2019.04.10

赵老师的音频讲座反复听了无数遍，又看了这么书，收获很大，书里针对讲义多了一点点细节，同时也很佩服赵老师引用的诗词。

2018.10.03（周三）

《物含妙理总堪寻》- 03

古希腊对一个星座中的恒星这样命名，最亮的叫α，其次叫β……，根据恒星的亮度从大到小的顺序排过去。

古希腊命名亮度规则，后来有的亮星变暗了

麦哲伦环绕地球航行的时候，曾经在赤道以南航行，在赤道以南可以看见南天的星空，这些星空在北半球看不到。当麦哲伦的船队穿越美洲最南端的海峡时，随船的天文学家在南半球的天空中发现了这两个星系，就把这两个星系命名为大麦哲伦云和小麦哲伦云。

北半球看不到的

所以望远镜不仅在看远方，而且也在看历史。越远的星系，我们看到的越是它古老的景象。

看到了历史

爱因斯坦说，你们看一个篮球的表面。这个篮球的表面面积是4πr2，是有限的。一个二维的生物在上面爬来爬去，永远爬不到边，这就是一个二维的有限无边的空间。

爱因斯坦建议大家充分地发挥想象力，想象我们的三维空间是有限无边的。他认为三维空间应该是一个超球面。超球面可不是个实心球啊，那是四维时空中的一个三维的球面。我们的宇宙就是这样的，四维时空当中的一个三维超球面。他认为时间不停地走着，而这个超球面没有变化。

有限无边

伽莫夫考虑，勒梅特讲的这个原始的、热的宇宙蛋是不是一个核火球啊？应该把核物理用进去。于是他就把核物理用到宇宙演化的研究中了。根据他的观点，最初宇宙是一个核火球，这个核火球逐渐膨胀开来，慢慢地降温形成我们今天的宇宙，这就是所谓火球模型。

但是这个模型遭到主张稳恒态宇宙模型的霍伊尔（就是后来被霍金挑错的那个人）讽刺，他说这个模型简直就是一场大爆炸，还不如叫大爆炸模型算了。结果大爆炸模型这个名称一直沿用至今。现在大家叫火球模型的反而少了。

火球模型就是大爆炸模型

这种暗能量还有一个奇特性质：不参加电磁相互作用。不参加电磁相互作用就使你看不见它，它既不发光，也不挡光，它对光是透明的。这种物质就叫暗能量。

当代的两朵乌云：暗物质与暗能量暗能量跟暗物质都是透明的，暗物质是成团结构的，基本上是聚集在有恒星、有星系的地方，比如银河系的中心附近，许多人推测存在大量的、我们看不见的这种暗物质。

暗能量

有一位天体物理学家就跟大家说：“千万不要去追一辆公共汽车、一个女人，或者一个宇宙学的新理论，因为用不了多久你就会等到下一个。”

太生动了

第六讲时空隧道与时间机器

一个洛伦兹虫洞出现的话，我们在天空中会看见一个球，这个球就是洛伦兹虫洞的洞口。火箭从这里进去，就会看到一条隧道（即虫洞），通往别的地方。

人扯碎了现在先不管，现在只考虑原子不扯碎，先考虑这个问题，人不扯碎那要求就更高了。要维持这样一个虫洞，需要相当于银河系发光物质一百倍质量的负能物质。我们从来没有看到过大量的负能物质，所以撑开虫洞现在看来条件是很苛刻的。

虫洞很难维持

唯独热力学第二定律告诉我们，自然过程不是可逆的，时间是有一个流逝的方向的。虽然现在有人谈论热力学的时间箭头，宇宙学的时间箭头，心理学的时间箭头，我认为所有这些箭头归根结底都是热力学的时间箭头，都是热力学第二定律的表现。为什么会有热力学第二定律？为什么会有不可逆性？不清楚。这种不可逆性，不能够从其他的理论推出来，所有从其他物理理论推导出不可逆性的企图都失败了，这个事情也是很奇怪的。

热力学第二定律是有方向性的

我们看，假如宇宙中真的出现了一个虫洞，大家会看到什么呢？会看到一个球状的虫洞口。那个洞里的景象跟外面的天空是不一样的。正如李白的诗：洞天石扉，訇然中开，青冥浩荡不见底。

你看到的景象可以说是别有洞天了。还有一位艺术家写过这么一首诗，说：只闻白日升天去，不见青天降下来，有朝一日天破了，大家齐喊阿癐癐这个球状的虫洞口，难道不像天破的一个洞口吗？“

