七堂极简物理课
一、 最美理论
1. 1905年 ，爱因斯坦科学期刊《投了三篇文章》
- 第一篇指出了原子的存在
- 第二篇奠定了量子力学的基础
- 第三篇提出了《狭义相对论》
狭义相对论对牛顿的万有引力提出了质疑，和自由落体的认知产生了矛盾，爱因斯坦花了十年的时间解决，提出了《广义相对论》
牛顿想像物体是在空间中运动的：所有物体都做直线运动，直到一个力使它们的轨道发生弯曲，至于这个容纳世界的空间是由什么做成的，牛顿没有给出答案。
爱因斯坦出生前的几年，法拉第和麦克斯韦发现了“电磁场”：一种无处不在的真实存在，可以传递无线波，可以振动，波动
爱因斯坦收电磁场启发：引力场不弥漫于空间，因为它本身就是空间。
2. 空间是一种物质
广义相对论对宇宙做出了惊人的简化：空间是构成世界的“物质”之一，这种可以波动、弯曲、变形的实体。
太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在一种神秘的力量牵引下围着太阳转，而是在一个倾斜的空间中行进。
无论是行星围绕太阳转，还是自由落体，都是因为空间发生了弯曲。
3. 爱因斯坦方程式
空间和时间在有物质的地方会发生弯曲，
预言：高空中，时间会过的比较快
4. 黑洞
当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料时，它就会熄灭。残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终形成一个真真正正的洞。
5. 宇宙大爆炸
宇宙空间可以膨胀和收缩。
空间不可能一直保持静止，它一定是不断膨胀的。
空间会像海平面一样起伏。后来人们观测到“引力波”效应证实
一切源于朴素的直觉：空间和引力场本是一回事
二、 量子
量子力学诞生于1900年
1. 普朗克假设
电磁场的能量都分布在一个个的“量子”上，也就是能量是不连续的。
2. 量子理论诞生宣言
爱因斯坦指出光是由光子构成
3. 量子跃迁
尼尔斯波尔提出，原子内电子的能量和光能一样，只能是特定值，电子只有在特定的能量下才能从一个原子轨道“跳跃”到另一个原子轨道，并同时释放或吸收一个光子
4. 量子理论方程
1925年，量子理论方程终于出现，取代了整个牛顿力学。
年轻的德国天才维尔纳,海森堡率先列出方程式
量子力学中，没有一样东西拥有确定的位置，除非它装上了别的东西。
没有量子力学就不会出现晶体管。
然而方程式并不描述物理系统内发生了什么，而只能说明一个物理系统如何影响另一个物理系统？
三、 宇宙的构造
20世纪上半时期，爱因斯坦用相对论描述了空间和时间的运作方式
玻尔和他年轻的门徒们用一系列方程捕捉到了物质奇怪的量子特性
20世纪下半时期，物理学家们在两个基础上，把两个新理论应用在了自然界的各个领域：从宏观世界的构造，到微观世界的基本粒子
人类宇宙构造的认知历史
天和地
2600年前，阿那克西曼德发起，为什么太阳、月亮和星辰都围着我们转
巴门尼德或毕达哥拉斯，意识到对一块空中的土地而言，地球最合理的形状是球形，后被亚里士多德证明，《论天》著作
哥白尼反对地心说，提出太阳才是行星运动的中心
后来知道太阳系只是不计其数的星系中的一个
20世纪30年代，银河系也只是众多星系浩瀚星云中的一粒尘埃
宇宙是大约150亿年前由一个极热极密的星云演化而来
四、 粒子
原子组成
- 原子由一个原子核和围绕它的电子组成
- 原子核由紧密聚集的质子和中子构成
- 质子和中子由更小的夸克构成
- 夸克由“胶子”的粒子“黏”在一起
粒子理论
理查德费曼、盖尔曼和一群意大利人导出，建立在量子力学的基础上，被称为“基本粒子标准模型”
缺陷：每个星系周围都有一团巨大的云状物，我们通过它对星体的引力和它使光发生偏折的现象发现，无法解释，被称为“暗物质”，不是原子、中微子、光子
五、空间的颗粒
20世纪两大明珠
- 广义相对论，是宇宙学、天体物理学、引力波、黑洞及其他许多研究的起源
空间不是一个静止的盒子，而是一个不断运动，像一个移动中的巨大软体动物，可以压缩和扭曲，我们被包在里面。 - 量子力学，是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚态物理等学科的基础。
所有的场都由量子构成，具有精细的颗粒状结构，于是物理空间当然也是由量子构成
它们相互矛盾，矛盾点：
广义相对论中的空间和时间是光滑且弯曲的，但到了波尔的量子力学当中，空间在微观尺度上是疯狂、剧烈涨落的
相互矛盾的伟大理论
- 牛顿整合了伽利略的抛物线运动和开普勒的天体椭圆运动，发现了万有引力
- 麦克斯韦将电和磁的理论结合起来，提出了电磁场方程
- 爱因斯坦在解决电磁学和经典力学的明显冲突时，发现了相对论
圈量子引力
试图把广义相对论和量子力学结合起来
描述：没有包含着世界的空间，也没有发生于其中的时间，只有空间和物质的量子持续相互作用的基本物理过程
六、概率、时间和黑洞的热
1. 热的本质
原子和原子团组成的分子处在不断运动的状态中，热空气的分子跑得快，冷空气的分子跑得慢
热量从热的物体跑到冷的物体遵循统计学的概率：一个快速运动的热物体原子更容易装上一个冷物体的原子，碰撞过程能量守恒，最终倾向于平均分布
2. 黑洞的热
发生在黑洞这种物体上的量子效应
七、我们
我们由原子和光信号构成，我们同我们周围所有生物由共同的祖先繁衍而来
世间万物都在不断相互作用，不断地交换信息，自然界中连续不断的信息交流是如何塑造我们和我们的思想的？
意大利科学家朱利奥托诺尼提出“整合信息理论”，试图界定系统要有怎样的量化结构，才能具有意识。比如，描述我们清醒时和睡着时，大脑物理层面究竟发生了什么变化。
我们的爱与真诚与生俱来，我们天生就渴望懂得更多，渴望不断学习，我们对世界的认知在不断增长。我们渴望探索空间纹理的细微之处，探索宇宙的起源，时间的本质，黑洞的现象，以及我们思维的运行。