物理学与人类文明十六讲

第一讲 文明的曙光 1

1.文明的起源 1

2.海洋文明 3

3.大河文明 7

4.美洲文明 12

5.文明的演进 14

6.交流与繁荣 20

思考题 24

第二讲 远古的辉煌 25

1.地球与中心火 25

2.苏格拉底、柏拉图与亚里士多德 26

3.亚历山大科学院 27

4.欧几里得与几何学 28

5.阿基米德，杠杆原理与浮力定律 29

6.希腊文明的衰落与东移 31

思考题 33

第三讲 科学的诞生 34

1.地心说 34

2.地理大发现 35

3.文艺复兴与宗教改革 36

4.哥白尼与日心说 37

5.布鲁诺与无限的宇宙 39

6.望远镜与土星的光环 40

7.伽利略的“认罪”声明 41

8.第谷的精密观测 43

9.开普勒与正多面体宇宙 44

10.行星运动定律的发现 46

思考题 49

第四讲 物理的初创 50

1.自由落体定律 50

2.惯性定律 52

3.相对性原理 53

4.上帝说：让牛顿去吧 54

5.经典物理学的“圣经” 56

6.牛顿与苹果落地的故事 58

7.万有引力定律 59

8.伏尔泰与思想启蒙 61

9.这片空间会荒废吗？ 63

10.走下神坛的牛顿 65

思考题 66

第五讲 热学与统计 67

1.历史的火车头 67

2.热的本质是运动 68

3.第一定律：能量守恒 70

4.第二定律：不可逆性与时间箭头 71

5.第三定律：绝对零度不可抵达 73

6.第零定律：热平衡的传递性 75

7.玻耳兹曼与统计力学 76

8.麦克斯韦妖与信息熵 78

9.普里高津与耗散结构 79

思考题 81

第六讲 认识电与光 82

1.光的微粒说压倒波动说 82

2.光的波动说战胜微粒说 83

3.光速的测量与约定 85

4.法拉第与电磁感应 86

5.麦克斯韦与电磁理论 89

6.波粒二象性 91

7.激光 93

思考题 95

第七讲 走近相对论 96

1.两朵乌云 96

2.爱因斯坦的学校生涯 98

3.爱因斯坦的丰收年 100

4.光行差现象 102

5.迈克耳孙实验 104

6.洛伦兹收缩与洛伦兹变换 106

7.突破绝对时空观 108

8.相对论的核心观念——“同时”的相对性 110

9.动尺缩短与动钟变慢 112

10.双生子佯谬 114

11.质能关系与质量公式 115

12.四维时空 116

13.相对性原理与光速的绝对性 117

14.相对论的困难 118

思考题 119

第八讲 弯曲的时空 120

1.平行线只有一条吗？ 120

2.惯性的起源与等效原理 122

3.万有引力是时空弯曲的表现 126

4.广义相对论的实验验证 129

5.引力波与引力透镜 132

6.伟人和凡人 134

思考题 137

第九讲 原子与核能 138

1.周期律 138

2.放射性 139

3.原子模型 141

4.电子自旋与泡利不相容原理 143

5.中子的发现 145

6.裂变与链式反应 146

7.原子弹的研制 148

8.聚变与热核反应 151

9.中国打破核垄断 152

10.核能的和平利用 155

思考题 156

第十讲 量子的世界 157

1.海森伯与矩阵力学 157

2.薛定谔与波动力学 159

3.最初的论战 162

4.不确定关系 163

5.能量量子化势垒贯穿 166

6.态叠加原理与测量 169

7.薛定谔猫 171

8.EPR佯谬、隐变量与贝尔不等式 172

思考题 174

第十一讲 粒子与对称 175

1.强作用与弱作用 175

2.真空不空 176

3.反物质的预言与发现 177

4.费曼图与路径积分 179

5.李、杨动摇宇称守恒 182

6.对称性与守恒律 184

7.补偿效应与规范场 186

8.基本粒子与夸克模型 188

9.弱电统一与色动力学 190

10.标准模型与基本规律 191

思考题 192

第十二讲 恒星的演化 193

1.赫罗图 193

2.恒星的演化 194

3.白矮星 198

4.脉冲星和超新星爆发 201

5.中子星 204

6.黑洞的形成 207

思考题 208

第十三讲 黑洞的启示 209

1.历史上的黑洞 209

2.球对称黑洞 211

3.转动的黑洞 213

4.激发的黑洞 216

5.黑洞热力学 218

6.霍金辐射 220

7.不等价的真空 222

8.信息疑难 223

9.坚强的天才 225

思考题 227

第十四讲 辽阔的星空 228

1.太阳、地球与月球 228

2.八颗行星 230

3.小行星与彗星 236

4.银河系 240

5.星空巡礼 244

6.河外星系，红移与哈勃定律 251

7.类星体 253

8.活动星系核与喷流 254

思考题 256

第十五讲 演化的宇宙 257

1.均匀的宇宙 257

2.有限无边的宇宙 258

3.膨胀的宇宙 260

4.火球模型 262

5.早期宇宙 263

6.宇宙有限还是无限 265

7.暗物质与暗能量 267

8.连接宇宙的虫洞——时空隧道 268

9.对时空隧道的物理要求 271

10.穿越时间的可行性 272

思考题 275

第十六讲 时间的性质 276

1.古人对时间的哲学思考 276

2.牛顿与莱布尼兹的不同时空观 278

3.相对论与量子论对时空观的影响 278

4.物理学把时间“空间化”了吗？ 280

5.用周期运动度量时间 281

6.用运动定律度量时间——“好钟” 282

7.时间测量的基础——“约定光速” 282

8.异地时钟的校准——“同时”的定义 284

9.“同时”具有传递性的条件 285

10.“钟速同步”与第零定律 286

11.绵延的相等——“时间段”相等的定义 287

12.“约定光速”等价于“约定时空的对称性” 288

13.奇性疑难——时间的开始与终结 289

14.奇性疑难——猜想与探索 292

15.时间箭头——时间的流逝性 293

16.热、引力与时间 295

思考题 296

结束语 297

主要参考文献 299