都是好诗

2018.10.04（周四）

《物含妙理总堪寻》- 04

卢瑟福是一位杰出的导师，他培养了很多优秀的学者，培养了11个获得诺贝尔奖的学生，特别著名的就是玻尔和查德威克，还有卡皮查。卡皮查是搞低温物理的。

卡皮查是来自苏联的优秀学生。苏联在十月革命以后，有几次稍微把国门打开一点，派出去一些学者。卡皮查跟一位老先生来到英国考察。考察以后他就不想回去了，但是卢瑟福怕影响英国和苏联的科学交往，不愿意收他当研究生，劝他回去，说“我已经招满了”。“你招多少呀？”“我每年就招30个学生，我已经招满了。”“你就那么严格吗？有点误差没有啊？”卢瑟福说：“有误差，5％。”“你看，加上我还不到5％”，于是卢瑟福就把他留下来了。

很聪明的辩解

玻尔对他老师的模型进行了重大改造。大家都知道，就是轨道量子化（图7-5）。玻尔认为，核外的电子只能在若干特定的轨道上运行，这些轨道不会变化。

波尔改造模型

泡利就假定，每一个状态只能容纳一个电子，每个轨道上有两个状态，这叫不相容原理。这两个状态是什么？泡利说不清楚。为什么会有这个原理？也不清楚。有了这个原理，最里层轨道的状态填满后，电子就要填外层轨道，然后再填更外层轨道，一层一层往外排，这样就把周期律和光谱线全都给解释清楚了。

泡利不相容

泡利还批评过那位发现反质子的赛格雷，他是意大利的物理学家。赛格雷有一次做报告，做完报告步出会场的时候，泡利和赛格雷一起往外走，一边走一边说，“你今天这个报告，是我这几年听见的最差的一个。”后面有个年轻人听见泡利讲这个话就笑起来了。泡利一回头看他笑，又说了，“你上次那个报告除外。”

泡利的嘴真毒

自古以来几何作图题里面有三大难题。一个是用直尺和圆规能不能三等分一个角，这是大家最熟悉的；还有一个，能不能用直尺和圆规做一个正方形，使它的面积和一个已知圆的面积相等，即化圆为方；第三个问题是能不能用直尺和圆规画出一个立方体，使它的体积是原来立方体体积的两倍，即立方倍积问题。

三大难题

当时玻恩在哥丁根大学主持一个理论物理研讨班，数学大师希尔伯特经常来听。这个研讨班有一句格言叫“愚蠢的问题不仅允许，而且受欢迎”，就是要自由讨论，鼓励青年人勇敢发言。

要用于犯错

因为数学逻辑是很严谨的，而搞物理的这帮人呢，是一边猜想着一边研究。希尔伯特听完他们的讨论之后觉得：哎呀，怎么这个样子啊！希尔伯特感叹之后就说了一句话：“看来物理学对于物理学家来说实在是太困难了！”讽刺了一通。

连猜带蒙研究物理

现在来讲真正的量子力学的建立。真正的量子力学，首先是从矩阵力学开始建立的。创建矩阵力学，海森堡的贡献最大。海森堡在玻恩的启发下，认识到看不见的东西其实并不重要，重要的东西是我们能够看见的，实验上能够测到的东西。

海森堡开窗矩阵力学

瑞士那边有一个叫薛定谔的物理学家，搞了一套波动力学，没用他们的矩阵，只用微分方程就把那些光谱线也算出来了，他们觉得很奇怪。

奥地利物理学家薛定谔当时在瑞士工作，他们那个学校周末的时候经常有一些学术报告，有一次薛定谔在做完报告以后，主持会议的教授德拜对薛定谔说：“你今天讲的那些没有太大意思，听说德布罗意搞了一个物质波，你能不能下次把他的这个工作介绍介绍。”薛定谔说：“可以！”在第二次会议的时候薛定谔就讲，讲完以后德拜就问了：“它既然是个波，它的波动方程是什么样啊？”薛定谔想，对啊，德布罗意波没有方程啊！于是他就去努力寻找。过了一段时间以后，他又出来做报告说：“上次德拜教授说德布罗意波没有方程，我现在找到了一个！”

