感的总和还要多

Don:虽然不是很理解,但是我对母原子的境界却是十分向往

宇宙的来源:母原子固化自己的进步

tuenhai.com :母原子的生命时间已经(接近)停滞,没有人知道母原子存在了多少时间。在某个时间点,母原子突然开始急速膨胀以化生我们现在所处的物质宇宙

Don:母原子这样的状态不是很好的吗,为什么母原子要改变自己的状态呢

tuenhai.com :母原子是无数宇宙的叠加态,从另外的角度说,这是母原子在用无数个宇宙演算生命的奥秘,可想而知这个演算的复杂度是何等的惊人。有演算必然会有结果,母原子演算突破到新的阶段后,她要通过把自身转换为物质宇宙来固化自己的新境界

Don:这是宇宙的进化吗

tuenhai.com :是的,这是宇宙的进化,原理和生物的进化差不多。人类由古猿进化而来,并且形体有了很大的改变,人类形体的改变就把进化后境界固定下来了,即使有人想要退化到古猿的状态,也是相当困难了

我们的宇宙看起来极端的复杂,但是对母原子来说,转换成宇宙只要做二件事情就行了,十分简单:

  • 膨胀出空间
  • 转化出物质

母原子的二个生命成分

tuenhai.com :母原子有二个生命成分:

  • 正生命成分:物质(此处指纯物质)
  • 负生命成分:使母原子不能达到永生的因素,即空间(此处指纯空间)

以生命球来比喻,有一个正球体,如果全部是正生命成分,这就是一个纯物质正球体,里面没有空间,这时就代表永生。如果负生命成分增加了一分,表示部分正生命成分被空间取代了,正生命成分就少了一分,于是就不是永生了

正生命和负生命是此消彼长的关系,纯粹的正生命拥有无穷大的正数命时,或者说正生命值。负生命增加1,就是无穷大正数减去1,这时就不是永生了。负生命完全覆盖正生命的时候,正值和负值互相抵消,这时就是0值,代表死亡

什么是空间?

你看到的一切空空荡荡的地方都有空间,桌子上面有空间,桌子下面有空间,原子里面有空间,原子之间有空间,地球和太阳之间有空间,宇宙之中到处有空间

如果把人体的空间全部去掉,这时你用放大亿亿倍的放大镜去找这个人,你也找不到这个人到哪里去了。我们看到的一切物体,实际上绝大部分是空间

如果把宇宙里的所有空间去掉,这时就只剩下物质了,你还是找不到宇宙在哪里,你拿出放大万倍的放大镜找,一样找不到宇宙的踪影

母原子把自身的正生命成分转换成无数个最小的物质微粒,这种微粒人类见不到,自然也没有人给她起过名字,我暂时给她起个中式名字:小莉(暗示小粒)。小莉就是宇宙里一切存在的始祖,没有小莉就没有电子、质子、中子、原子,没有星球,更没有人类

母原子的寿命是多少?人类计算不出来,用人类的寿命去衡量母原子的寿命,人类会认为母原子寿命无穷无尽,实际上母原子还是有寿命穷尽的时候,绝对的永生并不存在。若是有人宣称躲到一个地方枯坐就可以永生不死,那么这人一定是骗子,母原子都不敢说自己永生,哪轮得到他说话。使母原子不能永生的因素就是负生命成分

负生命成分就是使母原子不能达到永生的因素,母原子把自己的负生命成分转化成空间

空间的二个作用

  • 空间隔绝:使物体不能直接互相看见
  • 空间分离:使物体不能直接互相联系

物体为什么不能直接互相看见:空间隔绝

tuenhai.com :母原子同时把自己转化成小莉和空间,有了空间,小莉才有地方容身。如果没有空间,那么就没有了小莉,母原子还是老样子,什么也没有改变。这就像你把蛋糕切开,切开的地方必然有新的空间产生,如果谁说切了一刀以后,切过的地方空间没有任何变化,那么唯一的可能是他没有切过

母原子把自己的生命切成了无数小块,得到了无数个小莉,在这同时,空间也被膨出来了,于是小莉们是在空间中是互相分离的,这时候小莉就存在了极大的危险。母原子整体的寿命是几乎无穷无尽,现在母原子把自己的生命转换成了无数小莉,每个小莉只代表了母原子的极其微小比例的生命值,所有小莉的生命都极为短暂,于是宇宙一诞生就会立刻死亡

Don:宇宙还在,我们都还存在,说明小莉们并没有立刻死亡,这是怎么回事

tuenhai.com :孤立的小莉的寿命是极短的,但是小莉是整体的母原子分裂而来,自然带着母原子整体属性,这是来自至尊的母亲的遗传。小莉在一诞生的同时,会立即试图和外界联系,你想,小莉会用什么方式和外界联系呢

Don:应该是引力,每个小莉都会发出引力,一个小莉接收到别的小莉的引力以后就可以解释成画面,把别小莉的大小、方向、距离画在画面上,画面就是小莉的行动地图,有了地图,小莉们就知道了对方的存在,然后就可以互相交朋友了

我有个疑问,母原子既然神通广大,为什么不能直接让小莉互相看见,现在需要发出引力,接收引力,解释成画面,依照画面行动,这些步骤太复杂了,而且画面和实际是否完全一样还是个疑问

tuenhai.com :空间是小莉的负生命,空间存的作用之一就是把小莉和外界隔绝,于是每个小莉成了孤立的存在,不让小莉增加正生命。如果小莉能直接互相看见,那么为什么还要存在空间呢,既然空间存在,就必然要起作用,小莉必然不能直接互相看见

Don:原来空间的存在是有使命在身的

tuenhai.com :母原子并不是真的永生了,只是她的负生命值小到几乎可以忽略不计,当她把生命转化成无数小莉时,每个小莉只包含极小的正生命值,这就是说每个小莉的负生命值会较大,负生命值就是空间,空间必然阻止小莉和外界联系,孤立的小莉会立刻死亡,这是孤立的小莉的生命值所规定的,空间阻止小莉和外界联系的方法就是隔绝,不让小莉直接看见外面的世界

简单地说,小莉如果能直接互相看见,这就表示空间的隔绝不存在了,小莉可以随心所欲和外界联系,小莉成了永生的存在,然而生命值极大的母原子都不是永生,生命值极的小莉怎么可能永生呢,所以小莉注定是不能直接看见外界

Don:我回去再慢慢研究 tuenhai.com 老师的话。我想,如果人能直接看见宇宙,那么人也成了永生的了

tuenhai.com :任何存在,若是直接看见外界的情况,这就是永生。母原子就是无限接近直接互相看见,所以母原子是无限接近永生的存在

母原子都还差那么一点,现在说人类永生还早了点吧

物体为什么不能直接互相联系:空间分离

tuenhai.com :小莉通过连接者引力间接互相看见了,这就破除了空间隔绝,给自己增加了正生命值,但是小莉之间还被空间分离,她们之间的每个交互必须跨越空间,空间站在中间阻止了小莉之间直接联系,小莉如果能够去掉中间的空间,那么小莉的生命值就可以进一步增加

负生命的反向就是正生命,于是得到了增加生命值的方法:

  • 看见外界,扩大画面,破除空间隔绝
  • 去掉物体之间的空间,破除空间分离

画面突破空间隔绝,增加物体生命值

tuenhai.com :小莉一诞生就位于分散的空间,如果被空间互相隔绝的话,那么小莉就会立刻死亡。好在小莉遗传了母亲的整体属性,诞生的同时就互相发出引力,告诉别人自己的信息。小莉接收到别人发出的引力后,立即把接收到的引力解释成画面,画面中包含自己,也包含了周围四面八方的小莉,这时小莉的寿命得到了延长

Don:小莉并没有动,只是在画面中看到了自己和别的小莉,仅仅是看到就能延长寿命,竟然有这么神奇的事情

tuenhai.com :空间存在的作用就是把物体互相隔绝、隔开,这时物体生命时间就会很快流逝。现在小莉互相通过引力突破了空间的隔绝,终于互相看见了,虽然不是直接看见,而是通过画面间接看见,间接看见也是看见,小莉通过画面的指引互相交流,并没有发生撞歪脖子折了腿的事情,说明画面是正确有效的,小莉确实间接突破了空间的隔绝,空间隔绝是负生命,负生命减小,生命值自然增加,于是小莉的寿命延长了

Don:老师多次说过画面是生命的最小单元,现在老师结合宇宙的创生再次讲解,我的理解更加深刻了。为什么画面是生命的最小单元,有了画面的同时,空间隔绝被破开,负生命的减少就是正生命的增加

小莉在一诞生的同时就互相看见了,于是突破了空间的隔绝,负生命减少,正生命增加,避免了立即死亡的后果

哈哈,我明白了为什么 tuenhai.com 老师让我们少坐而直立,直立以后画面变大了,画面变大就负生命减少,正生命增加。我现在好想像古代的教主一样开宗立派做祖师爷……

tuenhai.com :我还没有讲完,先别这么激动好吗

引力速度无限会怎么样

tuenhai.com :小莉通过画面给自己增加了多少生命值,这和多个因素有关,其中一个因素就是连接者引力的速度

引力的速度是每秒30万公里,在1秒时间内,30万公里内的物体状态发生了变化,小莉都能收到对方的发出引力,并根据引力更新画面。这就是说,小莉在1秒内和30万公里内的物体建立了联系。同样时间画面越大,生命值就越大。也可以这样理解,1秒内,30万公里内的物体都是小莉的生命的一部分

Don:照这样计算,如果引力的速度是每秒60万公里,于是小莉在1秒内和60万公里内的物体建立了联系,小莉的生命值增加就更大了

如果引力速度无限,岂不是赚大发了,小莉会变成什么,永生吗

tuenhai.com :引力是运动所引发的现象,运动的加速需要能量,能量不会凭空增加,于是,引力要突然提速2倍是不可能的,更不用说无限了

连接者引力速度应该处处相同

tuenhai.com :如果不同小莉发出的引力速度不同,每个小莉在把引力传播的时间翻译成画面中的距离时就没有了标准,画面中有的物体会画远了,有的物体会画近了,这样就没法交互了

就像做生意称重量,如果双方的秤的标准不一样,卖家的秤是一斤当一斤半,买家的秤是一斤半当一斤,两个人都认为自己的秤是标准的,显然交易无法达成

小莉互相看见的同时已经在发生交互了,交互是以画面为行动地图的,如果画面失真了,那么交互肯定会影响,错误的交互可能没有给生命加分,反而给生命减分,这就会造成宇宙一创生就趋向毁灭

最理想的方案是,宇宙中所有物体发出的引力的速度都相同。因为宇宙会膨胀到极大,如果引力速度有细微的变化,随着距离的增大,引力造成的误差会被放大,最后就会造成宇宙的崩溃。为了让宇宙能稳定,宇宙中所有物体的引力的速度必须相同,我们的宇宙目前看来就是这样的

tuenhai.com 注:宇宙各处引力速度相同,其实暗示了宇宙所有原子之类物体联系成了一个整体,并作为一个整体在精密地有规律地协动)

宇宙诞生的一瞬间必须暴胀

tuenhai.com :如果宇宙创生的1秒内膨胀出30万公里,同时在这30万公里的球体内充满了分散的小莉,这时会发什么事情

Don:让我想想,宇宙1秒膨胀出30万公里,这正是引力的速度,引力也是1秒30万公里,于是在这1秒内所有小莉互相看见了

tuenhai.com :30万公里对人类来说是极大,但是对母原子来说是极小,在这30万公里的球体内的小莉一定是排得十分紧密,互相之间的距离很小,她们遗传了母原子的整体性,时时该都在想着重新回归整体,于是她们会立刻重新收缩汇聚成整体,膨胀出来的空间也消失了,刚产生的宇宙立刻又还原成母原子了

Don:母原子要把自己的进步固化成物质的宇宙,如果诞生宇宙的同时立刻还原成母原子,那么母原子的愿望就会落空

tuenhai.com :母原子自然会提前想到这点,她的解决办法就是在一开始时急剧膨胀,也叫宇宙暴胀,暴胀的速度超过了每秒30万公里,小莉互相看见的速度还是每秒30万公里,每个小莉不可能同时看见所有的小莉,没有看见就没有交互,于是想要在一开始就还原成母原子就成了不可能

回归整体是宇宙所有物体的本性,是她们最大的渴望,这是来自母体的遗传,谁也改变不了,如果宇宙膨胀的速度稍微慢一点,宇宙就会很快走向膨胀的反过程——收缩,重新变回母原子,这有违母原子的意愿,母原子还有事情要做,可不想这么快就收缩,于是宇宙膨胀的速度就不能低于宇宙收缩的速度。科学家向天空四周观察,发现宇宙天体在各个方向加速远离,这是宇宙在腾出空间,也是腾出时间

tuenhai.com 注:本篇含有想象成分,主题是为了说明物质与空间的关系

生命真相:生命是自动演算的画面

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180223

外部视角深刻理解生命的本质:生命是运动的纯空间

tuenhai.com :纯空间是毫无运动的死寂,空间的运动产生了生命,生命就是运动的空间。这是 tuenhai.com 对宇宙本质的解释

在我们的国家,经常可以听到改变、开放这两个词语,要改革就要打破旧的僵化的习惯,这就是增加空间的运动属性,也就是增加事物的生命值

国家要改革、开放,个人也要改革、开放。改革、开放是为了增加空间的运动属性。一切空间都有保持原有习惯的惰性,于是生物的自然的进化必然十分缓慢,对于国家来说,自上而下的改革可以加快每个公民的进步的速度,也就加快了国家的进步速度

Don:老师把僵化的习惯等同僵化的空间,这意味着习惯也是空间

tuenhai.com :人的一切动作、念头都是空间中的动作、念头,你可以仔细检查,是不是如我所说

Don陷入了沉思……

tuenhai.com :任何时候你想到了脱离空间做事的方法,可以立即来通知我

空间无处不在,道就无处不在,我举一个例子,你养成了右侧臥的习惯,这是一个空间中的习惯,你会觉得右侧臥比较舒服,这就是僵化的习惯,也是僵化的空间。人体是个整体,僵化的习惯使左、右不平衡,伤害了整体空间,这就需要改革,改革一开始会有不适,你不妨试一下左侧卧,你会发现睡眠反而变差,你不愿为改革付出暂时的代价,那么就只能在错误的空间上越走越远

所以生物是没有主进进化的自觉的,觉悟的人洞明空间的奥秘,愿意为空间的进化承受一些不适

上海有些人办个婚礼要花费百万元,亲朋通常要奉上5000元的礼金,奢华的婚礼本质上是个面子工程,不会增加新人以后生活的幸福。这是一个落后的习惯,也是一个落后的空间,没有人从中真正得益。个人改革掉这个落后的空间,个人的空间就进步了一点;国家层面督促公民改革了这个落后的空间,整体国家就进步了一点

纯空间就是最僵化的空间,也可以说是最僵化的习惯,空间运动起来了,就是一种改革,打破了原来的不运动的惰性,于是空间的生命值增加了。运动的空间代替了原来静止的空间,这相当于运动的空间把静止的空间吃掉了。宇宙就是静止空间和运动空间的战场,物体为了增加生命值,会主动吃掉纯空间,纯空间为了不被吃掉,会主动膨胀纯空间

物体为了长生久视,总是试图增加运动属性,也就是物体在持续吃掉空间。想象大海中间有个水怪在疯狂吸水,四周的水必然向中间涌去,越是靠近中间,水向中间流动的速度就越快,如果海水总量有限,那么海水必然会被吸干,除非海水能自动膨胀出来。假设吸力形成了速度达到每秒30公里的水波,靠近水怪的水波的频率就会偏高,远离水怪处的水波的频率会偏低

海水就相当于空间,海怪吸水的运动使空间扭曲,并在持续地吃掉空间,如果海水不能自动膨胀出来,海水就会被全部吸完

从这个比喻可以看出,空间弯曲是个动态的过程,如果中间的水怪不再作吸水运动,周围海水也会变成静止,也就是物体周围的空间弯曲会消失

内部视角深刻理解生命的本质:生命是画面的演算

tuenhai.com :从外部视角看,宇宙十分复杂,物理学中有大量的方程,经常需要用到艰深的数学知识。从物体内部视角看,宇宙是极为简单的,物体不需要知道物理学方程,也不用高等数学,一切都是画面

人类要开发出自动驾驶的汽车,需要投入庞大的研发资金,要综合运用人类千百年积累的多学科的知识,这并不仅是程序算法的问题。你是一个大神级程序员,带着一辆汽车穿越到古代,你一定做不出来自动驾驶汽车,但是并不妨碍你开着这辆车在古代兜风。你可以在一天内教会二万年前的古人开车,你给他一万亿的资金,他也不可能改造出一辆自动驾驶的汽车

Don:我可不可以这样理解,人驾驶汽车,可以视为另一种形式的自动驾驶,人的驾驶本领价值万亿也不止

tuenhai.com :确实是这样的

Don:这样算的话,相当于人一天就挣了万亿。人为什么有这么大的本事

tuenhai.com :奥秘就在于人是画面的自动演算机。这可以分成二个方面来分析

  • 画面是生命的最小单元
  • 画面会自动演算

先说画面是生命的最小单元,画面是物体对自身和环境的感知,外部视角的物体的运动,在内部视角看来就是画面的不断切换。画面不需要主观意识的干预就会自动呈现和自动演算,人工智能要达到同样效果,数学计算的复杂度无法估量。自动驾驶也需要对自身状态和周围环境的感知,这种感知是粗糙的,挂一漏万的,自动驾驶主要是对物体的形状、运动速度的感知,还有对一些颜色的简单感知。人的画面要复杂得多,比如说,近乡情更怯,多年后返乡,越是接近家乡,那种说不清楚的感觉越是浓烈,其中有相隔许多空间、时间的画面的联动,人工智能显然难以做到这点

再说画面的自动演算,人的画面必然伴随着自动演算,并且存在画面的同时就已经有物质上的改变

人工智能是没有画面的自动演算的,用摄像头把汽车周围的环境拍摄下来,用雷达探测出周围的物体,这就是画面,仅仅有画面而无演算是全无用处,还需要有人写出复杂的程序分析、计算获得的信息,程序写出来后还需要有硬件执行程序,并且程序需要人工介入升级,硬件也要人为介入实现升级。人的画面切换的同时硬件——身体和软件——意识也得到了升级,小孩随父母学英语,他并没有意识到自己是在学英语,自然而然就学会了,学的同时她在生理上也发生了变化

回到物理世界,原子、电子、质子、中子都在以特定的方式运动,她们为什么会这样运动,外部视角看似乎有力在作用,从内部视角,一切都是画面,她们不需要也不懂得人类总结出来的物理学

小孩随父母学母语是通过画面自然地学会的,如果用物理学解释每一个学习的细节,用机械和程序算法人为模拟出一样的过程,复杂度会无法想象,人类永远不可能模拟出来。有人幻想宇宙是个高级生命用计算机程序模拟的,从万事皆有可能的角度说这种观点或许有其价值,不过这恐怕不是高级生命,而是类似人类的低级生命,人类自然没有用程序模拟宇宙的本事

宇宙中的物体都是由原子这样的微观粒子组成的,粒子都在动,并且表现出很高的稳定性,这说明粒子的运动是有规律的,并不是在乱动

使粒子保持规律动作的原因并不上帝施加了精确的外力,这样的上帝不存在,即使存在也是个大傻冒,因为他做事情的效率低到了无法想象的程度,不是大傻冒又是什么呢

原子规律动作的奥秘就在于画面,在一秒钟内,静止的原子画面是直径30万公里的球体,这是一个何等宏大的画面,原子在一秒钟内与30万公里内的其他粒子取得了联系,并进行了极为精密的,互相合作的联动,如果人工模拟这种联动,需要消耗接近无穷的能量。如此宏大、精密、整体的画面及其自动演算深度改变了空间,产生的相对论效应使原子得以长生不老

生命真相之:阴我阳我

tuenhai.com :20180128

画面是宇宙通行的生命语言

tuenhai.com :以前我说过 知觉宇宙的刹那叫作画面,是生命的最小单元,这个定义十分简洁,初学者理解起来很容易,简洁的代价是失去了精确性,刹那是多久?要知道不同的人、不同的物种对刹那长度的理解是不一样的,而且刹那是模糊的时间概念,没有人可以给出刹那的精确时间长度,现在可以把画面的定义补充完善了

目前已知宇宙有二大主要的画面的连接者:

  • 引力,原子之类物质的画面的连接者
  • 光,人类之类视觉生物的画面的连接者

连接者引力和光的速度一样,于是我们就可以同时研究物质和视觉生物的生命规律,物质和视觉生物只是连接者的形式不同,生命规律是一样的。一个智慧发达的视觉生物如果能够进入并体验物质的引力世界,会发现自己进入了一个不同发展程度的画面世界,并没有多少惊奇、陌生的感觉,大家都是以画面作为行动地图,画面就是通行于物质世界和视觉生物世界的共同的语言,语言相同,又有什么好惊奇的呢。智慧生物回到视觉世界以后,就会大彻大悟,她体验到了更高发展程度的画面世界,虽然那是引力世界,不是光世界,但是原理是相同的,她就会对光世界的进化规律了如指掌

Don:如果原子能进入并体验视觉生物的光世界,原子会有什么感想呢

tuenhai.com :一切生物的身体都是由原子组成的

Don:难道原子已经进入了光的世界,对我们的一举一动知道得清清楚楚?

同样时间画面越大,生命值就越大

tuenhai.com :画面连接者引力和光的速度都是有限的,这就是说,我们说到画面,一定和时间相绑定,不存在不绑定时间的画面。一个原子的画面是自身为中心的直径30万公里的球体 这句话是没有意义的,它没有说这是多少时间内的画面

Don:如果时间是0呢,还有画面吗

tuenhai.com :如果时间是0,画面也是0,就没有画面了

Don:那么原先画面定义中的 刹那 就不能代表时间为0了

tuenhai.com :我们在说到画面的时候,最好加上时间值。原子1秒的画面包含了自身为中心的直径30万公里的球体内的物体的状态变化,换种表达方式

原子1秒的画面是自身为中心的直径30万公里的球体

这时对原子画面的表达就没有了语法错误,大家知道这句话还包含了什么意思吗

Don:引力的速度是每秒30万公里,30万公里内的物体的状态变化,原子可以在1秒知道

tuenhai.com :实际上这句话还说明原子在1秒内一动不动。你想,如果在下1秒原子向左走了一步,这一步走了1公里,这时她1秒的画面还是个球体吗?

Don:这时她1秒的画面是个类椭球体,类椭球体在与运动方向垂直的直径是30万公里,在与运动方向相同的直径是 30万零1 公里

tuenhai.com :物体没有画面时,这时物体没有与外部物体的联系,代表物体已经死亡。原子没有了画面,代表原子已经死亡。生物没有画面,代表生物已经死亡

物体有了画面以后,表示物体突破了空间隔绝,空间隔绝是负生命,负生命的消就是正生命的长,生命值大小和画面成正比,从这个意义上说,画面就是生命,这个道理并不难懂。如果把画面依时间划分成片段,那么每个画面片段就是生命的片段,这个片段的画面相当于生命的单元,如果我们给某种物体定义最小生命片段,这个最小生命片段就是该种物体生命的最小单元,以前我们笼统地说画面是生命最小单元,现在就有了更好的定义:

  • 生命:物体的画面就是物体的生命
  • 生命最小单元:以物体某段时间内的画面作为物体的生命的片段,定义的最小片段就是物体生命的最小单元

原子在1秒内原地不动,她1秒的画面是一个以自身为中心的直径30万公里的球体,这个画面是很大了,难怪原子那么长寿

原子在下1秒内向左跨了一步,这一步是1公里,这时她1秒的画面就是原来的画面再向左扩大1公里,这时的画面显然比上1秒的画面大了,她在1秒内与更多的物体状态建立了联系,于是她的生命值也增加了,寿命延长了

可见,同样时间内,画面越大,生命值越大

从更深的层次说,为什么画面越大,生命值越大,这是因为有画面必有演算,画面中的原子会根据环境的情况调整自己的行为,一个画面就像是一台复杂的自动演算机,其中所有原子都在根据演算结果调整自己的行为,这就把大家的命运连接起来了,每个原子都在这个整体的演算中得到了好处,表现为寿命延长

人造一台很多零件组成的机器,这台机器必然随着使用时间的加长而磨损加剧,如果每个零都互相知道其他零的状态,并根据整体的状态调整自己的行为,那么这台机器的磨损就会极大减慢,机器的使用寿命极大延长,如果你理解了这个机器的例子,那么你也可能理解了为什么必须组成生命共同体才可能长生久视

从容易理解的角度说,物体的画面越大,生命值越大

从本质上说,生命是一场演算,画面越大,演算越是复杂、深入,物体行为就越是正确,于是物体的寿命就越长

人也一样,人看到一个物体以后必然会被影响,这就是有画面必有演算。人看到东西的时候,生理和心理已经发生了改变,这个男同胞应该体会比较深刻,特别是喜欢收集爱情动作片的同学。于是从空间的角度和从演算的角度都可以解释宇宙、生命的奥秘

什么是阴我、阳我

以原子秒1的画面为例,清晰几个概念:

原子1秒的画面就是原子1秒的生命

  • 阴我:原子的画面分成两部分,中心的原子的画面叫作阴我
  • 阳我:画面中阴我以外的部分叫作阳我

如果是人,人2毫秒的画面就是人2ms的生命:

  • 阴我:画面中心的身体
  • 阳我:画面中阴我以外的部分

原子的画面是聚光球,阴我、阳我被绑定

tuenhai.com :原子静止1秒的画面是以原子为中心的直径30万公里的球体,这个1秒的画面就是原子1秒的生命。画面就是生命,生命就是画面,使用时两个词语可以互相替换

阴我、阳我是绑定在一起的,没有办法分离开来。如果把画面中的阳我部分随意切掉一个角,这时阴我的生命值就会相应减少。如果原子厌倦了尘世,于是闭上了眼睛,不再接收外界的引力,这时原子就只有了阴我的画面,阴我的画面也是画面,因此也代表了一定的生命值,只是这个值极小,原子瞬息间就会解体而死。如果原子连对内部的引力也不再去接收,于是就没有了任何画面,原子立即就解体而死。没有一个原子会主动不接收自身或外界的引力,于是每个原子在静止1秒时的生命就是一个直径30万公里的球体

画面中的每一部分都表示了原子对空间隔绝的突破,于是画面的每一部分都是在给阴我的生命值加分。原子静止1秒的生命,可以比喻成一个直径30万公里的聚光球,正中的原子自己在发光,直径30万公里的球体都在发光,于是中间的阴我——原子的亮度也得到了极大的提升,亮度相当于生命值,原子的生命值就变得极大。如果阳我部分的亮度没有了,原子自己虽然还在发光,但是亮度变成极弱,随时都会熄灭

Don:这不就是 大家好,我也好

阳我扩大造成阴我收缩

tuenhai.com :原子想要活动一下筋骨,于是花1秒时间向左跨了1公里,这时情况就有了变化,并不只是生命值增加那么简单

原子静止时,阴我是与阳我绑定的,现在阴我向左跨了1公里,阳我自然也是向左扩大了1公里,照静止时的标准计算,一个原子的大小绑定于直径30万公里的球体,现在球体向左扩大了,那么原子也要向左扩大

举一个不是完全相同的例子帮助你理解,有一个大球,大球中间是个极小的球,小球与小球以外的部分是紧密绑定的,抓住大球最左侧的地方,向左拉,这时大球就向左扩大了,此时小球也应该向左扩大

从另外角度看,原子不应该向左扩大,这时出现了矛盾的情况:

  • 按照过去静止的原子看来,球体向左扩大,原子应该也向左扩大
  • 按照现在的原子看来,原子的位置向左移动才造成球体画面的向左扩大,于是原子不应该向左扩大

这两种矛盾的情况应该同时存在,不能说过去的就让他过去,没有过去就没有现在,于是原子应该向左扩大。现在的情况也是事实,于是原子不应该向左扩大

宇宙讲究以理服人,不会随心所欲,任何人,只要从理性深入,都可以直达最深的生命秘密。妩(宇宙)说,两种矛盾的情况应该同时存在,那就让她们同时存在吧,我既不能偏袒过去,也不能偏袒现在。于是原子向右收缩了,原子向右收缩比例就是过去原子看到原子应该向左扩大的比例

这时候就皆大欢喜了,按照过去的标准计算看,原子需要扩大,于是把收缩的原子再扩大到和原来一样,相当于什么也没有做,与现在原子认为的“原子不能向左扩大”并不矛盾。再按照现在的情况分析,原子边收缩边向左移动没有造成球体向左扩大,也是没有问题

过去的原子并不知道现在的原子会收缩,于是现在的原子收缩了并不与过去相矛盾

于是得到结论,物体向运动的反方向收缩,或者说阴我向阳我扩大的反方向收缩

因为引力的速度很大,1秒的画面就达到了直径30万公里,原子以每秒1公里向左运动,原子向右收缩的程度很小,如果是人,根本觉察不到。原子到底收缩了多少呢,可以用 静止者空间膨胀公式计算,把计算出来的系数倒一下就可以了,如果空间向左膨胀4倍,那么原子向右收缩到原来的1/4,收缩的原子膨胀4倍正好和原来的原子一样

阴我收缩导致生命值扩大

tuenhai.com :原子向左运动时,画面向左扩大,这时原子会向右收缩,这种收缩与人们日常经验中挤压物体造成的收缩不一样,你从左右两面挤压气球,气球在水平方向上收缩,但是会在上下方向上膨胀,但是原子向左运动造成的向右收缩并不会带来上下方向的膨胀

原子向右收缩以后,我们即使不去关注阳我的情况,只看阴我,就能知道原子生命值扩大了

原子内部存在亚原子微粒,比如电子、质子、中子等待,细分下去还有很多层次,这些粒子的交互是被空间隔开的,原子向右收缩后,这些粒子左右之间的交互需要跨越的空间就少了,这就部分破除了左右的空间隔开,左右之间的负生命减少,也就是左右之间的正生命增加,于是整体原子也会变得更加长寿

现在,我们可以从两个方向观察原子的寿命:

  • 从阳我角度分析,阳我扩大,也就是阴我生命值扩大
  • 阳我扩大以后,阴我必然发生形变,就是阴我向阳我扩大的反方向收缩,于是只看阴我也能知道阴我生命值扩大了

虽然从两个角度的分析可以得到相同的结论,但是只有两者的组合才是完整的生命。如果阳我没有了,那么阴我很快死亡。如果阴我没有了,那么阳我也没有了意义

阴我是阳我的投影

tuenhai.com :阴我是阳我的投影,阳我的变化必然导致阴我的变化,于是我们可以看阳我的变化来了解阴我的变化,也可以看阴我的变化了解阴我和阳我的变化。不存在这样的一种情况:阴我变了,阳我却未变。也不存在这样的情况:阳我变了,阴我却未变

阴我就是缩小的阳我,阳我就是扩大的阴我

2016年的时候 tuenhai.com 首次提出阴我、阳我的概念:

  • 人的身体是阴我,身体所处的环境是阳我
  • 阴我、阳我互相影响
  • 阳我决定阴我,阴我也能影响阳我

并从日常生活的角度解释了其中的原理

阴我、阳我是个陌生的概念,对于有些同学可能理解起来有点困难。2018年,我先是科普了狭义相对论,再从生命的角度重新阐述了一遍,如果你能理解狭义相对论,那么你会发现狭义相对论就是对阴我、阳我理论的很好注解,阴我、阳我真实不虚。这是人类历史上第一次有人把生命的真理和严肃的科学对接了起来,从此,生命的进化与宗教玄学再无任何关系,智商越高、智慧越发达的人,对生命的理解就越是深刻

现在我是从引力画面的角度引导大家理解宇宙的奥秘。人类是光画面,光与引力速度相同,两者只是表现形式不同,引力世界的规律一样适用于人类。我们很容易就能得到以下的启示:

  • 人要采用画面更大的行为模式,相比于现代人倾向不直立,直立就比较好
  • 人要与外界建立更多的连接,人与人要亲密合作,人与自然要和谐相处
  • 国家扩大画面,要向外部开放,多与外部世界接触、交流

什么是阴我膨胀

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20180125

有了《悟道相对论》,长生的理论障碍已经被扫除,剩下的最大障碍是人类自己的一个劣根性——人类有阴我膨胀的天性,这使人类难以做到实事求,使人类难以摆正自己的位置,也使人类难以互相精密合作组成生命共同体

人形神佛是人类阴我膨胀的证据

tuenhai.com :阴我就是身体,阳我就是身体所处的环境,主要是指知觉画面中的环境部分

人类有个共同的特点,就是总是从阴我的角度看问题,这是由生理特点所规定的,并不是想避免就能避免,因为进化程度低,于是必然会从阴我的角度看问题

什么是阴我的角度看问题,举个例子你就知道了。人类认为的创世的神佛必定是人形神,基督教的上帝是人,佛教的佛是人,道教的神仙是人,中国古代神话盘古、女娲是人……人类为什么自然地认为神佛是人呢?这就是阴我角度看问题的必然结果

生物都是阴我角度看问题的,于是,狗认为的神佛必然是狗,猪认为的神佛必然是猪,牛认为的神佛必然是牛

这就有了矛盾,到底创世的是猪还是人?不可能二者都正确

你去问一个人类,他的阴我驱使他回答:神佛当然是人,不可能是猪

你去问一个猪类,他的阴我驱使他回答:神佛当然是猪,不可能是人

实际上即使有创世的神佛,必然既不是人,也不是猪。因为人类不可能是终极的物种,如果人类已经是宇宙最高物种了,那么人类应该寿比天地,显然人类离此要求至少还有十万八千亿距离。既然人类不是宇宙最高物种,那么一定会有比人类高级的物种,这个物种看人,就如人类看猪是一样的

这个道理是如此的简单,但是你却不一定相信,即使表面上你好像相信了,但是你看到人形神的怪力乱神的东西,还是会兴奋,这说明人形神在你心里还是挥之不去。阴我是如此的强大,几乎没有人可以例外

在中国,无神论是官方的指导思想,如果不是虔诚的教徒,很多人对神佛是不是人形并不是那么在乎,这并不表示他们的阴我膨胀会少了一分

盲目夸中贬西是人类阴我膨胀证据

曾有位同学发表了感想:

楼主大智慧!但在书的末篇只引用方指出中药副作言论而不引用西药副作用不客观公正,易使人整书读下来隐隐觉得楼主有所暗示即:赞西贬中?工业革命开启了人类快速降维模式,目前智能手机的普及简直是终极版的降维和收命!!!

tuenhai.com 回复:

无论中西,任何药,医生交给患者时应该注明有何毒副作用,患者应有知情权,这样说,是贬中还是贬西了?

实际上是他盲目地夸中贬西了,然后他反而说我赞西贬中,这就是阴我膨胀的好例子。一些人会自然地有这样的想法:中药是我们中国的药,它的好处需要膨胀的,它的坏处需要缩小的。西药是西方人的药,它的好处是需要缩小的,它的坏处是需要膨胀的。他自己却不知道自己看问题的偏差,他以为自己是客观公正的

实际上,把药分出中、西区别的人已经是阴我膨胀了,西药应该叫作现代药才对。人体的生理是古今中外相同的,那么对药的毒副作用的处理当然应该一致。现代药对人体的毒副作用明明白白写在用药说明书里,并不需要我引用抄录一遍。然而你去买中成药,一句副作用不明就把你打发走了,你去找中医开中药,任何一位中医都不会给你一份所用中药的毒副作用说明,这就是对患者的不负责任

正确的做法是这样的,不管是什么药,医生交给患者时,一定要包含毒副作用的说明,这样就保证了患者的知情权,患者吃了有什么不良后果,也不能全怪医生了。如果医生自己都不知道开出的药有什么毒副作用,也不让患者知道,那么这种药是不应该开出的,这个医生也是不应该获得执业资格

我们当然需要爱国,只有客观、理性的人才是真正爱国,带着狭隘的感情爱国会拖延祖进步的步伐

认为原子无生命是人类阴我膨胀的证据

这点 tuenhai.com 在以前也说过。人类阴我膨胀了,才会认为原子无生命

所谓阴我膨胀,从原因上来说是因为只记得从自己角度看问题,从结果上来说自然地抬高自己、贬低别人。抬高自己、贬低自己这个大家能理解,难就难在自己并不知道在这样做,自己总是认为自己比较伟光正。一个不知道自己存在问题的人,即使指出他存在的问题,他也会认为是别人的问题,批评的效效果往往是不好的。世界上自认为追求真理的人不计其数,但是真正追求真理的人就少得可怜了

人类的寿命极短,这说明人类在进化的阶段上还十分低级。原子的寿命极长,说明原子在进化的阶段上可能极高。人类贸然地认为原子无生命,无非是因为人类认为两者形态差别太大,人类难以接受原子的形态

如果依据形态差别大来判断两者之中只有其一有生命,那么就有两种可能:

  • 其一,人类有生命,原子无生命
  • 其二,人类无生命,原子有生命

人类十分自然地就选择了“人类有生命,原子无生命”,这正是人类阴我膨胀的证明。因为二种可能是等价的,如果原子也像人类那样作判断,原子见人的形态和自己差别太大,于是会认为自己有生命,人类无生命

有智慧的人会站在客观的立场判断问题,他会这样做:

  • 两个视角切换观察问题

    站在人类的视角看,原子和人类形态差别太大,于是认为原子无生命

    单视角看问题可能有偏差,于是再站在原子的视角看,原子看到人类和自己形态差别太大,会认为人类无生命

    两种视角得出的结论矛盾,于是就先不下结论

  • 客观数学比较

    原子的状态较为稳定,表现为寿命极长。人类的状态极不稳定,表现为寿命极短。从数学上比较,人类那点寿命和原子相比约等于零,于是可以得出:从寿命比较,人类接近无生命,原子是有生命的

  • 人类虽然寿命短,但短生也是生命,是不是

  • 最终结论:人类和原子都有生命,人类还处在极低的进化阶段,原子处在极高的进化阶段

同一件事情,如果能去掉阴我的膨胀,就能得到不同的结论

世俗对狭义相对论的解释证明人类阴我膨胀

Don:老师,我知道还有一个地方可以证明人类阴我膨胀了。世俗对狭义相对论的解释往往是阴我视角

tuenhai: 静止者看到运动的钟走时慢了,极大多数人解释成 运动使你的钟走时变慢了,这句话对阴我膨胀的人类来说是十分自然

静止者看到运动钟走时慢,并不代表运动钟真的走时慢,而且 相对论 三个字已经在反复提醒要相对地看问题,你判断其他事情用绝对论是可以理解的,但是你判断相对论世界里的事情可千万不能用绝对论

但是人类总是从自己的视角看问题,习惯把自己看到的当成对方的真实,管你是不是相对论,与我有什么关系,我就一定要用绝对论去解释相对论,怎么了

实际上运动的钟走时并没有变慢,相对来方,走时慢的是静止者钟

在《悟道相对论》 https://xdl.tuenhai.com 之前,我们能够看到的资料都是把静止者看到的当成运动者的真实,这就是人类阴我膨胀的极好证据

相对论说的就是不能用绝对的时空观,但是解释相对论的人却视而不见,偏偏要用绝对论的时空观解释相对论,没有比这更好的例子证明人类强大的阴我膨胀了

Don: 人类的阴我为什么这么膨胀呢

tuenhai.com : 物质决定意识,阴我膨胀,归根到底还是由生理决定的

阴我膨胀由生理决定

tuenhai.com :我说了那么多人类阴我膨胀的证据,那么能够使大家的阴我不太膨胀吗

阴我膨胀实际上是由生理决定的,即使听我讲课十年,如果生理不改变,那么阴我膨胀也是不会改变的

比如现在听我讲课,你们有在使用阳我在听的吗,你们一定极为自然地使用阴我在听课,能主动使用阳我听课的一定极少

Don:什么是使用阴我听课

tuenhai.com :所谓使用阴我听课,就是自然地用你自己的经验来判断我讲得对不对,有没有道理。这样做当然是可以的,真正的问题在于你默认地倾向于你旧有的经验是对的,你有意无意地在寻找观点证明你旧有的经验是对的。比如我说原子是有生命,你立刻会搬出原来的认识,某某经典也是这样说的,也是差不多的,这就像是我的讲课在为你做注解一样。你的认识是有可能比我高明,问题在于你判断的时候会倾向于你的旧经验,但你并不知道自己有这个倾向

你有一个自动的机制在寻找机会证明自己正确,并且寻找机会证明别人不那么正确,但是你并不知道你有这个机制

Don:阴我听课,含有扬己贬人的成分。那么什么是使用阳我听课呢

tuenhai.com :站在讲课者的立场去分析、思考问题。连续的语言是有场景的,其中包含了文字以外的信息在里面,听课者要进入这个场景,与讲课者产生共鸣,从而对讲述的道理有更加深刻的理解。这是一种阳我的境界,懂者自然懂了,不懂者却难以学会,因为本质上这是生理所决定的,而生理不是心里想改变就能立即改变的

阴我主使下做事是每个人不学就会的,每个人天生就是这样做事的,而能否让阳我发挥更多作用,也是由生理决定的

Don:阴我膨胀是由生理决定的,这是什么原理,有什么办法可以改善吗

tuenhai.com : 如果你理解了人类觉形成的画面和生命的关系,那么你就会以阴我、阳我有深刻的理解

相对论里有大道

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20181031

什么是《悟道相对论》

tuenhai.com : 人类学会直立行走以后,成了最 好道 的动物

  • 是什么
  • 就是 大道
  • 大道 就是宇宙、人生的终极答案
  • 宇宙、人生的终极答案又是什么

好了,还是说得直白点吧

道,就是长生不死之道

无论古今,不分中外,任何一个人,最大的愿望就是长生不死,就是永葆青春,就是寿比天地,就是永远活着

《悟道相对论》,就是用相对论来阐述长生不死之道

文学讲究委婉,本来,我是不能说得这么直白。长生不死,怎么可能,很多人都是死了以后再到另外的地方追求长生的,如果活着就可以追求长生,那么何必先死了再说呢

如果你认为人不可能长生久视,你一定是没有看过《悟道相对论》,或者你根本看不懂《悟道相对论》

相对论已经从科学上证明了长生久视是可能的,永生是有理论依据的,只是在 tuenhai.com 之前,从来没有人揭示出来而已

现在,tuenhai.com 就来简要总结一下《相对论》给我们的启示

《狭义相对论》对生命的启示

tuenhai.com : 相对论是关于运动引起时空变化的理论,相对论推导出来的数学方程已经应用于人类的工业产品,已经被实践所证实。所以,即使你现在还是不理解相对论,但是你大可放心,运动确实可以引起时空的改变,这是我们所处的宇宙的真实

问题在于如何运动

狭义相对论告诉我们,单向的高速运动会导致运动物体的时空发生变化,当物体的运动速度达到光速时,物体的命时变成了无限,也就是永生

你看,永生不是出来了吗!永生不是有理论依据了吗!这可不是我说的,我说的你可能不信,相对论说的,你不能不信

然后你可能扔下还没看完的《悟道相对论》

掉头去挣大钱
挣了大钱造火箭
坐上火箭
飞升成仙

但愿你还没有跑远。根据计算,要把物体加速到光速,需要无穷大的能量。拥有无穷大的能量?开什么玩笑,上帝创造天地还要7天,无穷大的能量,上帝都没有哇,即使接近无穷大的能量,上帝也没有哇,即使打九折,上帝也拿不出嘛

所以,用单向的独自的高速运动达到长生,理论上可行,实践中行不通

是否心灰意冷,扔下《悟道相对论》去放纵享受此生了

但愿你还没有走远,宇宙的寿命是多少年,十亿,百亿,还是千亿年,原子的寿命呢,谁能知道请告诉我,他们并不是采用狭义相对论的方法达到长生久视的,那么是什么

《广义相对论》对生命的启示

tuenhai.com : 《广义相对论》相对难理解一些,tuenhai.com 已经作了最通俗的讲解,并且比你找到的其他资料讲得还要深入一些,我已经在尽力帮你了

如果你以为运动只有单向前进的运动,如汽车行驶,飞机飞行,那么广义相对论就要对你说了 too young too simple

你现在站着不动,你就在向地心方向作加速运动,并且有相应的相对论时空效应发生在你身上

Don: 我知道,这是引力引起的加速度

tuenhai.com : 对,广义相对论把引力纳入了相对论框架,引力效应和加速度效应等效。建议大家先停下手头的事情,一起来做一下祷告,感谢地球为我们提供了引力,这样即使我们什么也不做,也是在做加速运动,运动会使命时增加,何况是加速度运动呢,我们真的要感谢地球,对我们这么关心、照顾

如果你认为引力的存在只是为了让我们不知不觉间作加速度运动,那么我又要说 too young to simple 了,实际上引力编织了一张宇宙大网,把所有天体联系起来成为一个整体,高度协调地运动

据研究,宇宙的引力达到了一个奇妙的平衡状态,引力的大小不可以增加一点点,也一点点不能减少。引力再大一点点,那么我们看到的宇宙就不存在了,引力再小一点点也是不行的

还有很多的物理常数也是一样,都奇妙地处在一个恰到好处的数值,仿佛是人为安排好一般

关于这些,详细说来可以写一本厚厚的书,大家感兴趣自己到网上找资料就是了

总之,引力把宇宙所有天体联系起来,大家商量好似地在协调地运行,并且宇宙从各方面看充满了巧合,使宇宙达到了一个奇妙的平衡状态,即使是人为安排,也做不到这么的精确

Don: 难道真有上帝

tuenhai.com : too young too simple!

宇宙本身通过引力连接成了一个整体,又何劳上帝大驾呢

你的身体是个整体,你会说,你是个木偶,你本来一点也不能动,是上帝拿个算盘在旁边挥汗如雨地计算,并用计算结果操控你说出每一句话,做下每一件事吗

你现在知道了吗,原子为什么万寿无疆,宇宙为什么永享天福了

Don: 难道是引力

tuenhai.com : 现在倒挺机灵的嘛。这就是我现在要说的,相对论给我们提供的,可行的长生久视理论依据

利用狭义相对论追求长生,相当于独自一个人开辟一个宇宙,没有一个人拥有开辟宇宙的能量,此路不通

狭义相对论也说明了,如果你自己独自研究、锻炼,没有任何方法可能达到永生,不管你的锻炼方法有多高级,不管你一次能打坐几小时,不管你吃下了多少仙丹,都是行不通的。理论上都不可能,再怎么实践也是不行的

Don: 那么原子是怎么达到长生的,是引力吗

tuenhai.com : 你想,引力的速度为什么需要这么快,达到每秒30万公里

Don: 这样好把远方的天体直至整个宇宙联系起来吧

tuenhai.com : 把这么远的,这么多的天体联系起来干嘛呢

Don: 引力就是原子之类物体连接者,可以用来形成画面,前面老师讲过的,通过引力,她们就能互相看见,互相交流,就能协调动作

tuenhai.com : 太棒了。这其实就是我要说的,tuenhai.com 扩展了的广义相对论提供给我们的启示

狭义相对论说,单打独斗不可能达到长生

广义相对论说,谁那么笨,企图一人扛起整个宇宙,一个人破不开虚空,可以大家组成一个整体,精密合作,整体(宇宙)长生了,那么个体(比如原子)也是差不了多少了。事实也是这样,宇宙寿命极长,原子也差不了多少

Don: 值得深思...

我们应该怎么做

Don: 人类看不见引力,怎么办

tuenhai.com : 引力是原子类的分离的宇宙的连接者,光是人类这样的视觉生物的分离的宇宙的连接者。相对论是引力相对论,但是引力速度和光速一样,引力世界的长生之道就是光世界的长生之道,二者原理一样

Don: 如果人类人追求长生,应该怎么做

tuenhai.com : 说来话长,相信能看懂《悟道相对论》的都不是普通人,我这里简单提示几点,你们必然可以发挥出更多的内容

  • 整体观

    整体的命运就是个体的命运,整体的利益就是个体的利益,通过整体利益最大化来实现个体利益最大化

  • 重环境

    人类作为天地大环境的一部分,破坏环境就是破坏整体

  • 安其位

    对环境和自己了如指掌,在最合适的位置做最合适的事

人与自然是一个整体,全人类成为一个共同体,整体利益至上,精密协作。这时,广义相对论改变时间的效应就会十分明显,人人长生久视可期

《悟道相对论》后记——生命在于不分彼此的精密合作

海云青飞 https://www.tuenhai.com 2018-10-28

生命在于不分彼此的精密合作

2018年10月28日上午,我们回到农村老家,先是去爷爷、奶奶坟后的地方掰了二十来个玉米,玉米是妈妈种的,不打农药,吃得放心

把玉米拿回家后,拎上锄头、水桶去坡上挖了几斤毛薯。我从网上买来毛薯种子,妈妈在3月的时候种下的。毛薯的叶子较圆,薯上有很多毛,很是特别。我就是个特别的人,特别的人就该吃特别的食物,这样说出来的话就会有特别的气息

特别的人还应该有特别的朋友,否则就会寂寞得找不着边,于是tuenhai.com 就要写特别的书。书写得多了,你会走进人家的内心,于是人家也会走进你的内心

相对论提示我们,生命在于运动,运动能增加正命时。运动不是无意义乱动,对于人类来说,生命在于不分彼此的精密合作

狭义相对论说了,一个人独自努力,在理论上就不可能长生久视

广义相对论又说了,一个人破不开虚空没有关系,一起破就可以

一起破一起 并不只是简单的合作,而是要成为命运共同体,要成为命运共同体,首先要消除隔阂

人与人之间的隔阂就是属于负命时,消除隔阂就是增加正命时。要消除隔阂,就要沟通,沟通总要有一个人先说话,我写这本书就是在与大家说话,在与大家沟通,如果能慢慢消除人与人之间的不信任,进而理念有高度共鸣,那么阻挡在我们之间空间就能被我们打败,我们的正命时就能增加

我这样说可能颠覆了你以前的经验,不是有人宣称要打坐吗,不是说要辟谷吗,不是说要吃素吗,二十年前的我也会这么想,你这样想我不会感到多少惊讶的。观念的进步有个过程,人类最喜欢和擅长的是保持旧习惯、旧观念,所以我希望你能理解相对论,这样我就省下了许多的解释

真实,是生命的基础

回城的时候,我们带回了一个“宝箱”,长43厘米,宽25厘米,高21厘米,就是下面这个图:

剡南屠氏家谱木箱

你猜一下里面放了什么宝贝

如果你家也有类似的木箱,你也许已经猜到这是干啥的

算了,不卖关子了,还是打开让大家看看吧:

剡南屠氏家谱木箱打开

原来是 tuenhai.com 本姓宗谱。吾有一宝,可传子孙,即此一箱七册宗谱也

国有史,家有谱,国史的意义有多重大,家谱的意义就有多重大 一个是小家,一个是大家,两者结合才是完整的家

tuenhai.com 疏懒于人际应酬,觉得多是没有意义,再说时间有限。三年前听闻老家贤达发心重修宗谱,立即对妈妈说,这个事情我们要支持。光是口说支持只是徒费口水,就和母亲一起到一编委家里捐资3000元以明态度

2018年10月,妈妈电话告知,修好的宗谱已经拿来了。28日,趁本次回家拿些菜蔬,顺便把宗谱也带到了城里的家

本次修谱距上次修编已经90年,我在家翻看犹自散发着浓烈墨香的七册宗谱,心情畅达

有的人可能会说,tuenhai.com 怎么唠起了家常,修谱和大道有关系吗,和生命有关系吗,怎么不教一下河车搬运,气沉丹田,灵魂出壳,双盘打坐...

tuenhai.com 要说的是,搬弄意念,枯禅死坐之类东西,就是我说的怪力乱神范畴,和大道又有什么关系呢,大道何处不在,你视而不见,枯禅终日又有何用

家谱的重要意义之一就是可以修正国史。成王败寇,成功者总是喜欢粉饰历史,甚至不惜胡乱篡改,这就给后世研究历史制造了障碍。如果举国修谱风盛,传承不断,那么后世就可以参考家谱修正历史,使 真实 不被历史尘埃掩没

无论是原子系和人类命名的生命系,都是以画面指导自己的行动,离开了画面是寸步难行。这就要求画面真实,如果画面不真实,那么生命不会诞生,更不会得到发展

对于视觉生物来说,画面真实的前提是光速不变,如果光速可以随便变化,那么就给画面制造了不稳定因素,生命就不会诞生

对于原子系来说,引力速度不变,原子的画面才能真实,原子类的运动才不会出现偏差,否则,原子不会存在,人类更是影也没有了

对于人类来说,有个特别的地方,人类除了直接从感觉器官而来的画面以外,还有来自语言的虚拟画面。语言若不真实,那么就是制造了不真实的画面,人依之行动,就会出错,用相对论的术语来说,就是在增加负生命。所以,悟得哲学奥秘的人,必然对真实特别重视,因为这和正生命直接相关

修家谱的主要意义就在于给后世留下一些真实

精英求道的困境

真实 二字说说容易,要做到极为困难。不真实经常能带来丰富的短期利益,只要利益足够,人类任何事情都做得出来,根本不会在意是否真实

一款牙膏,宣传上突出植物、天然、无毒,并且大打民族感情牌,当然不能忘记偷偷加点西药。主要是西药成分在起作用,这是绝对不能告诉用户的,即使用户知道了真相也必须百般抵赖,用各种手段公关。不真实可以换来每年数以亿记的收入,谁会在乎真实呢

民族的东西一定要夸大,这样可以打鸡血,可以收智商税,真实,是什么东东,没有听说过嘛

本书开头说过,本书主要是分享给精英,这是因为精英容易看得懂。不过,精英可能看懂,但是精英却更不容易做到

精英对外界和自己的认识比较透彻,于是必然会轻易发现不真实可以带来的巨大商业机会,有机会赚大钱,又不犯法,一点心理负担也没有,而且自视成功人士,非常自负

如果旁边有人不真实,你很难坚持真实,一真实,就在事业上吃亏了,为了与人竞争,真实的人也会变成不真实

这就有了一个难解的死结,非精英不容易理解 tuenhai.com 在说什么,精英在世俗容易成功,但是物质决定意识,屁股决定立场,精英理解了也难以做到

Don: 如果精英世俗非常成功,又做到了真实呢

tuenhai.com : 还是那句话,物质决定意识屁股决定立场

Don: 这是 道不远人而人自远之

物质决定意识

Don: 我突然觉得天好黑,空气好沉闷,难道要下雨了

tuenhai.com : 人生在世离不开物质,物质又使人不能自由追求真理

Don: 常言道,酒肉穿肠过,佛祖心中留,人或许可以拥有许多物质,又不受物质的影响

tuenhai.com : 这只不过小孩子在自欺欺人罢了。这个世界是物质世界,终究是物质决定意识的。若是有混人坚持心胜于物,那么你请他到你家吃饭,只是给他许多空碗,里面写上各处美食的名字,让他用心把物转出来,餐餐如此招待他,看看是物质决定意识,还是意识决定物质

Don:唯物主义

tuenhai.com : 唯物二字给人物质唯一的暗示,其实际意义肯定不是这样。我觉得 物主 不错,物质为主,意识为辅;物质决定意识,意识影响物质

天堂就在人间,人类成为一家

Don: 难道就没有其他办法了

tuenhai.com : 办法总是有的,有人曾描绘过一个美好的世界

Don: 天堂,或者佛国

tuenhai.com : 这个世界类似有人给我们描绘过的世界:人人拥有很多物质,人人又不拥有物质,每个人都在做自己喜欢的事情。你小时候应该在学校里听说过的

Don: 共产主义

tuenhai.com : 那是一个人人具有整体观念的世界:

  • 人们不分彼此
  • 人类成为一家
  • 人与自然和谐
  • 无私无欲坦荡
  • 精密合作无间
  • 时空已经改变
  • 快乐逍遥无边

100个科学问题及答案

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190616

2019年6月,整体学正式面世

整体学打通了物理学、升物学(生物学)和社会学,另外还包括哲学,是科学的第一大学科

现代科学是局部科学,整体学是整体科学,整体科学是以现代科学为基础的,是现代科学的高度综合。阐述整体学必须以现代科学与基础,于是有了本书

本书是 阿西莫夫著《你知道吗?——现代科学中的100个问题》的海云青飞 https://www.tuenhai.com 评注版

20190728

科学家是怎样进行研究工作的——100个科学问题之1

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190608

小的时候,老师问大家,长大后的理想是什么

不少小朋友回答:长大要做一名科学家

怎样成为一名科学家,回答这个问题有二种角度

  • 技巧
  • 空间性

你所能找到的成为科学家的方法绝大多数只是局部的和本质无关的技巧,比如发现问题,分析问题,正面分析,反面分析,归纳,推理,提出假说,实验验证等等,这些是有用的,但是这些和你是否能成为有成就的科学家并没有多大的关系,甚至可以说没有一点关系,因为有可能成为科学家的人,自己领悟出这些技巧是没有一点难度的

真正决定一个人能否成为科学家的是一个人的空间性,一个人的空间性越大,就越能把握住事物的本质,越能发现别人未发现的事物

空间性决定一个人能否成为科学家

我们生活的这个宇宙的一切都可以从空间性的角度解析,物理学、生物学、社会学,都只是空间性的不同方面的应用而已,理解了空间性,你就会大彻大悟,如同海云青飞 https://www.tuenhai.com 那样人生无惑

每个人的身体都占据了一定的空间,这个很容易理解。进一步思考,你是活的,你会运动,身体动起来以后必然会和外界发生交互,外界的事物也是都占有空间的,你和外界的交互活动就是你身体的空间和外界事物的空间的交互活动,你和外界的交互越是深入,你的空间性就越大,你就越容易成才

这样说起来是否感觉有点枯燥,让 海云青飞 帮你简化一下,你就很容易理解了,我问你一个问题,你是否能轻易知道家人的心情,即使他们什么也不说你也能知道,如果能,那么空间性就会大一点。从空间性的角度解释,你的空间和你的家人的空间的联接比较紧密,所以你对家人的喜怒哀乐是比较敏感的

再进一步,你的对各种各样的事物都充满好奇心,也就是你的空间对外部空间很感兴趣,这就是你的空间性扩展的潜力比较大,你成为科学家的潜力比较大

好奇心这个概念比较虚,很多人会说自己好奇心比较强,实际上不一定强。所以我们还要观察结果才能确定一个人的科学潜质。如果你不但好奇心强,而且经常能自己解决发现的一些小问题,很多东西不用看书就自己能够领悟出来,那么你就是有科学天赋的人

怎样知道自己是否适合科学研究工作

  • 自然地了解旁人的心理状态
  • 对万事万物充满好奇
  • 日常中的各个方面的小问题能够自己解决

空间性,从数学上来说是空间维度,但是很多人对维度这个概念不太熟悉,所以 海云青飞 常用 空间性 这个词

进一步了解空间性可以参考《悟道相对论》,这本书从物理学的角度探讨了宇宙的本质

空间性大的人的生理特点

可以从一个人对外部空间的感觉敏锐程度了解一个人的空间性,感觉是内部的视角,别人并不清楚你是怎么想的,有没有从外部观察的方法了解一个人的空间性呢

大脑是人的司令部,是人体最重要的器官,脑容量大的人相对空间性大。脑容量大的人,大脑一天到晚不停地分析很多事物——也就是分析很多空间,自然空间性大了

你应该已经知道了,人类是从猩猩进化而来,人类的脑容量比猩猩大,那么,你可能会问,为什么人类的脑容量比猩猩的大呢

答案是人类的祖先的直立行走使人进化出脑容量更大的大脑。人类一直立,视野就扩大了,就和更大的空间联系上了,这就是空间性扩大,空间性扩大就是进化,反之空间性缩小就是退化


1 什么是科学的研究方法?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

所谓科学的研究方法,很明显就是科学工作者在从事某项科学发现时所采用的方法。但是。这个过于简单的说明对我们没有多大帮助。能不能对这个问题作出更详细的说明呢?

