十二 06

三民书局(台湾)

ch1科学的态度与方法
從微觀的宇宙到巨觀的宇宙,首尾互相承接,象徵物理發展的脈絡與傳承。


Glashow’s Snake / Ouroboros
10^{-34}公尺的超微觀宇宙到10^{26}公尺的可觀測宇宙...
好奇心是文明成長的動力,實事求是則是科學家必須「有一分證據說一分話、避免妄下決斷」。

巨觀尺度就是日常生活常見物品的尺度,微觀尺度就是指原子的尺度,介觀(mesoscopic)尺度則是介於巨觀與微觀之間的尺度,通常指介於1到100奈米之間的尺度範圍。


站在地球上看宇宙,很容易產生「地球是宇宙中心」的錯覺,認為太陽規律的繞著地球轉,所有天體也都在天球上繞著地球運動。這樣簡單、直白的「地心說」就是亞里斯多德和托勒密的信仰。
過了夏至,北半球日出的位置就會一直往南偏,太陽斜照地球的角度也愈來愈大,平均氣溫也愈來愈低。一年有四季的分別,就是來自太陽 照射的角度偏移...

從地球觀察火星(Mars)時會出現逆行的現象。

克卜勒利用第谷(Tycho Brahe, 1546-1601) 累積多年的天體運行紀錄,從資料中歸納出行星三大運動定律。在1609年就確認所有行星都是繞著太陽以橢圓軌道運行,以及等面積定律。1619年更發表行星週期平方和離太陽距離立方成正比的第三定律,第三定律後來也成為測量行星間距的重要依據。
1609年,伽利略開始把自製的望遠鏡轉向太空,不但讓人類的視野變得更深遠,1610年更發現木星 (Jupiter) 有四顆衛星(後來被稱為 「伽利略衛 星」)(2009年世界天文年)伽利略後來還發現金星有像月球一樣的盈虧朔望現象,顯示金星繞著太陽轉,也發現太陽不但有黑子,也在自轉。伽利略可以說是實證科學的始祖。單擺的等時性和慣性定律,都是伽利略在實證科學上的重要貢獻。

物理源自古希臘文?(自然的知識,讀音 fisiki)和?(自然,讀音 physis),兩個字都代表自然。牛頓的巨著自然哲學的數學原理(牛頓在1687年發表自然哲學的數學原理),其書名也宣示自然哲學就是物理學的核心。 兩百年前,孔德(Auguste Comte, 1798-1857)更試圖將自然科學區分成有機物理與無機物理 ,而社會物理學就是社會學的前身,顯示社會科學也曾是物理學的一部分

ch2物质的组成与交互作用
不能用化學反應再分離的原子稱為化學元素,而原子就是構成這些元素的最小單位,目前已知有118種不同種類的化學元素。
門得列夫不但在生前錯過諾貝爾獎,一直到原子序101的鍆(Md, mendelevium)被發現,才有人想到應該找個元素紀念他。
萬有引力(universal gravitation),質量有關的吸引力又稱為重力(gravity)。
物理學家認為如果有磁單極(magnetic monopole),電磁現象會更完美,但是實驗室還沒找到任何磁單極的蛛絲馬跡。


日常生活常見的力都是電磁力
1935年湯川秀樹(Hideki Yukawa, 1907-1981)認為原子核裡的核子,彼此之間有一種更強的作用力把這些核子全綁在一起,才能形成穩定的原子核。
早期宇宙的高溫 環境被戲稱為「窮人的加速器」。
簡單講β衰變就是中子衰變成質子和電子的反應,後來奧地利物理學家包立(Wolfgaug Pauli, 1900-1958)大膽推測這種衰變還會伴隨一個反微中子(antineutrino)...

(从原子的尺度看,老王打老李的力属于电磁作用,超距力。虽然老王没有真正“接触”到老李,但老李受伤的原因来自老王...)
19世纪初,道尔顿提出倍比定律,认为元素由不能用化学反应进行分割的同种原子组成,并建立起完整的现代原子理论。

ch3物体的运动
伽利略把物體試圖維持原有運動狀態的特性稱為慣性(inertia)。
第一定律 慣性定律
除非受力,物體將維持靜止或等速向前的運動狀態。」(原文用拉丁文)
Every body persists in its state of being at rest or of moving uniformly straight forward, except insofar as it is compelled to change its state by force impressed.