这就是著名的薛定谔方程，量子力学最基本的方程。

薛定谔方程

维恩怎么这么说话呢？原因是此前不久，他参加了海森堡的博士学位答辩，海森堡的导师是索末菲。答辩委员会主席就是维恩，维恩是位实验物理学家，海森堡的论文是搞流体力学的，本来他这论文讲的也没有什么问题，好像就可以通过了，结果在无意之中维恩问了一个关于光学误差的问题，海森堡不会，这就引起维恩注意了。又问他说“你跟我讲一讲法布里－珀罗干涉仪是怎么回事啊？”他讲不出来，维恩一看“嗯？怎么讲不出来呢？”又问“你跟我讲一讲显微镜的原理吧。”海森堡也不会，然后说“那望远镜呢？”他也不会。“那蓄电池呢？”还不会。维恩想，这个家伙简直是连本科毕业的水平都达不到，怎么能给他博士学位呢，就不想让海森堡通过。

海森堡的基础太差，难怪后来算铀的临界质量差那么多

1926年，玻恩提出了波函数的概率解释，认为德布罗意波是概率波。波函数的模的平方表示粒子出现的概率。后来，海森堡又在1927年提出了测不准关系，

位置和动量不能同时确定，这样粒子就没有轨道了。式（7.7）表示时间和能量也不能同时确定。

概率波和测不准

薛定谔始终不愿意承认概率波这套理论。爱因斯坦也认为概率的描写肯定不是最终的理论。有一些玻尔那边的年轻人就讽刺薛定谔，说“看来薛定谔方程比薛定谔本人更聪明”。

薛定谔反对概率波

薛定谔提出几个重要观点，一个是“生命来自负熵”，这个观点很重要。一般人都以为人们吃东西只是为了补充能量。维持生命最重要的条件是补充能量，能量是生命的源泉。薛定谔指出这种看法不对，没有抓住本质。如果只是为了补充能量的话，咱们都不用生产粮食了，只要挖煤就行了，只要把这屋里的暖气烧得比37℃高一点，那热量不就往身体里面流吗？但是经验告诉我们，这样并不能维持生命。

薛定谔指出，关键在于生命需要负熵来维持。需要高质量的能量，低熵的能量。与低熵相伴的能量才是生命的可用能，或者叫有用能。与高熵相伴的热能是比较低级的能量，对生命用处不大。他认为，生命的关键不在于能量，而在于负熵。这是一个非常重要的结论。

DNA的双螺旋结构的两个发现者——生物学家沃森和物理学家克里克，青年时代都读过薛定谔的《生命是什么？》这本重要著作。

薛定谔反而对生物学有了重大贡献

第八讲比一千个太阳还亮

约里奥很快就用实验证实了自己的想法，他明白自己找到了一条大规模利用核能的途径，找到了一种新的，可以大规模应用的能源。约里奥立刻把自己的两个助手约到咖啡馆，商量是否公布这一重大发现。当时欧洲上空已经战云密布，他们的发现有可能用于战争，带来灾难。他们三个人讨论以后认为：火和电的发现都曾经给人类带来过灾难，但更多的是人类文明的进步，应该相信人类可以掌握自己的命运，所以他们公布了自己的发现，把论文登出来了，但是他们没有说出能造原子弹，所以一般人也不大注意。

二战前，约里奥提出利用核能，发现可用于战争

日本的汤川秀树是亚洲第一个得诺贝尔奖的人。

1949年得诺贝尔奖，真厉害

1939年，德国进攻波兰，欧洲战场全面爆发，法国对德宣战以后，约里奥找了法国军备部部长，建议法国制造原子弹对付希特勒。但是，法国没能挺住，马奇诺防线很快被突破了。

约里奥在紧急情况之下，把他的实验室中的重水押运到法国南部的一个港口，装上了一艘去英国的船。然后他就返回巴黎，回到巴黎的时候，巴黎已经被德国占领了。德国占领军传讯了约里奥，问你的重水哪儿去了？约里奥在回巴黎的路上就听说从那个港口开出的另外一条去挪威的船被炸沉了，他就说放在那条去挪威的船上了。

约里奥保护重水，还参加巷战

在诺贝尔奖颁奖的时候，有一个仪式，就是获奖者的夫人会有机会和瑞典的王子一块儿跳舞。她（费米夫人）说：跟一个白马王子在一块儿跳舞，这是每一个小姑娘从小就有的梦想，这次我终于有了这个机会，不过呢，这位王子已经六十岁了。

费米夫人和白马王子

哥本哈根卫戍司令不想屈服，准备把武器发给老百姓进行巷战。国王说算了，咱们根本打不过德国，和德国签订停战协定吧。投降，但是要有条件，其中一个条件就是犹太人你们不能带走。在这一点上，丹麦人还是够意思的。丹麦方面说，你们强迫把犹太人聚集到一起可以，但是要允许他们的邻居去探望他们，因为他们的邻居对他们的安全很关心。所以丹麦的犹太人差不多都活下来了。