好吧!我们可以描述一下这个问题的一个理想答案

(1)在进行科学研究时,应当首先认识到问题的存在。例如,在研究物体的运动时,首先应当注意到物体为什么会像它所发生的那样进行运动,亦即物体为什么在某种条件下会运动得越来越快(加速运动),而在另一种条件下则会运行得越来越慢(减速运动)

(2)要把问题的非本质方面找出来,加以剔除。例如,一个物体的味道对物体的运动是不起任何作用的

(3)要把你能够找到的、同这个问题有关的全部数据都收集起来。在古代和中世纪,这一点仅仅意味着如实地对自然现象进行敏锐观察。但是进入近代以后,情况就有所不同了,因为人们从那时起已经学会去模仿各种自然现象,也就是说,人们已经能够有意地设计出种种不同的条件来迫使物体按一定的方式运动,以便取得与该问题有关的各种数据。例如,可以有意地让一些球从一些斜面上滚下来;这样做时,既可以用各种大小不同的球,也可以改变球的表面性质或者改变斜面的倾斜度,等等。这种有意设计出来的情况就是实验,而实验对近代科学起的作用是如此之大,以致人们常常把它称为“实验科学”,以区别于古希腊的科学

(4)有了这些收集起来的数据,就可以作出某种初步的概括,以便尽可能简明地对它们加以说明,亦即用某种简明扼要的语言或者某种数学关系式来加以概括。这也就是假设或假说

(5)有了假说以后,你就可以对你以前未打算进行的实验的结果作出推测。下一步,你便可以着手进行这些实验,看看你的假说是否成立

(6)如果实验获得了预期的结果,那么,你的假说便得到了强有力的事实依据,并可能成为一种理论,甚至成为一条“自然定律”

当然,任何理论或自然定律都不是最后定论。这一过程会一次又一次地重复下去。新的数据,新的观察和新的实验结果将不断出现,旧的自然定律将不断为更普遍的自然定律所替代,因为这些新的定律不但能说明旧定律所能解释的各种现象,而且还能说明旧定律所不能解释的一些现象

以上这些,正如我已经说过的,是一种理想的科学研究方法。但是在真正的实践中,科学工作者并不需要像做一套柔软体操那样一步一步地进行下去,而且他们通常也不这样做

比起旁的事情来,像直觉、洞察力甚至运气这一类因素常常更起作用。在整部科学史中充满了这样的例子。有不少科学家仅仅根据很不充分的数据和很少一点实验结果(有时甚至一点实验结果也没有),便突然灵机一动,得出了有用的、合乎事实的论断。这样的论断,如果按部就班地通过上述理想的科学研究方法进行,就可能要用好几年的时间才能得到

例如,凯库勒就是在邮车上打瞌睡的时候,突然领悟到苯的化学结构的。洛维则在半夜醒来的时候,突然得到了关于神经刺激的化学传导问题的答案。格拉泽却由于无聊地凝视着一杯啤酒,才得到了气泡室的想法

然而这是不是说,一切都是凭好运气得来的,根本不需要动脑筋去思考呢?不,绝对不是的。这样的“好运气”只有那些具有最好领悟力的人才会碰上,换句话说,有些人之所以会碰上这样的“好运气”,只是因为他们具有十分敏锐的直觉,而这种敏锐的直觉则是依靠他们丰富的经验、深刻的理解力和平时爱动脑筋换来的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

史上最伟大的科学家是谁——100个科学问题之2

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190608

牛顿是史上最伟大的科学家,他至少在四个方面有伟大贡献:

  • 数学:微积分

  • 光学:阳光分解为光谱色

  • 力学:牛顿运动定律

  • 天文学:万有引力定律

如果要加一位科学家,则达尔文也是

  • 牛顿把上帝从管理宇宙的繁忙工作中解放了出来
  • 达尔文把上帝从管理生物的繁忙工作中解放了出来

上帝为了感谢牛顿和达尔文的帮忙,特封他们为并列的世上最伟大的科学家


2 你认为谁是迄今最伟大的科学家?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

如果所提出的问题是“谁是第二伟大的科学家”,那就很难回答来。因为,据我看来,至少有十来位科学家可以看作是第二伟大的科学家。例如,爱因斯坦,卢瑟福,玻尔,巴斯德,达尔文,伽利略,麦克斯韦,阿基米得等,都可以算得上

事实上,世界上很可能根本没有第二伟大的科学家。既然有那么多科学家都能如此合适地看作第二伟大的科学家,既然在上面列举的科学家中很难区别出到底谁更伟大,我们只好停止进行这项评选,干脆说他们都是名列前茅的选手

但是,由于我们所提出的问题是:“谁是最伟大的科学家?”所以,要回答这个问题是没有多大困难的。我认为大多数科学史家都会立刻异口同声地说,牛顿是世界上从未有过的最伟大的科学家。尽管他也有他自己的一些缺点,例如,他是一个很糟糕的演讲者,还或多或少是个胆小怕事的人,是一个喜欢自我怜悯的好哭的人,而且有时还容易灰心丧气,但是作为一个科学家来说,那是没有人能够和他相比的

  • 他由于研究出微积分而为高等数学奠定了基础

  • 他由于进行了把阳光分解为光谱色的实验而奠定了现代光学的基础

  • 他由于发现了力学上的三大定律并推导出这些定律所起的作用而奠定了现代物理学的基础

  • 他由于研究万有引力定律而奠定了现代天文学的基础

任何科学家只要具有这四项功绩中的一项,就足以成为一位显赫的科学家,如果所有这四项贡献都是他一个人作出的话,那他就会毫无疑问成为名列首位的科学家

当然,牛顿的伟大还不只限于他的这些发现。更重要的是他作出这些发现时所采取的方式

古希腊人曾把大量科学思想和哲学思想汇集在一起。柏拉图、亚里斯多德、欧几里得、阿基米得和托勒密等伟大人物,在两千年当中一直像巨人一样屹立在后代人的心目之中。后来阿拉伯和欧洲的许多伟大思想家都没有能够越过古希腊人一步,在不引证古人的见解来支持其想法的情形下,都不敢提出自己的新见解。尤其是亚里斯多德,更是他们心目中的泰斗

到了十六和十七世纪,才有一些实验家,如伽利略和波义耳等,敢于提出古希腊人的见解并非全是正确的。伽利略推翻了亚里斯多德在物理学上的某些论断,并作了不少工作(牛顿后来的三大运动定律就是对伽利略这些工作所进行的概括)。尽管如此,欧洲当时的知识界仍然不敢背离他们长期以来所崇拜的希腊人

到了1687年,牛顿出版了他用拉丁文写的名著《数学原理》。根据大多数科学家的看法,这是自古以来第一部最伟大的著作。在这部著作中,他提出了他的物体运动三大定律,他的万有引力理论以及许多其他问题。他以严格的希腊风格应用了数学,并以最完美的方式把各种现象联系在一起。凡是读过这部书的人,都不得不承认世界上终于出现了一位不但可与任何一个古代思想家并驾齐驱,甚至胜过他们的伟大思想家,不得不承认他所提出的宇宙图案不仅是无懈可击十分完善的,而且从它的合理性和必然性方面来说,都大大胜过希腊文献中所提到的东西

随着这个伟大人物和这部伟大著作的出现,古希腊人加在人们思想上的枷锁终于被打碎了,现代人在智慧上的全部自卑感永远被打破了

在牛顿逝世以后,亚历山大教皇用以下几句话谈到了他:

自然和自然规律隐藏在黑夜之中
上帝差遣牛顿来到我们当中
于是,他揭开了自然这谜,创业立功

————碧声注:上述译文有误,这几句话的作者是一位名叫亚历山大·蒲柏(Alexander Pope)的英国诗人,并非教皇

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

两个科学家同时发现科学理论——100个科学问题之3

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190608

历史上很多著名的科学家同时提出科学理论,这是怎么回事,难道不同地方的人思维自动同步了吗

这个世界上并没有生下来就是天才的人,所有伟大的科学家都是在前人研究的基础上再进一步而已。世界上这么多的人,他们都在学习前人的研究成果,有时会有多个不同地方的人同时在前人的基础上踏出一步的现象

从生理的角度来说,人的聪明程度和脑容量有关,但是人类妇女的产道又不大,于是刚生下来的婴儿的脑容量天然地受到了限制。确实有些人生来聪明一些,但是这个区别并不会太大


3 两个或两个以上彼此并不知道对方所做工作的科学家,为什么时常会提出同样的理论?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

回答这个问题的一个最简便办法,是直截了当地说,这是因为科学家并不是在真空中工作的。这也就是说,他们全都深深地卷入到当时的科学结构和科学进步之中,并同时面对着同样一些问题

例如,在十九世纪上半叶,物种进化的问题在很大程度上仍然是个悬而未决的问题。有一些生物学家曾经激烈反对这种看法,然而另外一些生物学家则在那里积极地推测这种进化可能引起的后果,并竭力寻找物种进化的证据。尽管他们当中既有人反对,也有人支持这种看法,但几乎每一个生物学家都在思考这个问题,这是当时的实际情况。

当时的主要问题是:

如果确实发生了物种进化,那么,到底是什么因素导致这种进化的呢?

在英国的达尔文当时正在思考这个问题。在东印度群岛的另一个英国人华莱士也在思考着同样的问题。这两个人都是周游世界的旅行家,都进行了类似的观察;而且在思考这个问题的关键时刻又都同时阅读了马尔萨斯的一本著作。马尔萨斯在这本著作中谈到了人口不断增长对人类所发生的影响

当时,达尔文和华莱士两人都开始思考这样一个问题:生物数量的增加对所有物种所造成的压力。哪一些个体会生存下去,而哪一些个体将不能生存下去?

结果,他们两人都得出了通过生物的自然淘汰而进行物种进化的新理论

但是,上面所说的这些还不算是最令人惊讶的。因为这两个人都以同样的方式研究同样一个问题,都对同一些事实进行观察,而又都阅读了同一本由另一个人所写的书,因此就很可能得出相同的答案

到了十九世纪后半叶,许多生物学家都试图弄清生物遗传机理。有三个分别住在三个不同国家的人,竟在同一时期以同样的方式研究了这个问题,并得出了相同的结论。而且这三个人在查阅过去的文献时,又都不约而同地发现了另一个人(孟德尔)早在三十四年前就已经发现的、但一直没有引起人们注意的遗传规律

十九世纪八十年代对科学工作者所提出的一项巨大任务,是如何能够以低成本生产出铝。当时,人们虽然已经知道了铝的特性和用途,却很难从铝矿石中把它提炼出来。要从这项发现中发财致富,完全取决于能否研究出一种容易实现的技术。我们很难查明,到底有多少化学工作者当时曾经以另一些化学工作者已经取得的同一些经验为依据来研究这个问题。但是我们已经知道,有两个人在同一年——1886年——得出了同样的答案。其中一个是美国的霍尔,另一个是法国的赫鲁特。这一点,似乎并不使人感到十分奇怪,令人感到惊讶的倒是:这两个人不但姓氏的第一个字母都是H,并且两人既都生于1863年,又都死于1914年

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

科学研究的方法分类:推理,实践——100个科学问题之4

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190608

我把宇宙可以分为物质宇宙和升物宇宙

关于什么是升物,见 《从生物学到升物学——整体学的诞生》 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/

就物质宇宙来说,物理学常数好像是恒定的,物理规律好像是通用于宇宙各个角落,不仅现在是如此,将来也应该是如此。然而,宇宙是处在演化过程中的,宇宙演化过程时间跨度极大,相比宇宙尺度,人类存在的时间还不到一眨眼的时间,这就给人类一种错觉,好像物理规律十分稳定,如果人类和宇宙同寿,那么人类应该会发现物理规律也不是永远不变的

对于升物宇宙来说,很多时候是不可能作出数学形式的绝对的证明的。说到科学,并不是要求绝对的证据,科学从来只是要求相对来说最有可能的答案。对于中国这样技术上有进步,科学上还很不足的国家,要求人们普遍理解科学的相对性是困难的,如果理解了,那么科学和宗教的辩论就是十分简明了

升物到底是进化而来的还是神创的?我们并不是要求绝对的证据,只要知道哪个可能性更大就可以了,持神创论者喜欢质疑进化论的化石证据的不完美,那么请问一下,神创论可有哪怕一丁点的化石证据,一个是没有证据,一个是有很多证据但不完美,用一个脚趾头想想就知道了科学的选择是什么

什么是科学及科学研究方法,海云青飞 认为,科学研究的重要方法有二种:

推理法,建立假说
实践法,在实践中观察、总结、验证

推理,指的是偏重于虚拟世界的科学研究方法

实践,指的是偏重于实际世界的科学研究方法

比如爱因斯坦提出的相对论,主要是来自推理,后来才得到实践的很多证实

达尔文提出的进化论,主要来自对现实世界的观察研究

推理法和实践法的关系,相当于战略和战术的关系。战术相对容易,也更接地气;战略站得很高,却需要战术来验证、细化、执行

目前尖端的物理研究已经颠覆了大众的一般认知,人类的多数人却对此一无所知,即使物理学家也是对物理学的一些现象一头雾水。海云青飞 https://www.tuenhai.com 的科学方法是彻底的整体观,整体观可以视为推理法和实践法的完美结合,可以提前于整个时代得出一些结论

举一个例子,分子升物学过分夸大了基因的决定性作用,甚至有人写出了《自私的基因》来强调基因的重要性,持整体观的人就不会被局部的现象所迷惑

一切升物的都在运动,并且没有升物是在作匀速直线运动,既然不是直线,必然是带有螺旋的运动。不但是升物,物理宇宙也是在作螺旋运动。对于人来说,基因的螺旋的组合是由人的整体的运动的螺旋决定的,整体观认为整体决定局部,得出这个结论是十分自然的事情,这个结论不容易验证,也不是容易验证,而是没有人去作验证,人类多数人是没有整体观的,自然没有科学家去作这样的验证

一个结论没有经过严格的实验验证,持整体观的人对此并不一定会感到多少难过,科学从来不要求绝对的结论,科学要求的是更可能,更简单,更优雅的结论

持整体观的人如果对一个目前看起来简单,优雅的结论心满意足了,那就不是整体观了。一切事物都有改进的空间。永远处在演化中,永远处在改进的过程中,这是人生的真义,生命的真义,也是宇宙的真义

“我现在所说的是假话”

我说的到底是真话还是假话?因为这句话是自指的,从纯粹逻辑的角度看,既可以是真话,也可以是假话

这句话是虚拟世界的话,如果和实际的事物对应起来,那么就不会有矛盾了。如果一定要在实际中使用这句话,那么必定还有上下文,比如 “这是我自己做的,我现在说的是假话”,就不矛盾了

本文参考: https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/b/b-ke-xue-yan-jiu-ji-ben-fang-fa.html


4 什么是戈德尔证明?戈德尔证明是否说明真理是不可得知的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

从欧几里得(2200年前)以来,数学家一般都是从某些称为“公理”的陈述出发,推导出各种有用的结论

从某种意义上说,这几乎就像是一种必须遵守两条规则的游戏

  • 第一,公理应当尽量少。如果你能从某一条公理推导出另一条公理,所么,所推导出的那条公理就不能作为公理
  • 第二,公理必须是没有内在矛盾的。绝不允许从某一公理推导出两个相互矛盾的结论

任何一本中学几何课本都要先列出一组公理:通过两点只能作一条直线;整体等于各个部分之和,等等。在很长一段时间内,人们都把欧几里得的公理看作是唯一可用来建立没有内在矛盾的几何学的公理,从而把这些公理看作是“真公理”

但是,到了十九世纪,有人证明了欧几里得的公理是可以用某些方式来加以改变的,因而可以建立另外一种不同的几何学,即“非欧几里得几何学”。这两种几何学虽然各不相同,但每一种几何学都不具有内在矛盾。从此以后,人们如果要问哪一种几何学是真几何学,就没有意义了。如果要问,就只能问哪一种几何学更有用些

事实上,我们可以用许多组公理来建立几种各不相同但又各自并不具有内在矛盾的数学体系

在任何一种这样的数学体系中,你都必定不可能根据它的公理推导出既是如此又非如此的结论,因为如果这样的话,这个数学体系就不可能不具有内在矛盾,就会遭到淘汰。但是,徜若你能作出一种陈述,并且发现你不能证明它既是如此又非如此的话,又将怎么样呢?

假如我说:“我现在所说的是假话”

是假话吗?如果是假话,那么,我在说假话这件事就是假的了,因此,我必定在说真话。如果我在说真话,那么我在说假话这件事就是真的了,因此,我确实在说假话。我可以永无休止地来回这样说,结果,将永远无法证明我所说的到底是如此,还是并非如此

假如你能对这些逻辑公理进行调整,以排除上面所说的这种可能性,那么,你能不能找到另外的方法来作出这样一种既是如此,又非如此的说法?

1931年,一位奥地利数学家戈德尔终于提出一个有力的证明,他指出,对于任何一组公理,你都能作出既不能根据这些公理来证明事实确是如此,也不能根据这些公理来证明事实确非如此的说法。从这个意义上讲,任何人都不可能建立出一种可以凭此推导出一个完美无缺的数学体系的公理

这是不是意味着我们永远不可能找到“真理”呢?

第一,因为一种数学体系不完美,并不意味着它所包含的东西是假的。如果我们不想超出这样的数学体系的限度来应用它,它就仍然是极其有用的

第二,戈德尔证明只适用于数学中所应用的那几种演绎体系。但是演绎并不是发现“真理”的唯一办法。任何公理都不能帮助我们去推导出太阳系的大小。太阳系的大小是通过观察和测量而得出的——观测是得到“真理”的另一途径

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

英语是26进制数学——100个科学问题之5

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190608

文字分画字和音字

汉字是象形字,象形字其实应该叫画字,画是对实物的高度简化的勾勒,象形字也是对实物的高度简化的勾勒

画字天生就比拼音文字优秀,画字的优秀全体现在一个“画”字上,画字要求用尽量少的笔画表达意义,分开来讲画字的设计有二个要点:

  • 画对应实物,要做到能从笔画组合猜出意义,或者通过简单讲解知道笔画组合的意义
  • 满足上条的前提下减少笔画数以方便书写

画字的优点是直观,因为画对应着实物,缺点是笔画组合复杂

英文是拼音文字,也叫音字,它的优点和缺点是什么,为什么世界上多数字文字是音字

所有的文字一开始的时候都是画字,画字书写太复杂了,所以绝大多数文字走向了音字

音字的优点是:

  • 书写简单
  • 读音与字母组合对应

音字的缺点是字母组合与含义没有直观的对应关系

英文是数学文字,有序文字

你在中国的任意一个问答网站提问:汉字是世界上最优秀的文字吗

大多数的答案必然是倾向于肯定,如果你有不同意见,恐怕会被许多人喷。 海云青飞 也同意汉字是世界上最优秀的文字,这样至少可以提升民族自信心(也就是打鸡血)

这里我提供一个独特的视角供你参考,英文有26个字母,实际上可以视为 26 个数字

A = 1
B = 2
C = 3
D = 4
E = 5
F = 6
G = 7
H = 8
I = 9
J = 10
K = 11
L = 12
M = 13
N = 14
O = 15
P = 16
Q = 17
R = 18
S = 19
T = 20
U = 21
V = 22
W = 23
X = 24
Y = 25
Z = 0

每个英文字母对应着十进制数字,英文单词 eye 用十进制表示就是 5 25 5,于是所有英文的使用场景都可以看成 26 进制数字的排列组合

如果人类的大脑处理得过来的话,直接用英文字母来表示数字也是挺好的

汉字则无法当作数字处理,所以,英文是有序文字,汉字是无序文字,你说有序好还是无序好?

其实汉字也是可以改进成有序文字,方法是先设计 26 或 25 类笔画类型称为符号表,然后所有汉字都用这些符号组合而成,这样汉字既是画字,又是有序文字,很是完美

26进制数字的应用

现在我们已经有了26进制的数字了,海云青飞 https://www.tuenhai.com 建议每个人在小学的时候就记住这26个数字,以后使用起来就比较方便了

我写文章时,都是分类保存在电脑的目录里,目录下的文章需要排序,如果用 10进制 数字,则 11 以内的数量可以用 1 个 10进制 数字表示,如果超过 10 就要 2 个 10 进制数字了。一个目录下超过 10 篇文章是常有的事情,超过 26 篇文章的情况就很少了,所以我通常是在文章前面加 1个 英文小写字母来排序

我们学习知识的时候,要学会自己进行各种拓展,虽然老师没有讲到 26进制数学,但是你为什么不可以比老师聪明呢。你可以再想一下,化学元素是有固定序号的,也可以看成数字

26进制数字可以用来简单加密,比如用 10进制数字来表示英语单词,对于记住26个英文字母和十进制数字对应关系的人可以立即解读出来,而其他人则猜不出这是什么东东,你知道 13 25,2 15 15 11 表示的是什么意思吗

把十进制数字对应于 10 个手指,就可以用10个手指来表达英语

本文参考了: https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/z/a-wo-wei-zhen-li-er-sheng.html


5 普通数和二进制数有什么区别?它们各有什么优点?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们通常所用的数都是十进制数。这就是说,它们是按10的幂来进位的。我们写7291时,实际上就是 7×10^3 加上 2×10^2 加上 9×10^1 加上 1×10^0

应当记住

10^3=10×10×10=1000
10^2=10×10=100
10^1=10
10^0=1

因此,7291 就是 7×1000 加上 2×100 加上 9×10 再加上 1。读出声的时候,就是七千二百九十一

由于我们对应用 10 的各次幂已经非常习惯,所以我们只须写出他们所乘的数(如 7291),其余的都可以略去

其实,10的幂次并不是什么神秘的东西。任何一个比1大的数的幂次都可以起到这样的效果。例如,假定我们现在想用8的幂来写出7291这个数,这时应当记住

8^0=1
8^1=8
8^2=8×8=64
8^3=8×8×8=512
8^4=8×8×8×8=4096

这样,我们就可以把7291写为 1×8^4 加上 6×8^3 加上 1×8^2 加上 7×8^1 再加上 3×8^0。(请你们自己把这个数算出来,并看看所得出的答数。)如果只写出各次幂所要乘的数字,它就应当是16173。因此,我们可以说16173(八进制)=7291(十进制)

八进制的优点在于除了0以外,你只需记住七个数字。如果你想用数字8,那你可以写出8×8^3,而这就等于1×8^4。因此,不管任何时候,你都可以用1来代替8。所以十进制的8等于八进制的10;十进制的89等于八进制的131,依次类推。但是,用八进制时,一个数所用的总字数要比用十进制时多。由此可见,基数越小,所用的不同数字越少,但总字数则越多

当你用二十进制时,7291这个数将成为 18×20^2 加上 4×20^1 再加上 11×20^0 。在这种情形下,如果你把18写为#,并把11写为%,你就可以说#4%(二十进制)=7291(十进制)。用二十进制时你将不得不用19个不同的数字,但是每一个数所用的总字数就会少些

十进制是一种很方便的进位制。用这种进位制时,既不必记住过多的数字,而且在写一个数时,又可不必用过多的字数

什么是二进制数呢?在二进制的情况下,7291这个数等于1×2^12加上1×2^11加上1×2^10加上0×2^9加上0×2^8加上0×2^7加上1×2^6加上1×2^5加上1×2^4加上1×2^3加上0×2^2加上1×2^1再加上1×2^0。(请你们自己把这个数算出来,看看得出什么结果。但要记住2^9是9个2的乘积,亦即2×2×2×2×2×2×2×2×2=512。)如果只写出数字,那就是1110001111011(二进制)=7291(十进制)

由于二进制数只需要用两个数字,即1和0,所以做加法和乘法演算特别简单。但是即使一个很小的数,例如7291,也要用很多位数表示,因而很容易在我们头脑中造成混乱

但是,电子计算机则可以使用一个双向开关。把开关拨向某一方向,即把电流接通时,它就代表1。把开关拨向另一方向,即把电流断开时,它就代表0。这样,通过操纵电路,使它根据二进制的加法和乘法规则接通和断开,计算机就能以非常快的速度进行算术演算。同按十进制原理设计、用标有0到9的齿轮来进行演算的普通台式计算器相比,它的演算速度要快得多

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

虚数单位i是什么意思

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190609

中国教育的功利化倾向

中国的教育是应试教育,教育政策、教材编写、教学活动都存在极强的功利化倾向,表现在:

  • 要求学生记住理论,不重视理论与实际的联系
  • 答案的标准化,不鼓励学生提出不同看法

虽然口头上说要创新,但是学校教育实际上做的是扼杀学生创新能力的事情,泱泱大国,于现代科学几乎没有任何重大贡献,死板、教条的学校教育功不可没。这不能怪学生,也不能怪老师,学生是被动的,老师也是被动的

如果你有计划培养自己的儿子/女儿成为创新型的学术大师,那么必须减低学校教育的负面作用,同时自己肩负起教育的重任

从空间性角度理解加法

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,宇宙一切事物都可以从空间性的角度得到最本质、简洁的解释

我买了 5个 苹果,我认识卖家,我只给她 3个 苹果的钱,我还欠她 2个 苹果的钱

把外部的事物往自己这里搬,可以视为正空间性的减小(或负空间性的增加),拿了5个苹果,就是我的正空间性少了5(个苹果),就是 -5

把事物往外部搬,是正空间性的增加(或负空间性的减小),我给她 3个 苹果的钱,我的正空间性增加了3 (个苹果),就是 +3

我的正空间性增加3,减少5,最终结果是我的正空间性减少了2 (个苹果)。如果我们总是往自己这里搬东西更多,那么我偿的正空间性会越来越小,也就是我们一直在退化

学习知识也是这样,一直只是向外界学习,自己反馈给外部世界少,那么在学习方面的正空间性就越来越小,这个人就成不了气候。有很多人推崇费曼学习法,其要点是通过把知识简明扼要讲解给别人听来提高自己的学习效率,很少人知道原理是什么,只有空间性才能解释其中奥秘。人类以为自己是生物,很特殊,从物理的角度看,管你是不是生物,宇宙间的一切只不过是不同的空间运动而已,当你向外表达知识的时候,你的空间在向外扩张,这就是说你在进化

事物往往是动态的,总是用加减法来计算的效率太低,这时就要用到乘除法

人类是从猩猩进化而来的,进化意味着正空间性的增大(或负空间性的减小),体现在人类的身体和地面的夹角比较接近垂直。假设猩猩身体与地面的夹角是45度,人类身体和地面的夹角是85度,则从猩猩到人类的进化过程可以用乘法表示

(+1)×(+40)=(+40)

  • 被乘数 (+1)

    1 表示空间性的度量,+ 表示空间性增大,要注意,增大 可以是 正空间性 增大(正数值增大),也可以是 负空间性 增大(负数值增大)。如果不涉及负空间性的时候, 海云青飞 可能把 正空间性 简化表达为 空间性

  • 乘数 (+40)

    40 表示重复次数,+ 表示正空间性区域

  • 结果 (+40)

    40 表示空间性的度量,+ 表示正空间性区域,也就是正空间性增加了40(猩猩进化成了人类)

(+1)×(-1)=(-1)

  • 被乘数 (+1)

    1 表示空间性的度量,+ 表示空间性增大

  • 乘数 (-1)

    1 表示重复次数,- 表示负空间性区域

  • 算式(+1)×(-1)

    表示负空间性的值增大 1 × 1

  • 结果 (-1)

    负空间性增加了 1 ,也就是退化了1

(-1)×(-1)=(+1)

  • 被乘数 (-1)

    • 1 表示空间性的度量,- 表示空间性的减小
  • 乘数 (-1)

    1 表示重复次数,- 表示负空间性区域

  • 算式(-1)×(-1)

    表示负空间性区域的值减小了 1 × 1,也就是正空间性增加了 1 × 1

  • 结果 ( + 1)

    正空间性增加了 1 ,也就是进化了1

正实数平方根的含义

什么数自乘将会得出+1?换成用数学语言来说就是:+1的平方根是多少?

换成用空间性来表示,空间进化1,展开可以怎么表示?可以用二种方式来表示:

  • (-1)×(-1)

    负数区的值减 1。举个实际的例子,现代人类的姿势越来越不够直立,表现为多坐,多俯身、低头,这就是负数区在值在增大,或者说负空间性在增大,如果你改成少坐,少俯身低头,那么你的负数值会减小,负数值的减小就是正数值的增大

  • (+1)×(+1)

    正数区的值加1,从猩猩进化到人,身体的直立程度一直在增加,也就是正空间性在增加,直立程度增加 1度,可以用 (+1)×(+1) 来表示

实数的平方根就是已知结果求过程的表示法。对于正实数来说,可以分别表示为正数区值的增大和负数区值的减小

负实数平方根与虚数——100个科学问题之6

-1 的平方根是多少,换句话说,-1 是结果,展开后,过程应该怎么表示?还是可以用二种方式来表示:

  • (+1)×(-1)

    正数区值加1

  • (-1)×(+1)

    正数区值减 1

求某数平方根实际上是求某数的动态表示法,然而人类科学家不习惯动态表示法,他们喜欢用静态来表示,负实数的平方根在他们看来过于复杂,于是他们创造了虚数的概念,这是一个虚幻的概念,于是用英文单词 imaginary 的第一个字母 i 来标记虚数,比如把正虚数2写为(+2i),把负虚数2写为(-2i)


6 什么是虚数?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

大多数人最为熟悉的数有两种,即正数(+5,+17.5)和负数(-5,-17.5)。负数是在中世纪出现的,它用来处理3-5这类问题。从古代人看来,要从三个苹果中减去五个苹果似乎是不可能的。但是,中世纪的商人却已经清楚地认识到欠款的概念。“请你给我五个苹果,可是我只有三个苹果的钱,这样我还欠你两个苹果的钱。”这就等于说:

(+3)-(+5)=(-2)

正数及负数可以根据某些严格的规则彼此相乘。正数乘正数,其乘积为正。正数乘负数,其乘积为负。最重要的是,负数乘负数,其乘积为正

因此,

(+1)×(+1)=(+1)
(+1)×(-1)=(-1)
(-1)×(-1)=(+1)

现在假定我们自问:什么数自乘将会得出+1?或者用数学语言来说,+1的平方根是多少?

这一问题有两个答案。一个答案是+1,因为(+1)×(+1)=(+1);另一个答案则是-1,因为(-1)×(-1)=(+1)。数学家是用√ ̄(+1)= ±1 来表示这一答案的。(碧声注:(+1)在根号下)

现在让我们进一步提出这样一个问题:-1的平方根是多少?

对于这个问题,我们感到有点为难。答案不是+1,因为+1的自乘是+1;答案也不是-1,因为-1的自乘同样是+1。当然,(+1)×(-1)=(-1),但这是两个不同的数的相乘,而不是一个数的自乘

这样,我们可以创造出一个数,并给它一个专门的符号,譬如说#1,而且给它以如下的定义:#1是自乘时会得出-1的数,即(#1)×(#1)=(-1)。当这种想法刚提出来时,数学家都把这种数称为“虚数”,这只是因为这种数在他们所习惯的数系中并不存在。实际上,这种数一点也不比普通的“实数”更为虚幻。这种所谓“虚数”具有一些严格限定的属性,而且和一般实数一样,也很容易处理

但是,正因为数学家感到这种数多少有点虚幻,所以给这种数一个专门的符号“i”(imaginary)。我们可以把正虚数写为(+i),把负虚数写为(-i),而把+1看作是一个正实数,把(-1)看作是一个负实数。因此我们可以说√ ̄(-1)=±i

实数系统可以完全和虚数系统对应。正如有+5,-17.32,+3/10等实数一样,我们也可以有+5i,-17.32i,+3i/10等虚数

我们甚至还可以在作图时把虚数系统画出来

假如你用一条以0点作为中点的直线来表示一个正实数系统,那么,位于0点某一侧的是正实数,位于0点另一侧的就是负实数

这样,当你通过0点再作一条与该直线直角相交的直线时,你便可以沿第二条直线把虚数系统表示出来。第二条直线上0点的一侧的数是正虚数,0点另一侧的数是负虚数。这样一来,同时使用这两种数系,就可以在这个平面上把所有的数都表示出来。例如(+2)+(+3i)或(+3)+(-2i)。这些数就是“复数”

数学家和物理学家发现,把一个平面上的所有各点同数字系统彼此联系起来是非常有用的。如果没有所谓虚数,他们就无法做到这一点了

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

素数有什么作用——100个科学问题之7

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190610

无趣的人组成的无趣的世界

学习任何理论都要尝试把它们和实际的事物联系起来,这就是学习过程中的空间性拓展

我看到很多的教材编写者不懂这个非常重要的要点,他们只是像机器人一样把理论机械化地描述出来,并且他们的描述默认是给机器人看的,可惜他们忘记了人类不是机器人,人类的长处不是死记硬背,机器人才擅长死记硬背,人类最擅长的空间拓展,你可以把空间拓展理解为把不同的事物联系起来

数学是门有用的工具学科,数学又是一门枯燥的学科,说数学枯燥是因为讲解数学的人是十分枯燥的人,他们最擅长的事情是扼杀人们学习数学的兴趣

这个世界枯燥的人太多了,从这个意义上讲这个世界是十分无趣的,你想做一个有趣的人,就要自己去寻找乐趣,或者海云青飞 https://www.tuenhai.com 可以给你一些建议

静态的数字和动态的数字

单独的数字可以视为静态的数字,比如数字5,可以是静态的5个人,或者5只猪,或者形状象 5 字的事物

乘法可以理解为动态的数字,3×5 是3重复5次,可以形象地理解为 3 这个事物走了 5步,3可以是一个人的名字,一个名字叫 3 的人走了 5 步。发挥你的想象力,不要局限于 海云青飞 举的例子

素数的形象化理解

素数通常是这样定义的:

素数是这样的整数,它除了能表示为它自己和 1 的乘积以外,不能表示为任何其它两个整数的乘积

2 只能表示为 2 和 1 的乘积,所以 2 是素数

15 = 3×5
15 = 15×1

明显,15 不是素数

素数和非素数有什么不同吗?可以理解为素数内部的运动只有一种步法,非素数的内部运动有一种以上的步法

  • 素数:内部只有一种运动形式的数字
  • 非素数:内部有一种以上运动形式的数字

15是个静态数字,其内部有二种运动形式,既可以 3×5 这样运动,也可以 15 × 1 这样运动

2 是个静态数字,其内部只有一种运动形式,就是 2×1,所以 2 是素数

这个世界无趣的人太多了,你不要跟他们一样无趣,你是特殊的,你比他们聪明,你可以把让无趣变成有趣,你可以让死气沉沉变成活蹦乱跳。你是谁?你就是海云青飞 https://www.tuenhai.com 的读者

素数的应用

要求精确、唯一的场景,可以用素数


7 什么是素数?数学家为什么对它们感兴趣?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

素数是这样的整数,它除了能表示为它自己和1的乘积以外,不能表示为任何其它两个整数的乘积。例如,15=3×5,所以15不是素数;又如,12=6×2=4×3,所以12也不是素数。另一方面,13除了等于13×1以外,不能表示为其它任何两个整数的乘积,所以13是一个素数

有的数,如果单凭印象去捉摸,是无法确定它到底是不是素数的。有些数则可以马上说出它不是素数。一个数,不管它有多大,只要它的个位数是2、4、5、6、8或0,就不可能是素数。此外,一个数的各位数字之和要是可以被3整除的话,它也不可能是素数。但如果它的个位数是1、3、7或9,而且它的各位数字之和不能被3整除,那么,它就可能是素数(但也可能不是素数)。没有任何现成的公式可以告诉你一个数到底是不是素数。你只能试试看能不能将这个数表示为两个比它小的数的乘积

找素数的一种方法是从2开始用“是则留下,不是则去掉”的方法把所有的数列出来(一直列到你不想再往下列为止,比方说,一直列到10000)。第一个数是2,它是一个素数,所以应当把它留下来,然后继续往下数,每隔一个数删去一个数,这样就能把所有能被2整除、因而不是素数的数都去掉。在留下的最小的数当中,排在2后面的是3,这是第二个素数,因此应该把它留下,然后从它开始往后数,每隔两个数删去一个,这样就能把所有能被3整除的数全都去掉。下一个未去掉的数是5,然后往后每隔4个数删去一个,以除去所有能被5整除的数。再下一个数是7,往后每隔6个数删去一个;再下一个数是11,往后每隔10个数删一个;再下一个是13,往后每隔12个数删一个。……就这样依法做下去

你也许会认为,照这样删下去,随着删去的数越来越多,最后将会出现这样的情况;某一个数后面的数会统统被删去因此在某一个最大的素数后面,再也不会有素数了。但是实际上,这样的情况是不会出现的。不管你取的数是多大,百万也好,万万也好,总还会有没有被删去的、比它大的素数

事实上,早在公元前300年,希腊数学家欧几里得就已证明过,不论你取的数是多大,肯定还会有比它大的素数,假设你取出前6个素数,并把它们乘在一起:2×3×5×7×11×13=30030,然后再加上1,得30031。这个数不能被2、3、5、7、11、13整除,因为除的结果,每次都会余1。如果30031除了自己以外不能被任何数整除,它就是素数。如果能被其它数整除,那么30031所分解成的几个数,一定都大于13。事实上,30031=59×509

对于前一百个、前一亿个或前任意多个素数,都可以这样做。如果算出了它们的乘积后再加上1,那么,所得的数或者是一个素数,或者是比所列出的素数还要大的几个素数的乘积。不论所取的数有多大,总有比它大的素数,因此,素数的数目是无限的

随着数的增大,我们会一次又一次地遇到两个都是素数的相邻奇数对,如5,7;11,13;17,19;29,31;41,43;等等。就数学家所能及的数来说,他们总是能找到这样的素数对。这样的素数对到底是不是有无限个呢?谁也不知道。数学家认为是无限的,但他们从来没能证明它。这就是数学家为什么对素数感兴趣的原因。素数为数学家提供了一些看起来很容易、但事实却非常难以解决的问题,他们目前还没能对付这个挑战哩

这个问题到底有什么用处呢?它除了似乎可以增添一些趣味以外,什么用处也没有

碧声注:一点用处也没有吗?……听说在密码方面很有用哩

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

人与人沟通有那么难吗——100个科学问题之8

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190611

有的时候,人们会有这样的感慨:为什么和人沟通特别难,你可以说是因为两人差距太大沟通难,本文试图进一步分析这个问题

对概念的定义的不一致导致沟通的失败

人类社会有非常多的争执,一个原因是大家对同一个概念的定义不一样

有许多人自称信仰宗教,他们的共同点是信仰一个无所不能的终极的存在,然而不同的宗教信仰者是无法坐下来沟通的,因为各方对这个终极存在的定义不一样,佛教徒认为这个存在是个光头的,中国基督教徒认为这个存在是长头发的外国人,各方都坚信自己是真理的化身,如果他们坚持沟通下去,必然演变成争吵,然后发展成干架

即使同一个宗教,各人对终极存在的定义也是不一样的,有许多教徒喜欢把牛顿抬出来为宗教站台,你们这样擅自让牛顿给你站台却没有支付站台费,这可是严重的侵权知道吗。牛顿是不信三位一体的神的,而对中国的基督教信仰者来说神是三位一体的,所以,在中国信仰者看来,牛顿应该是不信神的才对,你怎么能把不信神的牛顿抬出来为你站台呢

现代社会讲人人平等,但是,平等可以有不同的定义,在平等的定义没有取得统一的时候,人人平等 是句废话。当不同的国家的人们对平等的定义不一样的时候,就可能造成文明的冲突

海云青飞 在 《生物学的哲学问题》 谈到了 形式平等 和 事实平等 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/b/i-sheng-wu-xue-zhe-xue-wen-ti.html

形式平等就是表面上的平等,实际上却是不平等。人类社会应用的 平等 的概念其实很多时候是形式平等,是一种抹平了人和人之间的差异性的平等。在把平等定义成形式平等的人看来,持事实平等观念的人是侵犯人权,在把平等定义成事实平等的人看来,持形式平等观念的人是黑白颠倒

有效沟通的前提:概念的定义一致

在科学讨论中,讨论的双方都需要做到 对讨论中用到的概念,双方的定义一致

如果做不到对概念的定义一致,讨论没有必要开始,如果讨论已经开始了,那么可以考虑退出讨论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 一般不和宗教人士讨论问题,因为预先已经知道双方对概念的定义是很难统一的,那么讨论变成了鸡讲鸡语,人说人话,毫无意义

在中国,各种各样的争论特别多,比如中医,粉和黑似乎生活在两个不同的星球,当有人摆事实,讲道理,指出中医存在的问题的时候,中医信仰者不接过他的话,却讲起亲身经历,典型病例,古人的伟大,这种争论又是属于什么情况

争执的深层次原因:虚拟空间和实际空间的偏差

宇宙的万事万物可以用空间的运动来描述,空间分实际空间和虚拟空间。从物体内部的视角看,空间实际上是画面。关于什么是画面,可以参考 《从生物学到升物学——整体学的诞生》 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/

画面和空间是一回事,对于人类来说用画面代替空间会更加容易理解。虚拟空间就是虚拟画面,实际空间就是实际画面

人的身体就是实际画面,对于实际画面,人类很少会有争执,举一个例子,你指着一个人的身体说:这是小王

小王是个实际画面,没有人会反对你

虚拟画面是基于许多的实际画面的运算的产物,人的意识的基础是实际画面,人的意识的特点体现在虚拟画面,虚拟画面是人的行动指南。每个人的虚拟画面是不一样的,于是每个人的观念是不一样的,观念的不一致不但体现在对概念定义的不一致,也体现在虚拟画面和画际画面的偏离程度不一致

中医的概念是虚拟画面,是支持中医者用来和 西医 对立的虚拟画面,对于质疑中医者来说,中医西医 这样的概念在实际中是不存在的,他们认为实际中存在的是 中国传统医学现代医学。争论双方对于概念定义不一致时,还可以面红耳赤地交流,当一方认为对方定义的概念不存在时,连坐在一起也成了多余

虚拟空间和实际空间发生偏差是正常的,也是人类探索事物所必须的,对于史前人类,他们认为宇宙存在人形神,现代人并不能因为他们的人形神虚拟画面和实际画面的偏差而批判他们,因为这是他们的探索,探索过程中是允许犯一些错误的。如果不允许犯错误,那么事物是不能向前发展的

如果现代人还持有和史前人类一样的人形神的观念,那么这种虚拟画面和实际画面的偏差是不应该的。对于现代人来说理解人形神不存在并不难,为什么很多人还对人形神念念不忘呢?原因就在于很多人抱着很大的不切实际的虚拟画面,对于信教者来说是希望永生,对于另外一些人来说,是希望通过夸大自己,贬低别人来给自己打鸡血,这些宏观的虚拟画面的偏差导致了实际应用中的各个方面的偏差

宏观的虚拟画面的偏差是一个人的空间性小(画面小)的表现,画面小就是进化程度低。当一个人的画面偏向自己时,画面当然就小了,同时画面中自己的身体所占的比例就大了,于是他就抱有不切实际的幻想,比如想要永生,想要夸大自己民族的古人,想要贬低其他民族。从这里可以看出,鼓励狭隘的民族主义虽然可以提高民族自信心(俗称打鸡血),却使民族的人民趋向退化,从长远看得不偿失


8 当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时,将会发生什么情况?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

这是一个经过无数次反复辩论的古典难题

在我把答案告诉你之前,有必要先明确以下几点。凡是按合理的技巧来探索宇宙秘密的“游戏”,也要和其他游戏一样,必须遵循一定的规则来进行

当两个人要在一起进行有意义的讨论时,他们首先必须就以下两点取得一致:

  • 第一,双方所使用的符号(字眼或其它)都应当代表一定的涵义
  • 第二,双方都必须按照这种涵义来表达自己的意见

凡是按一致同意的定义讲不清的问题,都应当扔在一边。这样的问题是没有任何答案的,因为这样的问题根本就不应该提出来

例如,假定我提出这样一个问题:“正义有多重?”也许我正在想象一个手里拿着秤的瞎眼审判官的形象

但是,重量是质量的一种性质,只有物质才有质量。确实,如果要给物质下一个最简单的定义,可以把它定义为“有质量的东西”

正义并不是一种物质,而是一种抽象的东西。根据定义,质量并不是正义的一个特性,所以问正义有多重,是提出一个无意义的问题。这是一个没有答案的问题

又如,通过一系列非常简单的代数运算,我们有可能证明1=2。唯一的麻烦是,在证明的过程中,我们必须除以0。为了避免这类会引起麻烦的等式(更不用说其他一些会把数学的有用性毁掉的证明了),数学家曾规定在任何数学运算中都不允许应用“除以零”这个算式。因此,“分数2/0的值是多少”这个问题,也违背了“游戏”的规则,因而也是没有意义的。这个问题也没有答案

现在,我们可以回过头来回答上面所提出的问题了:当一个不可抗拒的力遇到一个什么力都不能使之运动的物体时,将会发生什么情况?

所谓“不可抗拒的力”,按定义(如果这些字确实有一定涵义的话),就是一种无法抗拒的力,也就是任何物体(不管这个物体有多大)遇到它都会发生运动或遭到毁灭,但其本身则不会发生可觉察到的削弱或偏转的力。因此,宇宙中只要有这种不可抗拒的力,就不可能有一个什么力都不能使之运动的物体,因为我们刚才已经把不可抗拒的力定义为能使一切东西发生运动的力了

所谓“什么力都不能使之运动的物体”,按定义(如果这些字确实有一定涵义的话),无非就是任何力(不管这个力有多大)遇到它都将被它所吸收、而它则不会因为这个力而发生可觉察的变化或损伤的物体。在任何一个存在这样一个物体的宇宙中,就不可能同时存在不可抗拒的力这类东西,因为我们刚才已经把什么力都不能使之运动的物体定义为一个能抵抗任何力的物体了

由此可见,如果我们所提的问题是说这两样东西(不可抗拒的力和什么力都不能使之运动的物体)同时存在的话,那么,我们所提的问题显然已经背离了这两个词本身所包含的定义,而这是这种推理游戏的规则所不允许的。因此,这个问题是一个没有意义的问题,它是没有答案的

你也许会提出一个疑问:定义既然可以被定得如此严密,那么,岂非任何人都不可能提出无法回答的问题了吗?正如我们在回答前面第4个问题(碧声注:关于戈德尔证明的问题)所解释的,事实当然并不是这样

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙可见部分的原子数——100个科学问题之9

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

宇宙分可观测部分和不可观测部分,在讨论宇宙原子数目时,指的是可观测部分的原子数

宇宙中的部分区域由于过于遥远,以至于从宇宙大爆炸以来发出的光线未能有足够的时间到达地球。因此这一部分的区域在可观测宇宙之外。到了未来,从遥远星系发出的光线获得了更多的光行时间,所以目前宇宙中更多的区域将成为可观测宇宙的一部分

从地球的任何方向到可观测宇宙的边缘大概是140亿秒差距(460亿光年),因此可观测宇宙是一个直径为290亿秒差距(930亿光年)

假设普通物质的质量大约是1.45×10^53 公斤,并且假定所有的原子均为氢原子(在现实中氢原子约占了银河系中所有原子质量的74%), 把普通物质的质量除以氢原子的质量(1.45×10^53 公斤除以1.67×10^−27 公斤,其结果大约是10^80个氢原子

也就是说,以氢原子为单位,可观测宇宙大约有10^80个氢原子。至于整个宇宙的原子数是多少?海心土申认为这是个没有意义的问题,因为渺小的人类永远不会知道宇宙真正有多大,那么也就永远不可能知道宇宙总原子有多少个


9 宇宙中到底有多少粒子?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

实际上,这个问题不可能有肯定的答案,这首先是因为没有人能确切地知道宇宙有多大。但是,我们可以作一些假设

有人曾作过一个估计,认为在我们这个宇宙中大约有100,000,000,000(亦即10^11)个星系。这些星系,平均来说,每一个的质量都比太阳的质量大100,000,000,000(亦即10^11)倍

这就等于说,宇宙间物质总量等于太阳质量的10^11×10^11(亦即10^22)倍。换句话说,宇宙间的全部物质足够形成10,000,000,000,000,000,000,000(亦即10^22)个太阳

太阳的质量是2×10^33克。这就等于说,宇宙间的全部物质的质量是10^22×2×10^33(或者说2×10^55)克。这个数字可以写为20,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000克

现在让我们再从另一个方面来看一看。宇宙的质量几乎完全集中在它所含有的核子中(核子是组成原子核的主要粒子)。核子是很小很小的东西,需要有6×10^23个核子才能构成一克物质

既然需要有6×10^23个核子才能构成一克物质,既然宇宙中含有2×10^55克物质,那么宇宙间总共就应该有6×10^23×2×10^55(或者说12×10^78个核子。为方便起见,可以把这个数字写为1.2×10^79

天文学家认为,宇宙间有90%的原子是氢,9%的原子是氦,其余1%则是各种更为复杂的元素。就是说,在含有100个原子的一个典型样本中应当含有90个氢原子,9个氦原子和1个别的原子(比方说一个氧原子)。我们知道,每个氢原子的原子核有一个核子,即质子。每个氦原子核含有4个核子,即2个质子和2个中子。每个氧原子核含有16个核子,即8个质子和8个中子

因此,这100个原子总共应当含有142个核子,亦即116个质子和126个中子

这两类核子有一个区别。中子不带电荷,因此不必去考虑同它相伴随的粒子(电子)。质子带正电荷,因此,既然整个宇宙被认为是电中性的,所以只要有一个质子存在,就应该有一个电子(带有一个负电荷)和它同时存在

这样,每有142个核子,就应该有116个电子(以便和116个质子相平衡)。为了保持这一比例,宇宙间的1.2×10^79个核子就应该伴随有1×10^79个电子。把这些核子和电子加在一起,我们就得出宇宙间全部物质所含粒子总数应为2.2×10^79。我们可以把这个数字写为22,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

如果宇宙是由一半物质和一半反物质组成,那么,这些粒子中就应当有一半是反核子和正电子。但是,这并不影响总数

宇宙间大量存在的另一些粒子是光子、中微子,也许有引力子,但它们都是没有质量的粒子,所以没有把它们计算在内。因此,总的说来,我们这个宇宙共有22×10^78个粒子。它们构成了一个相当大的宇宙

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙中的物质是怎么诞生的,什么是物质——100个科学问题之10

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

宇宙中的物质是如何产生的

这个世界上也许只有海云青飞 https://www.tuenhai.com 能讲清楚物质是怎么回事。物质是运动的空间,宇宙中的空间的运动诞生了物质

在我们这个宇宙中空间无处不在,无论是谁,无论是什么,都不能离开空间而存在,于是我们可以把空间当作默认存在,于是就可以把物质的产生简化成:

物质 = 运动

物质就是运动,运动就是物质,运动产生了物质,物质是人类给观察到的明显的运动起的一个名字而已

原子是物质,换句话说,原子是特定形式的运动

你也可以凭空制造一个原子,如果你有一台机器能模拟原子的运动

物质能凭空产生吗

把空间当作默认存在,那么物质是能凭空产生的,任何形式的运动都能凭空产生物质

运动是怎么来的

如果你是个敏感的适合科学研究的人,那么你可能会问,宇宙怎么突然就有了运动了呢,运动是怎么来的,原子这样的物质是如何一直保持稳定的运动的?

这就需要画面论,关于画面论,可以参考:

  • 《从生物学到升物学——整体学的诞生》 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/
  • 《悟道相对论》 https://www.tuenhai.com/xdl/

简而言之,物质,从外部看就是运动,从内部看则是画面(的运动)

理解了画面,你可能对这个世界再也没有疑惑,你可能会大彻大悟

10 宇宙中的物质是从哪里来的?宇宙外面又是什么

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

东西呢?

第一个问题可以说是一个没有人能够回答的问题

科学并不保证所有的问题都有答案。只有在人们获得了足够的资料之后,科学才能向人们提供一个作出回答的方案。但是迄今为止,我们还没有掌握足够的资料来告诉我们宇宙间的物质究竟是从哪里来的

然而,即使如此,我们仍然可以作一些推测。我自己就曾经想过,在宇宙间可能存在有某种称为“负能量”的东西,这种“负能量”和普通的“正能量”完全一样,所不同的仅仅是,同等数量的“负能量”和“正能量”加在一起,将会成为“乌有”(正如+1和-1相加等于零一样)

反之,“乌有”则可能突然转变为一团“正能量”和一团等量的“负能量”。如果事情确是如此,那么,这一团“正能量”就可能发展成为我们现在所知道的这个宇宙,与此同时,还可能在别的什么地方存在一个相应的“负宇宙”

但是“乌有”又怎么会突然变成两团相反的能量呢?

为什么不会呢?如果 0 =(+1)+(-1),那么,这个零所代表的东西就完全有可能变成+1和-1。也许在一个“乌有”的无限海洋中,会经常不断地形成大小相等的一对对正能量团和负能量团,以后,在它们经历了进化演变之后,又一次相互结合在一起而成为“乌有”。而我们现在则正好处在“乌有”与“乌有”之间的一个时期内的一个能量团中,并在对它感到奇怪

当然,上面所说的仅仅是一种推测。迄今为止,科学工作者既未探测到任何像“负能量”这样的东西,也未找到任何理由来使他们设想宇宙间可能存在有这样的负能量。因此,除非他们有朝一日终于发现了这样的负能量,否则我的设想将是毫无意义的

至于第二个问题,即宇宙之外是什么这个问题,我的回答是:宇宙之外是一个非宇宙

你看了这个答案,也许会说“你的这个答案丝毫也不说明什么问题”。你的话也许是对的,但是从另一方面讲,在实际生活中往往就有许多问题是得不到有意义的回答的(例如“天到底有多高?”)。所以,这一类问题都是“没有意义的问题”。一般说来,科学工作者甚至根本不愿去思考这类毫无意义的问题

然而,我们是不是可以从另一个角度来想一想这个问题呢?

假定你是北美大陆中部的一只具有高度智慧的蚂蚁,而且还是一只一辈子都在“旅行”的蚂蚁。在这种情形下,在你不断向前走的过程中,你已经走过了一平方米又一平方米的地面,同时你还发明了一个小望远镜,使你能看到你前方几公里以外的地面。在这种情况下,你一定会认为这块地面是无边无际的

但是你也许会提出一个疑问:这块地面是否有一个尽头呢?这样一来,就会进一步产生一个使你感到困惑的问题:“如果这块地面是有尽头的,那么,在尽头的那一边将是什么东西呢?”

当然,你所以会提出这个问题,是因为你唯一体验到的仅仅是地面。你从来没有见到过海洋,对海洋一无所知,因此,你除了陆地以外,不可能想象出别的什么东西。在这种情况下,你就很可能会这样回答:“如果陆地真是有尽头的话,那么,在陆地的那一边一定是一块非陆地,不管这块非陆地到底是什么东西。”这样看来,这样的回答应该说是对的吧!

既然如此,如果我们把宇宙定义为物质、能量及由这些物质和能量所充填的空间这三者的总和,并且宇宙真是有尽头的话,那么,在宇宙尽头之外的就应该是散布在这个非空间的非物质和非能量。总之,是一个非宇宙

如果这个宇宙是起源于一团正能量,而这团正能量是和一团负能量一起由“乌有”形成的,那么,这个宇宙尽头之外的就应当是“乌有”,而这个所谓的“乌有”也许就是非宇宙的另一种叫法

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

温度产生的原因是什么——100个科学问题之11

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

温度是空间的运动的一个表现

要明白温度,首先要知道什么情况下是没有温度的。假设有一个空间,空间中没有任何的运动,那么这个空间是没有物质,也是没有温度的,这是绝对没有物质,也是绝对没有温度

温度是怎么产生的?