馬克吐溫(Mark Twain, 1835-1910)的豪願 :「我跟著哈雷一起來到人間,希望也能和哈雷一 起遠颺。」在哈雷彗星最接近地球時出生的馬克吐溫,最後終於如願的在哈雷彗星再次造訪地球時,隨著哈雷彗星「回到天上」,為文壇留下一段傳奇的史詩。

Kepler’s illustration to explain his discovery of the elliptical orbit of Mars, 1609.

ch4电与磁的统一
極光,是來自太陽的高能量電荷受到地球磁場的束縛,在極區和大氣分子碰撞後產生的光彩。
1820年,丹麥物理學家厄斯特 (Hans Christian Ørsted, 1777-1851)在無意間發現,載有電流的導線會造成鄰近磁針偏轉,這種電流產生磁場的現象,稱為電流的磁效應 (magnetic effect of electric current)。


1820年,厄斯特意外發現電流磁效應,打破當時科學家對電和磁的看法。隔年,法拉第提出「磁場是否能 夠產生電流 ? 」的想法後...
1847年,亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821- 1894)詮釋新的冷次定律(Lenz's law),說明冷次定律是電磁場的能量守恆定律。
檢流計(galvanometer)
相機的光圈如同狹縫,當光圈較大,光線會直線前進;但當孔徑變小時,繞射的現象就比較明顯,能觀察到繞射所產生的光芒...

兩個波相遇時,它們的位移可以彼此做線性的相加,滿足疊加原理(superposition principle)。當兩波相遇時,其振幅變大,稱為建設性干涉 (constructive interference)現象;反之,當兩波相遇時,
其振幅變小,稱為破壞性干涉(destructive interference) 現象。(干涉和一般意义的叠加不同,两列简谐波叠加后波上的点仍然简谐振动。)
声波v=331+0.6t,水波表面波v=\sqrt{gh}?

ch5量子现象
若入射光頻率低於某特定頻率,即使光強度再強,也不會釋出光電子。 此特定頻率(稱為底限頻率,threshold frequency)與金屬種類有關。

年輕時的普朗克很有音樂天分,不但擅長鋼琴、風琴與大提琴,還曾為歌劇譜曲。儘管如此,他還是以物理為主修。「我的夢想不是發現新物理, 而是深入了解物理世界的奧祕。」
1897年,J.J.湯姆森發現陰極射線是由帶負電的粒子(也就是電子) 所組成。他因這項成就獲頒1906年諾貝爾物理學獎。1927年,G.P.湯姆森和戴維森以電子繞射實驗證實電子具有波動性,因而獲得1937年諾貝爾物理學獎。有趣的是父親發現電子是粒子,而兒子發現電子是波,但因為波粒二象性,所以兩個人都是對的。


古典物理無法解釋能階。德布羅意則根據電子的波動性,得到一個簡單而合理的解釋。他認為,就像吉他弦的振動,弦長必須為半波長的整數倍時才有穩定的駐波(standing wave)。電子環繞原子核時,軌道周長如果不是電子物質波波長的整數倍,電子狀態並不穩定;只有在軌道周長是電子物質波波長的整數倍時,形成穩定的駐波,電子才會是穩定的狀態。德布羅意根據這個想法,成功解釋了波耳氫原子能階的成因。

de Broglie standing wave
1853年,安德斯‧埃格斯特朗首先量測氫原子光譜的波長。他分析了四條可見光波段的氫原子光譜線...後人為了紀念埃格斯特朗,將此單位以他名字的縮寫埃(Å)表示,這也是可見光波長常使用的單位。

ch6能量
絕對溫標(absolute scale of temperature)和攝氏溫標的刻度間距相同,絕對溫度又稱克氏溫度,絕對溫標又稱克氏溫標 (Kelvin'sscale of temperature)。
There is a fact, or if you wish, a law, governing all natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law it is exact so far as we know. The law is called the conservation of energy. It states that there is a certain quantity, which we call energy, that does not change in the manifold changes which nature undergoes. Richard Feynman(教材上没有给出英文翻译,赞同!)
物理學家漢恩(Otto Hahn, 1879-1968)等在1938年以中子撞擊鈾,意外發現核分裂的現象。直到1939年才由猶太裔女性物理學家莉澤‧邁特納 (Lise Meitner, 1878-1968) 和她的外甥佛里許 (Otto Robert Frisch, 1904-1979) 一起建構核分裂的理論基礎,正式將這個現象命名為核分裂。
哈恩曾讲过这样的话:“我对你们物理学家们,唯一的希望就是,任何时候也不要制造铀弹。如果有那么一天,希特勒得到了这类武器,我一定自杀。”


1945年諾貝爾獎委員會宣布,漢恩因核分裂研究的貢獻獲得 1944 年的諾貝爾化學獎,邁特納依然無法一起分享這個榮耀。
愛因斯坦對邁特納的工作非常讚賞,曾經說她是德國的瑪莉‧居里。

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