丹麦人很够意思

坐轰炸机的时候，轰炸机上每个人都有位置，机枪手你也不能让他腾出位置，为什么呢，因为中途可能碰上德国飞机，机枪手还有任务。玻尔没地方呆，就把他搁到炸弹仓里了，结果玻尔还休克了，因为有一段高空缺氧，他没有戴好氧气面罩，休克了，当然好赖还是到了伦敦。

“二战”以后有些记者，西方的记者就质问英国政府说，听说你们给驾驶员有个命令：这飞机如果要迫降的话，不能把玻尔交给德国人，要把他扔到海里。是不是有这么回事？一直质问，一直到70年代、80年代还有人在那儿质问英国当局，英国当局断然否认有这种事情。后来玻尔终于逃到了美国。

波尔逃到美国，差点死在轰炸机上

奥本海默受命担任了原子弹的总设计师。奥本海默开始找一些人，到他那儿工作。其中很重要的一个任务，是测铀的临界质量。

当时要找一个人来测临界质量，这件工作需要一个实验非常精细，又非常勇敢的人来做，需要有牺牲精神的人。

于是把斯洛廷找来，他同意了。他把两块铀装在一个架子上，然后用螺丝刀拧，使两块铀靠近，周围放了很多计数器，如果计数器嘎嘎响得厉害了，就赶紧把两块铀再拧开。拧开以后拿刀片削下一块，再让它们靠近，一直到计数器刚刚不响的时候，这时铀的质量就是临界质量，超过这个值它就会自动爆炸了。这样我们就知道，多大块的铀，就可以制成原子弹了。

“二战”之后，斯洛廷他们有一次测定的时候出事儿了。两块钚（钚是另一种可制成原子弹的元素）靠近的时候，计数器开始响了，正在此时他的螺丝刀一下掉到了地上，没法拧了，顿时那间屋子全被钚发的光照亮了。他只好马上用手把这两块钚掰开。当时他们几个人是坐成一圈的，斯洛廷说我是活不了多久了，但是你们还可以多活一段时间，然后他就把每一个人的位置，身体的什么部位对着钚块，都画在了黑板上。

铀发光，这个场景太恐怖了

费曼觉得那些人净搞些形式主义的东西，你看，把大门看得那么严，查得那么严，墙上有个洞他们不管。

太有道理了

费曼到那儿去报到。报到的时候正好已经下班了，他想先找一个住的地方，就找到学校宿舍的管理员。那个宿舍管理员说，告诉你啊，年轻人，真的是没有地方。管理员把他当成学生了，他说实在是没有地方，我要是剩有一个地方都让你住，但实在是没有地方了。

费曼没办法，就想在树林里坐一宿，第二天早晨再去找系办公室解决。但是晚上坐得很冷，不得不返回宿舍楼。没办法，只好在宿舍楼走廊里的长椅子上睡了一宿。等到天亮一上班，他就去找物理系主任。系主任说，唉，怎么会没有你的房子，单独给你留了房子啊，他们一定是搞错了，以为你是学生。于是系主任马上打了个电话，然后让费曼赶紧去，说有你的房子。他就去了。去了一看，原来值夜班的管理员下班了，换了个值白班的。值白班的人也不认识他，就对他说：年轻人，我告诉你，真的是没有房子，你知道不知道，昨天有个教授就在那个长椅子上睡了一夜。费曼说，我就是那个教授，我不想在那儿再睡一夜了。管理员恍然大悟，马上给他打开了一个房间。

这个笑话很有趣

我们再来看原子弹。原子弹引爆有两种办法，一种引爆法是枪法。就是两块铀，上面放一点推进剂，就是炸药，这两块铀的任何一块的质量都小于临界质量，炸药一炸，使两块铀合到一起就超过临界质量了，原子弹就爆炸了。还有一种呢，是铀在中间，周围一个球面上，全是炸药，炸药一炸铀块就往中心挤，一挤紧，铀之间的空隙就小了，那么临界质量的要求就低一点，然后就引爆了。这种方法叫做内爆法。

原子弹的两种引爆方法

约里奥曾经对钱三强讲，说你们两个人都是优秀的青年物理学家，我本来希望你们终生在居里实验室工作，但是我也知道你们很热爱你们的祖国，我也不能强留你们。随后，在告别宴会上约里奥拿出一个盒子，说我没有什么礼物可以送给你们，这里面有些标定了放射性强度的放射性元素，这对你们的国家可能是有用的，就送给钱三强了。钱三强回来以后把它搁在中国科学院的仓库里，后来中国开始核物理研究的时候，把这些东西拿出来用了。