假设有一个空间,空间中没有任何的运动,然后这个空间中的一个无比小的地方动了一下,于是这个空间诞生了物质,同时这个空间的任何地方都有了温度

温度,仅仅是空间运动的一个表现,运动才是物质的本质

温度只是升物的感觉,物质本没有温度这个属性

这里海云青飞 https://www.tuenhai.com 用 升物 代替 生物,因为宇宙其实没有 生物非生物 之分。请参考:

《从生物学到升物学——整体学的诞生》 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/

同样物质其实是没有温度这个属性的,对于我们所在的宇宙来说,一切都可以用空间的运动来描述,并不需要温度这个概念。但是人类需要 温度 这样的感觉来粗糙地反映物质的运动速度,温度越高,物质的运动速度就越快。这和人们可以从影子的长度推测物体的长度一样,物体并不需要影子,影子也不属于物体,如果我们看不见物体,那么我们可以从影子推测物体的长度

宇宙不存在没有温度的地方

只要有运动,就一定有温度。物体的运动会向空间的其他地方扩散,于是只要宇宙中有运动,那么宇宙中的每个地方都多少有了运动属性,于是宇宙中的每个地方多少有了温度

11 为什么人们说“宇宙空间的低温?”一个空虚的宇宙空间怎么会有温度呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

其实,既不应该这样说,也不能这样说。温度是一定数量的物质中每一个原子的平均含热量,因此,只有物质才能有温度

假定宇宙空间存在一个像月球那样的天体,而这个天体距离它最近的恒星有好几光年,在这样的条件下,如果这个“月球”表面的初始温度是25℃的话,那么,这个“月球”一方面将会由于辐射而不断失去热量,而另一方面则会从遥远的恒星的辐射而获得热量。但是由于从这些恒星到达这个“月球”的辐射很少,因此不可能抵偿“月球”本身的辐射而失去的热量,结果,这个“月球”的表面温度就会立即开始下降

随着这个“月球”表面温度的不断下降,因它本身的辐射而失去热量的速率将会越来越少,到最后将出现这样一种情况,这时,它的表面温度已经如此之低,以致因它本身的辐射而失去的热量将会小到足可以和它从遥远恒星所吸收的辐射相平衡。这时,这个“月球”的表面温度确实是很低很低的,只稍稍超过绝对零度

人们在谈到“宇宙空间的低温”时,他们想到的例子正是这种离开所有恒星都很遥远的“月球”的极低表面温度

实际上,我们的月球离开恒星并不太远,它离其中一个恒星——太阳——的距离很近,还不到1.5亿公里。假定我们的月球仍然处在它现在的位置上,但它永远只有一面向着太阳,那么,这一面将不断地吸收太阳的热,直到面向太阳的这一面中心的温度大大超过水的沸点。只有在这样高的温度下,由它本身的辐射而失去的热量才会和来自太阳的巨大热流相平衡

但是,来自太阳的热只能以非常慢的速度透过月球本身的绝热物质,所以,背着太阳的那一面几乎不会获得热量,它所得到的一点点热量也会辐射到宇宙空间中去。这样,永远背离太阳的一面就将处于“宇宙空间的低温”状态

然而,我们的月球是相对于太阳进行自转的,所以每自转一次其表面的各个部分平均只能从太阳那里得到相当于两个星期的辐射热。在这种只能从太阳获得时间有限的辐射的情况下,月球上只有个别地方的表面温度才勉强达到水的沸点。而在长夜中,其温度在任何时候都不会低于绝对温标120度(从我们地球上的标准来说,这个温度是相当低的),这是因为温度尚未下降到比这更低的时候,太阳就又升上来了

但是,地球上的情况则与此大不相同,因为地球上有大气和海洋。海洋同光秃秃的岩石相比,能够更有效地吸收热,而且散热的速度也慢得多。它所起的作用就像一个热褥垫那样,当太阳晒的时候,它的温度不会上升得像陆地那样快,没有太阳的时候,它的温度也不会下降得像陆地那样快。此外,地球的自转速度很快,所以地球上大多数地方每次只经历十来小时的白天和黑夜的变化。同时,地球大气所造成的风也会将热量从向阳的一面带到背阴的一面,以及从热带带到两极

正因为如此,尽管地球和月球离太阳的距离大致相等,地球所经受的温度变化范围却比月球小得多

一个处在比南极还要低的温度下的人如果被放到月球的背阴处,那将会发生什么情况呢?情况不会像你可能想象的那么严重。在地球上,即使穿着绝热服,我们的体温也会相当快地发散到大气层和大气层的风中去——它们会把我们的体热迅速带走。在月球上,情况就大不相同了。在那里,一个身穿保温宇宙服和宇宙靴的人,几乎一点也不会失去体热。因为在那里,体热既不会靠传导传到体外,也没有风通过对流现象把它带到空虚的空间中。他将会如同一个被放置在真空中的保温瓶那样,只可能辐射出极少量的红外线。在这种情况下,冷却将是一个十分缓慢的过程。当然他的身体本身会不断地产生热量,所以他将会更容易感到太热,而不会感到太冷

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙尘飘落在地球——100个科学问题之12

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

宇宙尘(Cosmic Dust)是由众多细小物质粒子组成的固态尘埃,自宇宙大爆炸起,宇宙尘埃就四散在浩瀚宇宙之中。宇宙尘的成分有矽酸盐、碳等元素以及水分,部分宇宙尘埃由彗星、小行星等星体的崩解而产生

12 什么是宇宙尘?它们是从哪里来的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

根据最新的天文学理论,星系最初是一团团巨大的气尘凝聚体,这些气尘凝聚体缓慢地旋转,分裂成为湍动的涡流,最后凝结成为恒星。在大量形成恒星的天区,所有的气尘实际上都会分别和其中某一颗恒星结成一体,因而气尘很少会或者完全不会留在星系空间中。在球状星团中,在椭球星系中以及在旋涡星系的中心部分,情况确实是这样

但是在旋涡星系的外缘,这种过程就不会进行这样彻底。由于所形成的星星为数较少,所以留下的气尘就会多一些。正因为我们处在银河系的旋臂上,所以我们能看到尘云在银河的辉光中形成一些暗斑。银河系的中心也正是被这些尘云遮住,才显得模糊不清

形成宇宙的物质,绝大部分是氢和氦。氦原子一般是不会彼此结合的。氢原子虽然会彼此结合,但一般只彼此结合成对而形成氢分子(H2)。这就意味着,处于恒星与恒星之间的绝大多数物质是由一个个很小的氦原子和一个个很小的氢原子和氢分子组成。这些物质形成了大量散布在恒星与恒星之间的星际气体

星际尘(或者宇宙尘)的数量比星际气体少得多,它们是由粒子组成的。这些粒子虽然也很小,但却比单个原子或分子大得多,因此它们一定含有除了氢和氦以外的其他原子

除了氢和氦以外,宇宙间另一种最普通的原子是氧。氧原子能和氢结合而形成氢氧基(OH)和水分子(H2O)。氢氧基和水分子具有能够同它们所遇到的任何其它基团及分子相结合的倾向。正因为如此,宇宙间会逐步形成由许许多多这样的分子所组成的微粒。绝大部分宇宙尘很可能就是由氢氧基和水分子所组成。一直到1965年,天文学家才开始在宇宙间探测到氢氧基,并开始研究它们的分布情况。从这以后,不断有报道说,宇宙空间存在既含有氢和氧、也含有碳原子的更复杂的分子

由此看来,宇宙尘中一定也含有不及氢、氧和碳那么普通的原子所组成的原子团。科学工作者已经在星际空间探测到钙原子、碘原子、钾原子和铁原子,他们是通过这些原子所能吸收的光而探测到它们的

在我们的太阳系内,也存在类似的宇宙尘,这些宇宙尘很可能是由彗星造成的。在太阳系可见范围以外,可能有一个由大量彗星所组成的彗星壳,其中有一些彗星(也许是由于附近恒星的引力作用)向太阳的方向掉落。彗星是一团金属和岩石小碎片,这些碎片由冰加上冻结的甲烷、氩和其它这类物质结合成松散的团块。每当彗星走近太阳时,彗星中的某些物质便会因受热而融化,结果,其中的微小固体颗粒便获得了自由,并以一条长长的尾巴的形式散布在宇宙空间中。最后,这个彗星将完全崩解

在太阳系的历史中已经有无数彗星发生了这样的崩解,正因为如此,太阳系的内圈才会到处散布有这样的宇宙尘,每天都有数十亿这样的宇宙尘粒子(“微陨石”)落到地球上。从事宇宙研究的科学家都对这些“微陨石”感兴趣,他们之所以对此感兴趣,固然有种种原因,其中的原因之一,是因为有一些较大的微陨石可能会给未来的宇航员或登月移民造成危害

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

怎样理解脉冲星——100个科学问题之13

脉冲星的英文名字是 Pulsar,一般认为它是中子星的一种,周期性发射脉冲讯号的中子星就是脉冲星

13 什么是脉冲星?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

1967年夏天,剑桥大学的赫维什和他的合作者,在十分偶然的情况下,探测到来自天空的一种从未探测到的射电辐射。这种射电辐射是非常有规则的、每隔1又1/3秒出现一次的脉冲。更确切地说,这种脉冲每隔1.33730109秒出现一次,发出这种脉冲的辐射源后来就被称为脉冲星

接着,在这以后的几年中,天文学家又陆续发现了很多这样的脉冲星。说到这里,你们也许会提出一个疑问:脉冲星为什么未能更早发现呢?这是因为每一颗脉冲星虽然在一次脉冲当中都会辐射出大量的能量,但这些脉冲是如此的短暂,因此,射电波的平均强度是很低的。这就是天文学家为什么一直没有发现他们的原因。此外,由于天文学家在这以前都认为射电源是以稳定的水平辐射发出能量的,因此他们都没有去认真寻找这样的脉冲

后来,在蟹状星云中发现了一颗脉动得特别快的脉冲星,同时还发现这颗脉冲星能在可见光的范围内发出辐射,而且光的闪烁正好和射电辐射的时间相一致。天文学家以前虽然曾多次观测到这颗脉冲星,但都以为它不过是一颗普通的恒星,因此从未有人试图用足够灵敏的、能发现它每秒钟会闪烁三十次的这样一种观测仪器去对它进行观测。一颗脉动得这样快的脉冲星,如果单凭肉眼或者仅仅依靠普通的仪器来进行观察,它的光就似乎是很稳定的

然而,脉冲星到底是一种什么样的星呢?一个天体如果会以周期性的间歇发射出能量的话,那么,在这间歇的时间内,它一定正在发生某种物理现象。例如,它也许是一个正在一会膨胀一会儿收缩的天体,并在每一次收缩时发射出一股能量。或者它也许正绕着自己的轴或围绕着另一个天体运转,并且每绕一周,就发射出一股能量

难以解决的一个问题是:这种脉动为什么会进行得这样快,长的是每4秒钟脉动一次,短的则是每隔1/30秒就脉动一次。第一,这种脉冲星必定是一个非常炽热的物体,否则它就不可能发射出这样大的能量。第二,它必定是一个很小的天体,否则它绝不可能脉动得这样快

科学工作者以往所观测到的最小天体是白矮星。白矮星的质量可以和太阳的质量一样大(其炽热程度也可能和太阳差不多或者更大),但它的体积则不会比地球大。既然如此,这样的白矮星是否可能通过膨胀或收缩或者通过自转而发出脉冲来呢?会不会是两颗白矮星在那里彼此绕着转动呢?但是,不论天文学家用什么样的理论来解释这种现象,他们都无法想象出白矮星为什么会运动得这样快

既然不可能是白矮星,那么,有没有可能是更小一点的天体呢?天文学家曾经根据理论作出了一个预测,认为恒星在引力的作用下可能坍缩到非常致密的程度,以致恒星里的所有原子核都被挤压而彼此紧挨在一起。在这种情况下,电子和质子将会相互作用而形成中子,结果,这个恒星将会成为一团“中子浆”。这样的“中子星”的质量可能有太阳那样大,但直径却只有十来公里

不过,还没有人探测到中子星;由于中子星是如此之小,所以有些天文学家担心宇宙间即使有中子星存在,人们也无法探测到它

可是,这样小的天体应当会飞快地自转,因而就会产生这样的脉冲。这是因为在这样的天体上可能会出现这样一些条件,使得其中的电子只能通过该中子星表面的某些点逃逸出来。这样,当中子星自转时,电子就会像一个旋转着的喷头中喷出的水那样从其中喷射出来,每旋转一周,就会朝地球的方向喷射出一些电子,从而产生射电波和可见光

美国康奈尔大学的戈尔德曾经指出,如果情况真是这样,那么,中子星将会逐渐失去能量,因此,它的脉动率就应当会逐渐减慢。他的推论经过了检验,并发现实际情况确是如此。因此,就目前看来,脉冲星很可能就是天文学家曾经担心永远无法探测到的中子星

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

1厘米大的中子星多重:14亿吨——100个科学问题之14

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

英语 neutron star 翻译成中文就是中子星。恒星演化到末期的时候,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能演变成中子星

怎么理解中子星的重量?一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍,中子星的半径则在10至20公里之间(质量越大半径收缩得越小),也就是太阳半径的30,000至70,000分之一,因此,中子星的密度在每立方公分 8×10^13 克至2×10^15 克间,此密度大约是原子核的密度

中子星可以近似地理解为极为巨大的 “中子”

14 有人说中子星上每一立方厘米的物质重达十亿多吨,这怎么可能呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

一个原子的直径,大体上说,约为10^-8厘米。在普通的固体和液体中,原子与原子之间靠得很近,实际上是相互接触的。因此,普通固体和普通液体的密度取决于以下三个因素:

  • 一是原子的大小
  • 二是原子在其中的密集程度
  • 三是单个原子的重量

在普通的固体当中,密度最小的是固态氢,它的密度是每立方厘米0.076克。密度最大的是稀有金属锇,它的密度为每立方厘米22.48克

如果原子是一个不可压缩的固态小球,那么锇应当是所有物质当中密度最大的了。这样,一立方厘米物质的重量绝不可能超过一公斤,当然就更谈不上会有几吨重了

但是原子并不是固态的,新西兰出生的物理学家卢瑟福早在1909年就曾经证明,原子中的大部分空间是空的。原子的外围只含有非常轻的电子,原子的99.9%的质量都集中在其中心的原子核内

原子核的直径约为10^-13厘米(或者说约为原子本身直径的1/100,000)。如果一团物质中的原子能被很紧很紧地挤压到一起,以致其中的电子都被推开,原子核被迫相互接触,那么,这团物质的直径就会缩小到只有原来直径的1/100,000

如果我们的地球被压缩成为一团原子核,其中的所有物质就将被挤压成一个直径只有128米的球体。太阳如果也受到这样的挤压,它将成为一个直径只有13.92公里的球体。如果宇宙的全部已知物质都被转换为相互接触的原子核,那么,它们将会成为一个直径为几亿公里的球体,可以绰绰有余地纳入太阳系的小行星带中

恒星中心的热和压力能够破坏原子的结构并使原子核开始挤压到一起。太阳中心的密度要比锇原子的密度大得多,但是其中的一个个原子核仍然可以不受阻碍地自由运动,其中的物质仍然呈气体状态。有一些恒星却几乎完全由这样一些已被破坏的原子所组成。例如,天狼星的伴星就是一颗并不比天王星大的“白矮星”,但是它的质量却和太阳一样大

原子核是由质子和中子组成。所有质子都带有正电荷并会相互排斥,因此不可能把一百个以上的质子集合在一处。然而中子是不带电荷的,在适当的条件下,无数中子能够积聚在一起而形成一颗中子星。人们认为脉冲星就是这样的中子星

如果太阳一旦变为一颗中子星,它的全部质量将会被挤压成一个直径只有现有直径的1/100,000的球体,或者说将成为一个体积只有现有体积的1/1,000,000,000,000,000的球体。这样一来,它的密度将会是其现在密度的1,000,000,000,000,000倍

太阳目前的总密度是每立方厘米1.4克。如果它一旦变为中子星,它的密度就将成为每立方厘米重1,400,000,000,000,000,000克

这就等于说,中子星上的每一立方厘米物质重达1,400,000,000,000吨(14亿吨)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

黑洞到底有什么作用——空间运动的分类

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

网上很容易查到黑洞的演变过程,聪明的网友会有这样的疑问:研究黑洞对人类的意义是什么,黑洞有什么用处,这正是本文要说的

有人说黑洞将来可能成为时空旅行之门,这种说法其实没有实际意义,和宗教说的人死后灵魂可以永生差不多,还不如说成黑洞可以为科幻小说提供灵感比较靠谱。要知道,人类是没有可能利用黑洞进行时空旅行的

海云青飞 https://www.tuenhai.com 现在就来说一下黑洞的真正的用处,网上独此一家

黑洞在宇宙中的存在,好像是心脏在人的身体里的存在

空间的特定形式的运动形成了物质,人类的身体就是由物质组成的,从本质的角度看,人是由空间的特定形式的运动组成的

空间运动的分类

空间运动分成二类:

  • 空间膨胀
  • 空间膨胀以外的空间运动

海云青飞 说到运动的时候,一般指的是空间膨胀以外的运动,也就是形成物质的运动

据观测,我们所处的宇宙在不断膨胀,也就是空间在不断在膨胀,这说明空间并不是死的,空间是活的。膨胀的空间会稀释掉运动,也就是说膨胀的空间会使运动趋向静止,运动的静止物质趋向消失,物质消失了,人类当然也是消失了

黑洞是宇宙对抗空间膨胀的大杀器

空间膨胀使宇宙里的物质趋向消失,黑洞最大的强项是强烈收缩空间,这就是说黑洞是宇宙对抗空间膨胀的极重要的武器。如果没有黑洞,宇宙里可能不能形成稳定的星系,宇宙里没有稳定的星系,那么人类就不可能产生。人类能在地球安居乐业,黑洞立下了大功

如果你想要进一步理解空间的奥秘,有必要学习一下相对论,可惜的是市场上的相对论科普书籍的作者并不懂相对论。唯一的有价值相对论科普书是《悟道相对论》 https://www.tuenhai.com/xdl/

15 什么是黑洞?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

为了了解什么是黑洞,让我们先从太阳这样的恒星谈起。我们知道,太阳的直径为1,392,000公里,它的质量为地球质量的330,000倍。在这样大的质量、从表面到中心的距离这样长的情况下,位于太阳表面的任何东西所受到的引力大约相当于地球表面引力的28倍

任何一颗普通的恒星都会由于下述两种因素的相互平衡而保持其通常的大小:

  • 其中一个因素是恒星中心有非常高的温度,因而会使恒星的物质经常处于膨胀的状态
  • 另一个因素就是它本身具有很大的引力,从而会使恒星的物质倾向于收缩而挤压在一起

但是在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低,这样一来,引力将会成为一个主导的因素,结果,这颗恒星就会开始坍缩,在这个过程中,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来,原子将不复存在,替代它的将是一个个电子、质子和中子。这颗恒星将会坍缩到这样一种程度,这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩

这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星,它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约16,000公里的球体,它的表面引力将变成地球表面引力的210,000倍(因为它的质量虽然没有变,但是从表面到中心的距离则大大缩短了)

在某些条件下,引力将变得如此之大,甚至能战胜电子之间的排斥力。结果,这颗恒星将会再度坍缩,并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子,这样一来,这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步,这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩,这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有16公里的球体内。结果,它的表面引力将是地球引力的210,000,000,000倍

在某些条件下,引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候,再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。结果,这颗恒星就会坍缩到体积等于零,而它的表面引力就会无限地增大

根据相对论,一颗恒星所发射出来的光,当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候,将会失去一定的能量。引力场越大,所失去的能量也越大。这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实

由太阳这样的普通恒星发射出的光,它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量;由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。当这颗中子星进一步坍缩时,就会出现这样一种情况:从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量,从而根本不可能逃逸出去

一个比中子星坍缩得更厉害的天体,它的引力场将是如此之强,以致任何靠近它的东西都将被它所捕获,并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且,正如上面所说,甚至连光也不能逃逸出去,因此,这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞,而且又是黑的,所以天文学家就把它叫做“黑洞”

天文学家目前正在宇宙的各个角落寻找可证明确有这种黑洞存在的证据

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

恒星温度由什么决定——100个科学问题之16

比太阳温度还高的恒星存在吗,恒星的温度怎么计算,温度最高的恒星有多少度

16 恒星的温度能达到多少度?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

这个问题的答案取决于你所说的是什么样的恒星,以及你所指的是恒星的哪一个部位

在我们能观测到的恒星中,99%以上都和太阳一样,属于称为“主序星”的一类。至于恒星的温度,我们一般是指恒星的表面温度。下面我们就从这里谈起

任何恒星都具有一种在其自身的引力作用下发生坍缩的倾向,但是当它坍缩时,它的内部会变得越来越热。而当它的内部温度越来越高时,这颗恒星就有一种发生膨胀的倾向。最后,两种倾向会达到平衡。结果,这颗恒星便达到了某种固定的大小。一颗恒星的质量越大,为了平衡这种坍缩所需要的内部温度就越大,因而它的表面温度也就越高

太阳是一颗中等大小的恒星,它的表面温度为6000℃。质量比它小的恒星,其表面温度也比它低,有一些恒星的表面温度只有2500℃左右

质量比太阳大的恒星,其表面温度也比太阳高,可达10,000℃、20,000℃,甚至更高。在所有已知的恒星中,质量最大、因而温度最高、亮度最大的恒星,其稳定的表面温度至少可达50,000℃,甚至可能更高。也许可以大胆地说,主序星的最高的稳定表面温度可以达到80,000℃

为什么不能再高呢?质量再大的恒星,其表面温度会不会比这还要高呢?到这里,我们不得不停下来。因为,一颗普通恒星,如果具有这样大的质量,以致它的表面温度竟高达80,000℃以上,那么,这颗恒星内部的极高温度就会使它发生爆炸。在爆炸时,也许在瞬间会发出比这高得多的温度,然而当它爆炸之后,剩下来的将是一颗更小和更冷的恒星

但是恒星的表面并不是温度最高的部分。热会从它的表面向外传播到该恒星周围的一层很薄的大气层(亦即它的“日冕”)。这里的热量从总量上说虽然不算大,但是,由于这里的原子数量同该恒星本身的原子数量相比是很少很少的,以致每一个原子可以获得大量的热供应。又因为我们以每一个原子的热能作为测量温度的标准,所以,日冕的温度高达1,000,000℃

此外,恒星的内部温度也比其表面温度高得多。要使恒星的外层能够战胜巨大的向里拉的引力,就必须是这样。已经查明,太阳中心的温度大约为15,000,000℃

自然,那些质量比太阳大的恒星,它们不但表面温度更高,中心温度也同样会更高。同时,对于具有一定质量的恒星来说,其核心的温度一般总是随着它的年龄的增长而越来越高的。有一些天文学家曾试图计算出,在整个恒星爆炸的前夕,其核心的温度可以达到多少度。我所看到的其中一种估算,认为最高可达到6,000,000,000℃

那些不属于主序星的天体,其温度有多高呢?尤其是那些在六十年代新发现的夭体,其温度可达到多少度呢?例如脉冲星的温度可能达到多少度呢?有些天文学家认为,脉冲星实际上就是非常致密的“中子星”,这种中子星的质量虽然和一颗普通恒星一样大,但是它的直径只有十几公里。这样的中子星的核心温度会不会超过6,000,000,000℃这个“最大值”呢?此外,还有类星体,有人认为类星体可能是由数百万颗普通恒星坍缩而成的,既然如此,这种类星体的核心温度又有多高呢?

所有这些问题,迄今为止,还没有人能够回答

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

恒星内的核聚变是如何发生的——对进化的启示

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

为什么恒星会核聚变,恒星都是核聚变吗,我们该怎么理解恒星的核聚变?

海云青飞 这里谈一下恒星聚变反应对进化的启示

如果人类的文明发展到了比较高级的阶段,那么人类的一切活动都是服务于人类的身体的进化,遗憾的是现在的人类文明并不是这样的,现在人类的活动就像是丢失了头的苍蝇一样乱撞,根本不知道自己在干什么,技术是有了很大的发展,身体却是不断退化。技术是不可遗传的,身体的特征是可以遗传的,身体才是最重要的。现在这样的趋势下去,人类就会变成技术的奴隶,最终人类必然消亡

地球上的能量绝大多数来自太阳,太阳向外辐射的能量来自于太阳内部的聚变反应,正是太阳内部的聚变反应在哺育人类这样的升物

物质的聚变可以产生巨大的能量,这就提示我们,如果人类之间消除隔阂,达到极为精密的协作,那么人类也可能发生类似原子的聚变反应,发生聚变反应的人类就是实现了进化的人类,其实她们已经不是人类了,她们已经成为真正的神。宗教传说中的神只是幻想,宗教把神幻想成人形,说明这只是极为低级的幻想。原子聚变后变成了另外种类的原子,人聚变后肯定不再是人这个物种了

自从人类进入农业社会,私有财产就开始出现了,到了现在,人们拥有的私有财产越来越多,这说明了人类离进化越来越远,实际上人类是在不断加速退化

为什么拥有私有财产会导致人类的退化?进化还是退化是由空间性决定的,拥有私有财产越多的人,他的画面空间越是缩小,因为他的焦点都放在他的私有财产上了,于是,人与人之间亲密的无私的合作成为不可能

物质决定意识,权力使人腐败,财富使人坠落,海云青飞 https://www.tuenhai.com 劝你不要怀疑这个结论,你有权怀疑,但是你可能会因此付出代价。人类中有识之士认识到这点以后,他们想到的应对办法是权力的透明化,透明可以一定程度阻止腐败,但是不能阻止坠落

升物存在的合法性来自进化,不进化则毁灭,这是宇宙的规则,毁灭是为了给后来者的尝试腾出空间

17 在一颗恒星上,聚变反应可以进行到什么程度?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们知道,当质子和中子相互结合而形成原子核时,这样的结合不但是一种较稳定的结合,而且所含有的质量要比同样一些质子和中子单独存在时所含有的质量少。因此,在发生这样的结合时,多余的质量就会转变为能量而被发射出去

一千吨氢(氢核由单个质子组成)可以转变为993吨氦(氦核由两个质子和两个中子结合而成)。失去的这7吨质量将作为同它等效的能量而被释放出来

凡是象太阳这样的恒星都会辐射出以这种方式形成的能量,太阳每秒钟会把大约630,000,000吨氢转变为略少于625,400,000吨氦。换句话说,它每秒钟会失去4,600,000吨质量,然而即使在这种惊人的速率下,太阳仍然含有足够多的氢,以保证这种过程继续不断地进行数十亿年之久

不过,太阳的氢供应量总有一天会消耗殆尽。这是不是说,到了那一天,这样的聚变过程将会终止,太阳从那时起将会成为一颗冷星呢?

情况并非如此,因为氦核并不是质子和中子的一种最“节约”的组合方式。氦核还可以经过聚变转化为更加复杂的原子核,例如可以经过聚变而成为象铁原子等一类很复杂的原子核,同时发射出更大的能量

由此可见,前面所说的那1,000吨氢聚变为993吨氦之后,还可以进一步聚变为991.5吨铁。也就是说,当氢聚变成氦时会有7吨质量转变为能量,而当氦聚变为铁时,只有1.5吨的质量转变为能量

然而,到了氢原子都聚变为铁原子,聚变过程就到头了。因为 在铁原子核中,质子和中子是以最稳定的形式组合在一起的。铁原子的任何转化,不论是转化为较简单的原子,还是转化为更复杂的原子,总是吸收能量、而不是放出能量

因此可以说,当一颗恒星发展到“氦阶段”时,它已经用掉了五分之四可资利用的聚变能,而当朝着“铁的阶段”发展时,它放出剩下的那五分之一的聚变能,全部聚变能到此就用完了

但是再往后又将发生什么情况呢?

在一颗恒星超过氦阶段继续向前发展的过程中,该恒星核心的温度将会变得越来越高。有人提出一种理论说,当恒星发展到铁阶段时,其核心的温度将会高到足以引起产生大量中微子的核反应。由于中微子不会被星体物质所吸收,所以它们一旦形成,就会以光速向四面八方飞奔,并把能量一起带走。这样一来,恒星的核心就会失去能量,并且很快就突然冷却下来,结果,这颗恒星就会坍缩成一颗白矮星

在坍缩过程中,它的外层,由于仍然含有许多没有铁原子那么复杂的各种原子,因而将会全部立即发生聚变,并爆炸而成为一颗“新星”。由此产生的能量将会形成一些比铁更为复杂的原子,即周期表中位于铁以后的各种原子——一直到铀原子和超铀原子为止

含有重原子的这种“新星”的碎屑将和星际气体混合在一起。由这类气体所形成的恒星就是“第二代恒星”,正因为如此,所以在“第二代恒星”中才含有少量在恒星本身的聚变反应中绝不可能形成的各种复杂原子,太阳就是这样的第二代恒星,而这也正是地球中为什么会有金和铀这类元素的原因

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

恒星的能量最终去哪了——100个科学问题之18

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190612

众所周知,恒星会向宇宙散发出热量,恒星散发的能量去哪了,宇宙中的热量去哪里了呢?

透彻理解这个问题需要对宇宙有宏观的认识

黑洞到底有什么作用——空间运动的分类 15 中 海云青飞 说过:

空间运动分成二类:

  • 空间膨胀
  • 空间膨胀以外的空间运动

空间膨胀的运动实际上是空间的直线运动,其他运动是空间的非直线运动,非直线运动可以表现为物质、能量、热量等等,抓住了运动就抓住了本质,否则就会把简单的事物复杂化

直线运动和非直线运动是相切的,因此双方的关系是此消彼长的关系。为了简化表述,海云青飞 通常把非直线运动简称为运动

如果运动和空间膨胀达到平衡,也就是空间既不膨胀也不缩小,那么恒星消耗的能量虽然散发到宇宙中去了,但是总体宇宙的能量并不会减少,恒星散发的能量只是换了个地方,我们不用担心一个恒星消失了,一个恒星的消失意味着另一个恒星的诞生

现实情况是现在的宇宙空间还是在膨胀,也就是说运动和空间膨胀的战争中,空间膨胀占了上风,那么运动就必然会减慢,如果此种情况一直持续下去,宇宙最终就变成了极速膨胀的空间,一切物质,包括星系、恒星、星球、人类,都会消失不见,因为宇宙中运动没有了,宇宙也就不会再有热量和能量了

18 所有恒星所发出的全部能量都到哪里去了?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

恒星可以通过以下几种不同的方式发射出能量

  • 第一,恒星会发射出无质量的电磁辐射——光子,这种电磁辐射包括从能量最大的γ射线到能量最小的射电波(甚至一个冷的物体也会发射出光子;物质的温度越低,光子也越弱)。可见光就是这类辐射的一部分

  • 第二,恒星还会发射出中微子和引力子等无质量的粒子

  • 第三,恒星还会发射出各种具有质量的带电高能粒子,主要是质子,但同时也包括数量较少的各种原子核及其它各种粒子。它们就是宇宙射线

恒星发射的所有这些粒子(光子、中微子、引力子、质子等等),只要当它们是单独出现在宇宙空间的时候,它们将是稳定的。就我们所知,它们可以在数十亿年的时间内不发生任何变化地通过数十亿光年的真空

由此可见,恒星所发射的一切粒子只要没有遇到任何会把它们吸收掉的物体,就会一直存在下去。拿光子来说,几乎任何东西都能把它们吸收掉。能量很大的质子就较难被别的东西阻挡和吸收,至于中微子,那就更难被别的什么东西阻挡和吸收了。关于引力子的情况,直到目前为止,人们尚未弄清

假如我们的宇宙中,除了以固定不变的位形分布的恒星以外,什么东西也没有的话,那么,由某一颗恒星所发射出的每一颗粒子,除非它遇到了另一颗恒星并被吸收掉,否则,都一定会在宇宙空间“旅行”。在这种情况下,所有的粒子将只会从一颗恒星“旅行”到另一颗恒星,这样,总的说来,每一颗恒星都应当能够收回它所发射出去的全部能量。从这种假定出发,宇宙似乎应当会永远不变地继续下去

但是以下三个事实的存在、使实际情况不会象上面所说的那样

第一,宇宙并不是单由恒星所组成,而是包含有大量的冷物质,从巨大的行星直到星际尘,当这些粒子遇到冷物质时,粒子就被吸收,冷物质则发射出能量较小的粒子以作为交换。这就意味着,总的来说,冷物质的温度会逐渐上升,而恒星所含的能量会逐渐减少

第二,恒星以及其他天体发射出来的某些粒子(如中微子和引力子)被物质吸收的几率是如此之小,以致在宇宙的整个生存期间,业已被吸收的只占其中很小的一部分。这就意味着,在恒星发射出来的全部能量中,有很大一部分仍在宇宙空间中“旅行”,而这同样也等于说,恒星所含有的能量正在逐渐减少

第三,宇宙正在膨胀。这就意味着星系与星系之间的空间正在逐年扩大,因此甚至象质子和光子等一类能被其他物体吸收的粒子,平均说来,也要旅行更长的路程才遇到其他物体而被吸收掉。正因为如此,恒星所吸收的能量抵偿不了它所发射的能量的倾向正在逐年加大。同时,为了填补因宇宙膨胀而增大的这部分宇宙空间,就一定会有额外的能量(亦即快速的高能的、但尚未被吸收的粒子)进入到这部分宇宙空间。事实上,这个道理是很明显的,只要宇宙还在继续膨胀,总的来说,它将会继续变得越来越冷

当然,如果宇宙有朝一日开始再一次从膨胀转为收缩的话,情况就会倒转过来,到那时,宇宙将会开始再一次逐渐变热起来

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

太阳风是谁发现的——100个科学问题之19

太阳风,英文为 solar wind,指的是从太阳上层大气射出的超高速等离子体(带电粒子)流

太阳日冕层的温度极高,氢、氦等原子被电离成了带正电的质子、氦原子核和带负电的自由电子等。这些带电粒子在高温下运动速度极快,以致不断有带电的粒子挣脱太阳引力的束缚,射向太阳的外围,从而形成太阳风

太阳风的速度一般在200-800千米/秒。 一般认为在太阳极小期,从太阳的磁场极地附近吹出的是高速太阳风,从太阳的磁场赤道附近吹出的是低速太阳风。太阳的磁场的活动呈周期性变化的,周期大约为11年

19 什么是太阳风?太阳风什么时候发现的

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

1850年,一位名叫卡林顿的英国天文学家在观察太阳黑子时,发现在太阳表面上出现了一道小小的闪光,它持续了约5分钟。卡林顿认为自己碰巧看到一颗大陨石落在太阳上

到了20世纪20年代,由于有了更精致的研究太阳的仪器。人们发现这种“太阳闪光”是普通的事情,它的出现往往与太阳黑子有关。例如,1899年,美国天文学家霍尔发明了一种“太阳摄谱仪”,能够用来观察太阳发出的某一种波长的光。这样,人们就能够靠太阳大气中发光的氢、钙元素等的光,拍摄到太阳的照片。结果查明,太阳的闪光和什么陨石毫不相干,那不过 是炽热的氢的短暂爆炸而已

小型的闪光是十分普通的事情,在太阳黑子密集的部位,一天能观察到一百次之多,特别是当黑子在“生长”的过程中更是如此。像卡林顿所看到的那种巨大的闪光是很罕见的,一年只发生很少几次

有时候,闪光正好发生在太阳表面的中心,这样,它爆发的方向正冲着地球。在这样的爆发过后,地球上会一再出现奇怪的事情。一连几天,极光都会很强烈,有时甚至在温带地区都能看到。罗盘的指针也会不安分起来,发狂似地摆动,因此这种效应有时被称为“磁暴”

在本世纪之前,这类情况对人类并没有发生什么影响。但是,到了20世纪,人们发现,磁暴会影响无线电接收,各种电子设备也会受到影响。由于人类越来越依赖于这些设备,磁暴也就变得越来越事关重大了。比如说,在磁暴期内,无线电和电视传播会中断,雷达也不能工作

天文学家更加仔细地研究了太阳的闪光,发现在这些爆发中显然有炽热的氢被抛得远远的,其中有一些会克服太阳的巨大引力射入空间。氢的原子核就是质子,因此太阳的周围有一层质子云(还有少量复杂原子核)。1958年,美国物理学家 帕克 把这种向外涌的质子云叫做“太阳风”

向地球方向涌来的质子在抵达地球时,大部分会被地球自身的磁场推开。不过还是有一些会进入大气层,从而引起极光和各种电现象。向地球方向射来的强大质子云的一次特大爆发,会产生可以称为“太阳风暴”的现象,这时,磁暴效应就会出现

使彗星产生尾巴的也正是太阳风。彗星在靠近太阳时,星体周围的尘埃和气体会被太阳风吹到后面去。这一效应也在人造卫星上得到了证实。像“回声一号”那样又大又轻的卫星,就会被太阳风显著吹离事先计算好的轨道

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

太阳可以燃烧多少亿年——100个科学问题之20

太阳是位于太阳系中心的恒星,它的质量的大约四分之三是氢,剩下的几乎都是氦,包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%

大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成了太阳。太阳已经到了中年,现在的核聚变是在核心将氢聚变成氦。每秒有超过400万吨的物质在太阳的核心转化成能量,产生中微子和太阳辐射

20 太阳还能使地球上的生命维持多久?科学家认为太阳可以燃烧什么年

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

据我们所知,只要太阳保持着目前的能量辐射状态,就能使地球上的生命存在下去。我们可以确定出这个状态能持续多久的上下限

太阳的辐射是在氢聚变成氦的过程中产生的。太阳要产生这么强烈的辐射,聚变物质的数量一定也该是很大的。实际上也是如此。在每一秒钟里,就有630,000,000吨氢聚变成625,400,000吨氦;其余的4,600,000吨则转化为辐射能,永远不再属于太阳了。这些能量中有一小部分射到地球,就足以维持我们这个星球上的生命了

从太阳每秒钟消耗的氢的数量来看,它似乎不会维持很久。但是,这是由于没有考虑到太阳的巨大质量的缘故。太阳的质量为2,200,000,000,000,000,000,000,000,000吨(即二千二百亿亿亿吨)。这个质量当中大约有百分之五十三是氢。这就是说,太阳目前约含有1,160,000,000,000,000,000,000,000,000吨氢

如果你想知道的话,不妨告诉你:太阳质量的其余部分几乎全都是氦。比氦更复杂的原子,占太阳质量的百分之零点一弱。氦比氢更致密些。在相同的条件下,氦原子的质量是同量氢原子的质量的四倍。如果换算成体积——所占据的空间,太阳大约有百分之八十是氢

如果假设太阳最初全部由氢组成,而且它一直以每秒钟六亿三千万吨的速率把氢转变成氦,并将保持这种速率的话,那么,我们就可以计算出:太阳已经辐射了大约四百亿年,并将继续辐射六百亿年

实际上,事情并不如此简单。太阳是一颗“第二代的恒星”,它是由在好几十亿年前就已燃烧光、并已爆炸掉的恒星所留下的尘埃和气体所组成的。因此,在一开始时,太阳的组分中就含有大量的氦,几乎跟现在一样多。这就是说,用天文学的尺度来衡量,太阳只辐射了一段很短的时间,它的氢储量减少得不多。太阳可能还不到六十亿岁

此外,太阳也不会一直保持目前这种辐射速率。氢和氦在太阳里并不是均匀地混合着的,氦集中在太阳的核心部分,而聚变反应则发生在这个核心的表层

随着太阳不断辐射,氦所构成的核心会越来越大,在它的中心,温度也会越来越高,最后,这个温度会高到足以使氦原子变成其他复杂原子的地步。到那个时候,太阳将放出比目前更强的辐射来。不过,随着氦聚变的开始,太阳就会开始膨胀,并逐渐变成一颗红巨星。那时地球上将热得无法忍受,海洋就会煮干。据我们所知,这颗行星就不复是生命的适宜住所了

据天文学家估计,太阳将在从现在算起的八十亿年后进入这一新阶段。不过,八十亿年也还是一个相当长的时间,因此眼下还没有必要惊慌

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

太阳黑子不黑的原因——100个科学问题之21

太阳黑子又叫日斑,高密度的磁性活动抑制了对流的激烈活动,于是在表面形成温度降低的区域

太阳黑子温度大约在3000-4500K,与周围5,780K的物质比较,看上去为黑点

当太阳黑子在太阳表面横越移动时,会有膨胀和收缩,它的直径可以达到80,000公里,在地球上不用望远镜也可以直接看见它们

太阳黑子很少单独活动,常是成群出现

太阳黑子的活动周期为11.2年

太阳黑子活跃时会对地球的磁场产生干扰,主要是使地球南北极和赤道的大气环流作经向流动,从而造成恶劣天气,使气候转冷。太阳黑子活跃严重时会对各类电子产品和电器造成损害

21 为什么太阳黑子不黑

如果太阳的表面温度是白热的,太阳黑子为什么又是黑的呢?如果黑子真是黑的,它们就该也是冷的。太阳上的东西怎么会是冷的呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

这个问题看来确实象是一个难题。事实上,在十九世纪初期,就有一位伟大的天文学家赫歇耳曾断言说,既然黑子是黑的,它们就必定是冷的。为了解释这一点,他只能说,太阳并不是里里外外都很热。不错,它有一个白热的大气层,但在大气层的下面,则是太阳那冷的固体部分,人们可以透过太阳大气层的缝隙看到这个固体部分。这些缝隙就是我们所说的黑子。赫歇耳甚至认为,太阳内部的固体表面上冷到可以允许生物在那里生存

但是,这种看法是错误的。现在,我们很清楚地知道,太阳通体都是热的。事实上,我们看到的太阳表面是太阳上最冷的区域,但即使在那里,对生物来说,也肯定是太热了

辐射和温度是密切相关的。1894年,德国物理学家维恩研究了在不同温度下发射出来的各种光辐射。他的结论是:在理想的情况中,在每个特定的温度下,每一个物体都会辐射出特定波长范围内的光,而与物体本身的化学组成无关

随着温度的升高,峰值辐射的波长会变得越来越短,对于任何物体都是如此。在摄氏六百度左右,就会有相当多的辐射进入可见光的频率范围,于是物体就会呈现暗红色。当温度再升高时,物体就变为鲜红色,然后变为橙红色、白色和蓝白色。如果温度足够高,辐射频率就会大部分位于紫外区,甚至比这还要高

仔细地测量了太阳峰值辐射的波长(它位于黄光区域内),我们就可以计算出太阳表面的温度,这个温度大约是6,000℃

太阳黑子并不处于这一温度上。它们比这个温度要低不少,我们认为,在 黑子的中心部分,温度只有4,000℃。太阳黑子很可能是一团膨胀的巨大气体。这种膨胀在太阳上造成了一定的温度降,正象电冰箱里的情形一样。要使一个巨大的黑子能抵御住从四下里温度更高的地方传递进来的热量,保持住数日或数周的低温,需要有一个巨大的热泵才行。不过,关于太阳黑子生成的机制,天文学家至今仍未找到完全满意的解释

即使是摄氏四千度,太阳黑子也应该很明亮。它应该比地球上的弧光灯还要亮许多,而弧光灯已是亮得不能用眼睛去直视它了

其实,太阳黑子也确实比弧光灯亮,这一点已经用仪器检测出来了。问题出在这里:我们的眼睛是不能看出光的绝对强度的。我们在判断亮度时,靠的是与四周环境的比较。太阳表面上那些温度较高的正常区域的亮度,是黑子中心低温区域亮度的四至五倍,与前者相比,后者在人眼中就显得是黑的了。这种黑只是光学上的错觉

这一点有时在日蚀时可以看出来。在太阳明亮的圆面上,掩蚀太阳的月亮朝向我们的一面的确是黑的。当月球的边缘掩过一个巨大的太阳黑子,使我们能在月亮的衬托下来观察黑子的“黑”时,我们就能够看出,黑子实际上并不黑

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

太阳系各行星几乎在同一平面——100个科学问题之22

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190613

为什么太阳系行星为什么在一个平面?

可以把太阳系视为一个自转的球体,太阳是自转的中心,各行星是太阳的手臂,在离心力的作用下,各行星倾向于排列在同一个平面

你可以做一下实验,你在原地自转起来,随着你自转速度的加快,这时两手就会倾向于和地面平行,两手和心脏基本在同一个平面,心脏就相当于太阳,两手就相当于各行星

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,八大行星公转轨道几乎在同一平面上,在作用上来说可以使太阳系的动态结构更加平衡,否则地球就难以进化出升物,人类自然也不会出现了。你可以假想你的右手长在后背上,这样的话你的身体就不容易保持平衡了

如果太阳系的行星非常多,那么各行星不在同一平面也是有可能的。用人来比喻,如果人有几十只手,那么手朝各个方向长也是可以保持身体平衡的

22 为什么所有行星的轨道都近似地位于一个平面上?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

对于行星都在同一个轨道平面内这一点,最合理的天文学推测是:它们是由同一薄层物质生成的

目前流行的理论认为,太阳系原先是一团巨大的尘埃和气体,最开始时是旋转的球体。在它本身所具有的重力影响下,它逐渐凝聚起来,因此旋转会加快,以保持角动量的守恒

随着这团星云越来越凝聚,转得也越来越快,由于离心力的作用,一部分物质会被从赤道平面上甩出去。这部分被甩出去的物质只占整体的百分之几,它们在星云中心的主体位置外围形成一个巨大的薄层。由于某种原因(至于具体是什么原因,大家还没有一致的看法),从这一薄层物质中,又凝聚出各个行星,而星云的中心主体则变成了太阳,各行星在原来的薄层的位置上继续运转。正因为如此,它们几乎都在同一个平面——太阳的赤道平面上旋转

由于同一个原因,各行星在凝聚的过程中所形成的各个卫星,一般也都在同一个平面上,它们也与各个行星的赤道平面相合

至于例外的情况,则被认为是整个太阳系形成许久以后发生的剧烈变故造成的。冥王星在与地球运转平面成十七度角的平面上运行(其它各行星都没有这样倾斜的轨道)。有些天文学家认为,冥王星原先可能是海王星的一颗卫星,后来有某种大变故使它摆脱了海王星。海王星目前的一颗最大的卫星“特瑞敦”并不在海王星的赤道平面上运行,这也是这颗行星发生过大灾变的另一个证据

木星有七颗位于外围的小卫星不在它的赤道平面上。土星的最外面一颗卫星也是这样。这些卫星可能在形成太阳系时都不是在它们目前所处的位置上形成的,而是很久以后才被这些大行星俘获过来的小行星

在火星和木星之间运行的小行星当中,有许多小行星的轨道平面都有很大的倾角,这也同样是发生过灾变的迹象。这些小行星原先很可能是一颗和各行星在同一个平面里运行的较小的行星。在太阳系形成后许久,可能是一次爆炸或一系列爆炸使这颗苦命的行星裂成许多小块,走上各自的轨道,其中有许多和原先的轨道大不相同

彗星有各种各样的运行平面。对此,有些天文学家认为,在太阳系的边远处——离太阳大约有一光年上下——存在着一个延伸得很远的彗星星云。它们很可能是在发生普遍的收缩和赤道平面上出现薄层物质之前、就由原先的球状星云的外层凝聚成的星体

当一颗彗星由于偶然的机会,从这个球层上掉了下来,落入太阳系内部时(这可能是由于遥远恒星的引力影响),它就会在任何一个平面上绕太阳运行起来

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

冥王星特别之处,轨道特殊——100个科学问题之23

冥王星(Pluto) 主要由岩石和冰组成,质量为月球的六分之一,体积为月球的三分之一

冥王星轨道特殊

1930年克莱德·汤博发现冥王星,并将其视为太阳系第九大行星。2005年发现的阋神星质量甚至比冥王星质量多出27%,国际天文联合会(IAU)因此在翌年正式定义行星概念,新定义将冥王星排除行星范围,将其划为矮行星(类冥矮行星)

23 冥王星与其它各行星有什么不同?为什么会有这些不同?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

冥王星因为是离太阳最远的一颗行星而引人注意(它离太阳的平均距离约58亿公里)。不过,总得有那么一颗行星是最远的,冥王星不过刚好处在这个位置上而已

然而,事情还不止这样,冥王星具有一些不寻常的特性因而与其他大行星很不相同,这使它引起了天文学家很大的好奇心。例如:

(1)冥王星有比其他各大行星形状更扁长的椭圆轨道。正圆的偏心率为零,地球轨道的偏心率只有0.017,这使它近于是个正圆。然而冥王星的偏心率却为0.25。有的时候,它离太阳会近到43亿公里;有的时候却远达72亿公里。事实上,当冥王星离太阳最近时,它要比海王星还接近太阳,因此有一段时间它不再是最远的一颗行星。现在它正在向比海王星还靠近太阳的位置运动,它将把这种地位保持四十年上下

(2)冥王星的轨道在所有大行星当中是最倾斜的。如果在太阳的一侧把所有的行星在它们的轨道上排成一列的话,它们差不多刚好一个挨着一个,只有冥王星是例外。冥王星的轨道平面与我们的地球轨道平面成17度角,因此,它既可能高踞于其它行星的总平面之上,也可能远远落在它们的总平面之下。因此,它从来不会在跨越海王星轨道时与海王星碰撞——离海王星远着呐

(3)除冥王星外,八大行星可分成两类。第一类是靠近太阳的四颗行星:水星、金星、地球和火星,这些行星都比较小,密度比较大,相对来说没有多少大气。此外,还有四颗较远的行星:木星、土星、天王星和海王星,它们是大行星,密度小,大气层很厚,冥王星不属这些“气儿吹成的大块头”之列,但却象内行星一样,是一个小小的致密世界。它所处的位置确实有些不相称

(4)除水星和金星外——它们离太阳太近了,万有引力效应会使它们的运动减慢——其他行星都可以说是绕着自己的轴心迅速转动着的。它们的运转周期从10小时到25小时。但是,冥王星的自转周期是153小时——差不多是七天

为什么一切都是这样地走极端呢?冥王星这样与众不同是什么原因呢?

有人提出了一个特别有意思的设想。这种设想认为:冥王星在一开始并不是颗行星,而是海王星的一颗卫星,而在某种宇宙灾变中,它从自己的卫星轨道上被抛了出来,成了独立的行星

这样的爆炸(如果真的是爆炸的话)完全能够把它送上一个倾斜的、不匀称的轨道,但这个轨道还会把它带回自己原来从海王星抛出去的地方

作为一颗卫星,它可以是小而致密的,无须象真正的外行星那样一定得是那种气儿吹成的大块头。而且,它还能以自己在海王星重力作用下绕海王星运行时所具有的旋转速度自转下去(卫星一般都是这样的,我们的月亮就是如此)。这时,冥王星就很容易以七天为自己的自转周期了(月亮的自转周期是四个星期)。当冥王星从海王星那里被甩出去时,它可以保持自己的自转周期,同时以最特殊的身份成了一颗行星

不过,糟糕的是,所有这一切都只是臆测。对于冥王星是否曾是海王星的卫星,我们并没有过硬的证据。即使算是说对了的话,我们也还不知道冥王星是被什么灾变把它搞成现在这个样子的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

彗星有什么作用?动态调节太阳系的平衡——100个科学问题之24

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190613

古代人曾被象扫把的彗星吓得不清,现代人自然不会相信彗星是扫把星,那么彗星的真正作用是什么,几乎没有人思考过这个问题

太阳系是一个星系,八大行星围绕太阳有规律地运行,从古到今,好像从未变化。海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,坠入太阳系的彗星,就如一个石子投入池塘,给太阳系带来了变化,起到了动态调节太阳系的平衡的作用

多数时候,彗星落向太阳系为太阳系带来了新的物质。如果彗星携带大质量陨石撞击地球,那么就可能改变地球升物的命运。大约6600万年前,地球上的恐龙突然灭绝,目前的权威解释是因为一颗小行星撞地球导致的,教科书上称之为希克苏鲁伯陨石(Chicxulub asteroid)

科学家发现白垩纪的地质沉积物富含铱元素,这种元素普遍认为来自彗星或小行星。

科学家在一个叫塔尼斯(Tanis)的地方发现了一批远古化石,记录了希克苏鲁伯撞上地球之后,排山倒海,乾坤挪移的场景。塔尼斯的地质沉积物里也发现了铱元素

可以这样形象地理解希克苏鲁伯陨石撞击地球事件。太阳系发现地球的升物的演化走错了道路,于是通过彗星(或小行星),一掌拍死了地球上的绝大多数大型升物,这样地球上就腾出了空间,为别的升物上台表演铺平了道路。现在的人类的演化看起来也是走错了道路,表现在人类的身体在退化,很可能什么时候太阳系之手再度拍下来,到那时候地球无论好人坏人,信佛或信神,首富或无产,将全部 Game Over

24 彗星为什么有尾巴?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

彗星把人类恐吓了许多年代。偶尔,天空中会莫明其妙地出现一颗彗星。它的形状和其他任何天体都不相同。它模模糊糊,轮廓并不清晰,而且还拖着一个不甚分明的尾巴。在某些富于想象的人看来,这个尾巴很象是一个哭泣着的妇女的散乱头发(“彗星”一词就是从拉丁文的“头发”一词变来的),因此,人们认为它预示着大难将临

到了十八世纪,人们终于确认出,某些彗星在固定的轨道上绕着太阳转动,不过,这些轨道一般都是非常扁长的。当彗星在轨道的远端时,人们看不到它们。只有当它们位于近端时——这在几十年中才有一次(也许是上百或上千年)——它们才成为可以看见的天体

1950年,一位名叫奥尔特的荷兰天文学家提出,有一团巨大的星云,其中可能包含着几十亿颗小行星,在距离太阳一光年或甚至更远的地方运行。它们比冥王星这颗最远的行星还要远一千倍,而且,尽管它们为数甚众,我们却全然看不见它们。每隔那么一段时间,可能在邻近恒星的引力作用下,一些小行星在轨道上的运动会放慢下来,并开始朝太阳的方向落下。偶尔会有某个小行星深深地钻进太阳系的内部,在离太阳几百万公里的近处翱翔,自此之后,它就将保持自己的新轨道,成为我们所看到的彗星

几乎与此同时,美国天文学家惠普勒也提出,彗星主要是由低沸点的物质(如氨和甲烷)构成的,同时也包含有细碎的石砾。这团彗星云在远离太阳的时候,氨、甲烷和其他物质都凝固成为坚硬的“冰块”

这种冰冷的彗星结构,在外层空间迅速运行时是稳定的。但是,一旦它们慢了下来,向太阳靠近时,又会出现什么情况呢?当它进入太阳系内层时,会从太阳接受到越来越多的热量,使得冰块开始变成蒸汽,原先被凝在冰块表层的石砾颗粒得到了自由,结果,彗星的核心就被一团尘埃和蒸汽所形成的云雾包围起来。越靠近太阳,这团云雾就越稠密

太阳朝四面八方刮着太阳风——一种向外奔涌的亚原子粒子云。太阳风对彗星有一股作用力,这种力超过了彗星本身的微弱引力,彗星内的尘雾云就开始被太阳风吹出来,向背离太阳的方向伸展。随着彗星接近太阳,太阳风加强了,尘雾云就成了背离太阳方向的一条长尾。离太阳越近,尾巴就越长,然而,这种尾巴是由极其稀薄的分散物质构成的

自然,彗星一旦进入太阳系的内层空间,就不会长期存在下去。每靠近太阳一次,就造成一次物质损失。这样,转了几十次以后,彗星就变成了很小的石头核,或者干脆碎裂成小陨石团。有一些这样的陨石团正在确定的轨道上围绕太阳运行。当它们在地球的大气层里穿过时,就会出现壮观的“流星雨”。这些流星雨无疑是彗星的遗骸

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

月亮为何只能看到一半——100个科学问题之25

月亮的自转与公转同步(潮汐锁定),因此它始终以同一面朝向地球

25 月亮为什么只能看到一半,为什么月球总是以固定的一面对着地球?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

月球的引力造成地球两侧海水的升涨,形成每日两次的涨潮。随着地球从西向东自转,这两次涨潮——一次永远冲着月亮,另一次则背着月亮——在地球上从东向西移动

潮水在地球上运动时,会在白令海和爱尔兰海这样的浅海海底掠过。这样会造成摩擦,把转动的能量变成热。由于地球的转动能就这样慢慢地消耗着,我们这颗星球的绕轴自转就会放慢。潮汐对地球旋转所起的作用就像一副车闸,结果,每隔一千年,地球上的一天就会延长一秒钟

在月球引力影响下位置升高的不只是海洋。地球的固态地壳也相应发生变化,不过不那么容易注意到就是了。岩层会沿着地球产生两次轻微的凸起,一次朝着月亮,一次在地球的另一面。在岩石绕着地球凸起的过程中,岩层之间的摩擦力也消耗着地球的转动能量。当然,这种凸起并不造成岩石环绕地核的转动,但是,当我们这个行星运动而使各个不同的部分在月亮下面经过时,这种凸起会此起彼伏

月球上没有大海,没有潮汐。然而,它的固体表面层会对地球的引力发生反应——地球的引潮力比月球对地球的引潮力大八十倍,因此,月面凸起的程度要比地面大得多。同时,如果月球也是以二十四小时为周期自转的话,月球上所受到的潮汐摩擦力就要比地球上强烈。此外,由于月球的质量比地球小许多倍,要是它的自转周期与地球相同,它在开始时所具有的总能量就要小得多

随着月球上较小的初始转动能量在地球所引起的较大凸起中迅速消耗掉,它的自转周期相对说来就会以很快的速度变长。它的自转速度一定早在几百万年前就减慢到月球的一天等于地球的一个月那么长的地步了。到了这时,月亮就会永远用同一面对着地球

这时,月面的凸起就被“冻结”起来,有一处凸起就在我们所看到的这一面的正中央,永远对着我们。另一处就在我们所看不到的那一面的正中央,永远背着我们。在月球运行时,这两处都不再变动位置,于是不再有升降变动,也就没有摩擦效应来改变月球的自转周期了。因此,月球将永远保持着以同一面朝向我们的状态。你瞧,这并不是出于巧合,而是引力和摩擦作用的必然结果

月球的情况是较为简单的。在一定条件下,潮汐摩擦力可以造成更复杂的稳定条件。例如,近八十年来,人们一直认为水星(离太阳最近的行星,受太阳引力的影响最强烈)也象月球以一面朝向地球一样,总是以一面对着太阳。实际上人们已经发现,在水星的情况下,摩擦效应能造成周期为58天的稳定自转,这刚好是水星绕太阳公转周期——88天——的三分之二

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

什么是月球质集、质量瘤——100个科学问题之26

月球质集又叫质量瘤,指的是在一些巨大的撞击盆地出现了较重的重力分布,这可能与组成这些盆地的玄武岩熔岩流密度较大有关系,令人困惑的是,熔岩流密度本身不足以完全解释重力异常,有一些质量瘤的存在明显和月海中的火山作用形成的熔岩流无关

26 在月球上发现的“质集”,“质量瘤”现象是怎么一回事?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

只要能够假设宇宙间所有各个物体的质量都集中在一点,牛顿的万有引力定律就可以用十分简单的公式表达出来。如果物体是在很远的地方,我们就可以作这种假设。但是,物体彼此离得越近,就越需要把质量是分布在一个大区域里这一点考虑进去

即使在这种情况下,只要能保证如下两点,结果也还是很简单的:

  • (1)物体是一个圆球

  • (2)它的密度沿半径方向对称分布

    所谓“沿半径方向对称分布”,是指这样的情况:如果物体在中心上密度很大,而在离开中心时密度变得越来越小,那么,无论我们从中心点沿哪一条半径向外走,它的密度都以同样方式减小。即使密度有什么突变,也没有什么关系,只要这种变化在从中心向各个方向走时都同样发生就行

所有天体,只要它们足够大,就几乎都满足这两个条件。它们在形状上一般都很接近于球体,密度也差不多总是沿半径对称的;当然,在天体彼此相隔十分近的时候,应该允许出现一定的偏差。在研究月球和地球间的引力效应时,就要考虑到地球不是个正球体,它在赤道区域内有些隆起。隆起部分的多余物质产生了自己的微小的引力效应,这是必须考虑进去的

二十世纪六十年代,美国把几只空间容器(“月球轨道探测”)发射到围绕月球运行的轨道。由于详细地掌握了月球的大小和形状,火箭专家相信自己能够精确地计算出这些容器环绕月球的速度该有多大。然而,使他们惊讶的是,他们发现这些空间容器在轨道的某些地方走得太快了一点

人们对这些轨道进行了详细研究,结果发现,空间容器在飞越月球上广大的叫做“海”的地区——这是一些平坦的地区,几乎没有火山——时,速度会稍稍变快一些,这只能是由于月球的密度沿半径并不十分对称而造成的。在这些“海”中,一定存在着太多的质量,所以产生了事先没有预料到的附加引力效应。于是,天文学家开始谈起“质量集中”,或者简称为“质集”的现象来了

质集是什么原因造成的呢?

