第一章2時空與萬物

大學物理南京航空航天大學理學院（施大寧教授編著）hechongjun@赫崇君主講自然與數(shù)學物質(zhì)世界的層次宇宙中的均衡與相互作用黑洞的意義§1.2時空與萬物

空間

時間

光自古希臘起，自然哲學家一直在探索三者之間的關(guān)系一個人倘若常常凝想宇宙的浩渺無際，時間的茫無頭尾，便會產(chǎn)生虛無感和人生短暫的傷感。反過來，如果人們意識不到宇宙在時空上的無限性，便會使心靈因缺少哲理的依托而變得輕浮淺薄。

一、自然與數(shù)學

一、自然與數(shù)學畢達哥拉斯（Pythagoras，584-497BC

）:“數(shù)即萬物”

宇宙的本質(zhì)可以通過數(shù)字和純幾何形式來揭示自然是和諧的則兩弦發(fā)的音相差8倍則兩弦發(fā)的音相差5倍Euclid’s公設（Postulates）1.兩點之間存在一條直線。

2.任意一條線段可以無限延長成直線。3.以任意一條線段為半徑可畫一個圓。4.所有直角一概相等。5.平行線永不相交。公元前3世紀，歐幾里得（公元前330？—前275？）創(chuàng)立了作為整個科學基礎的歐氏幾何學，即《幾何原本》。

一、自然與數(shù)學

-把抽象思維轉(zhuǎn)化成幾何圖形

-定義了與圖形相關(guān)的術(shù)語

-在幾何圖形基礎上提出了若干公理（axioms）

-在這些公理的基礎上提出5個公設（postulates）隨后，阿基米德補充：空間任意兩點的最短距離是直線。歐氏幾何系統(tǒng)來源于智力抽象（mentalabstraction）歐氏幾何的核心：空間是由直線構(gòu)造而成的；圓是最美的形式。這個幾何系統(tǒng)意味著空間是均勻(uniform),連續(xù)(continuous),同質(zhì)(homogenous)和空的(empty)。

一、自然與數(shù)學在柏拉圖（427-374B.C.）學院的大門上雕刻著:

“不懂幾何學者勿入”（Letnooneenterwhoisnotschooledingeometry）芝諾（Zeno,公元前5世紀哲學家）提出悖論，來揭示有關(guān)空間概念的矛盾之處。(例如：飛毛腿阿基里斯和烏龜賽跑)

一、自然與數(shù)學歐氏幾何

成為古希臘科學與哲學的基礎。希臘人一直沒有認真對待和真正解決這個悖論OAlBCD…設阿基里斯和烏龜?shù)乃俣确謩e為V1和V2（V1>V2）

一、自然與數(shù)學時間的意義：時間圖像必須既具有線性化的直線特征，又必須包括輪回性的圓的特征

,這就是螺旋線，代表一條均勻流逝的，又具有輪回周期特征的時間長河

.人類不僅可以觀察自然，更具有在高層次上，抽象思考自然的能力

一、自然與數(shù)學組成宇宙物質(zhì)的五個基本物體（ThefivePlatonicSolids）六面體

earth（土）四面體fire

heat八面體

air

gas十二面體

universe(星系)

aether(以太)二十面體

water

liquid柏拉圖(Plato,427-347BC)——完美的幾何形體

一、自然與數(shù)學《雅典學派》拉斐爾Raphael，1510-1511）拉斐爾定格了哲學家那崇尚高貴的情操和古希臘那高度理想的黃金時代

一、自然與數(shù)學

一、自然與數(shù)學哲學是科學的純粹形式；古希臘哲學的核心是理性主義古希臘科學的品質(zhì)是理性、理想和唯美的結(jié)合。這種思想直接被物理學所繼承，比如開普勒行星模型：

一、自然與數(shù)學物理學中模型的意義：從個體到一般從復雜到簡單從現(xiàn)實到理想物理學的基本方法之一：還原論

二、物質(zhì)世界的層次四方上下謂之“宇”——空間空間基準單位是“米”10冪次方代表“數(shù)量級”

1025—10-15

稱之宇宙的40個“臺階”時間基準單位是“秒”10冪次方代表“數(shù)量級”

時間的跨度也是40個數(shù)量級“阿秒”——10-18秒

二、物質(zhì)世界的層次古往今來謂之“宙”——時間阿秒頻閃技術(shù)觀察電子運動李政道先生書：宇宙大蟒——至大的宇宙和至小的基本粒子遵循的物理法則是相同的。

二、物質(zhì)世界的層次微觀介觀宏觀宇觀量子力學經(jīng)典力學天體物理

二、物質(zhì)世界的層次

二、物質(zhì)世界的層次質(zhì)量跨度1078個原子，造化無限物理學的基本方法之二：實驗研究

三、宇宙中的均衡與相互作用結(jié)論：自然界的物質(zhì)存在不是隨意的，其存在的可能性由某種規(guī)律決定。自然力的平衡結(jié)果推論：自然力的數(shù)目有限。

三、宇宙中的均衡與相互作用強力弱力萬有引力電磁力什么是力？簡單地說，力將驅(qū)動宇宙間物體，改變它們的運動。

只有四種自然力控制整個宇宙：

原子核內(nèi)10-15米宏觀宏觀相對強度110-3原子核內(nèi)10-15米10-3810-2黑洞區(qū)量子區(qū)天公造化非無限物含妙理總堪尋

三、宇宙中的均衡與相互作用（質(zhì)量大，體積小）（質(zhì)量小，體積小）密度的相似性：自然力的平衡結(jié)果

三、宇宙中的均衡與相互作用“測量”的意義：質(zhì)量大，晃動小，可“見”質(zhì)量小，晃動大，不可“見”什么是黑洞（Blackhole）？光線天體質(zhì)量增加，或半徑減少，逃逸速度增加。如果逃逸速度大于光速c,則光也無法逃逸。

四、黑洞的意義黑洞經(jīng)典定義：

四、黑洞的意義地球（半徑為6400公里）變成黑洞，大小如同乒乓球太陽（半徑為70萬公里）變成黑洞，半徑只有3公里經(jīng)典觀點：黑洞——致密天體（每立方厘米100億噸）

四、黑洞的意義利用黑洞模型估計宇宙大小：意義：生活在此球內(nèi)部的人，不可能將光發(fā)射到其之外宇宙的平均密度：

得宇宙的大小R

四、黑洞的意義什么是黑洞(Blackhole)？現(xiàn)代定義：世紀大賭博索恩(KipThorne)賭:Yes霍金(StephenHawking)賭:No黑洞真的存在嗎？天鵝座

X-1

四、黑洞的意義黑洞可探測嗎？來吧！你永不可拒絕我，這個世界，才是我最后的晚餐。

—施大寧Yes!

黑色晚禮服的小伙子和白色衣裙的姑娘翩翩起舞

四、黑洞的意義

四、黑洞的意義黑洞的時間圖景：你的時間越來越慢，最終成為永恒。你我進入黑洞的那一瞬間，你看到了宇宙的全部時間：過去、現(xiàn)在和將來

愿意去體味嗎？

落入黑洞，粉身碎骨。黑洞蒸發(fā)時，再循環(huán)為粒子和輻射。不朽的是質(zhì)量或能量。

四、黑洞的意義千萬說No！霍金給出了“黑洞蒸發(fā)”的物理圖像。

四、黑洞的意義黑洞與白洞？科學幻想還是物理實在？時空中不