约里奥对中国很好

第一座核反应堆，是费米在美国芝加哥大学研制出来的，在“二战”期间就已经开始运作了。大家请看图8-11，这张图是后来的人画的，当时不准拍照。大部分人都在核反应堆的左边看，右边还有三个人，这三个人是“敢死队”。为什么呢，如果这个反应堆要控制不住了，他们抱着一些能够吸收中子的溶液，可以倒进管道里去，让反应停下来，但是如果核反应停不住，这三个人就完了，就肯定不行了，来不及跑了。

第一座核反应堆

2018.10.05（周五）

《物含妙理总堪寻》- 05

太阳表面温度是6000度，中心温度是1500万度，那里不断地进行着氢聚合成氦的热核反应，维持它的生存。

1500万度是什么概念？

木星左下部有一块大红斑，从伽利略时代就发现的这一块大红斑，一直保留到现在。

木星既然是一颗流体星，为什么会有一个大红斑老是在那个位置上不动呢？以后人们才知道，那是一个旋风。木星上的大旋风。这个大旋风已经存在几百年了。这个斑为什么是红色的呢？因为含有大量的磷的化合物。这个红斑很大，可以把地球搁进去。

惊人啊

1994年让地球人大开眼界，有一个彗星的头碎了，碎成二十多块砸在了木星上，在木星上面砸出一洞（图9-31）。砸的能量有多大？这二十几个碎块砸上去以后，相当于二十亿颗原子弹（以广岛那颗原子弹为准）那么大的威力。砸后的黑斑存在了好长时间。注意，木星是一个流体星，它不是固体星，但是砸完之后还是留下一个洞。在流体上砸的那个窟窿，可以把地球搁进去。所以彗头要是撞在地球上，事情还真是不可低估。

彗星的威力

比如说就记载了：周懿王元年，“天再旦于郑”。就是说周懿王的元年，在郑这个地方，也就是河南，天亮了两次。很多人都认为这是瞎说，天怎么会亮两次呢。现代天文学家研究以后，认为如果是在太阳即将出来的时候，发生日全食，就会出现“天再旦”现象。然后中国人就研究了，研究这次日全食发生在什么时间，提出了一个年份。结果日本人提出不同意见：你们说得不对，你们说的那一次日全食，中国看不见，在太平洋上的人才能看见。日本人认为中国能看到的那次日全食，应该发生在公元前899年。于是天文考古就确定了，周懿王元年是公元前899年，这就把中国历史上有确切纪年的时间推到了周懿王元年。

日出前的日食

地球的半径是6400公里，月球的半径是1700公里，太阳的半径是70万公里，日地距离是1.5亿公里，叫一个天文单位。

光大概走七八分钟的样子，就可以从太阳到达地球。冥王星距太阳是40个天文单位，光走5小时。太阳系的直径是多少？大概是1光年。

1.5亿公里是1个天文单位

第十讲时间之谜

柏拉图对时间有一个论述，说：时间是“永恒”的“映像”。

有意思

因为亚里士多德把柏拉图的学说颠倒了一个个儿。他认为我们看不见的东西都不是真实的，我们看见的万物才是真实的东西，他不承认有“理念”这个东西。从我们今天的观点来看，柏拉图的理论是唯心的，亚里士多德的理论是唯物的。

老师和学生意见不一致

柏拉图曾经创立了一个叫阿卡德米的学院，英文的academy这个单词就是从这儿来的

学院的来历

子在川上曰：逝者如斯夫！不舍昼夜。什么意思呢？就是说孔夫子坐在河边上讲，时间，就像这河流一样永远不停地流逝。孔夫子把时间叫做“逝者”，这是很高明的！因为时间除去有一个可以测量的特性以外，它还有一个流逝的特性。

孔子注意到时间的方向性

爱因斯坦的狭义相对论认为，时间和空间是一个整体，是不能分割的。能量和动量也是一个整体，也是不能分割的。他开始把时空连在一起了，叫四维时空；把能量动量连在一起了，叫四维动量。

很难理解

最近喜欢的诗文

欧阳修老先生还是很有情调的人，这首词就非常暧昧，其中的“月上柳梢头，人约黄昏后”，成了千古的名句。
《生查子.元夕》——欧阳修
去年元夜时，花市灯如昼。
月上柳梢头，人约黄昏后。
今年元夜时，月与灯依旧。
不见去年人，泪湿春衫袖。(泪湿 ：一作：满)

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