现在有两种理论。有些天文学家认为,这些平原地区是由极大的陨石在月球上碰撞出来的特大号环形山,这些陨石可能埋入地下,至今仍在那里。它们的主要成分可能是铁,比普通月面物质的比重要大得多,因此会呈现出质量高度集中的异常现象

第二种理论认为,在月球的早期,月面上的“海”真的是海洋。在海水被蒸发到星际空间之前,海底积聚了厚厚的沉积物,这些物质现在还在那里,造成了多余质量的集中

将来进一步对月球进行探索,准会确定出这两种理论是否有一个是正确的,以及是哪一个是正确的。一旦知道了真情,它又会再告诉人们许许多多关于月球(以及地球)的早期历史

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

人类对月球探索后的发现——100个科学问题之27

2008年,科学家对一颗由阿波罗15号带回的熔岩珠进行分析,显示有微量的水存在于球状硅酸盐玻璃内

2008年,印度的月船1号太空船使用月球矿物绘图仪确认月球表面有水冰的存在。2009年,LCROSS发送了一个2,300公斤的撞击器到极区永久阴暗的环形山,并且从喷出的羽状物质中至少检测到100公斤的水

27 近年来月球探索的发现,人们已经先后六次登上月球,在那里都发现了些什么呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

从某种角度来看,由于人们已做的工作毕竟有限,因此不应对这几次月球探险抱有过多的指望。我们已做到的,充其量只是在相当于南北美洲总面积那样大的月球上,从相距很远的六个地点挖得了一些月面物质而已。宇航员每次来至月面上,都会有一些惊人的发现,但是,这离解答月球之谜可以说还相隔十万八千里呢!

何况,天文学家和地质学家也只不过刚刚着手工作。对月球上岩石的研究需要进行好几年。这一课题可能会有很大的用处,因为在这些岩石中,有一些是在太阳系开始存在的最初几亿年里生成的,它们已有四十亿岁上下了。在地球上,迄今仍没有找到这种早期生成、并且无变化地保留了下来的物质

由于人们对月面物质化学成分进行研究的结果,有一点已经很清楚了,这就是:月球上各种元素的分布与地球上有显著的不同。同地球相比,月面岩石中那些倾向于形成低熔点化合物的元素——如氢、碳、钠、铅等等——的含量很少;而生成高熔点化合物的元素——如锆、钛和各种稀土金属——在月壳中的含量则比地球多

用推理的方法对这一现象进行解释时,我们可以假设月球表面曾有过很高的温度,而且这一高温时期相当长,以致低熔点化合物大部分蒸发散逸掉了,高熔点成分则原封不动地留了下来。由于在月球上发现大量的玻璃状物质——这似乎表明月面大部分曾熔化过,后来又重新凝固起来——这种推论就得到了进一步的支持

但是,这些热量是从哪里来的呢?可能来自早期大陨石对月球的撞击,也可能来自火山的大喷发。如果热源是这两者,熔凝效应会是区域性的。但是,到目前为止,人们得到的证据表明这一现象在月球上是普遍存在的

也许,这一效应的产生是由于太阳曾有过一段很长的高热时期。如果真是这样,地球过去也会处于同样的高温之中。尽管地球与月球不同,有大气层和海洋保护着它,但也应该能在地球上找到这一高热时期的证据。目前尚未发现这种证据,不过,这可能是由于地球上没有一块岩石能从太阳系历史的最初几亿年就一直无变化地保存下来的缘故

第三种可能性是月球曾一度比现在离太阳近得多。起先,它可能是具有狭长椭圆轨道的行星,轨道的一端离太阳就象水星离太阳那样近。这时,月球表面就会受到太阳的强烈焙灼

在轨道的另一端,它可能离地球的轨道比较近。在过去的某个时候,也许就在十亿年前,这种状况使得它被地球俘获过来,因而把它从行星变成了卫星

不管是什么原因,月球的这种被烘烤过的表面有一点使人们很失望:它增大了在月球表层几公里深度内不会有水分存在的可能性,这意味着在月球上建立移民点要比有水源时困难得多

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

火星上是否有不明生命——100个科学问题之28

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190614

另外的角度解释火星上究竟有没有生命存在

首先,生命 的概念应改为 升物 见 《从生物学到升物学——整体学的诞生》 https://www.tuenhai.com/sheng-wu-xue-si-xiang/

物理学已经提示我们,物质界和升物界是高度相关的,两者实际上是一体的,升物界是物质界的升级,这是一次大升级,物质界准备了百亿年才筹备好这次升级,这是一次极难的升级。如果认识到这次升级的难度,那么最优化的升级方案是集中力量于一点,而不是分散力量到处开花。因为人类生活在地球,可以推知物质界把促进进化的力量集中到了地球,那么太阳系其他行星上演化出升物的可能性就很少了,因为物质界本来就没有这个安排

28 火星上有生命吗?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

说真的,对这个问题,我们现在还回答不出来,除非科学家登上火星并进行研究,否则,我们可能永远不会知道

不过,根据目前我们所掌握的知识来看,火星上是有希望存在生命的。诚然,火星探测器“水手九号”从火星上方1600公里的位置上,对火星的所有区域进行了观察,并没有发现什么生命迹象。但是,如果用同样的方法,在同样的高度向地球窥探,也同样不会发现地球上的生命迹象

火星的大气十分稀薄,只有地球上大气密度的百分之一,而且,它的成分几乎都是二氧化碳。还有,火星离开太阳的距离是地球的一倍半,那里的温度会象地球南极洲地区夜间的温度那样低。而在它的两极地带,低温会使二氧化碳冻结成为固体

如果没有特殊的保护措施,人类是无法在这种环境里生存的。事实上,地球上的任何动物都无法在那里生存。到火星上去的“地球人”只能在室内或地下洞穴里生活,然而,这是不是就意味着火星上不存在能适应火星条件的高级生命形态呢?应该说,存在的机会是很小的,但不能完全排除

那么,简单的生命形态——象地衣一类的植物和细菌类的微生物——会不会存在呢?它们存在的机会要大得多,或许,火星上的环境对它们还是相当不错的哩。大家知道,过去人们曾希望月球上有可能存在着简单的生命形态,这种希望现在正在逐渐破灭,但火星上的条件要比月球上好得多。火星离开太阳比月亮离太阳远,又有一层可以起一些保护作用的大气,因此,火星所受到的会把形成生命所必须的复杂分子破坏掉的强烈太阳辐射会少一些

还有,由于火星比月球冷,又比月球大,它就更能成功地把造成生命起源的挥发性物质保留下来。火星上有丰富的二氧化碳,肯定还含有水分。有了这些东西,生命就能够形成,既然地球上有某些十分简单的生命形态可以在类似火星的条件下继续生存下去,那么,从一开始就适应于火星上的条件的生命形态,就更应当如此了

“水手九号”所拍摄的照片表明,火星上的条件不一定总象目前那样严酷:火星上有火山地带,有一座大火山叫尼克斯·奥林匹亚,这座山的直径比地球上的任何一座火山都要大上两倍。这表明火星从地质学上说是一个活跃的世界,它正处在变化之中

火星上有一些曲折的线条,大家都觉得这些东西看起来像是河道,有的天文学家甚至认为,这些线条的外表就能说明,不久以前(从地质学上说),这里有水流过。还有一点,火星两极的冰冠看起来似乎有周期性的消长变化

可能火星会交替着经历两种状态。一种是漫长的冬天,这时候,大部分大气都冻结了,只剩下极其稀薄的一点儿(目前正是如此);另一种是漫长的夏季,这时候,全部大气都将化为气体,大气层会跟地球的一样稠密

也许,火星上的生命目前正在火星的土壤里休眠,一到长夏来临,大气浓厚起来,水也流动起来时,那里的生命就会比我们目前所想象的更加欣欣向荣地生长起来

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

为什么氨基酸左旋——100个科学问题之29

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190614

升物分子由左旋(L)型的氨基酸和右旋(D)型的糖类分子构成,这是升物在分子层次表现出来的不对称。这种不对称可能来自于物理界,因为升物是由物质进化而来,而物质界的不对称无处不在

地面表面的任何物体都是上下不对称的,海云青飞 https://www.tuenhai.com 有时看到美女晒出美颜照,表面一看很漂亮,再远看,和手臂相比,腿就很粗了,有一种荒诞、畸形的感觉,不但是美女,任何人都是这样。6600万年前,一种手很细的大型动物已经灭绝了

升物这种明显的上下不对称是因为地球表面的空间上下不对称造成的。人类无法看到空间的上下不对称,但是可以感觉到它,如果空间是对称的,那么人应该能够双脚离地而走

世界第一的科学家牛顿就是敏锐地感觉到了空间的上下不对称从而发现了万有引力定律。现在的中学生都学过万有引力定律,然而只是概念上的理解,很少人能形象地想到空间的上下不对称。物质空间的不对称造成人体和许多不对称,也必然会传统到升物分子上,这就从宏观上回答了为什么升物分子由左旋(L)型的氨基酸和右旋(D)型的糖类分子构成

29 如果火星上存在着简单生命,是否真正值得跑这么远的路去看上一趟?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

对这个问题,科学家会毫不迟疑地用最大的嗓门回答:“那还用说!”

地球上所有的生命形态,都毫无例外地是在蛋白质和核酸的巨大分子的基础上形成的。它们全都借助于同一类化学反应,起控制作用的也是同一类的酶。地球上的所有生命,都是由一条线上发展下来的各个变种

如果火星上有生命,无论它们是何等的简单,都有可能是另一条线上的一系列变种。这一来,我们一下子就把生命的种类扩大了两倍(碧声注:疑此处有错,当为扩大一倍、达到原来的两倍),还有可能立刻获得对生命本质的更为根本的了解

即使火星上的生命被证明是建立在与地球上相同的那一条线上,在细微之处也会存在着有趣的不同。比如说,地球上所有的蛋白质分子都是氨基酸构成的,所有的氨基酸(除一种外)都可以是左旋的,或右旋的。在所有与生命无关的现象中,这两类氨基酸都是同样稳定的,也以同样的数量存在着

然而,在地球上的蛋白质中,所有的氨基酸,除了最无关紧要的最稀少的例外几种,都是左旋的。这就是说,蛋白质分子能够形成纯净的一串;而如果有些氨基酸是左旋的,另一些是右旋的,那就不可能形成这种纯净的蛋白质。然而,如果这一串都是由右旋氨基酸所组成,那也同样是纯净的

那么,为什么生命出现在左旋系统中,而不出现在右旋系统中呢?这是不是纯属偶然呢?地球上的第一息生命是偶然地成为左旋物体的呢,还是由于这里面有什么本质上的不对称性,使得左旋系统成为必然呢?火星上的生命有可能解答这个问题,以及其它类似的问题

就算火星上的生命确实和地球上的生命属于同一条线,在各个细节上也相同,单凭能知道这一点,去火星走一走也是值得的。这个事实本身就是有意思的证据。它表明地球上所存在的这些生命,可能是任何一颗行星——哪怕它们与地球很少有相似之点——所能具有的唯一生命形态

除此之外,从生物化学的角度来看,如果火星生命也和地球生命一样,是以碳元素为基础的,它们的生命物质的分子结构可能比世世代代生长在地球这个环境更适宜之处的任何生命都原始得多。如果是这样,火星就成了一座实验室,我们在那里可以观察到(可能)曾经在地球上存在过的生命的雏形。我们甚至可以用它们来做实验——在地球上,我们也可以这样做,但会多花掉许多时间——以探索潜藏在复杂的地球生命内部的基本真理

纵然火星上根本就不存在生命,在那里的土壤中,也很可能存在着有机物的分子。它们虽然并没有生命,但却可能正在向生命之路迈进。它们可能会说明在地球上出现第一个足够复杂的、可以被称为是生命的东西之前,地球所经历过的所谓“化学进化”这一阶段的本质

无论我们对于火星生命能了解到什么,都非常有可能帮助我们对地球上的生命有更为清楚的理解(就像学了拉丁语和法语,会有助于使我们对英语了解得更清楚些一样)。肯定地说,如果我们去火星是为了比在地球上更多地了解地球本身的话,这就足以使我们尽力去这样做了

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

为什么地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋的糖分子?

本文来自朱钦士科学网博客

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地球上的生物都是以碳元素为基础的。碳原子是“四价”的,可以用四根化学键和其它的原子相连,形成生命所需要的各种复杂分子,其中碳原子彼此以单键或双键相连形成链状或环状的化合物,上面再连上各种功能基团。可以说,没有碳就没有地球上的生命

碳原子的四根化学键不仅使得复杂生命分子的产生成为可能,也带来了另一个复杂性,那就是有些以碳为骨架的分子,特别是氨基酸和糖类分子,具有不对称性,也叫做“手性”(chirality)。Chirality这个词来自希腊文χειρ (Kheir),意思就是“手”。人的手是不对称的。如果以中指为轴,食指和无名指就不对称,拇指和小指也不对称。但是人的左手和右手却有一个对称面,彼此为对方的镜像。如果物体自身是不对称的,镜面内外的两个物体就不能通过转动而彼此重合,例如左手和右手就不能彼此重合。左手的手套,右手就戴不进去。这就是“手性”,是对两个不对称物体互为镜像这种情况的描述。分子也一样,分子的手性是指具有同样结构的分子(其中组成分子的原子和它们的连接顺序都相同,所以它们具有同样的分子式),却有两种空间形式,彼此成为镜像而无法通过旋转而重合。那么分子的手性是怎么产生的呢?

这是因为碳原子与其它原子相连的四根化学键不是在一个平面上,而是在空间中向四个方向伸出,就像正四面体的中心与四个顶角的连线。如果与碳原子相连的四个原子或原子团彼此不同(例如下图中的a、b、c、d),就会形成两种空间形式:

    a                   a

    |                   |

c >  C  < d         d>  C  < c

    |                   |

    b                   b

想象碳原子(C)与a和b相连的化学键是指向远离读者的方向的(即a和b离读者的距离比中心的碳原子C远),而与原子或原子团c和d相连的化学键是指向读者方向的(即c和d离读者的距离把你中心碳原子近)。虽然在左右两种情况下,与碳原子相连的四种原子或原子团相同(都是a、b、c、d),但是上图中的两种分子却无法重合,而是彼此互为镜像。如果b相当于手腕,a相当于中指,d相当于大拇指,c相当于小拇指,上图就对应于人的左手和右手。 以a-b为轴,c和d不对称(不同的原子或原子团)。反过来,以c-d为轴,a和b也不对称(也是不同的原子或原子团)。这就是分子手性的由来,这样的碳原子被称为“手性碳原子”。由于这样的碳原子能够形成空间结构不同的两种化合物,它也被称为“不对称碳原子”,即含有它的分子具有方向性

互为镜像的两种分子不仅空间结构不同,它们还有一个特殊的性质,就是都能够使平面偏振光(光波的振动方向在一个平面上)振动的方向旋转,只是旋转的方向相反,所以它们又被称为“旋光异构体”。使偏振光的偏振方向向右旋转的叫做“右旋异构体”(D型,D是前缀dextro- 的第一个字母,表示“右旋的”),向左旋转的则叫“左旋异构体”(L型,L是前缀levo- 的第一个字母,表示“左旋的”)。旋光异构现象是法国科学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822-1895)于1894年首先认识到的。他发现从酿酒容器中得到的酒石酸(2,3-二羟基丁二酸)可以使偏振光的偏振方向旋转,但是其它来源的酒石酸盐却没有这种能力。进一步的研究发现,没有旋光能力的酒石酸可以形成两种晶体,形状也彼此为镜像。如果把这两种晶体分开,它们就都获得了旋光性,只是旋光方向相反。之所以酿酒容器中的酒石酸盐具有旋光性,是因为这些酒石酸是生物来源的,只含有一种异构体。而化学合成的酒石酸两种异构体都有,它们的旋光效果彼此抵消,所以显示不出旋光能力来,这两种异构体的混合物就是“消旋”的

既然生物来源的酒石酸只含有一种旋光异构体,生物来源的其它有机分子是不是也只含有一种旋光异构体,因而具有旋光性呢?从碳原子是许多生物分子骨架来看,含有多个彼此相连碳原子的分子就有可能含有不对称碳原子。如果生物产生的这些分子只含有其中一种异构体,它就会具有旋光性。例如组成蛋白质的氨基酸,除甘氨酸外,就含有一个不对称碳原子,叫 a 碳原子。它与氨基、羧基、氢原子及一个“侧链”相连(甘氨酸的“侧链”是另一个氢原子,所以这个碳原子和两个氢原子相连,就不是非对称碳原子),因而可以形成两种旋光异构体。但是除了少数的例外,所有生物来源的氨基酸都是“左旋”的。在上图中,如果a代表羧基,b代表侧链,c代表氨基,d代表氢原子,则左边的构型是左旋的(氨基在左边),右边的结构是右旋的(氨基在右边)

糖类的情况比较复杂,因为许多糖类(例如葡萄糖和核糖)都含有不止一个不对称碳原子。我们从最简单的含有不对称碳原子的糖类分子甘油醛谈起。甘油醛就是甘油的一个羟基变成了醛基。它含有三个碳原子,一个在醛基中,另一个与两个氢原子相连,所以它们都不是不对称碳原子。而中间的那个碳原子分别和醛基(-CHO)、甲羟基团(-CH2OH)、羟基(-OH)、以及一个氢原子(H)相连,所以是不对称碳原子。如果用a代表醛基,用b代表甲羟基,用c代表羟基,用d代表氢原子,那么左边的结构是左旋的(羟基在左边),右边的结构是右旋的(羟基在右边)。由于甘油醛含有一个醛基,它也被称为“醛糖”

葡萄糖是6碳糖,其“骨架”是线性相连的6个碳原子。核糖是5碳糖,含有线性相连的5个碳原子。位于两端的两个碳原子中,像甘油醛一样,一个以双键与一个氧原子相连形成醛基,另一个与两个氢原子相连,所以都不是不对称碳原子。葡萄糖和核糖都是“醛糖”。醛糖中间的碳原子除了与两个碳原子相连外,还与一个氢原子和一个羟基相连,类似于甘油醛中间的碳原子。不仅如此,与中间的碳原子相连的两个碳原子又分别连有不同的基团,所以他们虽然都是碳原子,但是彼此不同,可以看成是不同基团的组成部分,就像甘油醛中间的碳原子与醛基和甲羟基团相连,所以葡萄糖和核糖分子中间的每个碳原子都是不对称碳原子。由于每个不对称碳原子都可以有两种构型(羟基在左边或是在右边),就可以形成不同的糖。例如6碳的醛糖就可以有24种(即16种)构型,分为8对,每一对互为镜像,所以共有8种6碳醛糖,分别是阿洛糖、阿卓糖、葡萄糖、甘露糖、古乐糖、艾杜糖、半乳糖、和塔罗糖。同理,5碳醛糖有23种(即8种)构型,分为4对,彼此互为镜像,所以有4种5碳醛糖,分别是核糖、阿拉伯糖、木糖、和来苏糖

这些糖分子都含有多个不对称碳原子,它们的旋光形式又如何定义呢? 这就要看离醛基(碳原子1)最远的那个不对称碳原子的构型,这在葡萄糖中是碳原子5,在核糖中是碳原子4。如果它们的构型和甘油的右旋型相同,那就是右旋(D)型的。反之则是左旋(L)型的。研究发现,所有生物来源的糖类都是D型,即右旋的。生物体所使用的核糖(包括其变种2-脱氧核糖)和葡萄糖,都是右旋的。

生物分子由左旋(L)型的氨基酸和右旋(D)型的糖类分子构成 这个事实使人感觉有点难以理解,因为氨基酸当初由非生物途径被生成时,是两种旋光异构体都有的。太空中发现的有机化合物,如果含有不对称碳原子,也都有左旋和右旋两种类型,说明它们是非生物来源的。这两种旋光异构体的化学性质相同,按理说两种旋光异构体都可以形成生命分子。为什么地球上没有使用右旋氨基酸、左旋葡萄糖和左旋核糖的生物呢?

地球上的生命形成时,左旋氨基酸可能就比右旋氨基酸多

  • 一个可能性是,生物形成前,地球上的左旋氨基酸就比右旋氨基酸多,所以形成的生物使用左旋氨基酸的可能性就比较大。对陨石中氨基酸的分析似乎证实也证实了这种想法。对墨其森陨石(Murchison meteorite)和墨瑞陨石(Murray meteorite)中氨基酸的分析表明,虽然氨基酸的两种旋光异构体都存在,但是左旋的异缬氨酸就比右旋的异缬氨酸多达44%。对另一个陨石奥奎尔(Orqueil)上氨基酸的分析也得到了类似的结果:左旋异缬氨酸比右旋异缬氨酸多约39%。迄今为止,还没有在陨石中发现右旋氨基酸多于左旋氨基酸的例子。这说明宇宙中天然形成的氨基酸左旋占优势很可能是一个普遍现象。这种不平衡的一个可能的原因,就是自然界中存在某些机制选择性地摧毁其中一种异构体

  • 科学家想到了宇宙中的紫外圆偏振光(ultraviolet circularly polarized light,其中光有两个互相垂直的振动面,并且两个方向上的振动有固定的相位差)。例如在离地球5500光年的猫掌星云(天蝎座方向)发出的光线中,大约有22%是圆偏振光。不同的旋光异构体使光线的偏振面旋转的方向不同。反过来,对于紫外圆偏振光,左旋和右旋的异构体吸收的程度也不同,因而受这种紫外线摧毁的程度也不同。这就可能导致一种异构体多于另一种异构体。在实验室中模拟太空中的条件,发现紫外圆偏振光的确有这种选择性摧毁的效果,不过程度比较小,只有约1-2%,不足以说明陨石中左旋氨基酸明显多于右旋氨基酸的情形。陨石和星际尘埃表面的结构性质很可能也起了作用。对墨其森陨石不同的碎块进行的分析表明,左旋异缬氨酸多于右旋异构体的程度与陨石表面硅酸盐的水化程度有关,即与硅酸盐在水存在时发生的变化有关。水化程度越高,左旋异缬氨酸的多出右旋缬氨酸的程度越高。这说明硅酸盐的水化过程对氨基酸异构体的形成有差别化的作用。这种差别化作用也许是在紫外圆偏振光的存在下发生的。

    氨基酸被陨石带到地球上以后,地球上的一些过程还能放大左旋和右旋氨基酸之间的差别。例如美国科学家Breslow 和Levine让L型只比D型多1%的苯丙氨酸的水溶液缓慢蒸发,当多数苯丙氨酸都结晶出来以后,溶液里留下的苯丙氨酸70%为左旋,30%为右旋。当把这个比例的苯丙氨酸溶液再进行蒸发,又有一些氨基酸结晶,留在溶液中的苯丙氨酸有95%是左旋的。当然地球早期有机物的溶液不会是某种氨基酸的纯溶液,而是含有各式各样的化合物。但是如果其中含有左旋和右旋不平衡的化合物,就有可能在溶液由于蒸发浓集而发生沉淀或结晶时,有选择性地使某种旋光异构体沉淀,或留在溶液中

  • 科学家还提出其它可能的机制使左旋氨基酸富集。例如方解石(Calcite)可以生成两种旋光性的晶体,能够选择性地吸附氨基酸中一种旋光异构体,使另一种异构体在溶液中的比例增加。氨基酸在通过毛细作用沿着多孔的岩石上升时,岩石对两种旋光异构体吸附能力的差异相当于对两种异构体进行层析分离。例如天冬氨酸和谷氨酸通常会形成消旋的晶体(即两种旋光异构体共同形成结晶)。但是如果让这两种氨基酸的溶液通过半浸泡在溶液中的砖块上升并且蒸发时,两种异构体会分开,各自形成具有旋光性的晶体

这些结果说明,虽然在理论上左旋和右旋的氨基酸有相同的生成几率,但是太空中和地球上的条件(有偏振的紫外光,陨石和星际尘埃表面的性质,早期地球上的吸附和蒸发作用等)下,两种旋光异构体的数量有可能发生差异或者彼此分离,在局部条件下形成主要含左旋氨基酸的环境。从太空中的左旋氨基酸明显多于右旋氨基酸的情况来看,这种情况是非常可能的

左旋氨基酸选择性地结合右旋的糖类分子

左旋氨基酸被选择的问题有解释了,那么右旋糖分子被选择又该如何解释呢?由于氨基酸和糖分子都是不对称分子,它们的异构体之间的相互作用就不会是一样的。这有点像手和门把之间的关系。开门用的门把就是不对称的,有左右两个方向。如果门把的方向是向右的(即门是从左边开的),用右手开门就比较方便,而用左手就很别扭。同理,氨基酸的某种异构体也应该更容易地结合糖分子的其中一种异构体(形状更加相配)。事实也真的是这样,即左旋氨基酸更容易与右旋的甘油醛结合,反之亦然。例如由缬氨酸组成的二肽可以催化甘油醛生成4碳糖。而左旋的缬氨酸二肽选择性地结合右旋的甘油醛,生成右旋的4碳糖

反过来,一旦右旋的核糖在RNA分子中出现,转移RNA(tRNA)就会选择性地结合左旋的氨基酸。例如使用大肠杆菌丙氨酸tRNA中结合氨基酸的片段时,它结合左旋丙氨酸的效率就是结合右旋丙氨酸的4倍。反过来,如果tRNA中的核糖从正常的右旋核糖换成左旋核糖,对氨基酸的选择就反过来了,tRNA结合左旋丙氨酸的效率就只有结合右旋丙氨酸的4分之1。这说明蛋白质合成时对氨基酸旋光异构体的选择是在tRNA阶段就开始了,是tRNA中右旋核糖决定了左旋氨基酸被优先使用。而右旋核糖又是由左旋的二肽催化合成的。这样,地球上的生物使用左旋的氨基酸和右旋核糖和葡萄糖就不是偶然的选择,而是左旋氨基酸和右旋糖分子互相选择和配合的结果。出于同样的理由,右旋氨基酸也会选择性地结合左旋的糖分子。但是由于左旋氨基酸在地球上生物形成的初期占优势地位,最后导致了对左旋氨基酸和右旋糖类的选择

RNA和蛋白质的立体催化本身就是带有方向性的

地球上的生物对左旋氨基酸和右旋糖分子的选择,还有一个更高的调控层次,这就是生物催化本身就是带有方向性的。酸碱都可以催化化学反应,但是由于氢离子和氢氧根离子非常小,本身也没有方向性,所以它们对于旋光异构体的水解效率是相同的。如果有左旋的淀粉,它被酸水解的速度应该和右旋淀粉的水解速度相同。金属离子催化对旋光异构体也没有选择性。而RNA和蛋白质是由有旋光性的单位组成的。而且是由核酸链和肽链卷成的复杂三维结构,催化的反应中心由链不同的区域彼此靠近组成。这样的催化中心就必然会有方向性,对两种旋光异构体的催化效率就不可能相同

在生命形成的初期,RNA分子可以由非酶过程合成,会同时含有左旋和右旋的核糖,由这样的RNA链催化形成的肽链也可能同时含有左旋和右旋的氨基酸。由于左旋的氨基酸占优势,肽链中左旋氨基酸的比例就会比较高,催化合成更多的右旋糖分子。右旋核糖又会反过来选择左旋的氨基酸合成肽链。这样反复地相互选择,左旋氨基酸和右旋糖分子就会占越来越大的优势。而一旦RNA由蛋白质(不再是短的肽链)催化合成,由于蛋白质催化的高度方向性,就只能选择核苷酸旋光异构体中的一种了。在右旋核糖占优势的情况下,RNA分子逐渐都只含有右旋核糖。而只含右旋核糖的RNA(包括tRNA和实际催化肽链形成的核糖体RNA)就只能使用左旋的氨基酸

在一些情况下,生物也可以使用右旋氨基酸。细菌的细胞壁含有“肽聚糖”。它是糖链被3-5个氨基酸组成的短肽横向相连形成的网状物质。例如大肠杆菌的短肽链就由左旋丙氨酸-右旋谷氨酰胺-左旋赖氨酸-右旋丙氨酸这四个氨基酸组成。细菌用右旋氨基酸来构建细胞壁也许是为了抵抗蛋白酶的攻击。这些含有右旋氨基酸的短肽链不是由核糖体中的RNA催化形成的,而是由蛋白质的酶催化的,是“蛋白质合成蛋白质”。在这里酶中的左旋氨基酸和肽聚糖中的右旋氨基酸之间并无空间对应关系,而是通过酶的三维结构实现右旋氨基酸的组入,就像由蛋白质组成的酶催化其它非蛋白分子的反应一样。但是对于“正常”蛋白质的合成,核糖体中的RNA对于氨基酸的旋光性还是高度特异的

细胞中的化学反应不是单一的,而是形成反应链。一种化学反应的产物又需要下一步的催化。这样,一种化学反应的旋光性产物就会对下一步反应的酶提出旋光性的要求。例如葡萄糖的彻底氧化就需要很多步骤,而直到三碳分子为止,每一步的产物仍然是右旋的,这就需要所有这些步骤的酶都能够对右旋的糖分子产物进行加工,最后扩展到整个反应链都只对一种旋光异构体进行加工。由于细胞中的反应链是互相连接的,这样扩展的结果就是细胞只使用一种旋光异构体

当然这是一个复杂而且缓慢的过程。不能排除在生命形成的初期,也出现过使用左旋核糖的RNA和右旋氨基酸的生物,但是这些生物后来在竞争中被淘汰了,只有使用左旋氨基酸和右旋糖分子的生物存留下来。由于现在地球上所有的生物都来自同一个祖先,他们也就都使用左旋氨基酸和右旋糖分子

参考文献:

1,Toxvaerd S, Origin of homochirality in biosystems. International Journal of Molecular Science. 2009, 10:1290-1299.

2, Breslow R, Levine MS, Amplification of enentiomeric concentrations under credible prebiotic conditions. Proceedings of National Academy of Science, 2006, 103(35):12979-12980.

3,Pizzarello S, Cronin JR, Non-racemic amino acids in the Murrray and Murchison meteorites. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2000, 64(2):329-338.

4,Tamura K, Schimmel P, Chiral-selective aminoacylation of an RNA minihelix: Mechanistic features and chiral suppression. Proceedings of National Academy of Science,2006, 103(37):13750-13752.

其他资料:

  • 左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關! https://pansci.asia/archives/85804

地球上为什么有那么多水——100个科学问题之30

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190614

地球最开始都是水吗,地球这么多水是怎么来的?海云青飞 这里提供你绝对想不到的思路。我是世界上第一个整体学者,整体学总是试图从整体上给事物定性,从细节上给事物定量。从整体到局部是认识事物的顺序,再从局部完善对整体的认识

地球生命起源离不开水,而地球又恰好是个被水覆盖的星球,人类观察太阳系和太空的其他许多行星,还没有发现如地球这般有这么多水的,于是不免有疑问,为什么地球会是这么特殊呢,地球上的水又是起源自哪里

你有没有注意到,太阳系恰好有 8 大行星,而氧原子则有 8 个核外电子,这是否暗示太阳系的结构类似氧原子的结构?一开始科学家是这么想的,后来又发现两者有很大的不同,电子是以波的形态运行,地球是波吗,看上去明显不是嘛

地球不是波吗?未必。如果你理解了物理学的双缝实验,你就可能知道,粒子和波的界限并非是那么明了,那么地球可能是以类似电子的波的形态运行,只是人类看不到而已

同理,地球有一个卫星,就是月亮,月亮就如只有一个核外电子的原子,那就是氢原子,地球和月亮或许就组成了一个放大版的氢原子呢

而一个水分子就是 2个 氢原子和 1个 氧原子组成的,看来,地球有这么多的水,并而偶然,而是必然

海云青飞 https://www.tuenhai.com 是世上第一个整体学者,自从初中物理学到原子的结构时,我就在想,原子结构未必不类似于星系结构,后来又了解了双缝实验,进一步证实了原来的猜想。这个猜想未必正确,但是整体到局部的思路却是正确的,有助于我们从宏观上把握事物的本质,也有助于我们发现未知的事物

30 海洋是什么时候形成的?又是怎样形成的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

二十世纪初,人们曾认为地球和其他行星是由太阳所抛出的物质生成的。在人们的想象中,地球是逐渐冷却下来的,从白热到红热,再到一般的温度,最后降到水的沸点。当它冷却到一定程度时,地球那炽热的大气层中的水分就开始凝结起来,于是开始下雨了——下了又下,接着还是下。滚开的大雨降到滚烫的地面上,嘶嘶响着,向四处迸溅,这种令人难以置信的雨下了许多许多年,我们这个星球的高低不平的地面终于冷却得可以容纳这些雨水了,这就出现了海洋

这种说法戏剧性十足,然而却几乎完全是错的

现在,科学家相信,地球和其他行星不是由太阳生成的,而是在太阳自身开始生成那个时期内,由物质微粒聚集而成的。地球从来没有达到太阳那样的温度。但是,由于形成地球的这些微粒互相撞击的能量,它会达到相当高的温度。这个温度足以使得原先所有的大气和水蒸汽跑掉,因为地球的相对小的质量无法把它们留住

换句话说,新生成的地球是个固体块,既没有大气,也没有海洋。那么,大气和海洋又从何而来呢?

在构成地球的岩石物质中,会有水分(还有气体)与岩石松散地结合在一起。在地球重力的作用下,这些岩石越来越紧密地重叠在一起,温度也越来越高,于是,水蒸汽和气体就从岩石中嘶嘶地被赶了出来

这些气泡不断生成、汇集,使新生的地球发生大量的地震。逃逸的热量造成猛烈的火山喷发。在数不清的年月里,水不是从天而降,反过来,倒是从地壳里呼啸而出,然后冷凝下来。海洋不是从上方,而是从下部生成的

现在,地质学家还有争论的问题,主要是海洋生成的速度有多大。水蒸汽是不是在十亿年或更短的时间里就全部跑了出来,因此,海洋从开始有生命以来就是现在这个样子呢?或者,这个过程进行得十分缓慢,因而海洋在各个地质年代一直在扩展,直到现在也仍在扩展?

那些认为海洋早已形成,并且它的大小长久以来一直是稳定的人们指出:陆地的大小一直是目前的样子,它们在过去——即假设海洋比现在小得多的年代——也似乎并不比现在大多少

与此相反,那些坚持海洋一直在增长的人们则指出,即使到了现在,火山在喷发时也仍然把大量的水蒸汽散布到空气中来,这些水蒸汽不是来自海洋,而是来自深处的岩石。此外,在太平洋里有一些平顶的海底山峦,它们的顶部原先可能和海面一样高,现在却在海面以下三百米处了

还有一种折衷的看法认为,海洋一直在持续增长,但是,由于水量不断增加,它的重量把海洋的底部压了下去。简单地说,海洋越长越深,而不是越长越宽。这种说法既可以解释海底山峦的下降,又能说明大陆并没有改变

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

海水是不是越来越咸——100个科学问题之31

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

地球出现升物(生物)并不是偶然的,而是必然的。宇宙精心安排了一个有利于升物诞生、演化的环境,因此,海水是不会变得越来越咸的。宇宙为什么要这么尽心地帮助升物,不能理解成宇宙是个有慈悲心的存在,实际上在人类的角度看来,宇宙极为冷血,她有的时候根本不在乎人类的死活,如果人类或其他升物的演化走错了方向,她就可能一掌把多数升物拍死。她唯一注重的是进化,因为这就是宇宙自己的进化

海云青飞 https://www.tuenhai.com 这么说,和宗教宣传的人形神没有一点关系,具体可以参考《悟道相对论》 https://xdl.tuenhai.com

31 海洋是不是越变越咸?它们会不会变得咸到把所有生物都给咸死?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

地球上存在着水的循环。每年大约有12.5万立方公里的水从海洋表面蒸发掉。这些水会以雨的方式落下来。再以各种方式回到海洋里

循环的这两个分支——蒸发和回降——在一个方面是不平衡的:在海水的各种成分中,只有水本身能够蒸发掉,所以,雨水几乎是纯净的水。然而,降回地球的雨水先是降到陆地上,它们从土地上流过,从中带走了一些可溶性物质,一直带到大海。以河水为例,它会含有万分之一的盐。这是尝不出来的,但已是足够重要的了

这样,海洋似乎会不断地从陆地上得到微量的盐类和其他化学物质,但在蒸发过程中却根本不会把它们丢失掉。我们有理由认为,海洋一定是在变得越来越咸,当然,这是很慢的过程,但是在经历过上百万年的地质年代后,积累起来的盐就很可观了,比方说,现在的海洋中确实就含有3.5%的可溶性物质,其中大部分是食盐

河水也会将盐类带入内陆湖泊,这些湖泊与海洋不相通。在这里,可溶性物质也象在海洋中一样地积聚起来。如果湖泊位于炎热地带,平均蒸发率比海洋还高的话,可溶性物质就积聚得更快。结果,这些湖泊会变得比海洋还要咸。位于以色列和约旦边境的死海含有25%的溶解物。那里的水是如此的咸,以致一切生命都不能在里面生存

海洋是不是也不可避免地面临着这种没有生命的结局呢?

如果没有什么能减少海洋中含盐成分的过程,结果可能就会如此。不过,这类过程是存在的。比如,狂风巨浪会把海水卷到陆地上,溶解的盐类也随着海水上岸,散布在陆地上

更为重要的是,当有些溶解物质达到一定的浓度以后,就会互相结合成不溶性化合物,沉入海洋的底部:还有一些物质,虽然本身不是不溶性的,却能与海底的物质结合起来。还有,一些物质能够被海洋生物的细胞所摄取

这样,现在海洋中含有的可溶性物质就远远少于过去几十亿年里被河流携带进来的物质。而在另一方面,海洋的底部还有很丰富的各种物质,比如,在海底分布着大量各种金属结核,它们一定都来自陆地

此外,随着年代的变迁,海洋的浅湾地带有可能由于地壳的升高而与海洋隔断。这一部分的水逐渐蒸发掉,留下大量的溶解物质,于是,它们又回归到陆地上。岩盐矿——从这里可以得到大量食盐以及少量其他物质——就是这类干涸掉的小块海洋的残迹

那么,总的结果是什么呢?归根结底,在长远的历程中,海洋是在一点点地咸起来呢?还是在渐渐变得淡些呢?或者它是有时向这方面发展,有时又向另一方面变化,而总的说来又保持平衡呢?对于这个问题,地质学家现在还不能肯定

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

海水里有金子吗——100个科学问题之32

海洋、海水里有黄金、金子,这是事实,只是提取太费劲了。海水中的黄金总量大约在六百万吨到一千二百万吨之间,从三百立方公里海水里才能捞到一公斤金子,还不如打工挣钱去给女朋友买黄金合算

32 海洋里真的有金子吗?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当然有的,为什么不呢?

雨水在不断从陆地向大海汇流的过程中,会把它所遇到的所有物质都溶解掉一些。所溶解的物质总量不大。其中有一些物质比另一些物质难于溶解,这些溶解物进入海洋后,有一些沉降到了海底

然而,自海洋出现后的几十亿年里,已经有很多很多的溶解物质被倾倒进大海。因此,每一种元素都以化合物的形式在海水中大量存在着,并和海中的水分子混合在一起

海水中约有3.25%是溶解了的固态物质。海水共有13.6亿立方公里,总重量达一百五十亿亿吨。如果把所有的固体物质从其中分离出来,会有五亿亿(50,000,000,000,000,000)吨。当然,这里面有四分之三是食盐,但在其余的四分之一中,每样东西都有一些

例如,这里存在着许多镁化合物,足以从中获得一千九百万亿(1,900,000,000,000,000)吨金属镁。海洋中的这一储备足以满足我们相当长期的需要、特别是因为我们提取出来应用的东西,最终又都会被冲洗到海水中去

不过,海洋中的镁并不象陆地上那样以富含镁的矿藏的形式不均匀地分布在海洋各处,它是均匀地散布在整个海洋里的。这就是说,即使提取的效率达到百分之百,从一立方米海水中也只能得到一公斤镁。从海水中经济地提取镁的方法已被发现了,现在,人们正很合算地从海水中按自己的需要来取得它

另一种以可观的数量存在于海水中的元素是溴(这是氯的一门亲戚,不过不象氯那么普遍)。从海洋里溶解的溴化物中,可以提取出一百万亿(100,000,000,000,000)吨溴。这差不多是镁含量的二十分之一,所以,要从二十吨的海水——大约二十立方米——才能得到一公斤溴(以百分之百的效率)。这样做也是有利可图的,而海洋也正是世界上溴的主要来源

氯和溴的第三门亲属是碘。它比前两者更为稀少,在整个世界上是这样,在海洋里也是如此——它在海水中的含量还不及溴含量的千分之一,其总数达八百六十亿吨。这个数字听起来仍显得不小,但这意味着在两万多立方米海水中才有一公斤碘。这一含量太低了,无法以合算的方法直接提取。幸而,海藻类植物替我们做了这件工作,从海藻的灰里;就能便宜地得到相当数量的碘

海水也给我们带来了黄金。海水中的黄金总量大约在六百万吨到一千二百万吨之间。如果我们在这段文字的开始就把这个数字告诉大家,那它听起来会显得挺多。至少有六百万吨呢!而且还可能是它的两倍,可不得了!

但是,现在我们可以懂得这个数字并不很大。既然要从二百到四百立方公里海水里才能捞到一公斤黄金,那么,为了得到一公斤黄金所要付出的费用会远远超过一公斤黄金的价格。所以,黄金还是被人们留在海里了

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

冰川会全部融化吗——100个科学问题之33

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

人类的演化走错了方向,这表现在人类的身体在退化中,也表现在人类的活动就是在不断地给自己挖坟坑,将来坟坑挖好后,人类就会自己把自己埋葬掉

人类进入农业社会后,随着私有财产的增加,人类社会就进入了财产驱动着人类的被动发展模式,人类不再是自己命运的主人,人类成为了财产的奴隶,随着人类进入工业社会,人类创造财富的速度不断加快,同时人类的工业活动把越来越多的灰尘和二氧化碳吐到大气中去,这造成了二种后果:

  • 飘扬在空中的灰尘会挡住一部分太阳辐射,使地球降温
  • 二氧化碳会吸收太阳辐射的能量,使地球变暖

地球走向快速降温模式还是快速升温模式,目前还不能十分肯定。如果地球快速升温,那么冰川、冰冠会融化入海,地球海平面会上升70米,把地球上人口最密集的地区全部淹没,因为人类来不及适应这个变化,必然会造成经济的大衰退,社会动荡随之而来,国与国之间争夺资源的战争会发生,最终,人类会死得七七八八

33 如果冰冠融化了,将会发生什么情况?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

地球的陆地上承载着近3,800万立方公里冰(约有百分之八十五在南极洲)。由于水比冰的密度大些,这些冰融化以后,会变成 大约3,400万立方公里的水

自然,如果这些冰融化了,它们大部分会从陆地流到大海。海洋总表面积是3.62亿平方公里。如果海洋的面积不变。这3,400万立方公里融化了的冰将会均匀地铺盖在海洋上,这就是说,海平面会升高约100米

不过,海洋的表面积不是一个不变的数字。如果海平面上涨的话,海水会沿着海岸上的低平地势漫过来,占领成百万平方公里的陆地。这意味着海洋面积会增大,而新的水层不会有原来那么厚。而且,新增加的重量会把海洋的底面压下去一些。然而,即使是这样,海平面仍可能会上升六、七十米,这足以漫到纽约帝国大厦的第二十层,同时把地球上人口最密集的地区淹没

在地质史上,陆地上的积冰曾有过很大的变化。在冰河时期的鼎盛阶段,高达千百米的冰川曾向前推进,而覆盖了成百万平方公里的土地,海平面则大大下降,使目前的大陆架地区都见了天日,成为干燥的地面

另一方面,当陆地上的积冰融化殆尽的时候——融化过程每次持续千百万年——海平面就升高了,这时陆地的面积就缩小了

这两种局面都未必是什么灾难。在冰河盛期,千百万平方公里的土地被冰所覆盖,使陆上生物无法生存。而另一方面,千百万平方公里的大陆架露了出未,成了可居住的地方

反过来说,当冰消融后,千百万平方公里的土地会被水淹没,使陆上生物无法生存;而在另一方面,由于不再有冰,又由于陆地面积的减小使陆地上的气候更为稳定,沙漠也减少了。因此,在剩下的陆地上,可供生活的土地的百分比也增加了。至于海洋的体积变化,相对来说是很小的(至多为百分之六或百分之七),所以,海洋生命不会受到多大的影响)

如果海面的升降过程是在几千年或几万年内发生的——过去一直就是这样的——人类是能够应付这种变化的。然而,麻烦有可能出在这里:人类的工业技术活动一直在把灰尘和二氧化碳吐到大气中去

  • 灰尘会挡住一部分太阳辐射,使地球降温
  • 而二氧化碳却会把热量留下来,使地球变暖

在这两种效应中,如果有一种在未来的时间里大大占了上风,地球的温度就有可能相对迅速地上升或下降。那样,或许大陆上将出现冰川、或许冰冠会融化入海。这两者都可能在一百年左右发生

因此,造成灾难的将是变化的迅速程度,而不是变化本身

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

世界上为什么有大气层——100个科学问题之34

我们生活的世界是有大气层的,其中有人类生存一分钟也离不开的氧气,那么这个大气层是怎么来的呢,答案是大气层是地球演化过程中自然出现的,可以用物理、化学原理来解释

聪明的你可能会进一步发问:虽然地球有大气层的原因可以用物理、化学原理来解释,可是为什么地球恰好出现适合人类生存的大气层呢

海云青飞 https://www.tuenhai.com 告诉你,为什么只有地球才有大气层,这可不是巧合,而是宇宙的精心安排

34 地球上面为什么会有大气层,供我们呼吸的空气是从哪里来的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

据天文学家推测,行星是由一些巨大的气体和尘埃旋转形成的,而构成这些气尘云的各种元素,其比例一般等于它们在宇宙中通常占有的百分比。行星中约有百分之九十的原子是氢,还有百分之九是氦,剩下的则包括其他所有元素——主要是氖、氧、碳、氮、氩、硫、硅、镁、铁和铝

地球的固态球体本身是各种岩石的混合物,由通过化学力结合成紧密分子的镁、铁、铝的硅酸盐和硫化物所组成。多余的铁则慢慢地沉到岩层下面,形成炽热的金属核心

当地球的这些固体成分聚拢在一起时,也会捕集到一些气态物质,这些气体会存在于固体微粒之间,或者与固体形成松散的化学结合。这些气体中有氮、氖、氩的原子——它们不与其他元素化合。此外还有氢原子。氢或自己成对地结合成氢分子(H2),或与其他原子化合。它能与氧化合生成水(H2O),与氮化合生成氨(NH3),或与碳化合生成甲烷(CH4)

随着构成地球的物质的不断堆积,压力就会越来越大,火山喷发也会越来越猛烈,这些气体就会被挤压出来。氢、氦和氖的分子由于太轻,地球留不住,就迅速地逃逸掉了。剩下来的就组成了大气。它们是水蒸汽、氨、甲烷,再加上一点儿氖。水蒸汽的大部分(不是全部)冷凝下来,就形成了海洋

木星和土星等行星所具有的也是这种大气,不过,由于它们的质量相当大,能够把氢、氦和氖保留下来

但是,内行星的大气层已开始进入化学进化阶段了。来自离得很近的太阳的紫外线,把水蒸汽的分子破坏成氢和氧的分子。氢逃逸掉了,而氧却留了下来。它们越聚越多,并且与氨和甲烷发生化合。氧与氨化合时,生成氮和水;氧与甲烷化合时,生成二氧化碳和水。渐渐地,内行星大气层的成分就从氨加甲烷变成了氮加二氧化碳。今天,火星和金星仍然具有这种氮加二氧化碳的大气层、地球在几十亿年前开始出现生命的时候,一定也是有这种大气层的

而且,这种大气是稳定的。它一旦形成,总有一部分当紫外线分解水蒸汽时生成的自由氧(其分子式为O2,由两个氧原子组成)积聚起来。紫外线还会进一步把这种氧变为臭氧(其分子式为O3,由三个氧原子组成)。臭氧会吸收紫外线,并把它截住,使它几乎不能穿过臭氧层进入上层大气层去分解下层的水分子,因此,大气层的化学进化即告终止——直到后来又出现了新情况时为止

在地球上,这种新情况已经出现过了。在偶然的情况下,有一些生命萌发了,它们能利用可见光来分解水分子。臭氧层并不阻挡可见光的通过,因此,上述过程(即光合作用)会无限地进行下去。在光合作用下,二氧化碳被吸收,而氧气则被释放出来,这大概是五亿年前开始的。从那时候起,大气层就被转变为今天这种氮气加氧气的结构

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

温室效应简单的解释——100个科学问题之35

海云青飞 20180615

简述温室效应的原理,地球穿了一件衣服,叫作大气层,人类就是生活在这层衣服里面的小虫子。大气里含有0.03%的二氧化碳,它对可见光是透明的,但是对于红外线却不怎么透明。地面在阳光的照射下升温,并通过向外辐射红外线来降低自己的温度,由于大气中二氧化碳会阻碍红外线的透过,地面就不容易降温,地面的温度趋向升高,这就是温室效应

35 什么是温室效应?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当提到某种物体是“透明的”时,我们是说透过它能看到东西,而并不一定是说所有的光都能穿过这个物体。比如说,我们可以透过红玻璃看东西,因此它是透明的,但是,蓝光并不能穿过它,一般的玻璃对各种颜色的光都是透明的,但是,它对紫外线和红外线就很不透明

设想在阳光下有一幢玻璃房子。太阳光中的可见光部分都透过了玻璃,并被这幢房屋里的东西所吸收掉。房间里的物体因此而变暖,正象它们在户外受到阳光的直接照射下会变暖一样

因阳光而变暖的物体又会以辐射的形式把这些热量送出去。不过,这些物体的温度并没有太阳那样高。所以,它们并不发出能量很高的可见光,而是发出能量弱得多的红外线。经过一段时间后,它们以红外线形式辐射出去的能量,就会等于它们以可见光形式吸收进来的能量。这时,温度就不再变化(当然,这些物体这时要比太阳不照射它们时热一些)

处于露天环境中的物体在给出自己的红外辐射时不会有什么困难。但是,在玻璃屋子里受阳光照射的物体的处境大不相同。在它们所释放的红外辐射中,只有很少一部分会透过玻璃散发出去,大部分则被反射回来。结果,能量便在里面积聚起来。这样,室内物体的温度就会比室外物体的温度高出不少来。室内温度要高到能有足够多的红外辐射经过玻璃透射出去,以达到平衡状态为止

正因为如此,植物能在户外温度足以把它们冻死的季节中在玻璃房屋里生长。这种效应使玻璃房屋得名为“温室”。这种由于玻璃对可见光十分透明、而对红外线很不透明的事实而得到多余热量的效应,则称为“温室效应”

我们的大气层几乎完全是由氧气、氮气和氖气组成的。这些气体对于可见光和地球表面变暖时所释放出的红外辐射都是十分透明的。但是,大气里还含有0.03%的二氧化碳,它对可见光是透明的,但是对于红外线却不怎么透明。大气中二氧化碳的作用正象温室的玻璃一样

由于二氧化碳在大气层中的含量很少,相对地说,温室效应是次要的。不过,这已经使得地球比根本没有二氧化碳时要热了一点了。而且,如果大气层中的二氧化碳含量翻上一番,温室效应就会增强,地球会再暖上几度。这就足以使两极的冰冠逐渐融化

金星就是具有巨大温室效应的例子。它的厚厚的大气层似乎大部分是二氧化碳。由于金星比地球离大阳近,天文学家倒是预料到它的温度会比地球高。但是,由于原来不晓得金星大气层的成分,他们没有考虑到温室效应的附加效果。因此,当他们发现金星表面的温度竟远远超过水的沸点(这比他们的预料要高出上百度)时,真是十分惊讶

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙、行星探测器最后的结局——100个科学问题之36

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

行星探测器或卫星的轨道有多种多样,有的轨道与地面相交,有的进入了绕太阳运行的轨道并且有可能和其他行星相撞

在地球上,卫星以超过每秒11.2公里的速度向上发射才能摆脱地球的引力场,曾有个人据此提出,人类要长生,就要通过锻炼使“灵魂”以这个速度脱离地球,如此则可“长生”,提出这个猜想还是有一点创意的,至少比千年不变的宗教说教有意义,不过这个猜想是不成立的。长生,未必要离开地球

36 行星探测器在飞越行星上空后会怎样?它们会飞到哪里去?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

美国和苏联所发射的卫星,绝大多数被送到了环绕地球的轨道上

当然,卫星的轨道有可能与地球表面相交。这样,它在转了一圈之后,就又回到了地球上。向水星进发的头两次飞行就属于这一类型。有时,卫星的轨道围绕地球绕一个很大的圈子,它可以超越过月球的位置。给月球“背面”拍摄照片的“月球三号”就是这样的一个

如果卫星以超过每秒11.2公里的速度向上发射,地球的引力场就无法留住它。这时,它将进入围绕太阳运行的独立轨道——太阳的引力场要比地球的引力场强大,它能系留住运动速度更大的物体。这种环绕太阳的轨道,有时会与某个天体相交。撞到月球上(当然是有意这样做)的“流浪者七号”、“流浪者八号”和“流浪者九号”正属于这种情况

绕太阳飞行的卫星,如果不与任何天体相遇,它们就会在椭圆的轨道上无限地飞行下去。各种各样的“月球探测器”和“行星探测器”都是如此

对于围绕太阳运行的探测器,可以预先计算好它们的轨道,使它们在运转第一圈时就接近月球(如“先驱者四号”)、金星(如“水手二号”)或火星(如“水手四号”)。在接近过程中,探测器会把有关自己所靠近的星体及它周围的空间的情报发送给地球。接着,探测器会撇下这些天体,继续绕着太阳运行

如果探测器不受它所飞越的行星引力场的影响,它最终将回到发射时在空间的位置(不过地球在同一时期内已经沿着自己的轨道走开,不再呆在原来的位置了)

如果探测器受到它所穿越的行星引力场的影响,那么,在这个引力的牵制下,探测器会进入一条新轨道。事实上,每当探测器十分靠近某个大质量物体时,轨道就会有所变化。因此,人们不可能精确地预料到某个探测器在绕太阳转过一、两周后,会处在什么轨道上。表达这种运动的方程组太复杂了,根本无法求解

当然,如果探测器能不断发出信号,我们就能够追踪出它的轨道——特别是当它离地球较近时

但是,一旦探测器中的电池用竭,航天器即告失踪:它们无法发出信号,而且又小得观测不到;所有的探测器最终都会失踪,这是我们早已料到的事情

不过,它们还将绕着太阳运行,大概还会处在原来的空间区域内。它们不会长途跋涉去漫游其它行星。既然我们接收不到它们的信号,它们就成了没有用处的东西,可以被人们当作“星际垃圾”而从名单中划去。如果它将来在围绕太阳运转时不撞到地球、月球、火星或金星的话,大概会永远在自己的轨道上转下去

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

地球最后的结局是什么——100个科学问题之37

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

把宇宙当成死的机械的宇宙计算,地球可能在几十亿年以后完蛋。但是我想你最关心的不是几十亿年以后地球会怎么样,你关心的是到了那一天人类会怎么样,人类会不会灭绝

可惜宇宙不是死的机械,整个宇宙是极其巨大的演算的画面,如果你把宇宙当成极度复杂的机械,那么人类也是机械,你,我,活生生的每个人都是机械。机械的宇宙观是人类认识能力不足的表现,正确的看法应该是画面论,一切都是画面,画面是一切存在的动作持续的原因

地球在几十亿年后可能毁灭,这只是机械宇宙观下计算的结果,并没有多少参考价值。可以肯定的是,几十亿年以后,人类已经不复存在,不是因为人类已经毁灭,而是人类进化成了更加高级的物种,这个物种具有很高的空间性,具有改造地球环境的能力(可不是像现在的人类那样破坏地球),于是地球本来可能毁灭也变成不会毁灭了

37 地球将会有怎样的归宿?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

第一个试图不靠神学去详细研究地球的历史(即它的过去及可能会有的未来)的人,是苏格兰的地质学家赫顿。他在1785年发表了第一本现代地质学著作,他在书中承认自己在研究地球本身的过程中,并没有能够看出它有开始和终结的迹象

从那时以来,我们已经迈进了一大步。我们现在可以相当确定地说,地球目前的这种形态大约是在四十七亿年前就已经获得了的。大约就在那个时期,从形成太阳系的原始星云的尘埃和气体产生了我们今天所知道的地球。地球一旦形成,那么,如果听任它作为表面覆盖着一层水和空气的金属和岩石的集合体存在的话,它就会这样存在下去,而且,据我们所知,还会永远这样存在下去

但是,是否会有什么外来的因素对它进行干扰呢?

离地球最近的、并且有足够大的能量来显著影响地球的天体是太阳。只要太阳能维持目前这种活动水平(它已经处于这种状态达几十亿年了),地球基本上就不会有变化。但是,太阳能把目前的这种状态维持下去吗?如果不能,将会发生什么变化?这种变化又会给地球带来什么影响?

直到本世纪三十年代之前,人们都觉得太阳也象其他炽热的天体一样,总归是会冷却下去的,它会不断地向空间倾泻能量。由于这样,这种巨大的能流总会枯竭,渐渐地变成涓涓细流。随着这种情况的发生,太阳也会冷却成橙色,再变成红色,光度也越来越昏暗,最后终于熄灭

与此同时,地球也会缓慢地冷却下来。越来越多的水将冻结起来,两极地区也会扩展出去,最后,就连赤道地区都会缺少足以维持生命的热量了。整个海洋将冻结成一块坚冰;空气也会液化,随后还会冻结成固体。在此以后,冰冻了的地球(还有它那些行星伙伴)还会绕着死去的太阳运转数不清的年头

不过,即使真的是如此,地球还是会做为太阳的行星而存在着

但是,到了三十年代,核物理学家第一次揣摩出在太阳和其他恒星中所发生的核反应。他们发现,尽管太阳总有一天会冷下来,但在这之前,还要有温度极高的时期。一旦大部分氢燃料消耗殆尽,其他核反应就会发生,使太阳变热,并使它大大膨胀起来。总的来说,太阳发出的热量是比以前多了,但在它那变得很巨大的表面上,每一块地方所发生的热量却会减少。因此,它会变得冷一些。这时太阳就变成了一颗红巨星

在这种情况下,地球有可能先被焙成灰烬,最后又会挥发掉。这时,地球做为一颗固体行星的历史就算到了头。可是,我们对这一点倒不必过分担忧,这大概是八十亿年以后的事情

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

物理学家有哪些类型——100个科学问题之38

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

有一类物理学家鲜为人知,就是整体物理学家。整体物理学家擅长从整体观察问题,擅于打通多个不同的学科,本人,海云青飞,画面论的发现者,就是属于整体物理学家,也是第一位整体物理学家

38 什么是理论物理学家?他们都干些什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

物理学家主要研究各种形式的能量,同时还研究能量与物质的相互作用。物理学家对于支配运动的各种定律是很感兴趣的,因为任何运动的物质都具有“动能”。他对热、声、光、电、磁以及放射性都会感到兴趣,因为这些都是能量的存在形式。到了二十世纪,连质量看来都明显地是能量的一种形式了

物理学家还对能量从一种形式转变为另一种形式的方式,以及控制这类转化的规律感兴趣

自然,物理学家可以有所侧重

  • 如果有人对于能量和亚原子粒子的相互作用特别感兴趣,他就是一位“核物理学家”(原子核是原子中的主要结构)

  • 如果他对恒星中能量和物质的相互作用感兴趣,他就是一位“天体物理学家”

  • 同样地,对化学反应中有关能量的问题特别感兴趣的人是“物理化学家”

  • 而主要关心生命组织使用和产生能量的方式的人,则是“生物物理学家”

  • 有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。或许,他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精确数量;或许,他打算度量某一种亚原子粒子在分裂成其他粒子、并释放出能量时的精确方式;或许,他打算知道大脑的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中,他都可以称得上是位“实验物理学家”

  • 另一方面,一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研早已得到的测量结果,希望从中发现具有普遍意义的思想。或许,他能推导出某些数学关系式来,这些公式能够解释这些测量结果为什么是这样的,而且,如果他找出了这些关系,就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行了这些测量,其结果又和所预言的相一致的话,他很可能就发现了一条被称做“自然法则”的东西

    试图用这种方法来获得自然法则的物理学家,就是“理论物理学家”

有一些物理学家对理论并不特别感兴趣。他们是极有天赋的实验物理学家。曾经发明了干涉仪、并精确地测量了光速的迈克耳孙就是这样的一位。也有人是对实验毫无兴趣的天才的理论物理学家,相对论的发现者爱因斯坦即属此例。(译注:爱因斯坦早年对实验是很感兴趣的)

虽然实验物理学家把自己框在测量的圈子里,而理论物理学家又拘泥于数学论证,但这两种人对于科学都是极端宝贵的。不过,人们总还是希望找到一位既是第一流实验家、又是第一流理论家的人物。费米就是这种“双料”物理学家的突出代表(他还是一位杰出的教师,因此,他大概可以说是“三料”的人物了)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

地球上唯一理解时间本质的人——100个科学问题之39

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

海云青飞 可能是地球上唯一理解时间本质的人

极大多数试图解释什么是时间的人,却连时间的基本知识都不懂。时间是有不同类型的,如果不分类型,那么是永远说不清楚时间是什么的。在《悟道相对论》 https://www.tuenhai.com/xdl/ 里已经说清楚了时间的本质,这时再重复一下

时间分钟时和命时,钟时是钟表时间,这只是人类为了沟通方便定义的一个度量系统,和时间的本质并没有关系

命时,是和特定物体的运动状态或者说空间性紧密绑定的时间,和钟时没有必然的关系。命时才是反映出了时间的本质。命时是用来描述物体空间性的一种语言,我们说 一个物体空间性大,换成命时的语言,可以说是这个物体的命时长,也就是这个物体的存活时间长,更加准确地说是这个物体存在于这个宇宙的合法性大

任意两个不同物体的空间性都是不一样的,所以每个人的命时都是不一样的。但是人类的感觉系统不能直观、完整地感觉到物体的空间性,所以,命时,对于人类始终是个不解之谜,这就像是你有一个隐形的女朋友,你又如何了解她,和她谈恋爱呢

人类虽然不能直接感觉空间性的大小,但是空间性的数学形式本身是不复杂的,也是可能大概地用人类的语言描述的

观中国数千年历史长河,改朝换代时的开国皇帝一般是当时环境下最具合法性的力量的代表,他在开辟新朝过程中往往具有较大的空间性,吸引各方面的人才投奔他,他本人也多是豪气干云,礼贤下士,空间性大意味着运气好,各种机遇都在促成他走向成功

一个人的空间性并不仅仅是体现在她的身体所占的空间,完整的空间性体现在她与环境的交互的广度和深度。人类远古的祖先开始直立行走以后,她的视角画面扩大了,这就决定了她和环境交互的广度增加了,随之而来的是她和环境交互更加深入,比如人和人之间协作更加紧密,人对自然的了解更加深入。人的身体的单方面的力量并不见得超过猩猩,然而人类却是猩猩的进化形态,因为人类的空间性变大了。所谓进化,意味着空间性的扩大

人类千百万年的历史上,有无数人在探索进化的奥秘,比如各种修仙、修道、修行理论,可惜他们没有理解空间性,基本上是无用功。空间性决定命时,命时也可以理解为物体存在于这个宇宙的合法性,人活着的意义就在于扩大空间性以增加自己存在的合法性

39 时间是一种幻觉呢,还是确实存在的东西?怎么来描述时间呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

首先要指出的一点是,时间是一种心理学方面的事物。这是对时间长度的感觉。你吃过了东西,而过了一会儿,你又感到饥饿了。现在是白天,而过了一会儿,就成了黑夜

这种对时间长度的感觉是什么?究竟是什么东西使你意识到某件事情“过了一会儿”才发生?一般说来,这些问题属于思维机理的范畴,是有待今后解决的课题

每个人都会意识到,他对时间长度的感觉随环境而变。干一天活,好象要比同好朋友在一起呆一天长得多,听一个小时枯燥的报告,似乎也比打一个钟头扑克显得长。这就是说,我们所提到的“一天”或“一小时”在某些场合下可能要比在其他场合下长一些。不过,这里面有一桩麻烦事:一段时间在某个人看来可能显得长些,在另一个人看来又会显得短些,而对于第三者来说,却既不长也不短

要使时间观念对一群人都适用,就一定得找到一种普遍适用的、并不因人而异的衡量方法。如果有一些人商定在“六个星期后”准时会面,那么,靠每人自己觉得六个星期已过,然后来到会面地点,这是没有用的。大家必须全都同意在数过四十二个白天和黑夜后前来践约,而不管每个人心里的时间感到底如何

当我们选择好某个客观的物理现象作为代替我们对时间的本能感觉的一种手段时,我们就有了一种可以称之为“时间”的东西。从这种意义上来说,我们一定不要试图把时间定义为某种东西,而只能把它定义为某种度量系统

对时间的最早量度涉及到周期性的天文现象:正午(太阳升到最高处)的一再出现,标志着天数;新月的一再出现,标志着月数;春分节气(寒冷季节过后,太阳跨过赤道的一天)的一再重复,标志着年数。把一天划分为相等的小单位,就得到了小时、分和秒

然而,在我们设法利用比正午的重复变更为迅速的周期性运动之前,这些很小的时间单位是无法精确地测量出来的。等振幅摆和等摆游丝使得十六世纪出现了现代的时间量具。从那时起,对时间的量度才成为精确可信的。现在,对于更精确的时间,我们用原子的振动来量度

我们怎样能保证这些周期性现象真的是“均匀的”呢?难道它们不会象人对时间的心理感觉那样也是不可靠的吗?

有可能。不过,我们可以用几种方法独立地测量时间,并把测量结果加以比较。如果某种方法有显著的不均匀因素,那么,在和其他方法进行比较时,这种不均匀性就会表现出来。如果所有的方法都不均匀,它们也很难是恰巧同样地不均匀。因此,如果各种测量结果十分相近——实际结果也正是如此。我们就只能得出结论说,我们所应用的各种周期性现象从根本上来说都是均匀的。不过不都是完全均匀的,比如,一天的长短就稍有变化

物理学所量度的是“物理时间”。各种生物,包括人在内,都参加了周期性活动(如睡眠和清醒),而且,这些活动无需依赖外界的变化(如白天和黑夜)。不过,这种“生物时间”并不象物理时间那样严格

此外,当然还存在着一种对时间长度的感觉,或者说“心理时间”。即使看着一只钟,干一天活仍然显得比同好朋友在一起呆一天要长得多

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

最小的时间单位是多少——100个科学问题之40

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

在上一节,我说过时间分钟时和命时,不知道时间可以分成这二种类型,谈论时间的最小单位并无意义。实际上,你网上搜索找到的关于时间的最小单位都是钟时,钟时只是人类为了沟通方便而人为设立的一种时间度量系统,和物体本身的时间流逝速度并无对应关系,因此始终是不精确的,当然也不会存在钟时的最小的时间单位

真正的客观的时间是每个物体的命时,命时由物体的空间性决定。物体的空间性是由物体的三维的动态运动状态决定的,因此,你不能从物体的长度计算出物体的命时,物体的长度只是一个静态的、一维的量,任何一维的、静态的量都不能计算出物体的命时

命时的最小单位由物体的动态的三维的最小的空间单位决定,这个空间单位没有人具体研究过,因此,最小的时间单位是个未解的问题,凡是宣称最小的时间单位已经确定为某个具体的钟时的观点都是有意或无意的骗子的观点

40 时间的最小可能单位是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

1800年刚过不久,就有人提出一种见解说,物质是以某种叫做“原子”的小单位存在着的。1900年过后不久,人们又接受了能量是以某种叫做“量子”的小单位存在着的看法。那么,有没有别的什么常用的量也是以确定的小单位存在着呢?比如说,时间是不是这样呢?

有两种寻求“最小的可能单位”的方法:

  • 直接的方法是把某个要测量的量一直分下去。直到不能再分为止——把要测量的质量一直分下去,直到获得一个单个的原子为止;把要测量的能量分到获得一个单个量子为止
  • 另一种是间接的方法,这就是去发现某种如果不假设有最小的可能单位存在就无法解释的现象

在物质的场合下,大量的化学观察,包括“定比定律”和“倍比定律”的发现在内,使得原子理论的出现成为必然;在能量的场合下,黑体辐射和光电效应使得量子理论必定问世

就时间而论,间接的方法是失败了的——至少在目前是如此。人们没有观察到什么非得用存在着时间的最小可能单位的假设来解释的现象

用直接的方法行不行呢?我们能不能观测到越来越短的时间周期,直到某个不能再短的地步呢?

在发现了放射性之后,物理学家开始与极其短暂的时间间隔打起交道来了,有些原子有极短的半衰期。例如,钋212的半衰期不到百万分之一(10^(-6))秒,就是说,在地球以每秒约十二公里的速度绕着太阳走一厘米时,这种原子就会衰变掉。不过,尽管物理学家详细地研究了这一类过程,却没有发现时间不是以连续的方式,而是以“一下一下”的方式流逝的情况

然而,我们还能继续往下走。有一些亚原子粒子能够在更为短暂得多的时间里发生变化。某些粒子在气泡室里以接近光速的速度行进,它们能在从出生到衰变的时间里形成三厘米长的径迹。这相当于一百亿分之一(10^(-10))秒的寿命

不过,这还不是我们最出色的成绩。在本世纪六十年代,人们又发现了寿命特别短的粒子。它们是如此地短命,即便以接近光速的速度行进,也留不下一条能够进行量度的径迹。它们存在的时间只能用间接的方法计算出来。已经查明,这些超短寿命的“共振态粒子’只能存在一千万亿亿分之一(10^(-23))秒

这样短的时间是无法想象的。共振态粒子的寿命与上百万分之一秒相比,正象一百万分之一秒与三千年相比一样

不妨换个方式来想象这段时间。光在真空里的速度接近每秒钟300,000公里,这是已知的最大速度。在一个共振态粒子出生到消灭这段时间里,光能传播多远呢?答案是10^(-13)厘米,即只有一个质子的直径那么长!

可是,我们仍然没有理由认为共振态粒子的寿命一定就是最小的时间单位,人们现在还看不出时间是否有个下限

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

时间是第四维错吗——100个科学问题之41

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

形如疯子的 “四维时空” 概念

在现代物理学中,维度是这样定义的:

  • 用一个表示空间的数据描述某个位置,这个位置称为一维空间位置

  • 用二个表示空间的数据描述一个位置,这个位置称为二维空间位置

  • 用三个表示空间的数据描述一个位置,这个位置称为三维空间位置

  • 用三个表示空间的数据和一个表示时间的数据描述一个位置,这个位置称为四维时空位置。时间通常被称为第四维

    社会上一般说成 “四维时空”,可是时间只是对三个空间维度的补充,不能把时间放到空间的前面,应该说成 “四维空时”

四维空时,把空间和时间放在一起,都称为维度,这是不妥的,因为空间和时间具有根本的不同,比如说你去买菜,一斤菜3元,然后你再说:“我买你的菜用了半斤时间,一斤菜和半斤时间,二者合计多少”,你这样说,卖菜的阿姨会被你逼疯的。四维空时,把空间和时间并列都称为维度,这是疯子一样的做法

空间和时间可以同时出现,空间用了 维 字,那么时间就不能用相同的字了,比如说时间可以用 “补”,表示时间是对三个空间维度的补充说明,三维一补是可以说的

四维空时描述的是物体的次要信息

一个人在某个时间走到独木桥的某个位置

一个猿在某个时间走到独木桥的某个位置

上述二个事件都可以用物理学的四维空时的四个数据描述,但是同样的四个数据可以同时适用于猿和人,这就有问题了,因为猿和人有着本质的不同,四维空间根本不能描述出本质的不同,换句话说,现代物理学很多研究的是非本质信息,说得难听点,是在研究鸡毛蒜皮的事情

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,整体物理学研究的是事物的本质信息,也就是事物的空间性,空间性可以从三个动态的、开放的空间维度描述,虽然只有三个空间维度,并不需要更多的空间维度,但是它是动态、开放的,因此实际情况是极度复杂的。实际应用中我们并不需要求极为精确的值,我们只要求宏观的值把事物的维度区分开就行了,这时候三维的空间的维度的计算就不那么复杂了,甚至我们直观地观察就可以察觉事物的大概的三个空间维度

第四维,所谓的时间维度是不需要的,如果需要,那么它是紧密地和三个空间维度结合的要素,而不能单独把时间列出作为一个维度

41 “第四维”是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

“维”这个字来源于拉丁文,意思是“完全地加以量度”。那么,现在就让我们做几次量度

假如有一条线,你打算确定这条线上某一个固定点X的位置,使别人能够根据你的描述找到这个点。一开始,你在这条线上随便确定一个点,把它算作“零点”。这样,你就能够进行一番测量,发现X离开零点有两厘米远。如果X在零点的某一侧,不妨把这段距离叫做+2,如果在另一侧,那就是-2

这样,只要大家都同意这些“规定”——零点的位置,以及哪一侧为正,哪一侧为负——那么,只要用一个数,就能确定一个位置

既然在确定一条线上的一个点时,只需要用一个数字,所以,这条线或这条线上的任意一段,就是“一维的”——“用一个数字就能完全加以量度的”

再假定有一大张纸,现在打算确定这张纸上某个点X的位置。你也从零点开始测量,发现它在离零点5厘米远的地方。但是,它是在哪个方向上呢?可以把它分成两个方向:向北三厘米,向东四厘米。如果规定朝北为正,朝南为负;朝东为正,朝西为负,那么,你就能用两个数字来确定这个点了:+3和+4

或许,你可以这样说:这个点离开零点有5厘米远,并且与东西方向成36.87°的夹角。这时还是需要两个数字:5和36.87°。无论你怎么干,总得有两个数字,才能在平面上确定一个点。因此,平面或平面的任意一部分都是二维的

现在,假设有一个象房间内部那样的空间。一个固定点X可以这样确定:它在某个零点以北5厘米,以东2厘米,以上15厘米。你也可以用一个长度数字和两个角度数字来确定这个位置。不过,无论用什么方法,都需要有三个数字,才能确定房间里(或者是宇宙里)一个点的位置

因此,房间也好,宇宙也好,都是三维的

假设有这样一种空间,要想确定其中的某个确定的点,必须用四个(或是五个,或者是十八个)数字才行,那么,它就是一个四维的(或五维的,或十八维的)空间。在我们这个普通的宇宙里,并不存在这样的空间,但是,数学家却能够想象出这种“超空间”,并且还能推断出这种空间里的数学图形会具有什么性质。他们甚至还研究出在任意维空间中的数学图形所具有的性质。这就是“n维几何学”

但是,如果我们所研究的不是固定的点,而是位置随时间而变化的点,又该怎么办呢?如果你打算确定的是在房间里飞着的一只蚊子,那么,就需要给出三个普通的数字:南-北、东-西、还有上-下。接着你还得给出第四个数字来表示时间。因为这只蚊子只在某个瞬间才会位于空间的某个位置,你必须把这个瞬间也判断出来

宇宙间的任何事物都是如此。我们占有空间——它是三维的;此外,一定还要加上时间,才能得到一个四维的“时空”。不过,对时间和其他三个“空间维”不能同样看待,在某些关键的方程组中,三个空间维带有正号,而时间维则必须带有负号

因此,我们一定不要说时间是第四个维,而只能说时间是某个第四维,而且它与其他三维不同

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

空间弯曲是什么情况——100个科学问题之42

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

空间如何弯曲,海云青飞 https://www.tuenhai.com 在 《悟道相对论》 https://xdl.tuenhai.com 有较多的说明,下面从书中摘录部分内容

从自由落体的石头理解空间弯曲的形状

海云青飞 :前面我们曾经分析过,一座500米高的山,山顶的钟走得快些,山脚的钟走得慢些。住在山顶的人和山脚的人相比较,理想条件下,山脚的人寿命会长些

那么是否不能住在500米的高山上呢?不见得!住在山脚的延长寿命的效应极为微弱,你完全可以忽略不计。所有这些,我们是通过两处位置的速度差计算出来的,速度决定了钟走得慢还是快,速度也决定了寿命长还是短

速度不但决定了时间,也决定了运动物体在运动的反方向上空间弯曲的程度。现在问题来了,你怎么计算住在山脚的人的空间弯曲程度

Don:上次我们计算过了,从500米山顶往下扔石头,石头最后的速度是 100米/秒,于是可以用这个速度来计算住在山脚的人的空间弯曲的程度

海云青飞 : Don ,如果我从1000米高的山上往下扔石头,那么石头落地时的速度肯定不止100米/秒

Don:这个……我也可以从2000米、3000米……的高空往下扔石头,这下怎么办

海云青飞 :你穿上喷气式智能飞行鞋,设定一个恒定的飞行速度,你在向上飞的过程中,你观察仪表上的输出功率,会发现功率越来越小,到功率接近0的时候,你往下扔一块石头,假设没有空气阻力,石头会以加速度向下自由落体,并且加速度越来越大,石头砸落地面时速度达到最大,测出石头的末速度就可以计算出石头的收缩程度

如果石头是长方形,长的方向就是加速度方向,石头在下落的过程中速度越来越大,你随着石头一起下落,你的目力够好的话就会发现石头的长度越来越小,在落地时石头的长度最小,现在你们应该明白了物体运动速度和空间弯曲的关系

Don:物体运动速度越大,物体在运动方向上空间弯曲越大,这个道理我懂了,不过空间弯曲是什么样子的,我还不是很清楚

海云青飞 :自由落体是个加速度运动,这就是说石头在飞行方向上的前端的速度比后端大。假设石头静止时的长度是10厘米,然后你用笔画成10等份,每份长度1厘米,从前端到后端,你分别标上序号:1,2,3……10。在石头前端朝地球下落过程中,石头整体长度越来越短,同时石头序号前面部分的格子总是比后面的格子收缩程度大

如果石头是匀速下落,石头整体长度也会变短,但是每个格子变短的程度是一样的

Don:我想象一下……现在有些明白了加速度下落的物体空间伸缩是怎么回事

出处: https://www.tuenhai.com/xdl/e/fi-zi-you-luo-ti-kong-jian-wan-qu.html

42 “弯曲空间”是什么意思?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当你第一次在爱因斯坦的相对论里见到“弯曲空间”这个字眼时,恐怕是会感到困惑的,真空怎么能是弯曲的呢?你怎样能使它弯曲起来呢?

为了弄明白这是怎么一回事,先让我们这样想象:在一艘宇宙飞船里,有人在仔细观察附近的一颗行星。这颗行星的表面完全被深深的海洋覆盖着,因此有着象台球那样的光滑表面。再假设有一条船在那个行星的海洋上沿赤道线朝正东方向行驶着

现在再进一步设想一下,这位观察者根本看不见这颗行星,而只能看到这条船。当他研究这条船的运动路线时,他会惊讶地发现这条船走的是一条圆弧。它最后会回到自己的出发点,从而描绘出一个完整的圆周

如果这条船改变路线,航道就会变得弯弯折折的,不再是个简单的圆周。但是,不管它怎么改道,无论它怎么行进,它的航线总是在一个球面上

根据所有这些事实,这位观察者可能会推断出,这条船被束缚在一个看不见的球体的表面上,而束缚它的力正是指向球体中心的重力。要不,他就可能会认为,这条船被限制在一块特殊的空间里面。这块空间是弯曲的,而且弯曲成一个球形,从而迫使这条船走出这样的路线来。换句话说,我们必须在一个力和一种空间几何形态之间作出选择

你大概会认为这是一种想象出来的局面,但实际上并非如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的,正象一条船在某个看不见的曲面上行驶一样。至于这条椭圆路线,我们是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的,正是这种引力使地球保持在它的轨道上

不过,我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察物体在这种空间里的运动方式,来确定这种空间的几何形态。如果空间是“平坦的”,各种物体就会走直线从这个空间中通过,如果空间是“弯曲的”,各种物体就会走出弯曲的路线来

一个具有确定质量和速度的物体,如果在离开其他质量都很远的地方运动,那么,它的路径真的可以说是一条直线。而当它走近另一个质量的时候,它的路径就会变得越来越弯曲,显然,是质量把空间弯曲了。质量越大,离质量越近,空间弯曲的曲率就越大

把万有引力看作是一个力,看来要比用空间几何形态去解释它方便得多,也自然得多。但是,如果在考虑光的行进时,情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点,光是不受重力影响的,因为它没有质量。然而,当光在弯曲空间里穿过时,它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来,它在太阳这个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了

1919年,爱因斯坦的这一理论(发表于三年之前)在一次日蚀期间受到了检验,人们把太阳位于空间某处时靠近太阳的某些恒星的位置,与太阳不在此处时这些恒星的位置进行了比较。结果,爱因斯坦的理论站住脚了。用弯曲空间来讨论万有引力,看来要比用力学术语更为精确

不过,我们还应该提一下,1967年,人们对太阳的形状所进行的精密测量,发现爱因斯坦的引力理论出了问题,今后将会发生些什么情况?还得等着瞧

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

四维空间到底存在不存在——100个科学问题之43

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

基本可以确定,本宇宙不存在四维空间。有许多对空间一知半解的人会告诉你存在四维空间,还有人把四维空间的正方体都画出来了,其实这些只是人类在数学上的想象,他画的还是三维正方体,并不是四维正方体。人类解释不了一些问题,就想象出了子虚乌有的四维空间,这和远古人类不理解自然现象,就想象出人形神,雷公电母这些东西一样

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,三维空间就可以解释我们所处的宇宙的物理现象了

每一种亚原子粒子都会产生下列四种不同作用中的一种或几种。这四种作用分别是:引力作用、电磁作用、弱相互作用和强相互作用

这四种作用只是三维空间的四种不同的特殊运动状态而已,人类不能在细节上分辨出它们运动状态的不同,于是就把它们区别对待,而不能把它们统一到空间运动的公式上

所谓力场,只是核心的运动状态向四周的扩散。整个宇宙的空间本身就是个整体,任何一处的任意形式的空间运动理论上都会扩散到全宇宙。比如你在读 海云青飞 写的这篇文章,这表示我的空间扩散到了你那里,虽然你看到的只是一个个字符,但是实际的空间却是要复杂得多。许多人不理解物理学的场为何物,理解了以后是极为简单的

物理学在宏观原理上极简单,虽然在局部的计算可以很复杂。现代物理学是局部物理学,只认识到事物的复杂,还没有上升到整体物理学,因为没有对事物的宏观把握,于是会提出许多没有必要的概念和理论,人为把简单的事物弄得更加复杂了

43 许多科学幻想小说里都提到“力场”和“超空间”,这都是一些什么东西?它们真的存在吗?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

每一种亚原子粒子都会产生下列四种不同作用中的一种或几种。这四种作用是:引力作用、电磁作用、弱相互作用和强相互作用

每一种作用都从它的发源处散播出来,成为一种“场”,而且在理论上是弥散在整个宇宙之中的。大量粒子所产生的同一种场可以叠加起来,产生极其强大的合成场。因此,尽管引力场是这四种场里最弱的一种,太阳——由大量粒子构成的物体——的引力场却是很强大的

位于这样一种场中的两个粒子将被场所推动,或者互相靠近,或者互相离开,这要看粒子与场的本性是怎样的,粒子的加速度则取决于这两个粒子之间的距离。这种加速度往往又被解释成是“力”所引起的,所以我们就要谈到“力场”。从这种意义上说,场的确是存在的

不过,我们所知道的力场总是有物质作为它们的起源;一旦物质没有了,力场也不复存在了。但在科学幻想小说中,总有某些无需物质存在的强大力场被想象了出来。因此就会出现那么一段真空,它对粒子和辐射能起到阻拦作用,正好象这段真空竟是一块两米厚的钢块一样。真空里会出现各种原子间的作用力,但却根本不存在产生这些力的原子。这种“无物质力场”作为一种科学幻想的手法倒是颇为方便的,但是,老天在上,根据我们今天所掌握的科学知识来看,这种手段是太缺乏依据了

“超空间”是科学幻想作品中的又一个挺方便的手法,这是作者用来绕过光速这个障碍的

为了弄清楚这是怎么一回事,设想有平摊开来的很大的一张纸,纸上面有相距六米的两个点,再设想有一只行动极缓慢的蜗牛,它一小时只能走一米,显然,它要用六个小时才能从一个点走到另一个点

不过,如果我们把这个两维的纸片在第三个维上弯曲一下,就会使这两个点靠近起来。如果这时这两个点只相隔一毫米,而且不知怎么一来,那只蜗牛也能跨越过这两个点之间的空间,那么,只消几秒钟,它就能从一个点到达另一个点了

现在可以来类比一下:如果有两颗恒星彼此相距五十光年。那么,一艘飞船以最大的速度——光速——飞行,从一颗恒星飞到另一颗恒星,也得花五十年的时间(从这两颗恒星中的任意一颗上来看),这会产生许多麻烦事来。因此,科学幻想小说家想出一个使情节简化的法子:他们假设具有三维结构的空间能够在第四个空间维上弯一下,这一来,两个恒星间就只有一个很小的四维距离了,于是,飞船就会越过这个小间隙,只用很短的一点时间,就从一颗恒星跑到了另一颗恒星

数学家经常说起与3维物体类似的四维物体,只是在前面加了一个“超”字。一个表面距中心在四维上等远的物体叫做“超球”。同样,还有所谓“超正四面体”、“超立方体”和“超椭球”。使用这套表达方法,我们就能把两颗恒星间的四维距离叫做“超空间”

不过,无论这种超空间对科学幻想小说家是多么方便,据我们所知,科学现实中并不存在这个东西,它只是一种数学上的抽象而已

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

反地心引力存在吗——100个科学问题之44

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190615

引力的本质:反空间膨胀的运动形式

整体物理学的基本观念是把物理学的不同的力视为不同的空间运动形式。其中引力就是反空间膨胀的运动形式

反空间膨胀,就是空间收缩,空间收缩并不是从四面八方向中间收缩的简单空间运动,而是复杂运动的整体效果是使空间发生收缩

对于地面的物体,引力是有明确方向的,就是指向地心的空间收缩力。升物(生物)生存于地面,时刻都受到了指向地心的空间收缩力。因为我们将要说到反引力,因此说引力时必须明确方向,否则就说不清楚是引力还是反引力了

至于电磁力,是一种不同于引力的空间运动形式

升物进化的历史就是反引力增大的历史

物理学家似乎从未发现反引力的装置、物体的存在。你能查到的反引力的一些资料,多是民科散发的假资料。其实用不着向民科学习反引力,反引力本来就无处不在,只是人们视而不见而已

在海云青飞 https://www.tuenhai.com 看来,一切升物,和物质比较,可以视为具有反引力属性的物质

  • 物质:有引力属性
  • 升物:既有引力属性,又有反引力属性

水生动物进化到陆生动物,地球引力对动物运动的束缚减小了,这是反引力的一个进步

脊柱动物的出现,使动物可以把身体撑离地面,这是升物进化的一个飞跃,也是反引力的一个大进步

远古人类从非直立进化到基本直立,这是升物进化的又一个大飞跃,从引力的角度来说,人的头部可以离引力的中心地心更远了,这是反引力的大进步

从以上论述可见,反引力并没有消灭引力,反引力是反抗引力的力,从最后的结果看来,好像引力变小了。其实作用在同样体重的猩猩和人的引力在通常的意义上是一样大的,但是在另外一种意义上引力小了,于是可以看成人类和猩猩比较具有更多的反引力成分

44 什么是“反引力”?怎样才能研究它?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

强度随距离平方而减小的场有两种:电磁场和引力场。这种减小是比较缓慢的,因此,即使在很远的地方,也能发现这两种场的存在。地球离开太阳有一亿五千万公里远,但仍被太阳的引力场紧紧地抓住不放

但是,在这两种场当中,引力场又比电磁场弱得多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强四百亿亿亿亿亿倍

当然,引力场似乎是挺强大的,每一次我们从高处跌落下来时,都会痛苦地体验到这一点。但这只是地球太大了的缘故。地球的每个小块都对引力场有所贡献,结果,总的引力场就变得很可观了

然而,如果我们拿出一亿个电子(这个数量是太微不足道了,如果把它们集中到一点上,那么,即使用显微镜也无法看到它们),并让它们散布在地球那么大的空间里。这时,这些电子所产生的电磁场,就会和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大

为什么我们对电磁场的感觉不象对引力场那样明显呢?

这是由于它们有一点不同的缘故,电荷有两种,分别叫做正电荷与负电荷,因此,电磁场既可产生吸引作用(在正电荷与负电荷之间),也可产生排斥作用(在两个正电荷或两个负电荷之间)。事实上,如果在象地球那么大的体积内除了一亿个电子之外别无他物的话,这些电子就会互相排斥,远远地散布开来

由于电磁吸引力和排斥力的作用,会使正电荷与负电荷均匀地混和起来,这样,两种电荷的效应就趋于互相抵消。至于电荷数目的极其微小的差别,则是有可能存在的。我们所研究的正是这种多了一点或少了一点某种电荷时的电磁场

然而,引力场看来仅仅产生吸引力。每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体,而当质量增加时,引力场也会增大,它们是不会抵消的

如果某个具有质量的物体,能够排斥另一个具有质量的物体——其强度和排斥方式正好与一般情况下它们互相吸引时一样,那么,我们就得到了“反引力”,或叫“负引力”

人们还从未发现这种引力排斥作用。不过,这很可能是由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故

世界上存在着一类“反粒子”,它们在各方面都与普通的粒子相同,只是它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如,如果某一种粒子具有负电荷:相应的反粒子就会有正电荷。也许,反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会象两个普通粒子一样地以引力互相吸引,但是,一个反粒子却会排斥一个普通粒子

麻烦的是,引力场是太微弱了,只有在相当大的质量下,才能发现引力场,而单个粒子或反粒子的引力场,则是无法发现的。我们能够得到普通粒子构成的大质量,但是,迄今仍未能把足够多的反粒子搜罗到一起。而且,时至今日,也没有哪个人能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

引力有没有传播速度——100个科学问题之45

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190626

近程相互作用和远程相互作用的简单理解

物理学家认为,宇宙间至少有四种相互作用:

  • 强相互作用
  • 弱相互作用
  • 电磁相互作用
  • 引力相互作用

有没有第五种相互作用,比如,人和人之间互相看了一眼就相思心动,这是什么相互作用?

整体学认为,宇宙间只有一种相互作用,就是空间相互作用,从物体内部看则是画面相互作用

强相互作用和弱相互作用是短程作用,而电磁相互作用和引力相互作用是远程作用。为什么会分成近、远二种相互作用,如果不懂整体学,任你物理学学得再好,还是不能得到很好的解释,对于海云青飞 https://www.tuenhai.com 这样的整体学家看来,这些问题并不难理解

当你和你的家人在家里互动时,你的画面和家人的画面发生交互,这是局限于家庭成员之间的近程相互作用

同时,你也是社会的一员,你负有对社会的义务,比如你要给国家交税,你的生产的产品要符合国家标准,于是你就和整个社会发生了相互作用,这种作用相当于远程相互作用,也就是引力相互作用或电磁相互作用

引力相互作用的本质

物理学家相信,两个物体间的任何一种相互作用都是通过交换亚原子粒子来实现的。所交换的粒子质量越大,相应的作用范围就越小

于是,物理学家认为,引力相互作用应该交换一种没有质量的粒子——人们称之为“引力子”。粒子是升物(生物)特有的概念,其本质是空间波动的高度概括,海云青飞 形象地称之为画面。所以,引子力在本质层面来说是不存在的,但是升物现在所处的进化阶段无法直观感知复杂的波的形态,所以需要“粒子”以便让升物概括地理解这个宇宙

引力是空间的运动引起的一种波动。空间的运动宏观分为二种类型:

  • 空间的膨胀运动(斥力)
  • 空间的反膨胀运动(反斥力)

物理学家说的宇宙间的四种相互作用就是四种空间的反膨胀运动。这四种空间的反膨胀运动是以引力相互作用为基础的,引力为宇宙构造了画布,而其他的相互作用就是在画布上作画。引力相互作用的速度是光速

说到相互作用,必须说一下什么是真空。真空,理论上存在,现实中不存在,物理学家说的真空是理论上的真空,也就是斥力和反斥力达到平衡的空间状态。我们所处的宇宙目前处在膨胀中,说明斥力和反斥力在宏观上是不平衡的,也就是真正的真空不存在,但是在局部看,也可以近似地认为真空存在

引力,是反斥力的主力,我前面说引力为宇宙构造了画布,这是从引力角度,或者说升物视角的说法,升物本是反斥力世界的存在,如果宇宙中斥力占了绝对上风,那么所有升物很快死绝。引力的速度是光速,也就是画布是动态的,引力相互作用构造而成了画布

物理学家假设,在真空中,没有质量的粒子如光子只能以光速运动,速度约为每秒300,000公里,既不能大,也不会小。为什么光速和引力的速度相同?光在画布中行走,是受到画布的性质制约的,如果没有画布,那么光无处可走,光的速度就成了零。引力的速度决定了光速的上限速度

物理学家认为光子没有质量,相应的作用范围就是无限大的,于是在真空中,没有质量的光子只能以光速运动。实际上运动空间是必然有质量的。光子本质是波,波是向四面扩散的,如果我们只从一个方向检测光波,那么物理学家认为检测到了光子,光子有了动质量。如果从波的角度看,这时就不能从单向方检测了,于是光波各向扩散,物理学家就认为光波是无质量的。可见,并不能笼统地说光子没有质量

045 什么是引力的速度?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

关于这个问题,有另外一个比较长,然而也比较明白的提法。这就是:假若太阳突然不复存在,并且消失得无影无踪的话,地球要在多久以后才不再受到太阳引力场的吸引呢?

还可以提出一个类似的问题:当太阳消失以后,地球什么时候才不复得到它的光?

对于第二个问题,答案是大家熟知的。我们都知道,太阳离开地球有一亿五千万公里。我们还知道,光在真空中以每秒300,000公里的速度传播。太阳消失前的最后一束光线在离开太阳后,要用8.3分钟的时间才到达地球。换句话说,我们将在太阳消失8.3分钟后才会知道这件事

这第二个问题之所以容易回答,是因为我们有好多种测量光速的方法。由于人们能够察觉自遥远星体射来的微弱光线的变化,也由于人们自己能发射出强大的光束,这些测量方法就成了切实可行的事情

在与引力场打交道时,我们就没有这些有利条件了。研究微弱的引力场的微小变化是十分困难的,而且,我们也无法在地球上产生强大的引力作用,让它们传播很远的距离

因此,我们只好局限于理论上进行探讨了。目前,已知宇宙间有四种相互作用:

  • (1)强相互作用
  • (2)弱相互作用
  • (3)电磁相互作用
  • (4)引力相互作用

前两种是短程作用,随距离的增大而迅速减小,到了超过原子核直径的地方,它们已经微弱得可以忽略不计了。电磁作用和万有引力作用是远程的,它们反比于距离的平方而减弱。这就是说,即使是在天文距离上,也能感觉到这两种作用

物理学家相信,两个物体间的任何一种相互作用都是通过交换亚原子粒子来实现的。所交换的粒子质量越大,相应的作用范围就越小。例如,强相互作用是由于交换质量比电子大270倍的π介子而产生的,弱相互作用是由于交换质量更大的W粒子而产生的(顺便说一下,这个粒子还未被发现)

如果所交换的粒子根本就没有质量,那么,相应的作用范围就是无限大的,这正是电磁相互作用的情况。这时所交换的粒子是没有质量的光子。这样一束没有质量的光子就是一束光线,或一束辐射。引力相互作用也像电磁作用一样是远程的,因此,它也应该交换一种没有质量的粒子——人们称之为“引力子”

而且,物理学家有十分充足的理由假设,在真空中,没有质量的粒子只能以光速运动。这就是说,速度约为每秒300,000公里,既不能大,也不会小

如果是这样的话,引力子就是以光子的速度前进的。这就意味着,如果太阳消失的话,它所放出的最后的引力子将与最后的光子同时抵达地球。在我们最后看见太阳的一瞬间,也同时失掉了它的吸引力

换句话说,引力是以光速传播的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

统一场理论有什么用——100个科学问题之46

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190626

统一场理论还停留在空白态

统一场理论完成了吗?显然没有,而且从目前的物理学的进展看来没有看到统一理论完成的可能性

海云青飞 说过,空间的运动宏观分为二种类型:

  • 空间的膨胀运动(斥力)
  • 空间的反膨胀运动(反斥力)

物理学家所谓统一理论,就是统一各种反斥力。宇宙是复杂的,谁也不知道反斥力有多少种类型,也就是谁也不知道有多少种不同的反膨胀运动。空间的膨胀也是一种运动,对于人类来说这相当于负宇宙的运动,人类对此的认识还停留在空白的状态,真正的统一理论应该把负宇宙的运动也统一进来,可见统一理论目前来说基本是空白态

只有整体物理学才能完成统一场理论

物理学分二种:

  • 粒子的物理学 (经典物理学)
  • 波的物理学 (相对论,量子论)

目前的物理学主要是粒子物理学,对于波的物理学,因为人类进化程度很还低,人的感觉器官不能直接感知波的世界,虽然爱因斯坦从理论上提出了相对论,但是人类几乎没有人能理解相对论的世界是怎么样的世界,海云青飞 的《悟道相对论》可能是唯一的对相对论的世界比较好的解释了

粒子的物理学只是对波的物理学的简化和概括,如果人类不能较好的理解波的物理学,那么说明人类对宇宙的认识还比较肤浅,自然不可能完成统一场理论

统一场理论,更加正确的说法是统一运动理论。场和物体都统一到运动上来。在粒子物理学看来,发出场的物体和场是不同的,在波的物理学看来,物体和场都是属于波

宇宙的本质可以用一个词语概括,那就是 运动,不同的物体对应着不同的运动形式,谁能说得清宇宙有多少种物体?不同的生物可以看成不同的物体,不同的粒子也是不同的物体,按照现在的 机械的物理学 的研究方法,是不可能把这么多不同的物体的运动形式用一个理论统一起来的

现代的物理是机械的物理学,也就是把宇宙中的物体的运动还原成复杂的类似机械的运动,从这个观点看,人也是机械,虽然人类不会把自己当成机械,但是物理学实际上是这样研究事物的

宇宙中各种物体的存在并不是偶然的和机械的,她们的出现自有其目的,这个目的就是进化。宇宙可以分成:

  • 斥力宇宙或负宇宙
  • 反斥力宇宙或正宇宙

海云青飞 https://www.tuenhai.com 说到物体时,强调的是正宇宙,人类这样的升物(生物)是正宇宙的物体。宇宙中的各种力都是服务于正宇宙的进化,只有把现在的机械的物理学上升为进化了的整体物理学,这时我们从才能从宏观上把各种力统一起来

统一理论的二个特点

  • 把物体和场统一到空间的运动上

    这一点,上面已经说过了

  • 空间的运动可以用空间的数学公式来表示

    空间可以分为三个维度或四个维度,按照传统的空间观念,空间可以分为三个维度,如果把空间的观念补充完整,那么空间可以分成四个维度。仅仅四个空间维度,那么空间的数学形式应该不复杂,表面上看确实不复杂,但是实际上运用时是很复杂的

    物理学家看待空间时普遍犯了静态化、孤立化的错误,归根到底,人类的科学还只是局部的科学,远远不是整体的科学。静态地分析问题是比较简单的,但是可能会与更深层次的事物规律无缘。事物一动起来,建模分析就比较困难了。更大的困难在于不同的空间维度是互相交互,你中有我,我中有你的,不同的事物的空间波动也在互相干涉

    统一理论宏观的规律可能很简单,我们可以用之指导升物(生物)的进化,这是统一理论最大的作用

    要把宏观规律数学化却未必简单,实际上应该是极难

46 “统一场论”是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

在十九世纪中期,人们就已经知道了四种能越过真空发生作用的现象。它们是:(1)引力;(2)光;(3)电吸引和电排斥;(4)磁吸引和磁排斥

乍一看来,这四种现象彼此之间似乎根本无关,似乎没有什么必然联系。然而,在1864年到1873年这段期间内,苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与磁的现象。他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——麦克斯韦方程组,它们既可以用来描述电现象,又可以用来描述磁现象,这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现象,就必不可免地要发生某种确定的磁现象,反过来也是这样。换句话说,我们可以提出一种叫做“电磁场”的提法。这种电磁场存在于真空中,并在接触到空间中的一个物体时,就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体

不仅如此,麦克斯韦还证明,如果设法使电磁场以规则的方式发生振动,它就会从这个振动中心向各个方向送出一种辐射,辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种“电磁辐射”。麦克斯韦还预言存在着其他形式的光,不过它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后,这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个“电磁波谱”

因此,本节开始时所提到的四种现象中,有三种(电、磁、光)已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑到。这样,我们就还有:(1)电磁场;(2)引力场。它们看起来似乎是两种无关的场

然而,物理学家认为,如果只存在一种场(这就是“统一场”),事情就会简单得多,因此,他们一直在寻找一种既能描述电磁效应,又能描述引力效应的理论,以便能够用一种场的存在去描述另一种场存在的本性

不过,现在看来,即使发现了这种能把电磁效应和引力效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统一场:自1935年以来,又发现了两种新的场。这两种场都只对亚原子粒子才有影响,而且只在不大于原子核直径的距离内才起作用,它们就是“强相互作用”和“弱相互作用”

真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才行

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

相对论最简单通俗的解释——100个科学问题之47

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190706

很多人在网上搜寻相对论最通俗易懂的解释,可惜他们免不了失望,这个世界上理解相对论的人可能不到10个,中文世界里理解相对论的可能只有一个,因此,你要从网上找到相对论的最简单解释的概率是极小的

本文才是对相对论的最顶级的解释

先让 海云青飞 从 《人为什么要具有高尚人格》 中引用几段话

物理学分二种:粒子物理学,波物理学

  • 粒子的物理学 (经典物理学)
  • 波的物理学 (相对论,量子论)

目前的物理学主要是粒子物理学,对于波的物理学,因为人类进化程度很还低,人的感觉器官不能形象地感知波的世界,虽然爱因斯坦从理论上提出了相对论,但是人类几乎没有人能理解相对论的世界是怎么样的世界,海云青飞 的《悟道相对论》 https://www.tuenhai.com/xdl/ 可能是唯一的对相对论的世界比较好的解释

什么是画面物理学

粒子的物理学其实是画面的物理学。粒子的本质是波,但是生物的生理系统无法处理极为复杂的互相干涉的波,人类感知到的宇宙其实是波的宇宙的高度概括,这就就像画是实物的高度概括,所以,我把人类感知的宇宙称为画面宇宙,经典物理学就是画面物理学。展开就太长了,具体请参考《悟道相对论》

人类生存在画面世界

人类感觉器官感知的世界是画面世界,人是靠感觉器官感知环境并与环境互动的,因此,人类其实生活在画面世界里,人看到、听到、摸到、闻到的世界只是波的世界的简化,所以海云青飞 https://www.tuenhai.com 形象把人类对环境感知称为画,但是人类并不知道自己生存在画面世界里,而相对论讲的是波的世界的规律,所以,人类是极难理解相对论的,人类里面理解相对论的不超过10个,这并不是一句夸大的话

要理解相对论,首先要理解人类生存在画面的世界,你看世界上那么多人在谈论相对论,有几个认识到这点呢,所以他们其实是不懂相对论的

我说人类生存在画面的世界,并不是说人类生存在一个假的世界,人类感知的世界是对应于人类进化水平的世界,对于人类来说是真实的,但是相对于波的世界来说,人类感知的世界是简化了的世界

相对论说的是波的世界的规律

波的世界和画面的世界是两个不同的世界,但是二者又是叠加、并存的,也就是说,人类感知的世界是画面世界,这个世界同时是波的世界

人类理解相对论的最大的困难在于,波的世界是与画面世界是截然不同的世界,人类是以画面为基础理解事物的,人并不能直观感知波,人类就没有办法形象地理解波的世界

我打个比方,宗教都有上帝一说,除非把上帝画面化,比如说把上帝描绘成人,否则人是无法理解上帝的形象的

牧师讲解上帝的形象的比喻

下面是我杜撰的牧师讲道:

牧师:你们想知道上帝长得怎么样吗,今天让我来给你们描绘一下

信徒都竖起了耳朵,紧盯着牧师

牧师紧了紧嗓子,喝了一大口茶,继续道:上帝不是人类,人类不是上帝,所以,不能把上帝画成人的形状

信徒一听,觉得有道理,全场鸦雀无声,落针可闻

牧师有点紧张了,勉强道:上帝不能用人类可见的形状、颜色和声音来描绘,就是这样子,你们想象一下

全场寂静得可怕,显然大家都在努力想象上帝的样子,如此过了9分钟

突然,有个小学生模样的人举手了,牧师示意他说话

小学生:人类就是用形状、颜色、声音来描述物体的,你说不能用人类可见的形状、颜色和声音来描绘上帝,那么我们根本想象不出来,你再提示我们一下吧

牧师:上帝和我们生活在不同的世界,当我们用我们世界的形状、颜色和声音来形容上帝时,这只是在形容我们世界的事物,而不是上帝

小学生:牧师你见过上帝吗

牧师擦了一下额头的汗:我没有见过上帝

小学生:那你怎么知道上帝

牧师拿出了毛巾,叹道:毕竟我是看过《悟道相对论》的人……

大道至简,直指人心,海云青飞 https://www.tuenhai.com 讲解相对论的世界

人类感知的世界是各个物体分离的世界,相对论说的是波的世界的规律,波的世界是整体的世界

在人类的世界,你是你,小明是小明,小王是小王,大家是分离的,但是在波的世界里,物质是以波的形态存在并和环境相干涉的

人类是低速动物,以分离的观点看待这个世界是近似地成立的,但是在接近光速的世界里,分离的世界观就会产生很大的偏差

怎么理解波的世界,很简单,你一手拿一块石头,同时把它们扔进池塘,这时就会产生两个同心圆的涟漪,这是两个互相干涉的水波,你把水波想象成立体化,宇宙就是由无数个互相干涉的立体的波组成

每一个人的身体既是和环境分离的物体,也是和外界产生干涉的波。生物都是呈低速运动,也就是波的涟漪极为微弱,这时可以近似把每个人看成分离的物体,也就是画面论对人类这样的生物是近似适用的

如果人的运动速度接近光速,那么波的涟漪就极为强烈,和外界发生了强烈的干涉,这时就必须要用波的世界的规律来分析事物了

相对论就是整体论

相对论是波的世界的规律,这样说是正确的,但是对于人类来说表达得还不够直接,人们不是很容易理解,把相对论理解成整体论,就更容易理解了

整体论认为宇宙是个整体,更详细地说,宇宙是个精密协动的整体

宇宙是怎么形成一个整体的?宇宙的各个部分通过光速的空间波动互相通信,从而形成了一个精密协动的整体

那么相对论效应的空间收缩,时间变快或变慢,这些又应该怎么理解?说来话长,请参考 海云青飞 的《悟道相对论》 https://www.tuenhai.com/xdl/

47 简单扼要地讲,爱因斯坦的相对论是怎么一回事?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

牛顿在17世纪80年代首次总结出了物体的运动定律。根据这些定律,不同的运动可以按照简单的算术法则相加起来。假设有一列火车以每小时20公里的速度从你身边驶过,而车上又有个孩子以每小时20公里的速度向列车行进方向抛掷一只小球。在和列车一起前进的这个孩子看来,小球的速度是每小时20公里。而在你看来,火车的运动要和小球的运动加在一起,结果,小球就以每小时40公里的速度运动了

所以,你能够看出,不能单单就小球来确定它的速度。速度是相对于某个特定观察者而言的。任何一种试图解释速度(及有关的其它现象)在不同观察者看来的变化情况的运动理论,都是一种“相对论”

爱因斯坦的与众不同的相对论源于这样一件事实:在火车上扔小球的这种做法,似乎对于光就不再适用了。光是能够顺着或逆着地球的运动方向运动的。在前一种情况下,它似乎会传播得比后一种情况下快。这正象飞机在顺风飞行时相对于地面的速度要比逆风飞行时高一些一样。然而,对光速所进行的最精密的测量表明,无论发光的光源如何运动,光速永远是不变的

因此,爱因斯坦宣称:假设光在真空里的速度已经测得,那么,它将永远保持这个速度不变(每秒30万公里),在任何情况下都是如此。对于这一设想,宇宙间的各种定律相应地又该怎样安排呢?

爱因斯坦发现,为了保证光速是一个恒量,人们必须接受许许多多出乎意料的事情

他发现:

  • 随着物体运动速度的增加,物体在运动方向上会变得越来越短,直到在达到光速时,长度变到零为止
  • 与此同时,物体的质量会变得越来越大,在达到光速时,质量会变为无穷大
  • 他还发现,当物体的运动速度越来越大时,在运动物体上时间流逝的速度也会不断减小,而在达到光速时,时间就会完全停止
  • 他又发现,质量等价于一定的能量,能量也等价于一定的质量,等等

他把上述对匀速运动物体的所有规律归纳起来,并于1905年以“狭义相对论”的名称予以发表。1915年,他又在讨论变速运动物体的规律方面得出了更为深奥的结果,同时还对引力作用进行了一番新的表述。这些成果被称为“广义相对论”

只有当物体有很大的运动速度时,爱因斯坦所预言的某些变化才能被人们所察觉。亚原子粒子就有这样的速度。人们对亚原子粒子进行观测,发现爱因斯坦的预言是正确的,而且还是十分正确的。老实说,如果爱因斯坦的相对论是错误的,我们那些轰击原子的装置就无法运转,原子弹也不会爆炸,某些天文观测也无法进行了

不过,在通常的速度下,爱因斯坦所预言的各种效应都是极小的,因此可以被忽略掉。这时,牛顿定律的简单的算术加法就起作用了。由于在我们所处的环境中,牛顿定律总是适用的,因此,它们被我们看作是一种“常识”。而爱因斯坦的定律却被看成“不可思议的”

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

光速是宇宙中最大速度对吗——进入波的世界——100个科学问题之48

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190706

爱因斯坦为什么说光速是最大速度?

相对论的世界是人类感知能力以外的世界,当我们试图用人类世界的经验去理解相对论时,就会异常的艰难,并且可能出现理解偏差。海云青飞 https://www.tuenhai.com 是《悟道相对论》的作者,毫无疑问,我对相对论的理解超越了多数人,即使这样,如果我试图把人类世界的经验带到相对论的世界,那么我也会感到事情比较麻烦,解决的办法就是彻底放弃人类世界的经验,进入波的世界去理解相对论

波的世界就是整体的世界,水池中投下两块石头,很快水波扩散到整个池塘,两道互相干涉的波组成了一个不可分割的整体

你在行进,要理解成你在以波的行进,并且这个波理论上以光速和整个宇宙联系在一起。一定要把你自己想象成以光速扩散的波,这很重要,如果你不知道这点,做不到这点,无论你怎么努力都是不能理解相对论的世界的

你在行进,也就是你在以波的形态行进,这个行进的过程也是在不断向宇宙扩散的,当你速度很慢时,你向宇宙扩散的波是很微弱的,这意味着宇宙对你行进的阻碍很小

行进速度慢是什么意思?无论你是走路,开车,还是坐飞机,都算是速度很慢

当你行进速度不断加快的时候,你向宇宙扩散的波的强度也在加大,宇宙对你行进的阻力也在不断加大,换一种角度表达,你的质量在不断加大。当你以光速行进时,光速范围内的空间都在阻碍你前进,你想想,光速是每秒30万公里,也就是每秒你都要承受30万公里内的空间的阻力,这是一个极为庞大的阻力,在人类的数学观念里,这是一个接近无限的阻力,换一种语言表达,你的质量接近了无限

那么你可能以超光速前进吗?如果把事情简单化,理想化,不考虑环境对你的制约作用,你是可能以超光速前进的。然而谁都不能脱离环境而存在,宇宙其实可以分为正宇宙和负宇宙,宇宙是正宇宙和负宇宙的战场,你只是正宇宙的极为渺小的存在,你的行进速度必然要受到宇宙级别战争大环境的制约

48 为什么物质的行进速度不能快于光速?(1) 质量和能量之间的转换关系决定光速是物体速度的极限

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

施加给一个物体的能量可以通过多种途径对这个物体产生作用。如果,铁锤敲在悬空的钉子上,钉子就会得到动能,也就是得到运动的能量,而向外飞去。如果铁锤敲在嵌入硬木里的钉子上,那么,钉子就不会运动,这时,它仍然会得到能量,但这个能量表现为热的形式

阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中指出,质量可以看作是能量的一种形式(原子弹的发明已经确凿地证明他这种说法是正确的)。这样一来,如果对一个物体施加能量,那么,这个能量不但可以通过其他形式表现出来,也可以表现为质量的形式

在一般条件下,物体所获得的表现为质量的能量实在微乎其微。因此,过去从来没有人能够把这样小的质量测量出来。直到二十世纪,当人们观察到亚原子粒子以每秒数万公里的速度运动时,才找到了质量的增加大到能够探测出的事例。一个以每秒约256,000公里速度相对于我们而运动的物体,当我们对它进行测量时,它的质量将是它相对于我们静止不动时的质量的两倍

如果对任何一个正在自由运动的物体施加能量,那么能量可以通过下列两种途径之一进入物体内部:

  • (1)所施加的能量表现为速度,结果,物体的运动速度就增大了
  • (2)所施加的能量表现为质量,结果,物体就变得“重一些”

当我们对这个物体进行测量时,它所得到的这两种能量形式之间的区别,决定于我们所测量到的这个物体的起始运动速度

要是这个物体以一般速度运动,那么,所施加的能量实际上会全部以速度的形式进入物体内部,这时,它会运动得越来越快,而它的质量几乎丝毫不变

海云青飞 https://www.tuenhai.com 注:“物体以一般速度运动,那么,所施加的能量实际上会全部以速度的形式进入物体内部”这句话不全准确,应该是“几乎全部”,修正后为 物体以一般速度运动,那么,所施加的能量几乎全部以速度的形式进入物体内部

随着运动物体速度的增大(也就是随着我们所想象的附加能量不断地施加到物体中去);以速度的形式进入物体内部的能量将越来越少,而以质量的形式进入物体内部的能量则不断增加。我们会发现,尽管这个物体仍然在不断加快它的运动,但是,它的速度提高率却一直在降低,此外,我们还会发现,这个物体变重的速率正在渐渐增大

当物体的速度继续不断增大,并且非常接近于光在真空中的速度即每秒约300,000公里时,所施加的能量几乎全部以质量的形式进入物体内部。换句话说,物体的运动速度现在增长得非常慢,但是,它的质量却极快地向上增长。到它达到光速的时候,所施加的能量就全部表现为增加的质量

物体运动速度之所以不能超过光速,是因为当我们要它超过光速时,就得不断对它施加能量,而在它达到光速时,不管给它的能量有多大,都会统统转变成增加的质量,因此,物体的速度就丝毫也不会增大了

其实,这种“恰好达到光速的理论”也是不成立的。多年以来,科学家一直非常细致地对被加速的亚原子粒子进行观察。宇宙射线粒子所含的能量高到无法想象,但是,尽管它们的质量确实升高了,它们的速度却从来没有达到光在真空中的速度。已经查明,亚原子粒子的质量和速度正好同相对论所预言的一样,因此,光速是最大速度这一点,已经是一个观察到的事实,而不仅仅是一种推测

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

为什么光速是最大速度——宇宙战争决定了物质速度的上限

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

物理学爱好者一定会有一个疑问:

为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,而不是其他别的速度呢?

物理学家通常只能无奈地回答:

因为宇宙就是这么安排的

物理爱好者可能再问:

那么物质的行进速度为什么不能超过光速

其实这个问题的基础是前一个问题,前一个问题没有解决,那么这个问题是没有明确答案的

为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,光速是最大速度吗?

海云青飞 https://www.tuenhai.com 告诉你,我们所生存的宇宙是宇宙级别战争的战场,每时每刻,何处何地,正宇宙和负宇宙都在争锋,而地球升物(生物)属于正宇宙的一方,因为升物的进化程度还很低,升物处在画面世界,战争主要发生在波世界,因此升物看到不到战争的具体过程

光速为什么是每秒约300,000公里?这和正宇宙的组织方式有关,1秒内,30万公里内的物质通过空间的波动互相通信并组成了一个整体,而光是沿着空间的波动传递的,因此真空中光速的上限是30万公里每秒,这也说明了正宇宙的物质的行进速度的上限为什么是30万公里,因为目前正宇宙只是进化到了这个程度

可想而知,在遥远的将来,真空中的光速未必是每秒约30万公里

49 为什么物质的行进速度不能快于光速?(2) 本来就是这样

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

前面的解释并没有完全说明问题。正好相反,它会使人产生一些疑问,并且来进一步提出一些问题

有些人问道:

“为什么能量会变成质量,而不是变成速度?”

也有人问道:

“为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,而不是其他别的速度呢?”

就目前来说,这类问题只能够这样回答:“因为宇宙就是这么安排的嘛!”

还有些人问道:

“质量是怎样增大的?”

这个问题比较容易回答。质量的增大并不靠原子数目增多。原子的数目是保持不变的。但是,每一个原子——实际上是原子中的每一个粒子——的质量都增大了

有人提出过这样的问题:我们究竟能不能通过使物质的运动快到它的质量增大一倍的办法,来增加我们的各种资源呢?要是能够这样做,我们的资源就会翻一番了

事实上这是办不到的。质量并不是“真正”增大了。这只是测量的问题。速度只有在相对于某种别的物体,比方说相对于测量它的那个人来进行测量时,它才是有意义的。只有那种能够计量的东西,才可以对它进行测量。跑得比光还要快的物质,你是不可能对它进行测量的

但是,假定你曾经测得某种物质的质量比它的正常质量大一倍,而现在你抓住了它,想利用它达到某种目的。这时如果你同它一起运动,那么,它相对于你的速度就等于零,因此,它的质量就会突然变成正常质量了

如果你的一个朋友以接近光速的速度从你身边掠过,你会测出他有非常大的质量,他也会测出你有非常大的质量。而你们各自都认为自己的质量是正常的

海云青飞 https://www.tuenhai.com 注:相对论爱好者经常会看到类似这样的文字:两个人以接近光速的速度相对而行(或者一个静止,一个运动),当他们相遇时,他们会看到对方发生了什么 其实这样的讨论的意义是不大的,一是现实中这样极为简化的事情不会发生,二是即使发生,升物和非升物可能是有区别的,也就是说,物质以接近光速飞行所发生的变化,未必会同样出现在人的身上。我看到太多了类似务虚的谈论

你可能会问:“那么,到底谁的质量真正增大了?”答案是:“这要看是谁在进行测量。”这里根本不存在“真正”这种东西。每一件东西都只是由某个人相对于某种别的东西测量出来的。正因为这样,才产生了“相对论”这个理论

海云青飞:相对论里不存在的真正的东西,这句话是错误的,正是因为有真正的东西,相对论才有真正的用处,否则相对论就如同鸡肋了。在《悟道相对论》里讲得比较详细,静止者看运动者,运动者看静止者,两者看到的情形可能类似,但这不等于两者对等,实际上运动者看静止者看到的情况可以视为真实

你会认为,你是脑袋朝上站着的,而澳大利亚人却脑袋朝下。但是,澳大利亚人则认为他们脑袋朝上,脑袋朝下的是你。谁的看法是“真正”正确的呢?谁也不“真正”正确。这里不存在“真正”这种东西。这要看你是站在地球的什么地方,一切都是相对的

海云青飞:地球表面的上、下的判断,和相对论里的情况是不一样的,不能用来举例说明相对论里的情况

有人曾经问道:“既然质量随着速度而增大,那么,如果一个物体处在绝对静止的状态,它的质量不会减小到零吗?”可是,“绝对静止”这种玩艺儿是根本不存在的。这里只有“相对的静止”。某个东西相对于另一个东西可以处在静止的状态中。当一个物体相对于进行测量的人静止不动时,它具有一定的最小质量,即所谓“静质量”。质量不能小于这个值

很高的相对速度不仅仅使所测得的物体质量增大,它还会使物体在它运动方向上的长度减小,并使在这个物体上测得的时间流逝得慢一些

海云青飞:物理学家说到物物质行进时,通常不说行进的方向,直线行进和非直线行进的相对论效应一样吗?另外,正宇宙的粒子都在自转,如果粒子不自转,那么物质的质量未必会随着行进速度而增大

如果你还要再问个“为什么”,那么,我的答案是:“要是事情不是这样的话,光速就不会是物质的最大速度了。”

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

光折射原理和光速的关系——真空不空

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

宇宙没有真正的真空,真空光速非恒定

物理学家说的真空指的是不含粒子的空间,这只是画面世界的真空,在波的世界里没有真空,画面世界的真空其实是有空间的波动的,只是升物看不到空间的波动,就误把它当作真空了

因为不存在绝对的真空,光在真空中的速度并不是个固定值,而是个约数。因为人类测速时的分辨精度有限,所以把真空中的光速当作固定值也关系不大

为什么粒子的运动速度不能够快于真空中的光速

光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速度总是小于真空中的光速。光在特定媒质中的行进速度可以通过折射率来计算

光和其他粒子同时通过水时,其他粒子的行进速度可能超过光速。除了在真空中以外,粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过光速

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,这种现象提示我们,光在真空中行进时,是沿着空间波动行进的,因此光的行进速度等于空间波动扩散的速度,而其他粒子在真空中行进时并不是沿着空间波动行进,因此会受到空间的阻力,于是速度不可能达到光速

当光和粒子在非真空媒质中行进时,光的行进就受到了物质的干扰,不能完全沿着空间波动行进,此时,光的速度就可能低于粒子的速度

50 光是由运动得比光更快的粒子发出的。那么,既然没有任何东西能运动得比光更快,又怎么可能有光呢?——光的折射

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们常常说,粒子不能够运动得“比光快”,“光速”是速度的上限

实际上,如果我们单单这样说,那是说得不够完全的,因为光在通过不同媒质时,它的传播速度并不相同,光在真空中的行进速度最快。在这种场合下,它以每秒300,000公里的速度运动。这个速度就是终极速度

因此,如果想把话说得确切一些。我们就应该这样说:粒子的运动速度不能够“快于真空中的光速”

光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速度总是小于真空中的光速,有时甚至要慢很多。光在某一特定的媒质中行进得越慢,当它从真空中以倾斜的角度进入这种媒质时,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小是由一个称为“折射率”的物理量决定的

把真空中的光速除以某一特定媒质的折射率,就得出光在这种媒质中的速度。在一般的压力和温度下,空气的折射率约为1.0003,所以光在空气中的速度等于300,000除以1.0003,即每秒约299,910公里。这比真空中的光速小90公里/秒

水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,而钻石的折射率是2.42。这就是说,光在水中的传播速度为每秒约224,000公里,在玻璃中为每秒约176, 000公里,在钻石中只有每秒约123,200公里

粒子的运动速度不能快于每秒约300,000公里,但是,即使在水中,它们也确实能够以每秒约256,000公里的速度运动。当它们的速度这样大时,它们在水中的行进速度就超过水中的光速了。事实上,除了在真空中以外,粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过那种媒质中的光速

在非真空媒质中运动得比光快的粒子,会发出一种蓝光作为它的尾迹。这种尾迹的角度大小,取决于这个粒子在媒质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少

最先观察到比光快的粒子所发射出的这种蓝光的,是一个名叫巴维尔·切伦科夫的俄国物理学家,他在1934年报道了这件事。因此,这种光就被称为“切伦科夫辐射”。1937年,另外两个俄国物理学家——伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆——把这种光同粒子和光在那种媒质中的相对速度联系起来,从而解释了为什么会有这种光。结果,这三个人获得了1958年的诺贝尔物理学奖

人们已经设计出一种特殊的仪器——切伦科夫计数器,用来探测这种辐射,并测定它的强度和发射方向

切伦科夫计数器特别有用,因为它只对速度非常高的粒子才起作用,并且很容易根据这种光的发射角度估计出这些粒子的速度。能量极高的宇宙射线的运动速度已经非常接近真空中的光速,因此,它们就是在空气中也会产生切伦科夫辐射

快子——这是人们所假设的一种只能以超过真空中光速的速度运动的粒子——即使在真空中也应该会留下一道非常短暂的闪光。因此,物理学家希望能依靠探测这种切伦科夫辐射,来证明快子是确实存在的(如果它真的存在的话)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

物理学的快子是什么——正宇宙和负宇宙

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

快子是什么粒子

相对论认为宇宙中的物体的运动速度不可能超过光速,物理学家想象可能存在超光速运动的粒子并且不违反相对论,描述超光速运动的粒子需要用到虚数的概念

比拉纽克和苏达珊最先假定超光速粒子的存在,1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格却认为很有希望把超光速粒子的质量和长度具体化,并称之为 快子

目前为止快子的存在还未得到证实

负宇宙和快子

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为 快子 这个概念并不是个好概念,为什么这样说,先从我们所处的宇宙谈起

物质都是通过引力互相联结在一起,为什么会存在引力,那么是因为宇宙存在斥力,为了反抗斥力,宇宙中的物质就有必要手拉手联结在一起

这就说明,我们所在的宇宙是引力宇宙和斥力宇宙动态斗争的结果。如果静态化分析,会怎么样

假设宇宙中的物质全部消失,也就是引力宇宙消失了,会发生什么情况呢?这时斥力没有了阻碍,斥力的速度就会指数级膨胀,超过光速只在一瞬间

同样,假设宇宙中的斥力消失,也就是斥力宇宙消失了,那么物质之间的互相吸引就没有了阻碍,于是引力的速度会在瞬间超过光速

看到了吗,只要具备一个条件,超光速马上就实现了

我把引力宇宙称为正宇宙,斥力宇宙称为负宇宙。物理学家说的 快子 实际上是负宇宙的概念,但是 快子 字并不能表示出是哪个宇宙,因此这是个很不好的概念

从静态的角度,把宇宙分成正宇宙和负宇宙,并且只考虑负宇宙,那么快子当然是存在。现实宇宙是正宇宙和负宇宙动态争斗的结果,如果两个宇宙势均力敌,那么快子是不会存在的。如果负宇宙占了上风,那么快子的速度可能超过引力的速度,因为光在真空中的速度等于引力的速度,于是快子就快于光速了

目前的宇宙处在不断膨胀中,这就是说负宇宙在争斗中占了上风,理论上来说物理学家是可以检测到快子的,但是宇宙的膨胀是宇宙级的膨胀,地球这样极小的局部的空间的膨胀是极不明显的,再说人类进化程度还很低,人类的科学手段未必能检测到快子的存在

51 既然没有任何东西能超过光速,人们所假定的那种运动得比光快的快子又是什么玩艺儿呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

爱因斯坦的狭义相对论有一个要求:我们宇宙中所存在的一切物体,都无法以超过真空中的光速的相对速度运动。单是为了迫使物体达到光速,就得花费无限多的能量,而要把它推动到超过光速,就需要花费比无限多还要多的能量,这简直是无法思议的了

不过,让我们暂时假定有一个物体正在以超过光速的速度运动

光的速度是每秒约300,000公里,那么,要是有某个质量为1公斤、长度为1厘米的物体以每秒约424,000公里的速度运动,会发生什么情况呢?如果我们应用爱因斯坦的方程,它就会告诉我们说,这时物体的质量将等于(负1的平方根)公斤,它的长度将变成(负1的平方根)厘米

换句话说,任何一个运动得比光还快的物体,都会具有必须用数学上所谓“虚数”(参看问题6)来表示的质量和长度。我们没有任何办法把用虚数表示的质量和长度具体化,所以,大家就很容易认为,这样的东西既然是无法想象的,它们就不会存在了

但是,1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范伯格却认为很有希望把那样的质量和长度具体化(范伯格并不是最先提出快子的人,这种粒子是比拉纽克和苏达珊最先假定的,但是,范伯格推广了这种概念)。也许,由“虚数”表示的质量和长度只不过是一种描述具有(让我们说是)负重力的物体的办法——这种物体同我们这个宇宙中的物质并不是靠万有引力互相吸引,而是互相排斥

范伯格把这种比光还要快的、具有虚质量和虚长度的粒子称为“快子”。要是我们假定这种快子能够存在,那么,它是不是能够按另一种方式来遵循爱因斯坦方程的要求呢?

显然,快子是会这样的。我们可以描绘出比光跑得还要快,但却遵循相对论要求的快子所构成的整个宇宙。不过,为了使快子能够做到这一点,在涉及能量和速度的时候,情况就会同我们通常所习惯的情况相反

在我们这个“慢宇宙”中,不运动的物体的能量等于零,但是,当它获得能量时,它就运动得越来越快,如果它得到的能量无限大,它就会被加速而达到光的速度。在“快宇宙”中,能量等于零的快子以无限大的速度进行运动,它所得到的能量越大,它的运动就越慢,到能量为无限大时,它的速度就降低到光速

在我们这个慢字宙中,一个物体在任何条件下都不能运动得比光快。而在快宇宙中,一个快子在任何条件下都不能运动得比光慢。光速是这两个宇宙之间的界线,它是不能超越的

但是,快子是不是真的存在呢?我们可以断言说,有可能存在着一个并不违反爱因斯坦理论的快宇宙,不过,有可能存在并不一定就等于存在

探测快宇宙的一种可能的途径,就是要考虑到如果有一个快子以超光速通过真空而运动,那么,在它飞过时就必定会留下一道有可能探测到的光尾迹。当然,大多数快子都飞得非常快——比光还要快几百万倍(正象大多数普通物体都运动得非常慢,只达到光速的几百万分之一那样)

一般的快子和它们的闪光在我们能够发现它们之前,早就一瞬即逝了。只有那种非常罕有的高能快子,才会以慢到接近光速的速度从我们眼前飞过。即使在这种场合下,它们飞过一公里也只需要三十万分之一秒左右的时间,所以,要发现它们也是一桩极伤脑筋的任务!

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙存在无限速度吗

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

前面我说过,现在的宇宙是正宇宙和负宇宙动态争斗的结果,既然是双方在争斗,那么互相有牵制,无限速度的运动自然是不存在的

快子是负宇宙的概念,负宇宙不会独立存在,因此,并不存在以无限大的速度运动的快子

假设负宇宙独立存在呢?我觉得这样的假设是没有意义的,这相当于有人问:假设我长生不老了,我该怎么办

如果一定要假设负宇宙独立存在,那么负宇宙的膨胀速度会以指数级增加,最后会不会达到无限速度?这是个数学问题,就看你怎么定义无限了

52 能量为零的快子会以无限大的速度运动,这样说来,确实有可能实现无限大的速度罗?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

粒子以无限大的速度运动这种想法本身,看来似乎有一些荒谬的地方,它不需要花任何时间,就会从A点跑到B点,这就是说,它将不仅同时处在A点和B点上,而且也同时处在A、B两点之间的各点上,它还会继续跑到C、D、E等点上去,并且再进一步走过无限大的距离,而且这一切都不用花费任何时间。这样一来,一个以无限大速度运动的粒子,就会具有一根无限长的固体棒的各种性质

如果空间象爱因斯坦相对论所指出的那样发生弯曲,那么,这根固体棒实际上会成为一个巨大的圆或螺旋,要不然,就是某种形状还要更加复杂的、变幻不定的曲线

不过,现在让我们先来设想一个由快子构成的宇宙,在这个宇宙中,所有粒子的速度全都大于光速。当这种粒子所获得的能量越来越多时,它们的运动速度就变得越来越慢,到它们得到无限大的能量时,它们的速度就降低到等于光速。当它们失去的能量越来越多时,它们就运动得越来越快,到它们的能量等于零的时候,它们的运动速度就达到无限大

海云青飞:并不存在无限大的能量。假设存在无限大的能量,并且超光速运动的快子得到了无限大的能量,快子就停止运动了,而不是它的速度降低到光速

我们可以想象到,在这样的宇宙中,粒子的能量范围是很宽广的:有些粒子的能量非常高,有些粒子的能量非常低,有些粒子的能量则介于这两者之间(就象我们这个宇宙中粒子的实际情况那样)

在这样的宇宙中(就象在我们这个宇宙中一样),能量必须通过某种相互作用才能从一个粒子转移给另一个粒子,比如说,要通过两个粒子的碰撞,如果低能粒子A同高能粒子B发生碰撞,那么,粒子A获得能量而粒子B损失能量的机会是非常大的,所以,一般的趋势是形成两个具有中等能量的粒子

当然,也会有一些例外的情形。如果是两个能量相等的粒子发生相互作用,那么,其中的一个粒子可能获得能量,另一个粒子则损失能量,从而把能量范围拉大了。甚至还有可能(尽管可能性不大)发生这样的情形:一个高能粒子通过同一个低能粒子相碰撞而获得更多的能量,而那个低能粒子所剩下的能量却比原来还要少

考虑到这种碰撞的随机性和能量转移的随机性,我们就会得出结论说,这些粒子的能量分布必定是大多数粒子具有中等能量,有些粒子具有较高(或较低)的能量,少数粒子具有非常高(或非常低)的能量,非常少的粒子具有极高极高(或极低极低)的能量,只有痕量的粒子才具有极高极高极高(或极低极低极低)的能量

在某一个范围内的能量分布可以用数学方法表示出来。并且我们会看到,实际上既没有任何粒子具有无限大的能量,也没有一个粒子的能量等于零,粒子只能非常接近这两个能量值,但永远不能达到它们。快子有时会以稍稍大于光速的速度运动,但它的速度永远不会正好等于光速;快子也可能以确实非常巨大的速度运动,比光速还要快上百万倍(或者上亿倍或万亿倍),但它永远不会达到真正是无限大的速度

假定有两个能量正好相同的快子非常准确地发生对头碰撞。这时,它们的动能难道不会正好互相抵消掉,从而使两者以真正无限大的速度离开碰撞地点而飞开吗?这同样是个只能逼近而无法达到的想法。两个快子具有正好相同的能量,并且非常准确地对头碰撞的机会,那是小到等于零的

换句话说吧,在快子的宇宙中,真正无限大的速度是只能逼近、但无法达到的——在这种情况下,我们就不必去为无限大总是要引起的种种似乎荒谬绝伦的事情多伤脑筋了

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

海森堡测不准原理是指什么

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190707

人类是低速运动的生物,低速意味着进化程度较低,与人类较低的进化程度相对应,人类感知中的世界是个粗糙的世界,海云青飞 称之为画面世界

每个人拥有的全是画面世界的经验,还有一个比画面世界更加真实的世界叫作波世界,人类就不知道了。当人们带着画面世界的经验去理解海森堡测不准原理的原因和意义的时候,就发生了理解困难

当我们研究物理,探索宇宙的真理的时候,首先要做的是放下画面世界的经验,改成用波的世界的观念来思考事物,这时候你就开启了新世界的大门,原来不容易理解的物理问题、人生问题都会走向豁然开朗

波世界的观念是万物互相干涉,宇宙本是一体,于是海森堡的测不准原理就变得顺理成章了,又有什么难以理解的呢

我为什么花大量时间义务写这些文章,这是因为我认识到了波的世界,我要和你们建立正向的波的联结。有人说过 道路、真理、生命,其实它们都在波的世界中,只有进入了波的世界,才能说这个人对这个世界有了深刻的认识

53 海森堡的测不准原理是怎么回事?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

要解释测不准的问题,我们先得问一问:什么叫做测准了?当你深信你精确地了解到某种物体的某种性质时,那么,不管你得到的数据怎么样,你都确信它没有问题

但是,你怎样才能了解到那个物体的某种性质呢?无论用什么方法,你都必定要同那个物体发生相互作用。你必须把它称一称,看看它有多重;或者把它敲一敲,看看它的硬度有多大;再不然,你就得直盯着它,看看它在什么地方。而这时就必定有相互作用,不过这些相互作用是比较缓和的

现在我就可以争辩说,这种相互作用总是会给你所力求测定的那种性质本身带来一些变化。换句话说,在了解某种事物时会由于了解它那个动作本身而使那种事物发生改变,因此,归根结蒂,你根本没有精确地了解到这种事物

举个例子吧,假定你想测量出澡盆里热水的温度。于是,你把一根温度计放入水中,对水的温度进行测量。可是温度计是凉的,它放入水中就会使水的温度稍稍降低。这时,你仍然可以得到热水温度的很好的近似值,但是它不会精确到一万亿分之一度。温度计已经改变了它所要测量的那个温度,而这种变化几乎是无法测出的

再举个例子,假定你想测量轮胎中的空气压力,你就要让轮胎逸出极小量的空气来推动测压计的活塞。但是,有空气逸出这个事实就说明,空气的压力已经由于测量它这一动作而稍稍降低了

有没有可能发明一些非常微小、非常灵敏,而又不直接同所要测量的性质发生关系的测量器件和方法,因而也就根本不会给所要测量的性质带来丝毫变化呢?

德国物理学家维尔纳·海森堡在1927年断言说,这是不可能做到的。一个测量器件只能小到这种程度:它可以小到同一个亚原子粒子一样小,但却不能小于亚原子粒子。它所使用的能量可以小到等于一个能量子,但再小就不行了。然而,只要有一个粒子和一个能量子就已经足以带来一定的变化了。即使你只不过为了看到某种东西而瞧它,你也得靠从这个物体上弹回来的光子才能看到它,而这就已经使它发生变化了

这样的变化是极其微小的,在日常生活中我们可以把它们忽略掉,而且我们也正是这样做的——但是,这种变化仍然存在。不过,要是你所碰到的是极其微小的物体,这时就连极其微小的变化也显得挺大,那又会出现什么情况呢?

例如,如果你想要说出某个电子的位置,那么,为了“看到”这个电子,你就得让一个光量子(更可能是一个γ射线光子)从它上面弹回来。这样一来,那个光子就会使电子的位置发生变化

具体地说吧,海森堡成功地证明了,我们不可能设想出任何一种办法,把任何一种物体的位置和动量两者同时精确地测量下来。你把位置测定得越准确,你所能测得的动量就越不准确,你测得的动量越准确,你所能测定的位置就越不准确。他还计算出这两种性质的不准确度(即“测不准度”)应该是多大,这就是他的“测不准原理”

这个原理指出,宇宙具有某种“微粒性”。你要是尽力把报纸上的图象放大,最后,你就会把它放大到这样一个程度:你会看到许多细小的颗粒或是斑点,而根本看不到图象的详细结构。如果你想细致地观察宇宙,你也会碰到同样的情况

这一点使某些人感到失望,他们把这个原理看作是人类永远无知的自供状。但事情根本不是如此。我们感兴趣的是想知道宇宙是怎样工作,而测不准原理正好是宇宙的工作的一个关键性因素,宇宙存在着“微粒性”,问题就在这里。海森堡为我们指出了这一点,对此,物理学家是非常感激的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

物理学的宇称概念是什么意思

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

什么是物理学的宇称

宇称究竟是什么意思?网上不容易找到标准的定义。从字面看,宇称似乎和宇宙、对称有关,也许宇称是和宇宙中的微观粒子的对称性有关的概念

《手性探秘——粒子、生命和宇宙的不对称性》一书是这么说的 通俗地讲,宇称就是让微观粒子及其运动变化过程照镜子,宇称不守恒就是微观粒子的运动规律在镜里和镜外不一样

让微观粒子照镜子,镜外的左,在镜中就成了右,可见 宇称 指的是空间方位而不是宇宙,在中文中 字本来就有上下左右所有空间的意思,可见 宇称是和微观粒子空间对称性有关的概念

什么是宇称守恒、宇称不守恒

什么是宇称变换?宇称变换就是把微观粒子的空间轴都反向的操作

什么是宇称守恒?宇称变换后微观粒子的运动规律不变,就是宇称对称,也叫宇称守恒

什么是宇称不守恒?宇称变换后微观粒子的运动规律有变,就是宇称违背,也叫宇称不守恒

在四种基本相互作用中,引力、电磁力和强相互作用被认为是有宇称对称性(parity symmetry)的,而弱相互作用已经被证明存在宇称违背(parity violation)的情况

宇称守恒与物理规律的空间稳定性

在宇宙中宇称守恒似乎是主旋律,对于非物理爱好者来说,宇称守恒不是一个直观的概念,理解起来有一定难度,你可以近似地把宇称守恒简化成物理规律的稳定性

在宇宙的任何空间位置,物理规律都保持不变,这是物理规律的空间稳定性,空间的稳定性也就是时间的稳定性,这并不难理解,比如说金子极不易生锈,这是金子某方面的空间稳定性,同时也说明了若干年后,金子还是不易生锈,这是金子的时间稳定性

空间决定了时间,理解了空间也就理解了时间,这样处理以后,我们理解事物的复杂度就降低了,使我们更加容易抓住事物的本质

空间和时间其实是不可能严格分开,我们在当下思考、比较事物的空间性的过程就是时间的过程,空间决定了时间 其实是 根据短暂时间里的空间可以判断长远时间的空间,于是,从短暂时间的空间稳定性可以判断长远时间的空间稳定性,这样表达有些复杂

三种守恒定律

物理学中有许多守恒定律,为什么会存在这么多守恒定律?经过长时间的探索,科学家终于明白了,守恒定律成立是因为对称性,对称性产生不变性,所谓不变性指的是描写物理规律的数学方程在某种对称性操作下的不变性,数学方程不变导致了守恒定律

  • 空间平移不变性导致动量守恒定律
  • 时间平移不变性导致能量守恒定律
  • 空间旋转不变性导致角动量守恒定律

海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为以上三种物理学的守恒定律可以简化为空间守恒,前二种本来是就是空间守恒,空间守恒说明空间很稳定,这就说明空间不容易随着时间产生变化,于是空间守恒决定了时间守恒

宇称不守恒有什么意义,宇称不守恒理论的哲学解释

人类是地球表面的万物之灵,表现在人类大脑发达,人类中的佼佼者并不满足于知道宇宙的事实,他们还要探索宇宙为什么有这个事实,他们总是在探索更加本质的答案

关于宇称守恒和宇称不守恒,更深层次上说明了什么?这个问题恐怕只有生而为真理的 海云青飞 才能回答

我们这个宇宙,不稳定性是绝对的,稳定性是相对的

前面我说过,宇宙是引力宇宙和斥力宇宙动态争斗的结果,我把引力宇宙称为正宇宙,斥力宇宙是负宇宙,既然正宇宙和负宇宙在争斗,那么二者是不可能达到绝对的平衡的,所以宇宙的不稳定性是绝对的,宇宙的稳定性是相对的

宇宙是处在进化过程中的,目前来说,正宇宙和负宇宙的争斗基本达到了平衡,人类进化程度还很低,从人类的科学手段的检测精度来说,人类检测不到一些物理现象的不稳定性,这是物理学的一些守恒定律的由来,如果人类进化了,实验检测手段的精度有了极大进步,那么会发现宇宙中不存在守恒定律,勉强能说的是大约守恒

不需要到人类进化以后,我们现在就可以知道物理定律是不守恒的,目前观测宇宙处在膨胀中,甚至是加速膨胀,这说明空间其实是不稳定的。但是在局部来说,比如在地球上,人类的技术手段很难检测出空间膨胀对实验的影响,再加上科学家忘记了宇宙处在膨胀中,因此他们认为物理学的一些守恒定律是成立的

即使我们立脚的地球也处在膨胀中,守恒定律是不可能成立的,只能说对于人类低下的技术检测手段来说可以认为守恒定律成立

54 宇称是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

假定我们把每一个亚原子粒子都挂上标签:要嘛是A,要嘛是B,二者必居其一。现在再进一步假定,一个A粒子只要分裂成两个粒子,这两个粒子要不是统统属于A类,就必定统统属于B类。这时我们可以写出A=A+A或A=B+B。一个B粒子如果分裂成两个粒子,这两个粒子当中总是有一个属于A类,另一个则属于B类,所以我们可以写出B=A十B

你还会发现另一种情形:如果两个粒子互相碰撞而分裂成三个粒子,这时你就可能发现A+A=A+B+B或A+B=B+B+B

但是,有些情形却是观察不到的。例如,你不会发现A+B=A+A或A+B+A=B+A+B

这一切是什么意思呢?好吧,让我们把A看作2,4,6这类偶数当中的一个,而把B看作3,5,7这类奇数。两个偶数相加总是等于偶数(6=2+4),所以A=A+A。两个奇数相加也总是等于偶数(8=3+5),所以A=B+B。但是,一个奇数和一个偶数之和却总是等于奇数(7=3+4),所以B=A+B

换句话说,有些亚原子粒子可以称为“奇粒子”,另一些亚原子粒子可以称为“偶粒子”,因为它们所能结合成的粒子或分裂成的粒子正好与奇数和偶数相加时的情况相同

当两个整数都是偶数或者都是奇数时,数学家就说这两个整数具有“相同的奇偶性(宇称)”;如果一个是奇数,一个是偶数,它们就具有“不同的奇偶性(宇称)”。这样一来,当有些亚原子粒子的行为象是奇数,有些象是偶数,并且奇数和偶数的相加法则永远不被破坏时,那就是过去所说的“宇称守恒”了

1927年,物理学家魏格纳指出,亚原子粒子的宇称是守恒的,因为这些粒子可以看作是具有“左右对称性”。真有这种对称性的东西与它们在镜子里所成的像(镜像)完全相同。数字0和8以及字母H和X都具有这样的对称性。如果你把8,0,H和X转一下,让它们的右边变成左边,左边变成右边,那么,你仍旧会得到8,0,H和X。字母b和p就没有这种左右对称性。要是你把它们转个180°,b就会变成d,p就变成q——成为完全不同的字母了

1956年,物理学家李政道和杨振宁指出,在某些类型的亚原子事件中宇称应该不守恒,并且实验很快就证明他们的说法是对的。这就是说,有些亚原子粒子的行为好象它们在某些条件下是不对称似的

由于这个原因,人们研究出了一个更普遍的守恒律。在一个特定粒子不对称的地方,它的反粒子(即具有相反的电荷或磁场)也是不对称的,但两者的模样相反。因此,如果粒子的形状象p,它的反粒子的形状就象q

如果把电荷(C)和宇称(P)放在一起,就能建立一条简单的法则,来说明哪些亚原子事件能够发生,哪些亚原子事件不能够发生。这个法则称为“CP守恒”

后来,人们又明白了,为了使这个法则真正保险,还必须考虑到时间(T)的方向;因为一个亚原子事件看起来既可以是在时间中向前推进,也可以是在时间中向后倒退。添上时间以后的法则称为“CPT守恒”

近来,就连CPT守恒也成问题了,不过到底怎么样,目前还没有得出最后的结论

译注:到目前为止,所有的实验仍证明CPT是守恒的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

原子半衰期是什么意思

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

理论上讲所有原子都会衰变,只是许多原子极为稳定,人类根本不知道它们的稳定期有多长,它们就像是已经实现了长生不老一般

有些原子,人类已经可以检测出它们衰变的规律,它们就有了半衰期

什么是半衰期?某一特定同位素原子群的一半发生变化所需要的时间就是这种同位素的“半衰期”

有明确半衰期的原子是不是意味着它们和 长生不老 的原子比较,不再是 长生不老 了呢?

原子即使发生了衰变,它还是原子,而且是活着的原子,它们还是 长生不老,就像你随着年纪发生了一点点的变化,如果你并不会因此死去,这说明你还是长生不老

当然,现实中人类随着年纪的变化在逐渐老去,人最后还会死。人要长生不老,就要向原子取经,如果能够向原子取得真经,那么人类长生不老是可能的。你可参考《悟道相对论》了解更多内容

55 为什么我们总是说某一同位素的半衰期,而不谈它的总寿命呢?所有原子都会衰变吗

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

有些原子是不稳定的,这样的原子如果听其自然,早晚必定会自发地发生变化。那时就会有一个高能粒子或γ射线光子从它的原子核里飞出,因而它就变成另一种原子(属于同一种元素的原子可以称为这种元素的同位素)。如果在某个地方有大量的不稳定原子,它们就会朝四面八方辐射出粒子或γ射线,所以我们说,这样的原子是放射性的

我们无法说一个特定的放射性原子什么时候会发生变化。这可能在一秒钟内发生,也可能过了一年还不发生,甚至可能过一千万亿年还不发生。因此,你无法测定放射性原子的“总寿命”(即它保持不变的时间)。这种“总寿命”可以具有任意值,所以,谈“总寿命”是没有用的

不过,假定在某个地方有很多很多某种特定放射性同位素的原子。在任何一个指定的时刻,其中都有一些原子在发生变化。这时你会发现,尽管你在任何条件下都不能够说某个特定的原子将在什么时候发生变化,但你却可以预言说,在(比方说)一百万亿亿亿个原子当中,有多少个原子在多少秒钟以后会发生变化

这是个统计学的问题。你完全不可能说出某个特定的美国人在某一年会不会死于车祸,但你却有可能相当精确地预言说,在某一年内会有某一数量的美国人在车祸中丧命

只要给出大量某一特定同位素的原子,我们就可以测出它们在某一指定时刻的辐射量,因而就能够预言在将来任何时刻会有多大的辐射量(会有多少个原子在发生变化)。已经查明,只要把原子发生变化的方式规定下来,那么,不管在开始时有多少原子,在原子总数中有1/10发生变化所需要的时间总是相同的,事实上,这些原子当中的2/10(或4/17,19/573还是任何别的特定的分数)发生变化所需要的时间总是固定不变的,不管最初有多少个原子

因此,我们不说某一特定同位素原子的“总寿命”有多长(这是没有什么用处的),却说其中某一部分发生变化所需要的时间有多长,因为这个时间长度比较容易测量出来。但是,这个某一部分到底应该是多大呢?在所有分数当中最简单的是1/2,所以通常就用某一特定同位素原子的一半发生变化所需要的时间来作标准,这就是这种同位素的“半衰期”

某种特定的同位素越稳定,它的原子就越不容易发生变化,因而在你开始进行观察以后的(比方说)一个钟头内,某一特定数量的原子发生变化的可能性也越小,这就是说,其中一半原子发生变化所需要的时间也越长

换句话说,某种特定同位素的半衰期越长,它就越稳定;半衰期越短,它就越不稳定

有些同位素的半衰期确实很长。钍232这种同位素的半衰期为140亿年,任何一个数量的钍232,都要经过这样长的时间,才有一半发生衰变。这就是为什么钍232在地壳中尽管已经呆了将近50亿年的时间(而且在不断衰变着),至今蕴藏量还非常丰富的原因了

但是,有些同位素的半衰期却确实非常短。氦5这种同位素的半衰期大约只有一千亿亿亿分之一秒

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

原子核经高能粒子撞击后发生了什么——永生在向人类招手

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

物理规律是宇宙中的物质的共同的约定

物理学家喜欢用被加速到极高速度的亚原子粒子去轰击原子核,他们为什么要这么做,这样做有什么用处?

他们这么做是为了研究微观世界的物质组成的规律,从而进一步明白我们所处的宇宙是怎么起源、组织和运行的

用极高能量的亚原子粒子去轰击原子核,原子核就可能被击碎,击碎后立即会形成新的亚原子粒子,看上去似乎新的粒子能凭空产生,这是怎么回事呢?

据统计,2014年中国约有20万起交通事故,然而很多交通事故是没有被统计进去的,有一个N线的小县城,每天的交通事故在数十起。这里我们关注的焦点不是交通事故的数量,交通事故中必然会出现粉碎性骨折的例子,原子核被击碎后立即形成新的亚原子粒子,这种情况有点类似粉碎性骨折后立即生成新的骨头

为什么原子核被击碎后能形成新的亚原子粒子?科学家的解释是能量可以转换成质量,那么我们用更大的力度把人类的骨头击得不能再碎了,这时能自动生成新的骨头吗?因为科学家说能量可以转换成质量。答案是明显的。物理学家说的能量转换成质量的说法其实并没有揭示出事物的本质,只能说是涉及了皮毛

现代科学是局部的科学,是画面的科学,是只知现象不知本质,只有用整体的科学,即波的科学才能深刻理解各种各样的物理现象

物理规律,应该看成是宇宙所有物质的共同的约定,物质通过空间波动互相通信,互相干涉,彼此一体。当人类用极高能量的亚原子粒子炮弹击碎原子核时,宇宙就会按照共同的约定进行自动修复,从而形成新的亚原子粒子

已经实现了永生的原子

你也许会问,当人类用极高能量的亚原子粒子炮弹击碎原子核时,这个原子死了吗?

原子是波的世界中的存在,宇宙中的每个原子都相当于互为复制体,因此,除非宇宙毁灭,你是没有办法彻底毁灭一个原子的

如果你极其聪明,你也许会问我:

如果人类社会的组织进化到原子那样的形式,那么每个人都成了不生不灭,即使其中一个人受伤了,也会自动得到修复,这样可能吗

海云青飞 https://www.tuenhai.com 告诉你,你说的很对,这也是唯一的实现永生的道路,不过人类要达到不生灭,这恐怕有漫长的一段路要走,目前来说还不现实。人类的进化是逐步进化,一步登天,刚生下来的孩子就送去读博士的课程是不太可能的事情

以空间换时间,治愈慢性病

人类总是渴望永生,可惜几百万年来都不知道应该怎么才能实现,现在永生的模板已经有了,我们不奢望现阶段就实现永生,即使这样,我们已经有些事情可以做了

比如一些慢性病是通过很长时间逐渐形成的,并且不是孤立的,它还和其他系统的功能退化或病变相关,对于这种情况,目前全世界都没有好的解决方法,最多只能缓解症状,却不可能根治,即使再过一千年,这种情况也不会有所改变

现在,这些人类解决不了的慢性病有了新的治疗思路,就是加强人与人之间的联系、协作

有很多宗教都强调爱,要有爱心,要爱他人,可惜的是肤浅的说教是廉价的,口头说说不如买个自动播放机整天播放,因此这种高喊口号的做法一般情况下是没有意义的,行动才是根本,如果人与人之间能精密协作,那么人类目前解决不了的慢性病就有了治愈的可能

通过人与人之间的精密协作改善身体健康的方法的原理是以空间换时间

慢性病是漫长的时间过程中逐渐形成的,理论上来说,找到病因,通过反向的操作,再经过漫长的时间是可以自我治疗的,问题是个人通常没有那么多的时间(寿命)去进行反时间的操作。人与人加强协作,就是把自己的生命和更多的人联系起来,把小我换成大我,这时空间性增加了,也就是生命维度增加了,身体的改善就有了可能

理论上说起来简单,在现实中,人与人要实现精密协作是极为困难的,首先,这是个崇拜私有财产的时代,每个人做事的中心是守护和增加自己的私有财产,于是人与人之间的精密协作成了不可能的事情。即使强制剥夺私有财产,变成公有财产,那么谁来掌握公有财产呢,要知道权力使人腐败,财富使人坠落,掌握公器的人就成了新的麻烦

可见,人与人的精密协作并不是高喊什么 无我为人民服务 所能实现的,这是一个复杂的学术问题,需要用学术的方法来解决

56 为什么科学家一直在寻找这么多新的亚原子粒子,它们有什么重要性呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

这个问题的答案主要是一句话:“为了更多的能量。”

物理学家用一种非常粗鲁的办法去研究原子核的内部结构。他们全力以赴地用亚原子粒子去撞击原子核,把原子核粉碎成碎片,然后研究这些碎片

最近三十年来所发生的变化,一直是在提高那些轰击原子核的微小的亚原子“炮弹”的能量。本世纪三十年代,这类炮弹的能量是几百万电子伏;四十年代是几亿电子伏:五十年代是几十亿电子伏;到六十年代,已提高到几百亿电子伏。看来,在七十年代大概会有能量达到几千亿电子伏的炮弹了

轰击原子核的能量越大,击碎后所产生的粒子的数量就越多,并且这些粒子也越不稳定。你可能会想到,随着冲击力量的加强,所出现的粒子会变得越来越小(不是吗,狠狠的一击可以把一块岩石分裂成两大块,而更猛烈地一击却可以把同一块岩石分裂成十多块小碎片呀)。但是,在原子核的场合下,事情却不是这样。击碎后出现的那些粒子都倾向于成为相当重的粒子

我们知道,能量可以转化成质量。在粉碎原子的过程中出现的那些亚原子粒子,并不是原来在原子核中就一直存在、后来才被击出的。它们是在原子核被击碎的瞬间由入射粒子的能量形成的。所以,入射粒子的能量越大,所能产生的粒子的质量就越大,并且这些粒子一般也越不稳定

从某种意义上说,从被击碎的原子核飞出的亚原子粒子,就象火石打击钢铁时飞出的火花一样。钢铁中本来并没有火花,火花是由撞击的能量产生的

但是,如果这样的话,所有这些亚原子粒子还有什么重要性?它们不可能就象火花那样,也只不过是能量的一些偶然的产物吗?

物理学家并不这样想,因为这些粒子所遵循的法则太多了。所形成的粒子都具有一定的特性,这些特性要服从一些相当错综复杂的法则。这就是说,各种不同的粒子都可以用一些被称为“同位旋”、“奇异性”、“宇称”等等的数字来表示,这些数字的本性受到某些严格的限制因素的支配

可见,在这些限制因素的后面必然隐藏着某种东西

美国物理学家盖尔曼已经研究出了一种按照这些数字逐渐增大的次序把各种亚原子粒子排列成表的体系,由于这样做,他就能够预言一些迄今未知的新粒子。具体地说,他曾经预言了负ω粒子的存在,这种粒子应该具有某些看来不太可能的特性,但是,当人们去寻找这种粒子时,它果然被发现了,并且还正好具有盖尔曼所预言的那些特性

盖尔曼还提出,如果目前已知的几百种粒子全都是由很少几种更简单的粒子(他把这些粒子称为“夸克”)构成的,那么,已知的粒子就会很自然地按照他所指出的方式排列成一个表。目前,许多物理学家正在搜索这种夸克。如果夸克真的被发现了,那么,它们可能为我们提供一幅有关物质的根本性质的崭新图景,那对我们很可能是极其有用的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

物理学的夸克是谁提出的

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1⁄3倍或+2⁄3倍,随味而定

上、粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+2⁄3,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为−1⁄3

反夸克与其所对应的夸克电荷相反;上型反夸克的电荷为−2⁄3,而下型反夸克的电荷则为+1⁄3。

组成原子核的强子即中子和质子,其电荷分别为0及+1;中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成

57 夸克是什么东西?夸克是谁发现的

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

夸克这个概念,是由于最近25年来发现了7百多种不同的亚原子粒子才产生出来的。确实,其中只有很少几种粒子能够维持到十亿分之一秒才发生衰变,但是,仅仅存在着这些粒子的事实本身,就够物理学家伤脑筋了

为什么会有这么许多粒子,而且每一种粒子都与别种粒子不相同呢?

事情会不会是这样:这些不同的粒子可能组成几个大家族,并且每个家族内的许多粒子可能按照非常有规律的方式彼此有些差异?要是这样的话,就只需要考虑到少数几个粒子家族的存在,而无需把每一种粒子一一分别考虑了。这时,在看来似乎杂乱无章的亚原子丛林里,就会建之起某种秩序来了

1961年,美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家尼门分别研究出一种把粒子归入这样一些家族的办法。盖尔曼甚至还提出,有一个粒子族应该包括一种他称之为负ω粒子的东西——这是一种具有非常奇特的、极不寻常的性质的粒子,但人们从来没有碰到过它。不过,物理学家只要知道它按照假设应该会有什么样的性质,他们就知道该怎样去寻找它了。结果,他们在1964年发现了这种粒子,并且发现它的性质正好与盖尔曼对它的描绘一模一样

盖尔曼在研究他那些粒子家族时想到,说不定所有各种不同的亚原子粒子会是由很少几种更为简单的粒子结合而成的。如果真是这样,那可就会把我们对宇宙的看法大大简化。在他看来,只要假定存在着三种不同的、具有特定性质的亚原子粒子,就可以按不同的方式把它们组合起来,得出已知的所有各种亚原子粒子

由于要用三个这种假设的粒子结合起来,才能构成一个已知的粒子,盖尔曼就想起了作家乔伊斯的《芬尼根斯·韦克》中的一句话(作者为耍弄文学技巧,故意在这本书中玩文字游戏):“三个夸克才顶得上一个马克。”因此,盖尔曼就把这些假设中的粒子命名为“夸克”

夸克的二个令人惊奇之处,就是它们应该带有非整数电荷。所有已知的电荷不外以下几种情况:或者等于电子的电荷(-1),或者等于质子的电荷(十1),再不然,就是正好等于这两种电荷的若干倍。但是,p夸克的电荷只有+2/3,n夸克和λ夸克的电荷只有-1/3。这样,一个质子将由一个n夸克和两个p夸克构成,一个中子则由两个n夸克和一个p夸克构成,余者依此类推

但是,夸克是真的存在呢,还是仅仅是一种数学上的臆想?

为了让你明白我的意思,请你考虑一张五角的钞票。一张五角的钞票可以看作等于10个五分的硬币。但是,这仅仅是一道算式呢,还是你真的有可能把这张五角的钞票撕成十份,并且发现每一份都是一个实实在在的五分硬币?

自从盖尔曼第一次提出存在夸克粒子以来,物理学家就一直千方百计想找到夸克存在的迹象,但却没有成功。1969年,澳大利亚有人报道说,已经在宇宙射线碰撞所产生的粒子簇射中,找到了带非整数电荷的粒子的径迹。不过,它的证据看起来非常玄,所以,大多数物理学家对这个报道都持怀疑态度

碧声注:2000年2月,欧洲核子中心(CERN)的科学家宣布,他们成功地在实验室中模拟微型的“宇宙大爆炸”,从中获得证据表明,存在一种新的物质形态 ——“夸克胶子浆”

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

夸克的质量大小,夸克、质子质量

58 人们老是说质子是由三个夸克结合成的,又说一个夸克的质量等于一个质子的三十倍。这两种说法怎能同时成立呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

这两种说法都可以成立。至少,这两种说法并不一定是自相矛盾的。要解开这个表面上的矛盾,关键问题是得注意到质量是能量的一种表现形式这个事实

我们可以认为,每一个物体相对于某个合适的参考系都具有某一动能。这个动能等于物体的质量乘以物体速度的平方的二分之一。当物体的能量增大时,它的质量和速度两者都增大了(在低能量时主要是速度增大,在能量非常高时主要是质量增大)

其次,我们来考虑一些比较小的物体。这些物体结合得越紧,(一般说来)把它们维持在一起的力就越大,象太阳和地球这类确实很大的物体,是靠万有引力场维持在一起的。万有引力是目前已知的各种力当中最弱的一种

原子和分子是靠强得多的电磁场维持在一起的。由于这种场的作用,分子和分子通常十分牢固地结合在一起,分子中各个原子的结合还要更牢固,而原子中电子和原子核的结合就更牢固得多了

原子核中的各个粒子是靠核力场维持在一起的。核力场比电磁场强一百多倍,事实上,核力是已经知道的最强的力。这就是原子弹爆炸为什么比普通炸药爆炸猛烈那么多的原因之一

假如处在原子核中的质子(和中子)本身是由一些还要更基本的粒子(夸克)所组成,那么,把各个夸克维持在一起的结合力很可能要比把质子和中子维持在一起的力强得多,这大概就会牵涉到一种比现在已知的各种场强得多的新力场

要把单个质子或单个中子分裂成构成它的几个夸克,必须对质子或中子“灌进”极巨大的能量——这个能量要比在把构成原子核的质子、中子团块成功地切开时所需要的能量大得多

当质子或中子分裂时,那些在这时出现的夸克就会“拣起”原先输入的能量,这个能量有些会表现成巨大的速度,有些则表现为巨大的质量。换句话说,由于输入了非常巨大的能量,本来在质子中只占质子质量三分之一的一个夸克,一旦被分离开来,它的质量就会变得比质子大许多倍

夸克一旦被分离开来,由于它们之间相互吸引的力场具有空前未有的强度,它们就极其倾向于重新结合起来。这种重新结合会释放出极其巨大的能量,而这种能量损失就会引起质量的损失。这时,夸克在质量上就会大大缩减,以致当三个夸克结合起来时,质量也不会比一个质子大

到目前为止,物理学家还完全没有具备把亚原子粒子分裂成夸克所必需的这种能量,所以,他们就不容易检验夸克的假说是不是真正有价值。不过,有些宇宙射线粒子具有这样的能量。因此,它们在同原子碰撞时所产生的粒子簇射,现在正受到物理学家的密切注意,他们希望在这里找到夸克呢!

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

能量和物质可以转换吗?例子说明——人类不可能创造物质

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

人类不可能创造出物质

很多人知道能量与物质可以相互转换,人类可以用原子裂变或聚变释放出巨大的能量,但是严格说来这个能量释放的主要功劳并不能记在人类头上

打个比方,你知道有个地方有个坚固的房子,房子里堆满了钱,你也不知道这个房子是谁的,你打破了房子的门,然后许多钱从房子里溢出来了,那么这些钱的溢出主要是你的功劳吗,如果没有房子,房子里没有钱,你又能做什么事呢,你什么事情也做不了。在这个过程中,你做的只是最简单的事情而已,别人完成了 99% 以上的事情,你完成的事情连 1% 都远远不到

那么反向操作,人类可以利用能量创造物质吗?海云青飞 https://www.tuenhai.com 告诉你,永远没有可能。人类创造不了任何物质,人类不可能创造原子,不可能创造质子,不可能创造中子,人类不可能创造夸克……

为什么说人类永远创造不了任何原子或亚原子物质?因为这些粒子的结构异常的复杂,人类只是知道了它的一些现象,至于内部是如何运动的,最低层是什么原料组成的,人类对此的了解很少

你也许会问,大型的粒子对撞机有时会凭空产生物质,这是不是说明人类创造了物质呢?

我遗憾的告诉你,粒子对撞的动作确实是人类推动的,但是创造物质的工作却是波世界完成的,波世界掌握了物质的一切秘密,人类掌握的物质的秘密不到波世界掌握的亿分之一

59 在原子弹爆炸时,有些物质转化成能量。有没有可能反其道而行之,把能量转化成物质呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

能量是肯定有可能转变成物质的,不过,要想大量做到这一点,在实践上却办不到。现在我们就来看看这是为什么

按照爱因斯坦的狭义相对论,E=mc^2(碧声注:c的2次方)。这里E代表能量,以尔格为单位;m代表质量,以克为单位;c代表光的速度,以每秒厘米为单位

光在真空中行进的速度非常接近于每秒300亿(3×10^10)厘米。c^2这个量代表c×c的乘积,即等于3×10^10×3×10^10=9×10^20。这就是说,c^2等于

900,000,000,000,000,000,000

因此,从理论上说1克的质量(m=1)可以转化成9×10^20尔格的能量

尔格是个非常小的能量单位。我们比较熟悉的单位是千卡(大卡):1千卡大致等于420亿尔格。1克质量在转化成能量时大约产生2.2×10^11(即2200亿)千卡。你每天只要从你吃下的食物得到2,500千卡的能量,就可以生活得很舒服了。要是你有1克物质所代表的能量可以利用,你就有了一个够你维持240,000年的能源,这不管是用什么人的标准来衡量,都是一个巨大的数目

换一种表示方法吧!如果1克物质所代表的能量能够完全变成电能,那么,它可以供一盏100瓦的电灯泡连续点燃大约280,000年

再换一种说法,那就是,1克物质所蕴含的能量相当于燃烧7千万加仑汽油所得到的能量

因此,既然原子弹里有数量相当可观的物质变成能量,那么,原子弹爆炸时会造成那么巨大的破坏作用,也就不足为奇了

这种转化可以朝两个方向进行。如果说物质能够转化成能量的话,能量也可以转化成物质。这是任何时候都可以在实验室里参观的:一种能量非常高的粒子——γ射线光子——能够不太费劲地转化成一个电子和一个正电子。这时,物质转化成能量的过程就颠倒过来了:现在是能量通过这种方式转化成物质

但是,这时形成的物质只包含两种非常轻的粒子,它们的质量小到几乎等于零。用这样的原理能够产生更多的物质——多到甚至看得见的物质吗?

可是,这一来你可就用得上算术了:既然1克物质可以转化成燃烧7千万加仑汽油所产生的能量,那么,燃烧7千万加仑汽油所产生的全部能量,也仅仅能够产生1克物质

即使有人想作一次表演,不惜倾家荡产去积集只能够产生1克物质的全部能量(并且这能量可能要比所需要的能量多好几倍,因为总会有一些必不可少的消耗),也还是无法做到这一点。事情很简单:所需要的能量既不可能足够快地全部产生出物质来,也不可能全部集中在一个一下子能产生出1克物质的充分小的体积里

可见,这种转化在理论上虽然有可能实现,但在实践中却完全做不到。不错,根据科学家们的推断,宇宙中的物质过去一度是由能量形成的,但是,形成这些物质的任何一组条件肯定是我们现在在实验室里无法再现的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

能量是由什么构成的?光子——物质进化6层次

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190708

阿西莫夫说:

能量本身是由“光子”构成的

每一个光子也都是一个反光子。换句话说,光子就是它自身的对立面

粒子世界所产生的能量是由光子组成的,反粒子世界产生的能量也是由光子组成的,两者之间毫无差别。能量就是能量,并不存在什么反能量之类的东西(就我们目前所知道的而论)

我们已经知道光速是宇宙中已经知道的物质中行进速度最大的,并且光并不是单向运动,而是向四面八文扩散的,这就提示我们,如果不论物质的质量的大小,光子是宇宙所有物质中进化最高阶的物质,宇宙中比光子质量大的物质都是在光子基础上形成的

我把宇宙中物质的进化大致排列成以下层次:

  1. 光子
  2. 电子
  3. 核子,包括中子和质子
  4. 原子
  5. 简单分子
  6. 复杂分子,升物(生物)

在以上的物质进化序列中,光子在最低层,真空中运动速度最大,在本层中达到了最高的进化程度。光子以上各层,随着质量的增大,运动速度也在减慢,同时本层的进化程度也在降低

在这里海云青飞 https://www.tuenhai.com 创造了一个新的概念 本层进化程度,这是以物质在真空中的运动速度来衡量的,物质在真空中的运动速度越大,则在本层的进化程度越高。为什么要强调本层?如果不把物质按质量分成不同的层次,那么就速度来讲光子总是居于最高进化程度

和本层进化程度相比较,还有 综合进化程度,综合进化程度光子处于最低层,升物(生物)处于最高层

人类的进化程度怎么定位

  • 综合进化程度,人类处于顶层
  • 本层同类比较,人类处于顶层
  • 本层进化程度,人类的运动速度还很低,处在十分原始的进化程度

通过以上三个方面的分析,就可以清楚地说明人类在宇宙中的地位。总的来说,人类具有两面性,既是十分高贵,又是十分原始,高贵说的是综合进化程度,原始说的是本层进化程度

值得提醒的是,我并没有把生物和非生物分开处理,我多次说过 生物 的概念是多余的,可用 升物 来代替 生物。如果一定要用 生物 这个概念,那么 6个层次的物质都是生物,所以,还不如只用 物质,不用 生物

60 反粒子会产生反能量吗?能量是由什么组成的

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

二十世纪初,物理学家开始明白,一切物质都是由某几种不同的粒子组成的。1930年,英国物理学家狄拉克在研究这些粒子的数学理论时断言说,每一种粒子都应该会有它的对立面

举个例子说吧!电子具有负电荷,而质子具有大小正好相同的正电荷,但这两种粒子并不是对立面。质子的质量显然比电子大得多

按照狄拉克的意见,应该存在着一种具有与电子同样大的质量、但却带有一个正电荷的粒子,也应该有一种具有与质子同样大的质量、但却带一个负电荷的粒子。这两种粒子后来确实被人们探测到了,因此,我们现在知道有一种“反电子”(即“正电子”)和一种“反质子”

中子根本不带任何电荷,但它有一个指向某个方向的磁场。“反中子”也不带电荷,但它的磁场所指的方向同中子的磁场相反

似乎存在着这样一条自然规律:一个粒子可以转变为另一个粒子,但是,要是在起先并不存在粒子的情况下产生了一个粒子,就必定会同时产生一个反粒子

这里可以举一个例子,一个中子可以转变成一个质子,由于这是一个粒子转变成另一个粒子,似乎是不成问题的。不过,在这个转化过程中还形成了一个电子。这就等于说有一个粒子变成了两个粒子。为了抵消掉这第二个粒子,这时还形成了一个非常微小的反粒子,即所谓“反中微子”

这时,一个粒子(即中子)变成了另一个粒子(即质子)加上一个粒子-反粒子对(即电子和反中微子)

粒子-反粒子对既可以从能量产生出来,也可以重新全部变为能量。你无法用能量仅仅产生一个粒子,也无法仅仅产生一个反粒子,但是,你可以用能量产生一个粒子-反粒子对

能量本身是由“光子”构成的,这就产生了一个问题:光子是个粒子呢,还是个反粒子?似乎没有任何办法把一个光子转变成一个电子,所以,它不可能是粒子。但是,同样也没有任何办法把它转变成一个反电子,所以,它也不可能是反粒子

不过,一个能量充分高的γ射线光子可以转变成一个电子-反电子对。这么一来,光子本身似乎既不是粒子,也不是反粒子,而是一下子就代表一个粒子-反粒子对

每一个光子也都是一个反光子。换句话说,光子就是它自身的对立面

你可以这样来看待这个问题:假定你把一张纸从当中对折,并把它一分为二。在其中的半张纸上写下所有粒子的名称,而在另外半张纸上写下所有反粒子的名称。那么,你该把光子写在什么地方呢?当然是该写在折缝里了

正是由于这个原因,粒子世界所产生的能量是由光子组成的,反粒子世界产生的能量也是由光子组成的,两者之间毫无差别。能量就是能量,并不存在什么反能量之类的东西(就我们目前所知道的而论)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇宙射线来自哪里,中微子无法捕获

61 宇宙射线与中微子的性质有什么不同?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

宇宙射线是由速度不断增大、带有正电荷和质量颇大的亚原子粒子组成的,在这些粒子当中有百分之九十左右是质子(氢原子核),百分之九是α粒子(氦原子核)。剩下的百分之一是更复杂的原子核。已经探测到其中有象铁那样复杂的原子核(铁原子核的质量等于单个质子质量的56倍)

由于宇宙射线粒子的质量这样大,并且又以极其巨大的速度运动(很接近光速),它们就带有极大的能量。事实上,它们是我们所知道的、能量最大的粒子,有些宇宙射线粒子的能量比用最最大的加速器所能产生的粒子还要高几十亿倍

宇宙射线粒子在迅猛地撞入地球的大气中时,把它们所碰到的任何原子都击得粉碎,从而产生大量的“次级辐射”,这是由包括介子和正电子在内的各种各样粒子组成的。最后,这种辐射猛烈地撞到地球本身,其中有一部分能穿入地下好多米才被吸收掉;这样的粒子会使它们所碰到的任何原子(包括人体中的各种原子)发生变化。可以想到,这样带来的变化会引起白血球增多症这类疾病。它们还有可能诱发突变。不过,就任何一个特定的个体来说,发生这种情形的机会都是很小的,因为所有碰巧能击中某个特定的人的宇宙射线粒子,几乎全都会从他身上穿过去,而不对他造成重大的损害

宇宙射线粒子的确切来源和它们获得巨大能量的办法,都是现在争论不休的问题

中微子是在产生电子、正电子或μ子的任何一种核反应中,随着其中的一种粒子一起产生的。例如,在太阳上进行的那种核反应产生了大量的正电子,因而也产生了大量的中微子

中微子是以光速运动的,所以它们甚至比宇宙射线粒子跑得更快,不过,它们的能量却低得多,因为中微子完全没有质量和电荷。中微子不会被物质所吸收,除非它们正好击中了某个原子核,但这种情况是极其罕有的,所以,平均地说,中微子能够穿过几万亿公里的固体铅块,然后才被吸收掉

这样,太阳在每秒内产生的无数万亿个中微子就要朝四面八方射出。那些碰巧朝地球射来的中微子将击中我们,然后就象根本不存在地球一样,若无其事地穿过它径直继续向前飞去,它们同样也穿过我们所有的人。我们在一生中,日日夜夜都不断受到中微子的轰击,但是,由于它们在穿过我们的身体时不会受到吸收,所以它们也不会对我们产生任何影响

当然,也可能有某个特定的中微子正好在我们附近极其幸运地直接击中了某个原子核。那么,我们就可以探测到中微子。本世纪五十年代,物理学家学会了怎样利用这种非常罕见的事例。现在中微子可以为我们提供恒星内部(也就是产生中微子的地方)的情报,那是我们用任何别的方法所无法得到的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

宇航员会受到宇宙射线的辐射吗——中药注射剂的危害

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190709

宇宙射线由非常高速的带正电原子核组成的,其中大约有百分之九十的氢原子核,百分之九氦原子核

什么是原辐射?这些撞击地球外层大气的高速原子核就是所谓“原辐射*

什么是次辐射?原辐射同空气分子相碰撞,并把分子击碎,从而产生各种各样能量同原辐射差不多一样高的粒子,这些新粒子就构成了“次级辐射”

高层大气吸收了大部分的原辐射

次级辐射可以在大气中跑得远一些才被部分吸收,并且有一部分能到达地面,并穿入地壳好几米深,有一小部分辐射会从人体穿过并且对细胞造成偶然性的损害

大气层就象是地球的保护衣,使地表的升物(生物)免受一些伤害。人体也有保护衣,就是皮肤,皮肤把内部细胞和外界隔开,避免内部细胞受到伤害

人体内部也有保护层,比如食物的营养都经过胃和肠的过滤再进入血液循环系统并输送到全身。可惜的是,在中国,有不学无术的人提出的所谓的中药注射剂,跳过了胃肠的过滤系统,直接把一些不明的化学成分注射进血管,对国人的健康带来了很大的危害。可能有极少的中药注射剂厂商自我要求比较严格,注射剂里只有经过严格筛选的化学成分,这样危险性自然会小一些。但是监管层不作为,对此把关不严,中药注射剂引发严重不良反应甚至致死的事件很多,为了人民的健康计,绝对禁止中药注射剂是利国利民的大好事

62 宇宙射线对于在空间旅行的人有多大的危险性?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

早在1911年,奥地利物理学家赫斯就发现地球一直在受到来自外层空间的、穿透能力非常强的辐射的轰击。这种辐射在1925年被美国物理学家米利肯命名为“宇宙射线”,因为它们是在宇宙中产生的

经过这些年来,人们已经发现,宇宙射线是由一些非常高速的带正电原子核组成的。其中大约有百分之九十是质子(氢的原子核),百分之九α粒子(氦的原子核),剩下的百分之一是一些质量更大、结构更复杂的原子核,有些大的如铁的原子核,质量为质子的56倍

这些撞击地球外层大气的高速原子核是所谓“原辐射”。它们同空气分子相碰撞,并把分子击碎,从而产生各种各样能量同原辐射差不多一样高的粒子。空气分子爆炸而形成的这些新粒子就构成了“次级辐射”

次级辐射有一部分能到达地面,并穿入地壳好几米深。有一小部分辐射会从人体穿过,这样的辐射会对细胞造成偶然性的损害,而这可能成为使基因产生突变的因素之一。如果这样的辐射足够多,就会使大量的细胞受到损伤以致使人死亡,但是,幸亏在我们这里,即在大气层的下部,这样的辐射并不太多。生物经过宇宙射线几十亿年的轰击,终于还是幸存下来了

宇宙射线的起源是个有争论的问题,不过,它们至少有一部分是由普通的恒星产生的。1942年有人发现,当太阳表面爆发出“太阳耀斑”(这是一种巨大的爆炸)时,它也会产生一些能量不算太高的宇宙射线

我们的高层大气把一般宇宙射线粒子的能量吸收掉一大部分,而次级辐射可以在大气中跑得远一些,才受到部分吸收。原来的辐射能只有很少一部分能够不被吸收而到达我们所居住的地面

但是,在大气层以外的空间中,宇航员可就得面临着原辐射的十分猛烈的轰击了。这时,屏蔽也起不了太大的作用。撞击在任何屏蔽物原子上的宇宙射线粒子都会产生次级辐射,它们会朝飞船内部象弹片那样向四面八方飞散。如果屏蔽用得不合适,那实际上可能造成更坏的后果

这种危险的大小完全取决于外层空间中宇宙射线的活性有多大——特别是取决于那些质量确实很大的粒子的数量,因为大多数损害都是这类粒子造成的。过去美国和苏联已把许多人造卫星发射到外层空间去检测宇宙射线的数量,看来在通常的条件下,宇宙射线的数量不大,足以保证合理的安全要求

最可能出危险的机会可能是由太阳所产生的那些中等强度的宇宙射线引起的。我们的大气能够把这些辐射差不多全部挡住,但在外层空间中却没有任何大气来为宇航员挡住这些辐射。这种辐射尽管能量不太高,但数量却很多,这就可能使它们变得很危险。太阳的宇宙射线只有在出现太阳耀斑时才大量产生。因此,宇航员有幸运的一面:这种耀斑并不太经常出现;但也有不幸的一面:我们还无法预测要出现耀斑的精确时间

因此,当宇航员登上月球时,我们当然一定会希望在一两个星期的时间内,不要出现那种向他们那里喷出宇宙射线粒子的大耀斑

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

中微子是什么物质,质量是多少——物理学质量定义的偏向性

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190709

光是物质吗

质量是物理学中一个难缠的概念,从字面看,质量是表示物质多少的度量,那么光有质量吗?物理学认为光静止质量是0,所以光是没有质量的

再进一步问,光是物质吗?如果说光是物质,那么它怎么就没有质量呢,如果说光不是物质,光明显也是一种存在,而不是虚无,怎么可以说不是物质呢

物理学家通常认为光是能量而不是物质,但是没有物质怎么就有了能量呢

物理学质量的定义

还是先来看看物理学对质量的定义吧

在物理上,质量通常指物质在以下的三个实验上证明等价的属性之一:

  • 惯性质量

    一个物体的惯性质量决定它受力时的加速度(即后者会因前者的改变而改变)

  • 主动引力质量和被动引力质量

有偏向性的物理学质量定义

你看出来物理学的质量定义中存在的问题了吗,无论惯性质量还是引力质量,都是偏向性质量,比如说,地面上的物质的惯性质量和引力质量都是指向地心方向的,这就是有偏向性的质量定义

你也许会问海云青飞,难道还有无偏向性的质量?

当然

我给你看一个箭头,你就知道它的方向指向哪里,这就是物理学的质量定义的情况

如果我给看你一个圆,你说圆指向哪里,你就说不出来了,圆没有偏向性,它指向了任何一个方向

物理学家说箭头有(偏向)质量,是物质,圆没有(偏向)质量,不是物质。可是,我们依直觉也知道,箭头相当于圆的一条半径,怎么可以说圆不是物质呢

如果人类进化到无偏向性,那么人类也就没有物理学定义的质量了,那么你成了什么?

物理学的质量定义并不完备,我们也许应该弃用质量、能量这些定义,而是用空间运动的维度来取代它们

中微子有质量

再来说说中微子,中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量极小,以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,太阳内部核反应产生大量中微子,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计

中微子是个什么鬼

如果忽略物质的综合进化层次,光没有偏向性,是当前宇宙进化最高的物质,中微子的运动速度比光小一点,说明中微子在进化上比光落后一点,如果说光是正圆形,那么中微子是稍有缺陷的圆形。中微子再进化就成了光,或者说光退化后可转变成中微子

物理学就是社会学

如果你悟道了,那么你就会发现物理世界和升物(生物)世界是类似的,一定程度上升物世界重演了物理世界

和光的无偏向性比较,人类是有严重偏向性的物质,这一方面表现在人类的引力质量指向地心,也表现在目前人类私有财产观念的兴盛

私有财产,就是指向自己的物质,这就是偏向性。一般来说,人拥有的私有财产越多,偏向性就越强,进化程度就越低。人类进化的方向就是以共有代替私有,到了那个时候财产就没有指向具体哪个人了,人会得到大自由,大解脱。共产主义的核心就是以共有财产代替私有财产,大方向没有问题,不过在实践上不断失败,一个原因是掌握公器的人还是普通人,公器成了某些人的私器,理想是美好的,现实是残酷的,理想国最终成只是成了另一种形式的私有财产制

63 中微子是物质还是能量?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

十九世纪的科学家曾经认为,物质和能量是两种截然不同的东西。一切占据某一空间并具有质量的东西都是物质。由于物质具有质量,它也就具有惯性,并且会对万有引力场作出反应。至于能量则既不占地方,也没有质量,但它能够做功。后来人们又进一步感觉到,物质是由粒子(原子)所组成,而能量却往往是由波组成的

不仅如此,十九世纪的科学家还认为,物质是既不能创造,也不能消灭的,同样,能量也是既不能创造,也不能消灭的。宇宙中物质的总量是不变的,能量的总量也是这样。因此,当时不但有一条物质守恒律,而且还有一条能量守恒律

后来,爱因斯坦在1905年指出,物质是能量的一种非常集中的形态。质量可以转化成能量,能量也可以转化成质量。我们只需要考虑能量守恒律就够了,因为它已把物质包含在内

事情还不止是这样。到本世纪二十年代,人们开始清楚地知道,不应该把粒子和波当作两种不同的东西而把它们相提并论。我们本来认为是粒子的东西,在某些方面表现得象波一样。而我们本来认为是波的东西,在某些方面却有粒子的行为。这样,我们可以说有“电子波”,也可以说有“光粒子”——即“光子”

但是,这里仍然有一个差别。物质粒子相对于某个观察者可以是静止不动的。即使在静止的时候,它们也具有质量:它们具有大于零的“静质量”

但是,象光子这样的粒子,它们的静质量却等于零。如果它们真的能相对于你静止不动,那么,你根本测量不到任何质量。不过,这纯粹是理论上的说法,因为静质量为零的粒子不管是相对于你还是相对于任何别的观察者来说,都永远不可能是静止不动的。这样的粒子在真空中必定永远以每秒约300,000公里的速度运动。它们一旦产生出来,就马上以这个速度急急忙忙地奔驰着

正是因为光子(在真空中)永远以每秒约300,000公里的速度运动,而光又是由光子构成的,所以我们就把这个速度叫做“光速”

得了,那又关中微子什么事呢?

中微子是在某些原子核反应中产生的,到目前为止,还没有一个原子物理学家能够测出它的质量。看来非常可能,中微子就象光子一样,静质量也等于零

如果事情真的是这样,中微子在真空中就永远以每秒约300,000公里的速度运动,并且在它们刚刚产生时就具有这个速度

但是,中微子并不是光子,因为这两者具有截然不同的性质。光子非常容易同物质粒子相互作用,因此,当它们通过物质时,速度就会减慢并被吸收掉(有时这发生得很快)

然而,中微子却根本不怎么同物质粒子相互作用,因此,它们可以通过整整一光年厚的固体铅块,而却不会受到多大的影响

这样,似乎显而易见,既然中微子的静质量等于零,它们就不是物质。从另一方面说,它们需要用能量才能产生,而且它们还带着能量离开它产生的地方,所以,它们是能量的一种形态

可是,它们在通过任何已知物质时几乎完全不起任何相互作用,所以,它们实质上完全没有做功。这就使它们不同于任何一种别的能量形态。看来,也许我们最好是别去追究它们是物质还是能量,而干脆就把它们叫做中微子吧!

(碧声注:2000年7月,日本文部省高能加速器研究机构发表实验结果称,由日本、美国和韩国科学家组成的实验小组在迄今的实验中,确认“中微子有质量”的概率已经达到95%。不过要最后作出“中微子有质量”的科学结论,需要99%以上的概率。CERN等一些其它研究机构也在筹划测中微子质量的试验。)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

气泡室是借助于小气泡,物理气泡室原理

64 气泡室是怎样工作的?气泡室粒子运动轨迹

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

气泡室是探测亚原子粒子的一种装置,它是美国物理学家格拉泽在1952年发明的,结果,格拉泽获得了1960年的诺贝尔物理学奖

气泡室实质上是一个液体容器,其中液体的温度高于这种液体的沸点。这时,液体处于高压状态,所以它实际上并不沸腾。但是,如果压力降低,液体就会沸腾,并在液体中出现蒸汽的气泡

假定有一个象质子或介子这样的亚原子粒子冲进这样一个气泡室的液体中,它就会同液体中的原子和分子发生碰撞,并把自己的一部分能量转移给它们。因此,在这个液体中,亚原子粒子经过的路线上的原子和分子就会比其他原子和分子稍稍热一些。这样,如果降低液体所受到的压力,蒸汽的气泡就会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成。因此,就会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从哪里经过的,这种径迹很容易拍成照片

这种可见的径迹可以告诉物理学家许多情况,要是气泡室放在强磁体的两个磁极之间,就更是如此。那些能够留下气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电。如果它们带的是正电,那么,在磁体的影响下,它们的路径就会朝一个方向弯曲;如果它们带负电,它们的路径就朝相反的方向弯曲。物理学家从它们路径弯曲得厉害不厉害,就能确定它们的运动速率。从这一点,以及根据径迹的粗细等等,又能确定出那个粒子的质量

当一个粒子衰变成两个以上的粒子时,它的径迹就会分叉。在粒子发生碰撞的情况下,径迹也会分叉。在一张特定的气泡室照片中,会出现大量径迹。有粒子相遇的,有粒子分开的,还有些是分叉的。有时在一个径迹图形的几个部分之间还有些空白,这些空白就必定要用某种不带电的粒子来解释,因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径迹

各种径迹的这种复杂的组合对于原子核物理学家来说,就象雪地上各种动物留下的足迹对于有经验的猎人那样富有意义。从这些径迹的性质,物理学家就可以辨认出所碰到的是些什么粒子,或者指出他是否发现了某种全新的粒子

格拉泽最初的气泡室的直径只有几厘米,但是,现在正在建造的气泡室却已成了庞然大物,直径达到几米,能够容纳以立方米计的液体

气泡室所用的液体可以是各种各样的。有些气泡室里装的是液化的惰性气体,例如氙或氦。有些装的则是液化的有机天然气

不过,对气泡室来说,最有用的液体却是液态氢。氢是已知的最简单的原子。每一个氢原子含有一个原子核(它只由一个质子构成),还有一个孤零零的电子绕着原子核旋转。因此,液态氢是只由一些孤立的质子和电子构成的。而所有其他液体的原子核,却都是由几个质子和几个中子堆集成的团块

这样一来,在液态氢中发生的亚原子事件就特别简单,它们全都很容易从气泡所组成的径迹辨认出来

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

增殖反应堆原理,增殖反应堆能使用乏燃料

65 增殖反应堆是什么东西?增殖反应堆为什么能使燃料增殖

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

铀235是实用的核燃料。这就是说,慢中子会使铀235原子发生裂变(一分为二),并且产生更多的慢中子,而这些慢中子又会进一步引起其他铀原子裂变,使裂变过程持续下去。由于同样的原因,铀233和钚239也是实用的核燃料

遗憾的是,天然存在的铀233和钚239的数量真是微乎其微,而铀235的数量虽然比较可观,但也相当稀少。在任何一块天然铀的标本中,每一千个铀原子当中只有七个是铀235,其余的都是铀238

铀238是最常见的一种铀,但它却不是实用的核燃料。铀238也能在中子作用下发生裂变,但只有快中子才能做到这一点。那些分裂成两半的铀238会产生一些慢中子,而慢中子不足以引起进一步的裂变。铀238可以比作潮湿的木头:你可以把它烧着,但它最后还是要熄灭的

但是,假定把铀235同铀238分离开来(这是一个相当艰巨的任务),并且用铀235来建造一个原子核反应堆,这时,构成反应堆燃料的那些铀235原子就会发生裂变,并向四面八方发射出无数慢中子。如果这个反应堆包着一个用普通铀(其中绝大部分是铀238)制成的外壳,那么,射入这个外壳的中子就会被铀238所吸收。这些中子不可能迫使铀238发生裂变,但却会使铀238发生另外的变化,最后就会产生钚239。如果把这些钚239从铀里面分离出来(这是个相当容易完成的任务),它们就可以用作实用的核燃料了

能够用这种方式产生新燃料去代替用掉的燃料的反应堆就是增殖反应堆。一座设计得当的增殖反应堆所生产的钚239,在数量上要多于消耗掉的铀235。利用这种办法,就可以使地球上的全部铀——而不仅仅是稀有的铀235——都变成潜在的燃料来源

天然存在的钍完全是由钍232组成的。钍232就象铀238一样,也不是实用的核燃料,因为要有快中子才能使它发生裂变

不过,如果把钍232放进包着核反应堆的外壳里,钍232原子就会吸收慢中子,并且尽管它不发生裂变,最后却会变成铀233原子。由于铀233是一种很容易同钍分离开来的实用燃料,这样做的结果便又实现了另一种增殖反应堆,它会把地球上现有的钍资源变成潜在的核燃料

地球上的铀和钍的总量大约比铀235一项的蕴藏量多800倍。这就是说,如果适当地利用增殖反应堆,就可以通过原子核裂变发电厂把地球上的潜在能源增加800倍

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

可控核聚变的瓶颈在哪,为什么那么难?

66 我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多长的时间,才能使聚变反应持续进行下去?核聚变反应堆原理

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当氢被加热到越来越高的温度时,它就会以越来越快的速率通过辐射丧失它的能量。另一方面,随着温度的继续上升,氢原子会失去它们的电子,只剩下裸露的原子核撞击在一起并发生聚变。当发生这样的聚变时,就会产生能量。这时,由于温度继续升高,便会通过聚变产生越来越多的能量

随着温度的上升,聚变所产生的能量的数量增加的速率,将大于通过辐射损失能量的速率。在某一个临界温度下,聚变所产生的能量正好同通过辐射损失掉的能量一样多。在这种条件下,温度将保持不变,因而聚变反应就会变成自持的。只要有更多的氢不断供给这样一个系统,能量就会源源不绝地产生出来

发生聚变所要求的温度随着氢的“品种”的不同而改变。最常见的是氢(H),它的原子核是由一个质子构成的。然而还有重氢,即氘(D),它的原子核由一个质子和一个中子构成,还有一种放射性氢,氚(T),它的原子核由一个质子和两个中子构成

在一定的温度下,氘的聚变所产生的能量比氢的聚变多,而氚的聚变所产生的能量还要更多

当只有氢发生聚变时,在一定温度下产生的能量太少了,因此,要在实验室中让这种反应持续进行下去,就要求温度超过摄氏十亿度。不错,在太阳的中心是氢在发生聚变,而那里的温度只有15,000,000℃,但是,在这样低的温度下,只有很小一部分氢参加聚变。但由于太阳上氢的数量极大,所以,尽管发生聚变的氢只占很小一部分,也已足以使太阳维持现有的辐射了

当只由氚发生聚变时,为引燃这种反应所需要的温度是最低的,那只需要达到几百万度。遗憾的是,氚是不稳定的,它在自然界中根本就不存在。在需要用到它时,必须在实验室里把它制造出来,因此,仅仅用氚是不可能使聚变反应以地球上所需要的数量持续进行下去的

氘发生聚变的引燃温度是400,000,000℃。氘是稳定的,但数量很少。在6,700个氢原子当中,只有一个原子是氘。不过,这就已经不算太少了。一升普通水中的氘发生聚变时,已足以产生出燃烧300升汽油所产生的能量了

达到必要温度的一个办法,是添进适当数量的氚,使它作为诱因去起作用。氘同氚的聚变只要在45,000,000℃就可以引燃了。如果这种反应稍稍进行一会儿,其余的混合物就会被加热到足够高的温度,因而可以引燃氘本身的聚变反应

这个温度所需保持的时间长度取决于氢的密度。每立方厘米中的原子越多,碰撞的次数也越多,引燃就发生得越快。如果每立方厘米有10^15个原子(约为普通大气每立方厘米所含分子数的万分之一),那么,就必须把这个温度保持2秒钟

当然,密度和温度越高,就越难使氘聚集在一起,尽管引燃聚变反应所需要的时间非常短暂。正因为这样,这些年来聚变系统一直在取得缓慢的改进,但却仍然没有达到引燃的条件

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

电子显微镜原理简单介绍

67 电子显微镜是怎样工作的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

要回答这个问题,我们先得问一问:我们是怎样判断某个物体有多大的?

从某一物体的两侧射到我们眼中的光线,会对我们的眼睛形成一个角度。根据这个角度的大小,我们就能够判断出那个物体的视大小

但是,如果这些光线在到达我们的眼睛之前,先通过一个凸透镜,那么,这些光线就会受到某种方式的偏折,从而使它们在我们眼中形成的角度变得大一些。这样一来,我们通过这种透镜所看到的物体似乎变大了,并且它的每一个部分也似乎变大了。这样,我们就有了“放大镜”

用几个透镜组合起来,就有可能把物体放大几千倍,并且清楚地看到一些小到远非肉眼所能看到的细部。这时,我们所碰到的是一台利用光波来工作的光学显微镜,过这种显微镜,我们可以看见象细菌那样小的物体

我们能够把透镜一个个叠在一起,最后做成一台能把物体放大得非常大,使我们能够看到比细菌小得多的物体,甚至连原子也看得见的显微镜吗?

很遗憾,这是做不到的。即使我们把一些最完美的透镜用最完善的方法组合起来,也无法制成这样的显微镜。光是由一定波长的电磁波构成的(波长约1/125,000厘米),比它再小的东西就什么也看不清楚了。光波已经大到足以“跳过”一切比它自身小的东西了

不错,有几种电磁波的波长要比可见光短得多。X射线的波长就只有可见光波长的万分之一。可惜,X射线会径直穿过我们所想看到的那些东西

但是,不是还有电子吗?电子是一种粒子,但它们的行为也象波一样。它们的波长大致和X射线差不多,但电子不会径直穿过我们所想看到的那些东西

假定有一束光投射在某一物体上。这个物体会吸收光,并且投下一个阴影。我们通过比较亮光和阴影,就看到那个物体。如果把一束电子投射到某一物体上,这个物体也将吸收电子,并投下一个“电子阴影”。在使用电子束的情况下,要是我们想用眼睛直接去看它,那是很危险的。但是,我们可以用照相底片把物体拍摄下来。电子阴影可以告诉我们那个物体具有什么形状,要是物体的某些部分对电子的吸收比其他部分强一些或弱一些,那么,这种照片甚至还可以说明物体的一些细节

但是,要是那个物体非常小,那会怎么样呢?如果我们用的是光束,我们可以利用透镜使光束以某种方式偏折,从而把物体的外观放大。我们不能用普通透镜使电子束偏折,不过,我们还有别的东西可以利用。电子是带有电荷的,这就是说,它们在磁场中将沿着弯曲的路径行进。如果我们所采用的磁场具有适当的强度和形状,就可以用透镜操纵光束那种办法去操纵电子了

简单地说,这时我们就有了一台“电子显微镜”,它利用的是电子束,正象“光学显微镜”所利用的是光束那样

不同的地方在于,电子的波长要比普通光的波长短得多,因此,电子显微镜能够为我们显示出象病毒那样细微的物体,而光学显微镜却做不到这一点

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

一文读懂什么是熵——什么是低能领跑理论

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190709

对于多数人来说,熵是一个难以理解的概念,因为你没有办法从熵的造字法猜测熵的含义。汉字是画字,多数字可以望字猜义,现在出来一个莫名其妙,连发什么音都有点忐忑不安的字,心情难免有点焦躁:字都这么陌生,学习起来更难了吧

现在 海云青飞 用史上最简单的解释让你理解什么是熵

几十年前,中国曾经进行农业集体化的实验,我爸妈就是实验的参与者。东大村约1000村民,所有田、地收归村集体,村叫生产大队,再分成若干个生产小队,每个小队的人集体劳动,一个人干活一天记上一工分,再按工分数分配收获

有的人干活时故意偷懒,活干得很慢,干活时经常停下来聊大天,迟到早退,反正干一天总是记一工分,何必那么认真卖力

如果要按照干活的效率打分,这是不好操作的事情,农业生产不是流水线工人,不好记件,总不能叫人数住一天插了几棵秧吧。这就造成了一种后果,干活快的人创造了更多的价值,干活慢的人创造更少的价值,分配收获的时候忽略了人干活的快慢,这就是把干活快的人创造的价值向干活慢的人转移了

如果把干活时创造的价值比作能量,则是能量多的地方向能量低的地方流动了,能量的密度的差异倾向于变成均匀,用物理的专业术语来说,这就是熵随着时间变大

所谓 ,就是能量在空间中分布的均匀程度,能量分布越是均匀,熵就越大。在生产队的集体劳动中,具有较多 能量 的人的 能量 流向了具有较少 能量 的人,各人的 能量 变得更加均匀了,这不就是熵变大吗

什么是低能领跑、坏人领跑

在人类社会中用 来表达反而把事情复杂化了,海云青飞 https://www.tuenhai.com 喜欢用 低能领跑坏人领跑 来代替

水总是从高的地方向低处流,因为高处有更多的势能,这样看上去象是低处的水在领着高处的水跑,这就是 低能领跑

人类社会中,各人都围绕着物质利益在互相竞争,这时候,有的人通过不正当手段,比如偷窃技术,仿冒产品,压榨员工,污染环境,就可以获得更大的物质利益。遵守人类社会的各种约定的人具有较高的空间性,可以视为具有高能量者,为了物质利益不择手段的人具有较低的空间性,可以视为具有低能量者,只要低能量者存在,物质利益必然是从高能量者向低能量者流动,高能量者眼巴巴地看着低能量者侵占了自己的物质利益,这时他能怎么办?

  • 高能量者可以向低能量者学习,降低自己的道德标准以减小物质利益的损失,这就是高能量者在向低能量者转化
  • 高能量者始终坚持原则,那么就会被低能量者击败,自己趋向灭亡,这时就成了低能量者主导的世界

无论高能量者采取哪种策略,都是低能领跑,或者说坏人领跑,这就是 海云青飞 说过的 坏人领跑世界 理论。自从人类进入农业社会,收获的食物有了剩余,私有财产制开始出现,人类就进入了 坏人领跑世界 模式,这个世界变得越来越坏,最终可能崩坏,然后开始新一轮的演化

热力学定律是理想模式,不能称为定律

热力学第一定律说,能量既不能创造,也不能消灭

海云青飞 不得不说,这条定律把宇宙当成了静态的机械的死亡之地,在大方向上是错误的。只是目前的宇宙达到了较高的平衡状态,所以从局部的一些现象来说,这条定律是近似成立的,但是称为定律是不妥的,称为热力学第一规律还差不多

从宏观上来说,宇宙创生、发展的过程是能量创造、壮大的过程,宇宙衰老、死亡的过程就是能量减小、消灭的过程,明显能量是有创造、消灭的。目前的宇宙处在膨胀中,这说明宇宙的能量处在消失过程中,这是很明显的道理

热力学第二定律说的是在孤立系统中,熵会随着时间而增大。这也只是近似的说法,不能称为定律,只能说是局部发现的现象、规律。人类看到世界只是画面世界,画面世界的本体是波世界,波世界万物互相干涉,怎么会存在孤立系统呢

熵未必会随着时间而增大

对于人类社会来说,通常情况是低能领跑,或者说坏人领跑,这就是热力学第二定律所说的。如果人类发展出一个高级的文明,预防了低能者的出现,每个人都有较好的整体观,这时候就可能出现高能领跑,这就把热力学第二定律反过来了,这个高级文明是怎么样的文明?我称之为整体观文明

整体观文明很难理解和应用吗?未必,很多时候,看起来很难的事情其实并不难,比如说井底之蛙是很难理解井外的世界的,如果有人把井底之蛙带到了井外,那么它理解井外的世界就没有一点难度了,从井底到井外,是空间维度的提高,看到的世界更大了。只要能看到更大的世界,那么就能理解整体观,整体观说的就是更大的世界的观念

回到前面的生产队的例子,因为低能量者的存在,于是集体中的成员都趋向于变成低能量者,生产队的劳动效率越来越低,大家开始连饭也吃不饱,实验最后必然失败,这就是社会领域的熵随着时间增大的例子

换一种情况,实验是可能成功的,如果东大村的书记和村长是高能量者,并且他有很大的自主权力决定村里所有事情,那么实验可能不会失败,他们可以选择能量高者加入管理层,并且给劳动者按劳动效率打分,认真者干活一天可以记1.5工,懈怠者干活一天可以记0.5工,这样虽然做不到完全客观,也不需要完全客观,做到基本客观,那么就有了低能者向高能者转化的上升通道。从这里可以看出,反热力学第二定律并不是很难做到的事情

68 熵是什么?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐的时候,能量才能够转化为功,这时,能量倾向于从密度较高的地方流向密度较低的地方,直到一切都达到均匀为止。正是依靠能量的这种流动,你才能从能量得到功

江河发源地的水位比较高,那里的水的势能也比河口的水的势能来得大。由于这个原因,水就沿着江河向下流入海洋。要不是下雨的话,大陆上所有的水就会全部流入海洋,而海平面将稍稍升高。总势能这时保持不变。但分布得比较均匀

正是在水往下流的时候,可以使水轮转动起来,因而水就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的,即使这些水是处在很高的高原上,因而具有异常高的势能,也同样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝着均匀化方向的流动

不管对哪一种能量来说,情况都是如此。在蒸汽机中,有一个热库把水变成蒸汽,还有一个冷库把蒸汽冷凝成水。起决定性作用的正是这个温度差。在任何单一的、毫无差别的温度下——不管这个温度有多高——是不可能得到任何功的

“熵”是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一个术语,他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度。能量分布得越均匀,熵就越大。如果对于我们所考虑的那个系统来说,能量完全均匀地分布,那么,这个系统的熵就达到最大值

在克劳修斯看来,在一个系统中,如果听任它自然发展,那么,能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触,热就会以下面所说的方式流动:热物体将冷却,冷物体将变热,直到两个物体达到相同的温度为止。如果把两个水库连接起来,并且其中一个水库的水平面高于另一个水库,那么,万有引力就会使一个水库的水面降低,而使另一个水面升高,直到两个水库的水面均等,而势能也取平为止

因此,克劳修斯说,自然界中的一个普遍规律是:能量密度的差异倾向于变成均等。换句话说,“熵将随着时间而增大”

对于能量从密度较高的地方向密度较低的地方流动的研究,过去主要是对于热这种能量形态进行的。因此,关于能量流动和功-能转换的科学就被称为“热力学”,这是从希腊文“热运动”一词变来的

人们早已断定,能量既不能创造,也不能消灭。这是一条最基本的定律;所以人们把它称为“热力学第一定律”

海云青飞:热力学第一定律并不确切,根源是把宇宙当成静态宇宙,可惜宇宙是动态的,如果宇宙在进化,那么能量在通过创造而增加,如果宇宙在退化,那么消失的能量大于创造的能量

克劳修斯所提出的熵随时间而增大的说法,看来差不多也是非常基本的一条普遍规律,所以它被称为“热力学第二定律”

海云青飞:在孤立系统中,熵确实是随时间而增大,然而宇宙中不存在孤立系统,所以热力学第二定律也是不确切的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

为什么说宇宙不会灭亡

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190710

机械物理观认为宇宙会毁灭

物理学家经常会犯的一个错误就是把宇宙当成机械的死物,认为宇宙就像是上紧了发条的闹钟一样在漫无目的地走动,当发条的动能耗尽时,宇宙就会死亡

从万事皆有可能的角度来说,宇宙确实可能是复杂的机械,但是这种看法得有个度,当宇宙复杂到极点的时候,我们就可以怀疑宇宙这个机械是有自我组织、自我维护的机制的,也就是说她不是机械,她是活的

如果忽视宇宙的复杂度,一定要把宇宙说成是复杂的机械,那么人类也是复杂的机械,人类也是死物。你不能有二个标准,你在看宇宙的时候无视宇宙的复杂度,看人类的时候又要重视人体的复杂度,这样双重标准的做法是使不得的

宇宙一定会毁灭吗?如果宇宙只是复杂的机械,那么等机械动能耗尽的时候,宇宙确实会灭亡。当前的物理学的主流是机械的物理观,他们认为宇宙终将熄灭

整体学认为宇宙不会灭亡

当前的宇宙正在膨胀,如果这样一直继续下去,那么宇宙的温度会越来越低,所有恒星都会毁灭,最后宇宙也会消失不见,人类自然也在劫难逃

但是宇宙并不是机械,宇宙是处在有计划、有组织的进化过程中,我前面曾说过,宇宙物质的进化可以大致分成六个层次:

  1. 光子
  2. 电子
  3. 核子,包括中子和质子
  4. 原子
  5. 简单分子
  6. 复杂分子,升物(生物)

人类就处在宇宙物质进化层次的顶层,在顶层中人类的进化还处在十分原始的阶段,表现在人类的寿命极短。宇宙是否会灭亡,现在判断还为之过早,等到人类进化到更高的阶段,再来问宇宙会不会毁灭也不迟

整体观认为宇宙是个整体,这该怎么理解呢?你可以理解为宇宙是一台超级计算机,这台超级计算机的大小是整个宇宙,宇宙中的每个原子都在参与计算,所以宇宙的能力是人类不可难想象的,海云青飞 倾向于相信宇宙不会灭亡

69 宇宙是在不断衰亡吗?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

按照“热力学第二定律”,熵总是在不断地增大。这就是说,能量密度的差别一直在减小。当所有能量密度的差别都完全取平的时候,就再也无法从能量榨出任何功来,宇宙也不会再有丝毫变化了

让我们来考虑一个表。一个表之所以能不断走下去,是因为它的发条或电池中集中着能量。当发条松开或电池发生化学反应时,能量就从密度高的地方流向密度低的地方,由于这种流动的结果,表就会走下去。一旦发条完全松开或电池的化学变化完全结束,整个表里的能量就完全拉平,不再会有能量在流动,因而表也就不再走了。它已经“衰亡”了。与此相似,当宇宙中的所有能量全部拉平时,我们就说宇宙“衰亡”了

当然,我们可以把表的发条再一次上紧,或者换一个新电池。但为了把表上紧,我们就得使用我们肌肉的力量,从而使我们自己稍稍“衰老”一点。我们也可以买一个新电池,但是,那就得把它制造出来,而为了制造这个电池,人们的工业设备就必定会稍稍“衰老”一些

我们可以通过吃东西来恢复我们自己肌肉的力量,但是,食物最初是由植物利用太阳的能量产生的。人类的工业设备主要依靠煤和石油工作,而煤和石油也是植物在远古的年代用太阳能产生出来的。当地球上的各种事物“衰老”时,我们总是可以利用某种东西把它们的“发条”再一次“上紧”。而这类东西通常总要追溯到太阳能的作用,因此,太阳也是在不断“衰老”

太阳主要是由氢构成的,氢原子中每一个粒子所含的能量要比氦、氧、铁等较为复杂的原子多得多。在太阳内部,由于氢不断转变成比较复杂的原子,能量密度就逐渐取平。在地球上的核动力发电厂中,由于铀原子转变成比较不那么复杂的原子,也发生同样的情况。今后我们一旦建成了氢聚变电厂,那么,从某种意义上说,我们就将再现太阳上所发生的情况

就我们目前所知道的情况看,太阳上的能量密度最后会完全取平,而太阳本身则将只含有中等大小的原子。对于宇宙中的所有其他恒星和宇宙中的每一件东西来说,这种说法也同样成立

如果热力学第二定律是正确的,那么,宇宙中每一个地方的能量密度就都正在不断取平,从这个意义上来说,宇宙是在不断衰亡着。假使情况确实是这样,那么,当宇宙中所有能量都完全均匀分布时,熵就将达到最大值,那时任何现象都不会再发生了。因为尽管所有能量都还全部存在,但它已不再会有任何流动,也不会成为发生某种现象的动力了

这是一种令人忧虑的前景(假如第二定律确实在一切条件下都成立的话),但我们现在完全毋需恐慌。这个过程需要许多亿亿年才会终结,因此,不仅是在我们活着的时候,而且在整个人类存在的时候,甚至在地球还存在的时候,宇宙都会象目前这样继续存在下去

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

熵与人类社会的关系,社会熵和人体熵

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190727

熵的三个分类

熵可以看成是宇宙中存在的无序程度的量,于是熵就把物理现象和生物现象都包括进来了:

  • 物理熵,热力学中熵的概念
  • 社会熵,人类社会组织的溃败可以视为社会熵的不断增大所导致的。熵在社会学中的应用
  • 人体熵,宗教对人体的长生不死特别执着,现在我们可以从熵的角度来探讨这个永恒的话题了

关于熵的社会意义,前面 海云青飞 说到过 低能领跑理论,这个理论既可以用来解释物理现象,也可以用来解释社会现象,社会中的低能者会拉低整体的能量水平,也就使组织的熵增加,最终使组织解体

现在再来说一下人体熵,人的衰老、病死的过程其实可以看成是人体熵不断增加的过程,如果我们能减缓人体熵的增加,那么就有可能有效延长生命。人体熵的原理和物理熵的原理是一样的,原子之类物质的运动十分的稳定,对于人类来说,原子几乎是永生的存在,如果能够深刻理解原子的运动规律,那么人体的长生就有了坚实的理论基础

物理学熵的说法错误之处

物理学家对于物理熵普遍存在误解。物理学家阿西莫夫说:

宇宙的熵总是在不断增大,这就是说,宇宙中的能量分布是在不断地均匀化。可以证明,任何一种能够使能量分布均匀化的过程,同时也会使无序程度增大。因此,由于构成宇宙的粒子可以自由地进行无规运动而使宇宙的无序程度不断增大的这种趋势,正好是热力学第二定律的另一个方面,我们可以把熵看作是衡量宇宙中存在的无序程度的一个量

上面这种说法只是看到了物理运动的无序的一面,却对更重要的物理运动的有序的一面视而不见,因此是偏面的,而且可能是错误的。物理世界的物质运动达到了极高的有序程度,这表现在二个方面:

  • 在宇宙大尺度,引力和斥力达到了极高的有序程度,这使银河系、太阳系、地球这样的小环境可以稳定运动,使地球出现人类有了可能
  • 在原子这样的微观粒子尺度,原子的运动达到了极高的有序程度,使原子的寿命极为悠长

物理学家说,宇宙的粒子可以自由进行无规运动而使宇宙的无序程度不断增大,这句话是错误的。粒子的有序运动是整体是本质,粒子的无序运动是局部是表面。比如说,你可以在房间里随便乱走,这是无规运动,但是这只是特殊的例子,实际上你的绝大多数运动都是有特定的目的的运动,你去上学,你去厨房,你走到洗手间,这些都不是无规运动。宇宙粒子在宏观尺度受制于引力,并不能无规运动。粒子内部的更小的粒子也是受力的制约,并不能无规运动

宇宙的无序程度会不断增大吗?目前观测显示宇宙在膨胀,短期看宇宙的无序程度在极缓慢地增大,至于极长的周期,谁知道呢!

虽然说长期看宇宙不一定走向毁灭,人体熵就很容易下结论,海云青飞 https://www.tuenhai.com 可以明确告诉你,每个人在性成熟开始,人体熵就是在快速增大,使人体的衰老、死亡成为必然

和人体熵比较,原子的熵几乎是不增加的,如果明白原子熵不增加的秘密,那么人体熵的不增加在理论上就有了可能,这正是我所感兴趣的课题,并且有所心得

减少人体熵的一个基础方法是多直立运动,少坐,少低头俯身,在此基础上还有一些讲究。2019年7月去了一趟海南,在海南期间我也在不断思考减少人体熵的理论,不断寻求改进。如果是你,你如何着手研究减少人体熵?有二个研究思路:

  • 顶层设计,怎样的运动形式是完美的运动形式?
  • 深刻认识人体的默认的运动形式,明其利弊

结果,在海南期间,我发现了原来的认识一个需要改进的地方。如果没有这次海南之行,我什么时候才能想到这个改进……熵,和地域也有关系,呆在某个地方,你的熵可能会增加得更快,换个地方,你的熵的增加就可能减慢

70 熵和秩序之间有什么关系?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

试想象有九个人排成一个方阵——三个人一排地排成三行,每行每列都对得整整齐齐。我们可以把这种排列叫做有秩序的排列,因为它又整齐、又对称,描述起来也很容易

如果这九个人每人都同时向前跨一步,那么,他们将保持原来的队形,这时的排列仍然是有秩序的。如果每个人都向后退一步或者向左或向右移一步,情况也是这样

但是,假定现在命令每个人都走一步,但前后左右都可以,并且每个人可以随意选择他的方向。这时,可能每个人都碰巧独立地决定向前跨一步。在这种情况下,秩序就仍旧保持不变

不过,其中任何一个特定的人选择向前跨一步的可能性只有四分之一,因为他可以随意朝四个方向当中的任一个方向走那一步,因此,所有九个人全部独立决定向前跨一步的可能性只有4×4×4×4×4×4×4×4×4分之一,即只有1/262144

如果九个人全部向后退一步或全部向左或向右移一步,他们的秩序也同样保持不变,因此,九个人同时朝同一方向走一步的总的可能性是4/262144,即1/65538。既然是这样,你就可以看出,保持那种秩序的可能性是多么微小,同时你也知道,如果让那些人能够自由行动,那么,只要有一个人迈出一步,就完全足以破坏那个方阵,从而使有序的程度降低

尽管他们还是有很小的可能性同时朝同一个方向移一步,但是,下一步就完全有可能把那个方阵破坏掉

这是个只牵涉到九个人、并且只容许有四个不同的运动方向的情形。在大多数自然过程中,我们却要碰到无数亿个可以用非常多种不同方式自由运动的原子。如果由于某种机会,这些原子在开始时有某种有序的排列,那么以后任何一种自由的无规运动、任何一种自发的变化,都必定会降低那种有序的程度,换句话说,就是会提高无序的程度

按照热力学第二定律,宇宙的熵总是在不断增大,这就是说,宇宙中的能量分布是在不断地均匀化。可以证明,任何一种能够使能量分布均匀化的过程,同时也会使无序程度增大。因此,由于构成宇宙的粒子可以自由地进行无规运动而使宇宙的无序程度不断增大的这种趋势,正好是热力学第二定律的另一个方面,我们可以把熵看作是衡量宇宙中存在的无序程度的一个量

如果我们用这种方式来看问题,我们就可以看到第二定律对我们周围一切所起的各种作用了,因为所有自然变化显然都是朝着提高无序程度的方向进行;只有当我们付出一定代价作出特殊努力时,我们才能使秩序得到恢复。我们的零星杂物总是在变乱,我们的房间和我们的衣服也总是在变脏,我们必须经常整理、打扫、洗涤,才能保持整洁。这可能使我们感到最好认为,这一切都是出于那条了不起的宇宙规律在起作用的结果——不过,我自己可一点也不这样想

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

深刻理解熵和时间的关系,时间旅行可能吗

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190727

物理学家对熵的理解似是而非,他们的熵的观念传导到社会上以后,普通人就更加难以理解熵了。就我所见,网上还没有找到过对熵比较好的解释。当然,我对熵的理解也非完美,只是相对来说,我对熵的理解比较接近事实

从太阳的北极上方往下看,地球是逆时针方向绕着太阳转动的,如果有一天你突然发现地球在顺时针方向绕着太阳转动了,这显示地球在时间上后退吗?或者说地球的熵在减少吗?事实并不是这么简单,并且可能相反,地球的熵有可能会增加

物理学家阿西莫夫说:

一个跳水运动员跳入游泳池而溅起大量水花,一个花瓶掉在地上面碎成片片,许多树叶从树上掉落而散布在地面上——所有这些和我们周围所发生的其他事情,我们都可以证明它们是会使熵增大的

倘若我们看到了溅起的水滴汇集在一起,而跳水运动员从水里向上升到跳板上;倘若我们看到花瓶的碎片凑成花瓶并通过空气跳回桌子上原来的地方;倘若我们看到地上的落叶自己集中起来并飞回树上各个枝枝桠桠上,那么,由于这一切都表明熵降低了

因为以上事情在现实中不可能发生,这就暗示,在物理学家看来,宇宙的熵只可能增加,不可能减少。这个观念是错误的,这再一次说明物理学家在有些地方的认识十分的肤浅

熵的改变是相对而言的

以社会熵为例,人类社会的组织形式,很长时间是以少数人集权统治为主的,权力使人腐败,财富使人坠落,高度集权通常是社会熵很高的组织形式

中国集权式统治的朝代大多只能存续200多年,一般不会超过300年

中国的中央集权从秦朝开始

  • 秦朝从公元前221年到前207年,共两帝一王,国寿14年
  • 汉朝从前202年到220年,共二十九帝,国寿407年
  • 晋朝从公元266年到公元420年,传十五帝,国寿155年
  • 隋朝从公元581年到619年,国寿38年
  • 唐朝从公元618年到907年,共二十一帝,国寿289年
  • 宋朝从公元960年到1279年,共历十八帝,国寿319年
  • 元朝从公元1271年到1368年,传五世十一帝,历时98年
  • 明朝从公元1368年到 1644年,共传十六帝,国寿276年
  • 清朝从公元1636年到1912年,共传十帝,国寿276年

现在很多国家改成了不同政党通过竞选轮流竞选执政的社会组织形式,执政者的权力受到了制约,也使腐败受到了很大的限制,社会熵减小了,这时候就不容易预测一个朝代的寿命了,甚至以前的朝代的概念都没有了

社会的组织形式并不是重点,重点是执政者的腐败必须得到控制

唯物主义决定了绝对的权力天然地倾向腐败,海云青飞 https://www.tuenhai.com 认为,唯物主义决定了绝对的权力天然地倾向腐败,如果绝对的权力不导致绝对的腐败,那么集权也可能是熵很少的社会组织形式,当然,这是有很大的难度的,比医生给自己动手术还要难

怎么理解权力导致的腐败和社会熵的关系?

拥有绝对的权力的人如果走向腐败,那么他就成了低能者,也就是他是能量较低的人。又因为他有绝对的权力,会导致社会的物质资源向他集中,物质在物理学意义上来说就是能量,也就是社会的能量在向低能者流动,这就是熵在增加。如果绝对权力者有了更高的追求,对物质的腐败不感兴趣,那么他就不是低能者,而是转变成了高能者了,和转变以前比较,他的熵减少了,如果把熵的增加对应时间向前,那么这也可以看成时间在向后退

可见,时间向后退并不是真的回到过去,那样并不现实,而是熵减小了以后,相对来说事物的运动更加平衡,事物存在的时间延长了。利用熵的原理来实现时间旅行恐怕是很难行得通

71 熵和时间之间有什么关系?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

假定我们从空间中很远的地方,拍下一部地球绕太阳运转的电影,然后把它放映得很快,使我们可以看到地球似乎在沿着它的轨道骨碌骨碌地转动着。再假定我们先把这部影片顺着从头到尾放映一遍,然后又倒过来从尾到头放映一遍,那时,我们能够说出哪一种放映法正好看起来同地球在运动的时候一样吗?

你也许会说,从太阳的北极上方往下看,地球是逆时针方向绕着太阳转的。如果看起来地球是在顺时针方向运转,那么,我们就知道影片是在倒过来放映,因而时间是在向后退

但是,如果你这时是从太阳南极的上方去观察地球绕太阳的运动,地球就会是顺时针方向绕着太阳运动。这样一来,如果你看到的是顺时针方向的运动,你怎样知道你是在太阳北极上方看到时间在往后退,还是在太阳南极的上方看到时间在向前进呢?

海云青飞:从太阳的北极上方往下看地球顺时针方向绕着太阳转动,和从太阳南极的上方去观察地球绕太阳顺时针方向转动,两者的物理效果是不一样的

你是无法回答这个问题的。就是在只牵涉到很少几个物体的、非常简单的过程中,也不可能说出时间到底是在前进还是在后退。对于这两种情形,自然规律都是同样成立的。如果你所考虑的是亚原子粒子,情况也是这样

大家全都知道,沿着某一弯曲的路径随着向前推移的时间而运动的电子,可以看成沿着同一弯曲的路径随着向后推移的时间而运动的正电子。如果你所考虑的仅仅是那个粒子,那么,你就不可能确定其中哪一种说法是正确的

在你无法说出时间究竟是在前进还是在后退的那些非常简单的过程中,熵是不改变的(或者是改变得非常少,因而可以略去不计)。但是,在牵涉到许多粒子的一般过程中,熵总是会增大,换句话说,无序程度总是会增大。一个跳水运动员跳入游泳池而溅起大量水花,一个花瓶掉在地上面碎成片片,许多树叶从树上掉落而散布在地面上——所有这些和我们周围所发生的其他事情,我们都可以证明它们是会使熵增大的。我们习惯于看到熵在增大,并且往往用熵的增大来说明一切都在正常地进行,说明我们在时间中正在向前推进。要是我们突然看到熵在减小,那么,我们唯一能作出的解释就是:我们正在时间中往后退

例如,假定我们正在看一部由日常生活构成的影片。倘若我们看到了溅起的水滴汇集在一起,而跳水运动员从水里向上升到跳板上;倘若我们看到花瓶的碎片凑成花瓶并通过空气跳回桌子上原来的地方;倘若我们看到地上的落叶自己集中起来并飞回树上各个枝枝桠桠上,那么,由于这一切都表明熵降低了,所以我们就知道,这一切完全同事物的正常次序相反,而那个影片肯定是倒过来放映的。事实上,当时间颠倒过来的时候,各种事件会变得那么古怪,因此,那种场面会使我们发笑

由于这个缘故,熵有时也被称为“时间的箭头”,因为它的稳步上升可以作为时间的“前进方向”的标志。不过,如果物体中的全部原子都正好以同样的方式运动,那么,所有这些颠倒的事情就是可能发生的。但发生这种事情的机会是如此之小,所以我们完全可以把这种可能性略去不计

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

熵与宇宙命运的关系,宇宙的熵一直在增大吗,宇宙的一线生机

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190727

目前宇宙的熵在增加

科学家观测到宇宙处在膨胀中,于是推测宇宙起源于一个极小的奇点。宇宙空间的膨胀会稀释宇宙中的物质的运动,这就意味着宇宙在奇点状态的时候熵很小,然后在宇宙膨胀的过程中宇宙的熵一直在增大

有人问:宇宙的熵增加还是减少

海云青飞 https://www.tuenhai.com 答:目前看来,宇宙的熵在增加

人类生活在宇宙中,宇宙的命运和人的命运有关系,因此,如果宇宙的熵一直增加下去,那么人类即使与宇宙同寿也会随同宇宙一起灭亡

有人得出结论,熵增原理使人绝望。且慢绝望,宇宙的熵未必一直增加,宇宙还有一线生机,宇宙的生机在哪里呢?

宇宙的一线生机

如果宇宙一直膨胀下去,宇宙的命运就不容乐观。然而,宇宙的命运还存在一个变数,那就是升物(生物),正是因为升物的存在,给宇宙留了一线生机。如果升物能持续、快速进化,那么宇宙的膨胀就可能得到遏制

宇宙的物质,按照组织结构复杂的程度,大致可以分为六个层次:

  1. 光子
  2. 电子
  3. 核子,包括中子和质子
  4. 原子
  5. 简单分子
  6. 复杂分子,升物(生物)

包括人类在内的升物高分子,处于物质进化的最高层次,也就是熵最小的物质层次,如果 升物能持续、快速进化,到了一定进化阶段,那么就有可能控制整个宇宙的膨胀,使宇宙的熵减小。

注意我这里说的是 如果。至少就目前来说,人类的身体是处在退化中的,也就是人类普遍而言,人体的熵在增大,这个趋势继续下去人类必定会灭亡

怎么知道人类的熵在增加?可以从多个方面分析:

  • 人类的私有观念在发展壮大
  • 人类越来越不够直立
  • 人类的脑容量在减小

以上三条都在证明人类的熵在增加,人类的未来不容乐观

你可能有疑问,人类是宇宙中的最高升物吗?关于这个问题,我们所能给出的最可靠的答案是:谁也不知道

如果宇宙中存在比人类高级的升物,那么人类的灭亡也不是什么大问题,只要更高等的升物继续进化就行了

如果万一人类是宇宙最高等的升物,那么人类的退化一定程度也意味着宇宙的退化,人类的退化就成了宇宙中的头等大事,这是否意味着宇宙的一线生机也断绝了呢

人类在地球的出现也就是几百万年的事情,几百万年,对于宇宙来说,只是一眨眼的时间,目前的人类的退化,也许只是个暂时现象。因为人类的出现并不是个孤立的偶然的事件,海云青飞 相信人类最终会认识到目前的发展模式存在的问题,宇宙还是有一线生机

72 既然宇宙在不断衰亡,那它开始时是怎样兴起的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

关于这个问题,我们所能给出的最可靠的答案是:谁也不知道

就我们所知道的情况而论,我们只能够说,一切变化都朝着熵增大的方向、朝着无序程度增大的方向、朝着无规性升高的方向、朝着衰老的方向进行。然而,宇宙曾经一度占有一个很高的地位,才能使它在几亿亿年里一直这样衰亡下来。但是,它是怎样达到那样高的地位的呢?

我能够想出三个可能的答案,这三个答案都仅仅是猜测而已

(1)宇宙中所产生的各种各样的事物,我们并不全都知道。我们所观察到的变化,确实全部是朝着熵增大的方向进行的。不过,也许在宇宙的某些地方,可能有一些变化在我们还无法进行研究的条件下,是朝着熵减小的方向进行的。在这种情况下,宇宙作为一个整体,就有可能一直维持下去了。这就是说,我们所能观察到的、似乎在衰亡的,只是宇宙的一小部分,而在其他地方却在发生着可以抵消这种衰亡的上升运动

(2)假定宇宙在任何地方都没有发生熵减小的情况,因而它一直衰亡下去。在熵达到最大值时,宇宙中的所有能量全部均匀分布,因而时间就既不会向未来,也不会向过去推进,但是,所有能量都仍然存在,而宇宙中的所有原子全都占有这些能量的一部分,所以它们会进行无规运动

这样一来,通过这种完全无规则的运动,可能有一定数量的能量偶尔集中在宇宙的某一部分,也就是说,通过无规运动,又一次产生了一定的秩序。不过,一旦发生了这种情况,那一部分宇宙就会再一次开始衰亡

很可能,熵达到最大值是巨大的无限宇宙的正常状况,要经过很久很久的时间(这是指我们通常的时间尺度)才发生一次能量集中,并且每一次又只有很小一部分宇宙获得某种秩序,而我们现在就恰好处在这样一小部分宇宙中

(3)也许,宇宙中的熵似乎在不断增大的唯一原因,只不过是由于目前宇宙碰巧在膨胀着。在这种条件下,比较可能实现的只能是无序排列,而不是有序排列

有些天文学家认为宇宙不会永远膨胀下去。最初的一次爆炸使得它四分五裂,但是,宇宙各个部分之间通过万有引力互相吸引,可能会逐渐降低它的膨胀速率,可能让它的膨胀停止下来,然后还可能缓慢地迫使它重新开始收缩。而在收缩着的宇宙中,很可能是比较有序的排列会变得比无序排列更容易实现。这就是说,那时的自然变化将朝着有序程度比较高的方向进行,因而熵就会不断减小

如果情况真的是这样,那么,当宇宙膨胀时,它就会不断衰老,而当它收缩时,它就会再一次复兴,并且,它可以没完没了地一次又一次这样反复进行下去

如果我们考虑到“黑洞”的话,就甚至还可以把第一个猜测与第三个猜测结合起来。黑洞是质量极其集中、引力极其强大的区域,因此,每一种东西都会落入黑洞中去,没有任何东西——甚至包括光在内——能够从黑洞中跑出来。它们是收缩宇宙的一个极小的样板;也许,在这些黑洞里,热力学第二定律被颠倒过来了。因而 尽管宇宙的大多数区域是在衰亡,但在黑洞里却在逐渐复兴呢

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

电磁波分类,名称与用途

73 无线电波和光波都被用来“观看”空间中的东西,此外,还有别种可用来“观看”东西的波吗?电磁波根据波长的分类

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

无线电波是光波的亲属,它们的差别主要是波长不一样:无线电波的波长比光波长得多

存在着很大一族波长各不相同的波,这就是所谓电磁波谱。这个波谱一般划分为七个区域,这七个区域按照波长从长到短的次序是:

  • (1)无线电波
  • (2)微波
  • (3)红外线
  • (4)可见光
  • (5)紫外线
  • (6)X射线
  • (7)γ射线

地球的大气只对可见光和微波才是相当透明的。电磁波谱的其他部分远在它们能够通过空气之前,就几乎全部被吸收掉了。因此,如果我们从地面观察天空,就只有可见光和微波才有用处

由于人类一直有一双眼睛,所以从一开始就一直利用可见光去观察天空。直到1931年,才有位美国工程师扬斯基最先发现他探测到的,是从天体发射来的微波。因为微波有时被看作非常短的无线电波(射电波),所以天文观察的这个分支部门就称为“射电天文学”

有些能够靠它们发射的微波被探测到的天体,并不发射出多少可见光。换句话说,有些射电源是我们的视力所看不见的

可是,人类一旦跑到大气层以外去进行观察,整个电磁波谱就都能用来进行研究了。火箭上的观察清楚地表明,各种天体用各种各样的辐射在轰击着地球。对这些辐射进行研究,就会大大增进我们对宇宙的了解

例如,天空有一些区域在发射着紫外线,而且数量相当可观。猎户座星云就是一个紫外线源,一等星室女座α星周围的区域也是这样。为什么在这些区域中紫外线会如此大量地产生,这个原因人们至今还不知道

更为神秘费解的是这样一个事实:人们已经发现,天空中有许多斑点是丰富的X射线源。要能够发射出X射线,物体必须热到难以置信的程度——达到一百万度以上。任何一颗普通恒星的表面都不会达到这样的温度。但是,有一种中子星,这种恒星中的物质挤压得非常致密,结果,它把象太阳那样大的天体的全部质量都挤在一个直径只有约16公里的大球内。这种中子星和其他一些奇异的天体可能发射出X射线

在天文学家能够在大气层以外建立永久性的天文台以前,他们大概是不能够对从空间来到我们这里的各种辐射进行彻底研究的

月球由于没有大气层,将是建立这样的天文台的理想地点。建立这种天文台和用这种办法大大扩展我们对宇宙的了解的可能性,是最吸引我们努力去研究月球和想在月球上建立居民点的原因

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

为什么物体加热会发光,如何理解所有的物体都会发光

74 当物质被加热时,它会发出红光,然后由橙变黄,但是,此后它就变成发白光。为什么它不按照光谱的顺序变成“青热”呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

任何一个物体,只要它的能量比绝对零度高一些,就会辐射出电磁波。如果它的温度非常低,它就只辐射出波长很长、能量非常低的无线电波。随着温度的上升,它所辐射出的这种波就越来越多,但同时也开始辐射出波长比较短(能量比较高)的无线电波。当温度继续升高时,就开始辐射出能量还要更高的微波,然后就是红外线了

这并不等于说,在某一温度下只辐射出长波无线电波,而在某一较高的温度下只辐射出短波无线电波,然后只辐射微波,以后又只辐射红外线。实际上,整个辐射波长范围都被辐射出来了。不过,存在着一个辐射的峰值——辐射量最大的波长区;在这个峰值的两侧,辐射量都比较小:在低能量的一侧辐射量比峰值少;而在高能的一侧则更少

当物体的温度达到人的体温(37℃)时,辐射的峰值处在远红外区域。人体同样也在发射着无线电波,但是,波长最短、能量最高的波长总是最容易探测到的,因而也是最引人注目的

一旦温度达到600℃左右,辐射的峰值就处在近红外区域了。不过,这时在峰值高能一侧的小量辐射已经变得特别重要了,因为这些辐射已进入可以看到的红光区域。因此,被加热的物体就会发出暗红色的光

这种红光在总的辐射量中只占很小的百分比,但是,我们碰巧能够看到它,因而就把全部注意力都集中在这种红光上,并且说那个物体是“红热”了

当温度再上升时,辐射的峰值继续向波长更短的方向移动,因而就发出数量越来越多、波长越来越短的可见光。这时尽管辐射出的红光更多了,但辐射中又添进了数量不多却很重要的橙光和黄光。当达到1000℃的时候,这些色光的混合使我们的眼睛产生橙光的印象,而到2000℃的时候,则产生黄光的印象。这并不等于说,在1000℃时只辐射出橙光,在2000℃时只辐射出黄光。要是这样的话,接下去我们确实就会看到“青热”的情形了。但是我们所看到的其实是各种色光的混合

当温度达到6000℃(即太阳的表面温度)时,辐射的峰值处在可见的黄光区域内,这时我们看到了大量的可见光——从紫光到红光统统都有。这整个可见光区使我们的眼睛产生白光的印象,结果,太阳就成为“白热”了

当物体比太阳还要更热时,它继续辐射出各种波长的可见光,并且数量还要更多一些。不过,这时辐射的峰值已移到蓝光区域,因此,我们的眼睛会觉得这些色光的混合不很平衡,在白光中还带点蓝色

以上所说的是那些被加热时能以很宽的波长范围发出“连续谱”辐射光的物体的情形。有些物质在特定条件下只能辐射出某些波长的光,硝酸钡在被加热时会辐射出绿光,因而在礼花中利用它来达到发绿光的效果。如果你愿意的话,你不妨管这叫做“青热”

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

偏振光通俗易懂的解释

75 什么是偏振光?偏振光和自然光的区别

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

光可以看作是由一些微小的波构成的。这些波可以在任何一个平面上振动。在一个特定的光束中,有些波可以上下振动,有些波左右振动,有些波则沿对角方向振动。它们的振动方向可能均匀地分布在所有各个方向上,没有一个振动平面占优势或者在光波中比其他平面占有更大的份额——普通的太阳光或电灯泡的光都是这样

可是,现在让我们设想光穿过一块透明的晶体。晶体是由排成规整的行列和平面的原子或原子团构成的。因此,光波会发现,当它的振动平面恰巧能塞进两个原子平面之间时,它就很容易通过这块晶体。要是它的振动平面与原子的平面成一个角度,它就会撞在原子上,因此,光波就要消耗很多能量方能继续振动下去。这样的光会局部或全部被吸收掉

你可以用下面的办法想到这是一种什么景象:试想象你把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上,另一头拿在你手里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。好了,如果你现在拿绳子上下波动,这些波就会从两根竹子之间通过,并从你的手传到那棵树上。这时,那座篱笆对你的波来说是“透明的”。但是,要是你让绳子左右波动,绳子就会撞在两根竹子上,波就不会通过篱笆了

有些晶体能够强迫光波把所有能量分成两束分离的光线。这时振动平面就不再均匀分布了。在其中的一个光束中,所有的波都在一个特定的平面上振动;而在另一个光束中,所有的波都在与第一束光的平面成直角的平面上振动:不可能出现任何对角方向的振动

当光波被迫在某一特定的平面上振动时,我们就说这样的光是“面偏振光”,或简单地称它为“偏振光”。而朝着所有各个方向振动的普通光都是“非偏振光”。西方国家把偏振光称为“极化光”

为什么叫做“极化光”呢?当这种现象在1908年第一次定名时,那个发明这个名称的法国工程师马吕斯关于光的本性有一个错误的理论。他认为,光是由一些象磁铁那样有南北极的粒子组成的。他想,那种从晶体中穿过的光,可能是南北极的方向全部相同。这种想法后来被证明是错的,但那个名称却已被人们牢牢地记住,无法再改变了

当一块晶体产生偏振平面各不相同的两束光时,这两束光具有稍稍不同的性质。它们在通过晶体时所受到的偏折的大小可能不一样。因此,我们可以想法设计出一块晶体,让它把一束光完全反射掉,而只让另一束光全部通过它

在利用某些晶体时只有一束光能通过,是因为另一束光被吸收掉而转化为热。偏振眼镜片(它是在塑料中嵌入许多细小的这类晶体)就是以上述方式吸收掉许多光,由于这种镜片着色,吸收掉的光就更多了。这种镜片就是这样消除眩目的强光的

当偏振光通过含有某种不对称分子的溶液时,它的振动平面会被扭转一个角度。化学家根据这种扭转的方向和角度的大小,就能够对这种分子的真实结构作出许多推断,特别是对于有机化合物的分子更是如此。正因为这样,偏振光对于化学理论来说,一直是极其重要的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

光照射到物体有推力吗

76 光能够对物质施加力吗?光有推力吗

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

光束含有能量,当它投射到一个不透明的物体上并被吸收时,能量就会发生某种变化。其中的大部分转换为热,也就是说,构成不透明物体的粒子在获得光能之后,就开始更加快速地振动

然而,光束能够对不透明的物体施加直接的力吗?光束能够把它的运动传给那个吸收它的物体吗?一个运动中的大而重的物体对任何阻挡在它前进道路上的东西的影响是明显的。滚木球戏中的滚球击中了一个柱,就会使它飞起来。但光由无质量的粒子所组成,它仍然能够把它的运动传递给物质,并对物质施加力吗?

早在1873年,苏格兰物理学家麦克斯韦就从理论上研究了这个问题。他指出,光即使是由无质量的波所组成,也仍然会对物质施加力。这种力的大小取决于运动光束中每单位长度所含的能量。有一件令人注目的事。假定你有一个手电筒,你将它正好开一秒钟。它在这一秒钟内发射的光含有大量的能量,但就在这一秒钟内,发射出的光的第一部分已经走了约30万公里。手电筒在一秒钟内所发出的全部光就分成那样长的一道光束,所以,这道光束中每一米或甚至每一公里长度中的能量确实是很小的

正是由于这个原因,在通常情况下我们并不觉得光对物质有任何作用力

不过,假定你取一根轻的横杆,在横杆两端各有一个平圆盘,然后用一根细石英丝拴在横杆的中央,把它悬吊起来。在一圆盘上施加极小的一点力,就会使横杆围绕着石英丝扭转。如果一道光束照在一个圆盘上,那么,只要这道光束对圆盘施加了力,这个横杆就会旋转

当然,如果稍有一点微风推动着圆盘,那么,光束的这种微小的力就会被掩盖起来,所以整个装置必须封闭在一个小室内。就连空气分子碰撞圆盘所产生的力也会比光力大得多。因此,这个小室必须抽成高真空。完成了这样的设施并采取了某些其他的预防措施之后,当一道强烈的光束照射在圆盘上时,就有可能测出圆盘位置的微小移动

1901年,两位美国物理学家尼科尔斯和赫尔在达特默思学院完成了这样的实验,证明光确实能产生一种力,这种力的大小正好同二十八年前麦克斯韦所预言的差不多。几乎与此同时,俄国物理学家列别捷夫用稍微复杂一点的装置,也证实了这种情况

这种“辐射压力”的存在被证实以后,天文学家相信这种压力说明了关于彗星的某种有趣的现象。彗星的尾部总是指着背离太阳的方向,当彗星接近太阳的时候,彗尾就拖在后面。当彗星最接近太阳并绕着太阳运动时,它的尾部就来回摆动。然后,当彗星离开太阳时,它的尾部却跑到它的前面去了

于是天文学家就这样想:“啊哈,这就是辐射压力!”

大约有半个世纪,他们一直认为这是真实的,但是他们错了。太阳光的辐射压力并不够强,把彗星尾部推向背离太阳的方向的是太阳风

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

光的折射、衍射通俗易懂的解释

77 红光通过棱镜时的变化最小,而在通过衍射光栅时变化最大,为什么会有这种差别?光的折射衍射现象举例

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

光可以看作是一种波动,普通的太阳光则是几种不同波长的波的集合。不同波长的光在我们的视网膜上产生不同的效应,正是这些效应给我们以颜色的感觉。在可见光中,红光的波长最长,其次是橙光、黄光、绿光、蓝光,最后是波长最短的紫光

当光离开空气进入玻璃、水或其他透明介质时,它的速度就减慢。如果一道光束从右面以倾斜的角度投在一块玻璃上,那么,最先射在玻璃上的光束的右侧就会先减慢速度。有那么一瞬间,光束的右侧缓慢地运动,而左侧则继续以全速前进,结果,当光束进入玻璃时就会改变方向,这就是“折射”

如果一队士兵从一条平坦的公路斜着向犁过的田地行进,就会发生同样的情况。队列中靠近田地那一侧的士兵会先到达地里,并且先减慢速度。除非有意识地去防止这种情况,否则这个队列在进入地里时就会改变方向

地里的减速效应,是由于难以从松土中拔出腿来的缘故。一旦拔出腿来,在地上空气中挥腿的速度就象在公路上一样快了。这就意味着,一个长腿士兵,由于他跨的步子比短腿士兵的要长些,在给定的距离内与地面接触的次数要少些,因此减速也就少些。一列长腿士兵行进方向的改变要比一列短腿士兵少一些

在这方面,长波红光类似于长腿士兵,它的减速小于其他任何一种可见光。因此,它的折射最小。紫光当然折射最大

衍射则涉及完全不同的原理。一种波动能够自由绕过尺寸不大于这种波的一个波长的障碍物继续前进。障碍物越大,波就越难绕过它

光的波长非常短(约为1/125000厘米),因此,光不能明显地弯曲绕过普通的障碍物,而只能沿直线从它们旁边经过,并产生清晰的阴影。声波要长得多,它的本质与光波完全不同。这就是为什么你绕过拐角也能听到声音,但不能绕过拐角看见东西——至少不用镜子是看不见它的

衍射光栅是由许多极细的暗线条彼此平行地刻划在透明底板上所组成;这种暗线条非常细,因此,甚至很短的光波在它们附近通过透明区时,也能少量地绕过它们。这就是“衍射”

很清楚,光的波长越长,暗线的阻碍作用就越小,光也越能绕过它们。长波的红光最能绕过暗线,因此衍射最大。紫光的衍射当然最小

折射棱镜和衍射光栅都会产生“彩虹”或光谱。然而,折射光谱同衍射光谱相反。从光原来的方向线依次向外看,折射光谱是:红、橙、黄、绿、蓝、紫。衍射光谱是:紫、蓝、绿、黄、橙、红

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

两束光干涉相消后能量去哪了,光受到干涉能量会变吗

78 当两道光束互相干涉并产生暗区时,能量发生了什么变化?光干涉相消能量去哪了

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

光束可以认为是由一列波所组成的。如果两道光束以一个小角度相遇,那么,一道光束的各个波可能与另一道光束的各个波以这样的方式相遇,就是:一个波的向上运动恰好碰上另一个波的向下运动,反过来也是这样。这时两个波就相互“干涉”,并且部分或甚至全部相互抵消。结果,两个波以这种方式结合起来所产生的光,其强度小于这两个波中任何一个波单独产生的光的强度

但是每个波列都代表一定的能量。如果一个波抵消另一个波,在原来存在着光的地方造成暗区,那么,这是不是意味着能量消失了呢?

当然不是!物理学的基本定律之一就是能量不灭,这就是“能量守恒定律”。在干涉中、某些能量不再以光的形式存在。这样,就必定有完全相等的能量以某种其他形式存在

组织得最差的能量形式就是构成物质的粒子的无规则运动,我们把它称为“热”。当能量改变形式的时候,总是倾向于失去组织性,因此,当能量似乎已消失的时候,最好是去寻找热,寻找比以前更高的速度作无规则运动的分子

光发生干涉时的情况就是如此。从理论上说,你可以这样安排两道光束,让它们完全干涉。这时,让这两道光束投射到一个屏幕上,屏幕会完全黑暗。但是在这种情况下,屏幕就会变热。能量并没有消失,它只是改变了形式而已

下面的情况属于同样的问题。假定你给一个钟上紧发条,那么,这个发条就比没有上紧的同样的发条含有更多的能量。现在假定你让这上紧的发条溶化在酸中。这时,能量发生了什么变化呢?

这时能量同样转化为热。如果你在开始时拿出两杯温度相同的酸溶液,然后让未上紧的发条溶化在一杯酸溶液中,而让上紧了的发条溶化在另一杯酸溶液中(把两杯溶液互换也是一样),结果,溶解了上紧发条的溶液的温度会比溶解了未上紧发条的溶液高一些

一直到1847年,在物理学家彻底了解了热的性质之后,能量守恒定律才被人们所理解

从那以后,由于坚信这个定律,人们才对一些基本现象有了新的了解。例如,在放射性嬗变中所产生的热比十九世纪物理计算所预料的要多,到爱因斯坦提出了他的著名方程E=mc^2(碧声注:c的2次方),表明物质本身是一种能量形式之后,这个问题才得到解决

同样,在某些放射性嬗变中所产生的电子的能量太少了。1931年,泡利并不认为这种现象违背了能量守恒定律,而且提出了这样的看法:这时不但产生了电子,还产生了另一种粒子——中微子,中微子带走了其余的能量。他的看法是对的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

自然界的科里奥利效应通俗易懂的解释

79 什么是科里奥利效应?科里奥利力原理

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

如果一个物体是静止的,或者相对于某一固定点作恒速运动,那么,在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的A点沿着一条直线走到另一端的B点,你在走的过程中不会感到有任何困难

但是,如果一个物体的不同部分以不同的速度运动,那么,情况就大不一样了,假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整个平台的整体在旋转,但在中心附近的一点画出一个小圈,因而在缓慢地运动,而靠近外缘的一点则画出一个大圈,因而在快速地运动

假定你站在中心附近的那个点上,想要直接从中心出发的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发点上,你取得了该点的速度,缓慢地运动。但是,当你向外走时,惯性效应使你保持缓慢运动,不过,当你越往外走的时候,你脚下的台面转动得越快:你本身的慢速和台面的快速的结合,使你觉得你在被推向与旋转运动相反的那个方向去。如果旋转游戏台是在反时针方向转动,你就会发现,当你向外走时,你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲

如果你从靠近外缘的一点出发向内行进,你就会保持着出发点的快速运动,但你脚下的台面运动得越来越慢。因此,你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏台是反时针方向运动,那么,你的路线会再次越来越明显地顺时针方向弯曲

如果你从靠近中心的一点出发,向靠近外缘的一点走去,然后回头向靠近中心的一点走去,而且沿着阻力最小的路径前进,你就会发现,你走的路径大体上是一个圆形

法国物理学家科里奥利于1835年第一次详细地研究了这种现象,因此这种现象称为“科里奥利效应”。有时也把它称为“科里奥利力”,但它并不真是一种力;它只不过是惯性的结果

科里奥利效应在日常生活中最重大的意义,是同旋转着的地球有关。地球表面赤道上的一个点,在24小时内划一个大圆圈,因此它是在快速地运动)如果我们从赤道出发,越向北(或向南)走,那么,地面的一个点在一天之内划出的圆圈就越小,它也运动得就越慢

从热带向北流动的一阵风或一般海流,起初随着地球的旋转,从西向东转动得非常快。当它向北流动时,它保持着它的速度,而地表的运动速度却越来越小。因此,风或海流就会超过地表,并且越来越向东沿着曲线前进。最后,风或海流就在北半球顺时针方向划一个大圆圈,而在南半球则反时针方向划一个大圆圈

正是这种造成曲线运动的科里奥利效应,在更加集中(因而更加有力)时,就会形成飓风,如果还要更加集中和更加有力,就会形成龙卷风

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

固体、液体、空气声音传播速度比较

80 声音在密度高的物质中(例如在水或钢中)要比在空气中传播得快;但它在暖空气中又比在冷空气中传播得快,而暖空气的密度却比冷空气低,这是不是自相矛盾呢?固体液体气体那个传声最快

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们耳朵听到的声音,是由传播声音的原子或分子构成的媒质的振荡运动带来的振动所引起的。振动把附近的分子推到一起,并压缩这些分子。被压缩的分子在分开时,就在邻近区域引起压缩,这样,这种压缩区似乎是从声源向外传播,压缩波从声源向外传播的速度,就是声音在该媒质中传播的速度

声速取决于构成物质的分子的固有运动速度。例如,一旦空气的某一部分受到压缩,分子就会由于它们自身固有的无规运动再次分开,如果这种无规运动是快速的,那么受压缩部分的分子就会迅速分开,并快速地压缩邻近部分的分子。邻近部分的分子也快速分开,并快速地压缩下一部分。于是,总的说来,压缩波就很快地向外传播,因此声速就高

凡是能提高(或降低)空气分子固有速度的东西,都会提高(或降低)空气中的声速

巧得很,空气分子在较高的温度下比在较低的温度下运动得快些。正是由于这个原因,声音在暖空气中比在冷空气中传播得快些。这同密度没有任何关系

在0℃,也就是水的凝固点时,声音以每小时1193公里的速度传播。温度每升高1℃,速度每小时就提高约2.2公里

一般说来,如果构成气体的分子比空气分子轻,那么,这种气体的密度就要比空气低。较轻的分子运动得也较快。声音在这种轻的气体中传播的速度比在空气中快,这不是由于密度的改变,而是由于分子的运动较快。声音在0℃的氢气中的传播速度是每小时约4667公里

当我们说到液体和固体,情况就与气体大不相同了。在气体中,分子彼此相隔很远,几乎不互相干扰。如果分子受到推压而彼此更接近起来,它们仅仅是通过无规运动而彼此分开,但在液体和固体中,原子和分子是相互接触的。如果它们受推压而挤到一起,它们的互斥力就会非常快地迫使它再次分离

对于固体来说,尤其是这样。在固体中,原子和分子多少比较稳固地保持在各自的位置上。它们保持得越是稳固,它们被推压到一起时,弹回的速度就越快。因此,声音在液体中的传播速度比在气体中快;在固体中传播得更快;在刚性固体中则传播得最快。密度并不是声音传播快慢的根本原因

因此,声音在水中以每小时约5200公里的速度传播,在钢中则以大约每小时约18000公里的速度传播

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

船沉没时的力学分析

81 船下沉时是一直沉到海底,还是当它们下沉到一定深度时压力就会将它们保持在深水中?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

如果一个物体的密度大于水,它就会在水中下沉。水的密度是每立方厘米一克,岩石和金属这样的物质的密度比水大得多。由大块钢材制成的舰船之所以能浮在水上,是因为船内容纳着大量的空气;钢材和造船用的其他材料加上船内的空气,它们的平均密度低于水的密度;如果发生意外事故,水进入船中,那么,造船的材料加上进入船内的水的平均密度大于水自身的密度时,船就要下沉了

船下沉时,受到越来越大的压力。在海面上,每平方厘米面积的压力(大气造成的)是1公斤。在海面以下10米处,那个深度的水重又在海面压力上增加了每平方厘米1公斤的压力。深度每增加10米,每平方厘米就又增加1公斤的压力。而在已知的海洋最深部分的海底,压力约为大气压力的1100倍,即每平方厘米约为1.1吨的压力

这样高的压力对于能否把下沉的船保持在水中没有任何影响。从各个方向对船所施加的压力是相等的,向下的压力和向上的压力几乎完全相等,因此十分明显,不管压力怎样增大,船还要继续下沉

但还有另一个因素。压力能压缩水,并增加水的密度。水的密度是否能变得非常高,以致这种高压使得沉船停止下沉,而悬浮在密度较大的深海中呢?

不!压缩效应是非常小的。甚至在每平方厘米1.1吨的压力下,水的密度仅由每立方厘米1.00克上升到1.05克左右。如果一个固体的密度为每立方厘米1.02,那么,它确实会沉到水下去,并在约4.8公里深度处被浮力止住,不再进一步下沉。然而,普通结构材料的密度大大地大于1.05。铝和钢的密度分别为每立方厘米2.7克和7.8克。金属船会一直沉到最深的海底深渊,丝毫没有上浮的机会

但假定海洋还要更深,那么,一根铝棒是不是会达到最大的深度而不再下沉呢?回答仍然是:“不会的!”

如果海洋大约深67公里(而不是最多11公里深),洋底的压力就会上升到每平方厘米约7吨,水的密度则上升到每立方厘米约1.3克。然而,在这个时候,水已不再是液体,而会转化成一种称为“冰Ⅵ”的固体物质(冰Ⅵ的密度大于水,而“冰Ⅰ”——普通冰——的密度则小于水)

困此,铝和密度大于每立方厘米1.3克的任何其他物质,只要海水是液体,就会一直在海里继续沉下去,最后停落在普通海底或冰Ⅵ的固体表面上。液体水的密度决不会大到足以浮起固体铝,更不用说固体钢了

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

元素最外层电子与活泼性,化学性质活泼是最外层电子决定的

82 哪些是最活泼的化学元素,为什么?最外层电子数决定化学性质的活泼性

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

电子处在围绕原子核的一些称为“壳层”的同心球上。对每个元素来说,每个壳层上都有固定数目的电子。当最外面的的壳层上有8个电子时,这种排列特别稳定

不过,假定一个元素有这么多个电子,以致当其中的8个被安置在某一个外壳层上时,还有少数几个多余的电子必须安置在一个更靠外的外壳层上。这少量最外层的电子(带负电荷的)只受到位于原子中心的带正电荷的原子核的微弱控制。最外面的这些电子很容易转让给其他原子,因此,原来那个原子现在所剩下的就是最外面壳层上8个电子的稳定排列

化学反应关系到电子的转移,因此,一个容易失去一个或多个电子的元素,会容易地发生电子转移的反应,这种元素就是“化学上活泼的”元素。一般来说,超过8个的电子数目越少,它们越容易转移:那个元素就越活泼;因此,最活泼的元素就是电子数比8多一个的那些元素,也就是只有一个电子位于最外面壳层上的那些元素

举例来说,这样的元素有钠,它的电子排列在三个壳层上(2,8,1);还有钾,它的电子排列在四个壳层上(2,8,8,1)

电子的内壳层趋向于把最外面的那个孤零零的电子与带正电荷的原子核隔离开来。中间的壳层越多,原子核对最外层的电子的控制越弱,因此,这种电子也越容易转移。因此,钾比钠活泼,铯(2,8,18,18,8,1)更加活泼

比铯还更活泼的是钫(2,8,18,32,18,8,1),但一次只能研究它的几个原子,甚至连它的最稳定的同位素的半衰期也只有21分钟。因此,铯是最活泼的稳定金属元素

现在假定一个元素所具有的构成最外面壳层的电子数太少,不够8个。这些原子趋向于接受若干个电子来凑成必要的8个。因此,它们就容易发生化学反应,因而是很活泼的

一般来说,凑成8个电子所需要的电子数目越少,接受电子的趋势就越大。因此,在这类元素当中,最活泼的元素就是原子最外面壳层上含有7个电子的那些元素,它们仅仅需要一个电子就可以凑成8个电子

举例来说,这样的元素有氯,这种原子的电子排列为2,8,7;还有溴,它的电子排列为2,8,18,7

在这样一些元素的情况下,原子核的吸引力越强,把那个失去的电子拉过来的趋势越大。电子的内壳层的数目越少,原子核周围的隔绝作用就越小,那个原子核的拉力就越大,而元素也就越活泼

在这种类型的元素当中,电子壳层数目最少的是氟,它的电子排列为2,7。因此,氟是一切非金属元素中最活泼的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

贵气体是什么

83 贵气体的“贵”表现在何处?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

与其他元素难以发生化学反应或根本不发生化学反应的元素称为“惰性”元素。氮和铂就是惰性元素的例子

在十九世纪九十年代、在大气中发现了一些似乎根本不发生任何化学反应的气体。这些新发现的气体——氦、氖、氩、氪、氙和氡——比其他任何元素的惰性都强,于是人们把它们都归入“惰性气体”

惰性元素有时被称为“贵”元素,因为它们不与其他元素发生化学反应,就它们那一方面来说,这似乎是一种贵族式的冷淡。金和铂是“贵金属”的两个例子,而惰性气体有时被称为“贵气体”,也是由于这个原固。1962年以前,“惰性气体”是比较通用的术语,也许是因为“贵气体”似乎不适合于民主社会

惰性气体之所以是惰性的,其原因在于:每一种惰性气体原子所含有的电子数在各壳层中的排列,正好使每个壳层中都有特别稳定的数目,具体他说,即在最外面的壳层中有8个电子。因此,氖的电子排列是2,8;氩的电子排列是2,8,8。增加或减少电子,都会打破这种稳定的排列,因此,就不会发生任何电子变化。这就意味着不会发生化学反应,所以这样一些元素是惰性的

然而,惰性的程度取决于原子中心带正电荷的原子核用以拉住最外面壳层上各个电子的强度。最外层与中心之间的电子壳层越多,原子中心的原子核的控制力就越弱

这就意味着,惰性气体元素中原子结构最复杂的元素,也就是惰性最小的元素。原子结构最复杂的惰性气体是氡。氡的原子所具有的电子排列是2,8,18,32,18,8;但氡仅仅是由放射性同位素所构成,所以它是难以用来进行化学实验的一种元素。仅次于氡的最复杂的气体是氙,它是稳定的。它的原子所具有的电子排列是2,8,18,8

氙原子和氡原子中最外面的电子离原子核很远,原子核不能十分有力地抓住它们。当存在着具有吸引电子的强烈倾向的原子时,这些电子就会被放弃。氟的原子具有吸引电子的最强倾向。1962年,加拿大化学家巴特利特发现有可能形成氙和氟的化合物

从那以后,还组成了氡的化合物和氪的化合物。鉴于这种情况,化学家们不乐意再使用“惰性气体”这个术语,因为这些原子毕竟不是完全惰性的;“贵气体”这个术语现在已逐渐通行起来、而且形成了化学的一个完整的新的分支学科,专门研究“贵气体化合物”

当然,贵气体的原子越小,惰性就越强,至今还没有发现任何东西能从这些原子中把电子夺走。氩原子中的电子排列是2,8,8。氖原子中的电子排列是2,8。氩和氖仍然完全是惰性的。惰性最强的是氦,它的原子仅有一个带两个电子的电子壳层(所有原子最里面的壳层都有两个电子)

碧声注:2000年,芬兰科学家首次合成了氩的稳定化合物——氟氩化氢(HArF)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

具有什么的固体物质叫做晶体

84 为什么会形成晶体?为什么晶体总有一定的形状?所有固体物质都是由晶体组成的吗

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

在通常情况下,物质有三态:气态,液态和固态。在气体中,组成气体的原子或(通常为)分子的能量非常高,或者各个分离的分子之间的引力非常低(或者两者兼备)。以致各个分子独立地进行运动

如果能量降低到一定点,那么,分子就不能再保持独立性,而必定会互相发生接触。但是这时还有足够的能量可供分子进行运动,使分子在其他分子间滑动。这种情况就是液体

如果能量进一步降低,各个分离的分子就不能再滑动,而会固定在某个方位上(尽管它们也许能够或确实会在它们的固定位置附近振动)。这种物质就是固体

在固体中,两个相邻的分子(或原子,或离子)的相对位置不是随意的。它们处于某种有规则的排列之中,这种排列取决于不同的粒子具有什么样的比例,大小有怎样的差别,外部压力有多大,等等。在氯化钠中,钠离子和氯离子的数目相等,大小没有太大的差别。在氟化铯中,铯离子和氟离子的数目相等,但铯离子比氟离子大得多。在氯化镁中,镁离子和氯离子的大小没有太大的差别,但是在数目上,氯离子为镁离子的两倍。由于这一原因,每种化合物很自然地以不同的方式进行排列

如果你得到一块可见物质,它是由全部按有序方式排列的原子、离子或分子所组成,那么,这块可见物质就会有一些光滑的表面,它们以一些固定的角度相交(这就象从空中来看一个军队的队形。你也许看不见各个士兵,但是如果他们排列得很好,你就会看见那个队伍,比如说,呈矩形)。这块可见物质(或者说“晶体”)的整个形状取决于原子的排列。对于在一系列给定条件下的任何给定的物质来说,原子排列是固定的,因此晶体总是具有确定的形状

固体物质从本质上说几乎总是晶体,即使它们看起来并不象是那样。我们知道,要形成一种理想的晶体,最好从处于溶液状态的纯物质着手(这样,外来的原子就不会滑入和打乱排列)。溶液应该缓慢地冷却,以便让原子有时间排成阵列。在自然界往往存在着由几种物质组成的混合物,因此,我们最后得到的,是互相推撞和互相拥挤的几种不同的晶体。不仅如此,如果冷却非常快,那么,就会有许多晶体开始形成,以致其中任何一个晶体都没有机会生长到超过显微的大小,这些晶体各取各的方向,因此没有确定的形状

因此,在自然界,我们很少能看到足够大的清澈的晶体。通常我们所遇到的,是一些不规则的物质碎块,它们是由我们未察觉到的微晶体构成的

有一些固体物质不是结晶状的,因此不真正是固体。玻璃就是一个例子。液态玻璃是很有粘性的,因此它的离子就难以运动,也难以排成有序阵列。当玻璃冷却时,离子运动得越来越慢,最后完全停止运动,停在哪儿就将它们的位置保持在那儿

在这种情况下不存在有规则的排列,因此,“固态”玻璃实际上是一种“超冷的液体”。玻璃可以是硬的,摸起来象是固体,但是它没有晶体结构,而且,它没有明显的熔点,这是它最致命的弱点。所以,“固态”玻璃在加热时就只是逐渐软化而已

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

水压缩到极致是什么

85 水能够压缩吗?水被压缩后会变成什么

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

关于这个问题,最简单的回答是 每种东西都能压缩

事实上,压缩气态物质比压缩其他任何形态的物质要容易得多。那是因为气体是由相距很远的分子所组成的。例如在普通的空气中,实际分子所占的空间大约是整个体积的十分之一

在压缩某一气体时,仅仅需要克服分子本身的无规则运动所形成的扩张倾向,将它们更紧密地推压到一起,把分子之间的一些空处挤出,用人的肌肉力量就能够容易地做到这一点。例如,当你挤压一个气球时,你就是在对空气进行压缩

就液体和固体而言,组成它们的原子和分子只是近于互相接触。借助于每个原子外层区域中的电子的相互斥力,这些原子和分子不再进一步靠拢。这表示液体和固体分子的抗压力比气体中分子运动的抗压力要强得多

这意味着人的肌肉不能再做压缩液体和固体的工作,至少没有明显的效果

假定你把一定量的水倒入一个上边开口的刚性容器里,并把一个密闭的活塞装入开口内,使它与水面接触。如果你用全力把活塞往下压,你就会发现,它不会明显地移动。由于这个原因,人们常说,水是“不可压缩的”,而且它的体积不能够挤得更小

其实并不是这样。当你把活塞向下推时,你确实压缩了水,但压缩的程度不能测量出来。如果能够施加比人的肌肉大得多的压力,那么,水的体积或者任何其他液体或固体的体积的减小量,就会大到能够测量出来的程度。例如用每平方厘米1.1吨重的力量压缩100升的水,它的体积就会缩小为96升。随着压力的进一步增加,体积就会进一步缩小。在这种压缩力下,可以说,电子越来越靠近原子核了

如果压力更大,比如说,压力相当于在巨大引力作用下成千上万公里厚的物质堆积起来的重量时,静电排斥力就会完全不起作用。电子就不能在轨道上围绕着原子核运动,而会被推开。然后物质就由不带电子的原子核组成,而电子则飞来飞去作无规则的运动

原子核比原子小得多,因此,这种“退化的物质”大部分还是空的。地球中心的压力或者甚至木星中心的压力都不足以形成退化物质,但是在太阳的中心有退化物质

一个完全由退化物质构成的恒星,可以象太阳那样重,但是体积却不比地球大。这就是一个“白矮星”。它能够在它自己的重力下进一步地压缩,直到它由互相接触的中子所组成。这样一个“中子星”能够具有太阳的全部质量,但被压缩成直径为十几公里的球体

天文学家认为,它还能够进一步地压缩,直到变成体积为零的“黑洞”

(碧声注:咳咳,黑洞体积为零吗?这种说法是不是不够严格?请高手指教。……)

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

金属氢是什么物质

86 什么是金属氢?氢怎么能成为金属?金属氢是固体吗

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

当我们看到一种金属的时候,大家都知道它是金属,因为金属有一些不平常的性质。当金属表面光滑时,它们反射光的效率很高,因此它们具有一种“金属光泽”;但非金属却没有很高的反射能力,因而具有一种“无光泽的颜色”。金属容易变形,能够制成金属板和拉成金属线;而非金属在受到打击时会被打碎,破裂或成为粉未。金属易于导热和导电,非金属却不能

为什么有这样的差别?

在多大数普通化合物中,例如在我们周围,看得见的海洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所构成的,这些原子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。这里的每一电子都紧紧地被束缚在某一个原子或另一个原子上。当出现这种情况时,物质就表现出非金属性质

根据这种准则,氢是一种非金属。普通的氢分子是由两个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子,构成一个分子的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子

当一些电子不是牢固地受到束缚时会发生什么情况呢?例如,我们看一看元素钾吧。每个钾原子都有19个电子,它们排列在4个壳层中,只有最外面壳层中的电子可供共享。在钾原子的情况下,这就意味着它仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。再则,这个最外面的电子被控制得特别松,因为在它和吸引它的中心原子核之间有另一些电子壳层,这些中间壳层把最外面的电子同中心引力隔开了

在固体钾中,原子紧密地结合在一起,就象我们有时在水果店里看到的桔子堆成角锥形那样。每个钾原子有8个相邻原子。由于最外面的电子被控制得很松,而且许多相邻原子又如此靠近,因而任何一个最外面的电子都易于从一个相邻原子滑到另一个相邻原子

可是,正是这些松而活动的电子,使得钾原子有可能这样紧密地结合在一起;使钾有可能易于导热和导电;也就使钾有可能变形。总之,这些松而活动的电子使钾(和其他元素以及含有这些元素的混合物)具有金属性

现在记住,氢象钾一样,仅仅有一个电子可以为相邻原子所共享。然而,还有一个不同之处。在氢的一个(仅仅是一个)电子和中心原子核之间没有起隔离作用的电子。因此,这个电子被控制得太紧了一些,以致不能进行足够的运动来把氢转变为金属,或者迫使氢原子紧密地结合在一起

但是,如果氢获得了外力,那会出现什么情况呢?如果氢不是由于本身电子的情况而是外界的压力迫使它们紧密地结合在一起,那又会怎么样呢?假定有足够的压力把氢原子非常紧密地挤在一起,以致各个原子都被8个、10个甚至12个近邻原子所包围。于是,每个氢原子的单个电子,不管原子核有异常强的吸引力,就可能开始从一个相邻原子滑到另一个相邻原子。这样你就会得到“金属氢”

为了迫使氢这样紧密地结合在一起,氢原子必须处在一种近于纯粹的状态中(其他种原子的存在会产生干扰),并且不是在太高的温度下(高温会使它扩张)。氢原子还必须处在巨大的压力下。在太阳系中最接近于满足这些条件的地方是在木星的中心,因此有些人认为,木星的内部也许是由金属氢所构成的

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

不存在的聚水

87 我们所读到的“聚水”是什么?它仍然是H2O,那么有什么不同呢?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

一个水分子通常是被描述为由两个氢原子和一个氧原子所构成(H2O)。如果所有的水分子都是如此,那它就会是低沸点的小分子。硫化氢(H2S)具有相似的但较重的分子(因为硫重于氧),它是一种气体,只要在-61.8℃时就液化。如果水只是H2O,那么它就会在更低的温度下,也许在-80℃左右液化

但是,可以看一看水分子的形状。三个原子构成的图形很接近于直角,而氧原子在顶点。氧与每一个氢原子共享两个电子,但这种共享不是平均的。氧对于电子具有较强的吸引力,因此,带负电荷的电子偏向于水分子中氧的那一方。这就意味着,虽然水分子整个来说是不带电的,但是水分子中氧的那一方有小量的负电荷,而两个氢原子则有小量与它平衡的正电荷

相反的电荷互相吸引。于是两个邻近的水分子有排列起来的倾向,而使一个水分子的负氧端接近于下一个水分子的正氢端,这就构成了一个“氢键”,它的强度只是把分子中氢和氧保持在一起的普通键的二十分之一。这仍然足以使水分子有“粘性”

由于这种粘性,水分子比没有粘性时容易结合在一起,更难以分开来。为了克服这种粘性,并使之煮沸,必须把水加热到100℃。如果温度下降到0℃,氢键的优势就是锁定水分子的位置并使之冻结为冰。如果不是因为有氢键的话,要冻结成冰,温度就要比这还要低得多

对于象H2S(硫化氢)这样的一些分子,就不会发生这种情况,因为硫原子和氢原子对于电子具有大致相同的引力。在一方或者另一方都没有电荷累积,因此没有“粘性”

其次,假定在非常受限制的处所——例如在一个极其细小的玻璃管中存在着水分子。那么,这些水分子便可能自行挤成比通常更密集。一个分子的氧原子可能被迫异常近地靠近相邻分子的氢原子,以致氢键变得象普通的键一样强。这时两个分子变成了一个分子。另一个分子也许会锁定在这个双分子上,然后再锁定一个,接着又锁定一个

结果可能有许多分子紧密地聚集在一起,将所有的氢和氧形成规则的六角形排列。所产生的复合物质是“聚合物”的一个例子。这就是“聚水”。要把这样一种物质(首先是1965年由苏联化学家报道的)分解为水蒸气的一个一个的H2O分子,必须加热到500℃左右。其次,同样由于分子被推压在一起,比普通水中要紧密得多,所以聚水的密度是普通水的1.5倍

然而,聚水的概念至今尚未被普遍接受。许多化学家认为,所谓聚水实际上是吸收了某些杂质的水,或者是溶解了一些玻璃的水。在这种情况下、那就根本不存在聚水了

碧声曰:已经证明“聚水”是子虚乌有——

水与“聚水”

摘自 郭正谊《科普读本·失误的科学》

从历史上来看,科学家常常被水所迷惑、所愚弄。即使是在科学昌明的现代,科学家为水所做的蠢事也还不止一端。近年来最典型的事例是世界公认的“聚水”事件,它曾经在世界范围上引起轩然大波。从1962~1973年,世界上发表了有关“聚水”的学术论文有450余篇,而结果“聚水”竟然是子虚乌有!但是我们还是在科技百科全书中查到“聚水”这一条目,是这样写的:“聚水是一种典型的、现代的实验性人工制品的例子,在它最后被仪器分析和理论分析推翻前曾发展成为引人入胜的争论”

事情的过程是这样的。前苏联科学家德佳奎因于1962年曾连续发表论文,宣称水在石英玻璃毛细管中加热后性质反常了——500℃沸腾,-8℃才结冰。接着,不少国家的科学家纷纷参与这一研究,而美国著名的光谱学家利平科特声称他用拉曼光谱研究后证明这种水确实不同寻常,这是水在石英表面上聚合成的,可以把这种水命名为“聚水”。这就进一步鼓舞了世界各国的科学家,使他们狂热的投入到“聚水”这一研究中去。甚至有人还发出警告说:千万不要把聚水带到实验室外,因为它可能诱发水的连锁聚合反应,以至毁灭了各种生命。还有人甚至提出制造“聚水武器”,用来干净地消灭敌对者。当然,也有许多科学家极力反对聚水的存在。于是支持者和反对者之间又展开了大论战

但是,结果是令人扫兴的:1973年,分析化学家罗西友以一种巧妙而又令人信服的方法证明,“聚水”不过是溶有钠、钾、氯离子和硫酸根的水。始作俑者德佳奎因也不得不发表声明,承认“聚水”确是溶解了石英管上杂质的水。于是,关于聚水这一“伟大发现”就此告吹

这场历时十年的科学界的轩然大波,既有科学研究中的失误,也有人为的原因,而后者是主要的,它干扰了严格的科学实验的进行。就如,对“新发现”的盲目乐观和狂热,为了成名而哗众取宠,为了求得经费而对论文急于求成,为了论战而醉心于新闻宣传,以至违背公认的科学研究准则,不切实际地向传媒渲染自己取得了科学的“进展”和具有的“伟大”意义。而某些对科学不甚了了的新闻记者,则以猎奇的心态不断在报章上制造“轰动”效应,从而把这种“病态”进一步升级。这是所谓的病态科学。病态科学同一般的弄虚作假行为不同,它是某些科学家为了得出“突破性”的发现,而对所观察到的一些现象作出违背科学基本规律的解释,从而提出“新”的理论,以达到一鸣惊人的目的。病态科学在科学史上屡见不鲜,在今天也仍然时有发生

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

是不是冰一定浮在水上,为什么冰会浮在水上

88 水冻结时为什么会膨胀?冰浮在水面上的体积

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

我们可以先问一问:固体为什么会是固体?液体为什么会是液体?

一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力,这个吸引力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难把这些分子拉开,这种物质就是固体

然而分子含有动能,它们会在它们的固定位置附近振动。当温度上升时,这些分子获得越来越多的能量,振动得更加猛烈;最后,它们获得非常多的能量,以致别的分子的引力再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制,并且自行跑开,在其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了;它就变成了液体

大多数固体是结晶状的。那就是说,各分子不仅依然固定在它们的位置上,而且是固定在规则的位置上,排成行列。当分子获得足够的能量而跑开时,这种规则性就被打破,固体就熔化了

通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。各分子塞满在一起,它们中间几乎没有空隙。不过,一旦这个物质熔化了,彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。这种推憧的总效应就是迫使所有的分子分开得再远一点。这时物质就膨胀,它的密度就减小。于是,一般说来,液体的密度比固体低

换一个方式来说,固体熔化时就膨胀,而液体冻结时就收缩

不过,问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配置的。例如,在冰中,水分子排列成一种异常松的形式。水分子排成三维的图样,这种图样实际上留下了一些“空穴”

当温度上升时,分子打破了松散的排列,开始独立地运动,进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开,此外也把它们推到空穴中去。由于填满了空穴,液态水占有的空间比固态冰少,而不管分子如何拥挤。当1立方米的冰融化时,仅形成0.9立方米的水

由于冰的密度没有水大,所以它漂浮在水上。1立方米的冰会在水中下沉,直至0.9立方米的冰沉至水面以下为止。这个冰块排开的0.9立方米的液态水的重量跟1立方米冰的重量一样。现在冰被水浮起来了,剩下0.1立方米的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这样。任何一块冰将浮在水面上,它大约有十分之一在水面以上,十分之九在水面以下

一般来说,这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如此,所以水形成的冰停留在一片水体的顶部,它把较低的深层隔开,使得从下面逸出的热量有所减少。结果,较深的水通常不冻结,甚至在非常冷的天气条件下也不冻结。同样,漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响,并且很快融化

如果冰的密度大于水,那么,当它形成时,它就会沉到水底,结果就有更多的水会冻结。此外,处在水体底部的冰就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水,那么,我们地球上的水源就会几乎都是冻结的,即使地球离开太阳并不比现在更远

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

燃料电池与普通电池有何异同

89 什么是燃料电池?它们在发电上有什么优点?燃料电池与常规电池区别

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

燃料电池是一种用于发电的装置,为了了解它的价值,让我们分别研究一下“燃料”和“电池”这两个词

为了利用煤或者石油这样的燃料来发电,必须先燃烧煤或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成蒸汽,蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就产生了电流。换句话说,我们是把燃料的化学能转变为热能,然后把热能转换为电能

在这种双转换的过程中,许多原来的化学能浪费掉了。然而,燃料非常便宜,虽有这种浪费,也不妨碍我们生产大量的电力,而无需昂贵的费用

还有可能把化学能直接转换为电能,而无需先转换为热能。为此,我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学溶液组成,其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都进行特殊的化学反应,电子不是被释出就是被吸收。一个电极上的电势比另一个电极上的大,因此,如果这两个电极用一根导线连接起来,电子就会通过导线从一个电极流向另一个电极

这样的电子流就是电流,只要电池中进行化学反应,这种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子

在某些情况下,当一个电池用完了以后,人们迫使电流返回流入这个电池,电池内会反过来发生化学反应,因此,电池能够贮存化学能,并用于再次产生电流。汽车里的蓄电池就是这种可逆电池的一个例子

在一个电池里,浪费的化学能要少得多,因为其中只通过一个步骤就将化学能转变为电能。然而,电池中的化学物质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力,那么,一天就要花成本费数十亿美元

燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装置。它是一种电池,但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能,比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是,可以为人类提供的电量就大大地增加了

问题在于难以制备一种确实能以可靠方式进行工作的燃料电池。已制备了这样的电池,其中是靠氢和氧的结合来产生电能,但氢仍然是很昂贵的。有人用一氧化碳来代替氢,这倒是便宜一些。最近还制备了利用污水与氧的结合在细菌作用的影响下产生电能的电池。无疑,把污水转变为电的想法是令人鼓舞的,并可解决两个问题:使宜的电力和废物的处理

在燃料电池确实可供实用之前,还有许多工作要做,但它们代表着一种光明的前景

碧声曰:到现在,燃料电池技术比阿西莫夫在世时已经要先进得多了,燃料电池汽车也即将走向市场

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

什么是人类获取维生素的主要来源——人类食物在退化

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190727

人体内进行着极大数量的复杂的化学反应,有的化学反应依赖特殊的分子,如果人体缺少这种分子,人体又不能自己合成,并且没有从食物中得到补充,那么某些化学反应就缓慢而费力,会导致人发生疾病

人体不能自己合成某些重要的分子,表面上看这是坏事,实际上也是好事

人体不能自己合成许多的重要的分子,人类就必须从外部的植物、动物中补充这些分子,这是人类与外部世界的强绑定,人类为了生存,必须去了解、研究外部的植物、动物。如果有的人因宗教或其他原因禁食植物或动物,那么他的身体健康就会受到影响,他在与外界的竞争中就处于劣势,他们这是慢性自杀

反向思考,如果人类如植物一样,能直接利用光能,并且自己合成所有需要的重要分子,那么人类就没有了努力了解外部世界的动力,人类会向植物退化,这显然不利于升物(生物)的进化

人类进入农业社会以后,越来越功利,食物的品种趋向减少,食物的品质在下降,这使人类的身体趋向退化

人体内的化学反应需要多少种的复杂的分子,这还是个未知数。对于最重要的分子,人类已经研究得比较清楚,那些次重要的分子,比如那些能够增强某方面功能或者加速某些反应的分子,人类不够重视,知道得不多

为了快速、方便生产、供应食物,人类食用的植物、动物的品种十分有限,这使现代人类和史前相比,体内某些化学反应速度较慢,某些功能没有得到最好发挥。而且现代人口膨胀,为了供应更多的食物,人类在生产食物时大量使用激素、农药,会使人类慢性中毒

从目前人类的食物来源来看,海云青飞 认为人类的前途不容乐观

90 什么是维生素?我们为什么需要维生素?人类维生素的主要来源

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

要了解维生素,我们必须从酶说起。酶是起着加速人体中某些化学变化的作用的分子。酶有数千种,每种化学变化由单独一种酶来控制

只要很少量的酶就可以控制一种化学变化。但是,这样少量的酶是必不可少的,人体内的化学机能错综复杂地互相联系着,由于缺少某一种酶而减慢某一种化学变化的速度,就会造成严重疾病,甚至死亡

大体上来说,人体能够容易地从几乎每种食物中都存在的物质制造出酶分子。如果我们实际上不是在饿着(这是首要条件),就不存在连续缺乏酶分子的危险

某些酶包含着一定的特殊原子结合体,作为其结构的组成部分。这些原子结合体通常仅仅在酶中存在,因此仅仅需要很少的数量,因为人体对酶本身的需要也只是很少量的

但人体还是必须有一些这样的原子结合体。如果这些原子结合体中的某一种非常缺乏,那么,使用该原子结合体的各种酶就不会再进行工作了。某些化学变化就开始缓慢而费力地进行。这样就会发生疾病,最后就会死亡

危险就在于,尽管人体能够制造大部分酶分子,但是不能制造这些特定的原子结合体,而必须完全从食物中吸收。如果人的食物中不含少量的这些特殊的原子结合体,人就会生病和死亡

在二十世纪初期首先发现这个事实时,人们并不知道这些原子结合体的性质。当时人们认为,至少某些原子结合体属于一类称为“胺”的物质,因而把它们称为维生素,即“维持生命的胺”的意思

植物是维生素的基本来源。植物从非常简单的化学物质如二氧化碳、水、硝酸盐等制造植物的一切组织物质。如果植物不能通过吸收制造出每一种维生素,它们就不可能生存下去

然而,动物能吃植物,并能利用植物组织中已经存在的各种维生素。动物不需要自己来制造维生素。动物把它们吸收的维生素贮存在酶工作时最需要的地方:肌肉、肝、肾、奶等处。肉食动物则从食植物的猎获物取得维生素,这些维生素是猎获物费劲地由植物吸取的

不需要自己制造维生素有一定的好处。制造维生素时,要求每个细胞里有发挥化学机能的足够大小的空间。如果去掉这个空间,那么可以说,就有较多的空间可供动物去发挥植物所不能胜任的许多机能,这些机能包括神经活动、肌肉收缩、肾脏过滤等等

然而,偶然缺乏维生素,就会造成不良后果。如果人们选择的饮食较差(或者由于人们愿意这样做,或者只能得到这样的饮食),那么,他们就会患脚气病、坏血病、糙皮病或软骨病这样一些疾病,每种疾病的病因,都是由于一些酶因为缺乏某一种失去的维生素而不能工作,从而使人体的一种化学过程失调,慢慢地停止工作

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年

关于生命起源的最新假说——画面假说

海云青飞 https://www.tuenhai.com 20190728

关于地球上的生命是如何起源的,标准答案是不存在的,只能说有许多假说,其中最新、最好的假说是 海云青飞 提出的画面假说,没有之一。甚至可以说,画面假说是古今中外,过去未来最好的生命起源假说

从运动角度观察宇宙

我们做一个思想实验,假设有个存在从我们所处的宇宙外部观察我们宇宙,她会发现宇宙由至少上千亿个的螺旋运动的星系组成,再细看,还有恒星和行星。如果她有宇宙级别的天文望远镜,她会发现一个极其微小的星球(我们称为地球)上有极不起眼的小点在艰难地蠕动(这就是人类所称的动物),这些小点实在是太小了,小到不值得引起她的注意,她马上就转移了目光

她想,如果用一个词概括这个宇宙的本质,那就是 运动,这是个由许多层次的螺旋运动组成的宇宙

海云青飞 提请你注意,她不会有地球人所说的生命、生物这样的概念,这些概念是人类中心主义的概念,带有人类视角的狭隘性。如果我们去掉了人类中心主义,那么这些概念是不需要的,在实体宇宙中不存在这样概念的事物,所以是虚假的概念

再次强调,宇宙中的一切事物都可以用事物在空间中的运动方程来描述,不需要 生命生物 这些概念,你有了这些概念,只会阻止你接收新的观念,妨碍你的进步

从画面角度观察宇宙

假设从我们所处的宇宙外部观察我们宇宙的存在能进入我们宇宙中的物质(原子,分子,人类……)内部,她就进入了新的宇宙,这是特定存在相关的感知中的宇宙,我称之为画面宇宙

假如她能进入你的身体,并且你感知的一切,她也能感知,她就进入了人类的画面宇宙

何谓画面?画面是实物的简化描述。人类感知的宇宙,就是实际宇宙的简化描述,所以海云青飞 https://www.tuenhai.com 称之为画面宇宙。如果你学过生理学,就会理解我说的是什么

画面,包括二个部分:

  • 对自身的画面
  • 对环境的画面

她会发现,任何的运动和画面紧密绑定,没有画面,就没有了运动。画面和运动,类似手心和手背的关系

如果你无法感知自身,你都不知道自己的存在了,相当于你不存在了,你当然无法作出任何动作

如果你无法感知环境,那么你无法做出任何有意义的、复杂的动作。比如说你要学会走路,你都看不到路,学会走路是绝无可能的事情

有了对自身的画面,你就知道了自己的存在

有了对环境的画面,你就可能在环境中活动了

有了在时间中持续的画面,你就能持续地在环境中活动,并且你总是会试图改进你的动作,优化你的生存,于是宇宙中的存在的演化就会自然地发生

宇宙中的存在的运动是表象,宇宙中的存在的内部视角的画面才是本质。这条不但适用于作为人类的你,也适用于原子、电子、核子这样的物质

画面的层次

画面可以分成很多的层次,简单地划分,可以分成

  • 亚原子粒子
  • 原子
  • 简单分子
  • 复杂分子(人类定义的生物)

每个层次的存在都有其画面,其画面各有不同之处。人类的画面宇宙和原子的画面宇宙是有很大不同的。后面层次都是前面层次的复杂化形态,也是进化形态

人类定义的 生物生命 是十分愚蠢的人类中心主义的概念,明示、暗示其他物质都是无生命的,却不知道宇宙中所有存在都是画面宇宙中的存在,整体宇宙也可能是个画面存在,大家都通过画面知道自身活着,并在画面中活动,并无 生物 和 非生物 之分。为了避免使用不正确的概念,海云青飞 把 生物 改称 升物

地球上生命是怎么起源的,这个问题要改成 地球上的升物是怎样起源的

地球上的升物(生命)是怎样起源的

宇宙中的一切存在,亚原子粒子也好,原子也好,一切行为都是为了优化自己的生存,也就是为了进化

进化可以分成局部进化和整体进化

你在社会上生存,通过自身的奋斗过上幸福的生活,这可以类比于为局部进化所作的努力

局部进化是有上限的,你是社会的一员,你的许多方面受到社会的制约,如果你是好人,社会上有许多的坏人,那么,无论你做得多好,你还是会遇上坏人坏事,你不去伤害别人,别人会来伤害你,比如说你会遇上骗子,你买到的大米、水果可能农药超标,你住的房子可能质量有问题却被不正当手段隐瞒了,你接受的信息可能经过特别的过滤(你被不知不觉间洗脑了)

你是个聪明人,你发现你无论怎么个人努力,有些东西还是无法改变,因为你是社会的一员,你受环境的制约,于是你在个人奋斗的同时,也为社会整体的进步而努力,你希望有一天,你不用担心遇上骗子,不会买到毒食品,能呼吸上无污染的空气……这可以类比于为整体进化所作的努力

原子自身通过进化,达到了极高稳定的状态,这就是局部的进化

在人类看来,原子几乎是长生不老的极为变态的让人羡慕妒忌恨的存在,但是,每个原子也是宇宙这个大社会的一员,受到宇宙的进化状态的制约,目前看宇宙在膨胀,也就是说长此下去,每个原子的动能都会被稀释,最后整个宇宙中的一切存在全部完蛋

原子要自救,就是追求整体进化,整体进化的方法就是组成更加复杂的分子,在复杂分子层次上继续进化。包括人类在内的升物,就是原子在更复杂的层次上的进化努力。我这里说原子,实际上是用原子来代表,地球上升物的出现是比较复杂的,用原子来代表可以简化表述

地球上为什么会出现升物?这是因为原子为代表的存在想要在更复杂的层次上实现进化

地球上的升物是怎样起源的?不能用人类中心主义的观念去思考原子的进化追求和安排。有些人把宇宙中的某些现象用人形神所起的作用来解释,这无疑这是错误的。多数物理学家相信宇宙是有设计的,但物理学家所说的设计并不是人形神主导的,虽然物理学家可能会说到 上帝 这样的名词,但这些只是表明物理学家的用词困境,与宗教并没有关系

在画面的宇宙中,并不需要用到任何物理学的观念。你用筷子吃一口菜,如果用物理学概念来逐步分解,这是一个十分复杂的动作,但对于你来说却是极为简单。你一瞬间对自身和环境的感知,称为一个画面,这对你来说极为简单,根本不需要任何的努力,如果人类用物理的方法来模拟,这可能是一个永远无法实现的目标。如果你理解了这几句话,那么你就会知道,地球上进化出十分复杂的分子——升物,并不是什么难事,而是自然而然的事情。如果你还是理解不了,那么我再多说上万字,你也不一定能理解

91 生命是怎样开始的?

《你知道吗?——现代科学中的100个问题》

阿西莫夫著 暴永宁等译 碧声扫 https://www.tuenhai.com 整理

对于这个问题,现在还不能直截了当地回答,因为当生命开始时,周围还没有人,也就没有见证人。但我们能够对这个问题进行逻辑分析

天文学家对宇宙的一般构造,已经做出了某些判断。例如,他们发现,宇宙间大约有百分之九十的氢和百分之九的氦。剩下的百分之一主要是由氧、氮、氖、氩、碳、硫、硅和铁所组成

从这一点开始,并知道了这些元素可能进行结合的方式,我们就有理由得出结论说:地球从一开始就有一个大气层,它富含氢的化合物——水蒸气、氨、甲烷、硫化氢、氰化氢,等等。还可能有一个由液态水组成的海洋,将大气中的各种气体溶解于海水中

为了在这样的世界上形成生命,在一开始时就存在的一些简单分子必须结合起来,形成复杂分子。一般地说,由只有少量原子的简单分子形成有许多原子的复杂分子,需要有能量的输入。阳光(特别是它的紫外线)照在海洋上,能提供必要的能量,迫使小分子形成较大的分子

那么是哪些较大的分子呢?

1953年,美国化学家米勒决定设法去发现这样一些较大的分子。他制备了人们认为曾在地球原始大气中存在过的一些物质的混合物,并确信它是完全无菌的。然后,他用放电作为能源,让这种混合物接受几个星期。在这段时间的最后,他发现这个混合物中含有比他开始时使用的分子稍微复杂一些的分子。它们都是生命组织中存在的各种类型的分子,而且包含着一些用于制造重要的化合物(蛋白质)的氨基酸

从1952年以来,世界上许多研究人员重复做了这个实验,并做得更加细致和精巧。他们用多种方法形成了多种分子,然后用这些分子作为形成更复杂的分子的起点

这样形成的一些物质都已证明是在直接通向复杂的生命物质——蛋白质和核酸。在这些物质中,没有发现任何一种物质与具有生命组织特征的那些物质大不相同

然而,即使凭借最宽广的想象力,迄今也还没有形成可以称之为生命的东西,但是科学家目前只是用仅仅几升液体进行研究,每个阶段仅仅几个星期,而在原始地球上,整个海洋的液体接受阳光照射已达数十亿年之久

在阳光的酷烈照射下,海洋中的分子逐渐地变得越来越复杂,直至最后、由于某种不知道的原因形成了某一个分子,这个分子能够把较简单的分子组成象它自身那样的另一个分子。这样,生命就开始了,并且延续着,渐渐进化为现在的生命状态。“生命”的原始形式甚至比今日最简单的生命形式还要简单得多,但它们已够复杂的了。现在科学家正在努力工作,以便填补上面所说的那个“由于某种不知道的原因”的细节

但生命的出现并不是一种奇迹,它只不过是因为各种分子沿着一条阻力最少的线索彼此结合起来而已,这一点似乎是十分肯定的,在原始地球的条件下,必然会形成生命,就象铁在潮湿的空气里必然会生锈那样。在物理性质上和化学成分上与地球相似的任何其他行星,也会不可避免地出现生命——尽管不一定是有智力的生命

阿西莫夫《你知道吗?——现代科学中的一百个问题》科学普及出版社 1984年