书城科普爱因斯坦的圣经
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第12章 新约(10)

有多种固体存在。金属中的电子穿过固体自由流动,所以通电时金属将会导电。超导体是一种电子在其中无任何阻力运动的物质。在绝缘体中,电子将紧紧束缚在原子之内。磁铁是带有磁性区的固体,其磁性由电子的循环运动或自旋而产生。半导体是一种施加少许能量便可令电子流动的绝缘体。

晶体是一种其原子像士兵一样编成队形的固体,翡翠便是一例。晶体以不同的方式结合在一起。离子晶体由电荷相反的离子组成,离子由静电引力固定在一起,食用盐便是一例,其化学成分为NaCl,它由带正电的钠原子和带负电的氯原子间隔构成的三维阵列。分子晶体由范德瓦尔斯力约束。固态氪就是这样的晶体。共价晶体由共价键联结在一起,宝石便是例子。在金属晶体中,原子将尽可能紧密地堆在一起。在这紧凑的分布中,电子在原子间跳跃,因此导电,镁晶体便是例子。

第4章:液体

液体是一种可以流动的物质。与固体不同,液体中的分子可以自由移动。但原子力足够强大,使分子保持在一起,室温下的水和水银便是两个例子。玻璃是稠得几乎不流动的一种液体,而超液体则无阻力地流动。

液晶是一种长刚性分子液体,所有分子都近似地指向同一方向。此时,分子将自由运动,但它们几乎不旋转。所以在某些方面,液晶将像晶体一样。但在其他方面,它们将像液体一样流动。计算器和手提电脑常使用液晶做显示屏。

溶液是一种能溶解另一种固体、液体或气体的液体。例如海中的盐水。

凝胶是一种富含液体的准固体,可塑性是它的一个特性,明胶和果冻便是例子。溶胶是灰尘大小的微粒悬浮在一种液体或气体中。水溶胶是水状溶胶,气溶胶是气状溶胶。乳胶是奶油或软膏这样的浓稠液溶胶,蛋黄酱和植物黄油便是例子。泡沫是有气体从中逸出的液体,搅拌过的奶油和啤酒泡沫是典型的例子。糊状物是更浓稠的液溶胶,如油彩或封泥。由长链分子组成的凝胶被称为聚合物,蛋白质、橡胶、尼龙便是例子。

第5章:气体

气体中的分子不再捆在一起,相反,它们将碰撞、颠簸并易于飞走。它们必须装起来,否则会扩散:氦气必须充在箱子里或气球中。大气由地球引力控制着,但在高海拔处的分子仍会设法逃脱。地球表面每立方米空气中有20万亿兆个分子。

等离子体是一种离子气体。它由加热的气体所产生,热将使正负电荷分开。最初30万年,直到重新组合,整个宇宙都是这样的等离子气体。

第6章:天文物质

固体化合物结成灰尘、沙子和岩石,岩石聚结形成行星。浓密的等离子体形成太阳和所有的恒星。一颗带有行星的恒星星体就是恒星星系。恒星与行星系、灰尘和气体将组成一个星系。一个银河星团由一组星系、星际尘埃和气体组成。所有的银河星团和空虚的真空组成宇宙。

物理学之第二书,称为力

力将驱动宇宙间的物体,

改变它们的运动。

在你、你的同伴和邻居中,

是自然力在推动。

第1章:基本的力

它们将像风一样无形地起作用。

四种基本力将控制物体和物质的运动。它们是引力、强相互作用力、弱相互作用力和电磁力。

引力将作用于物体。强相互作用力将把夸克拥抱在一起形成中子和质子。弱相互作用力将导致原子核微弱的衰变。电磁力将作用于电荷和电流,它是原子和分子中的约束力。

第2章:宏观的力

宏观的力将是那些推、拉和驱动的力。引力、磁力和电力似乎神秘地穿过虚空在一定距离处起作用。

有许多种宏观力存在。一种是气体压力。蒸汽从壶中喷出将产生力。大气总是向下压迫着地球,导致气压计中的液体上升。风吹在窗户上使它格格作响。摩擦力是另一种宏观力,当一个物体与另一个物体相接触它便产生。空气摩擦力将阻碍降落伞或羽毛的坠落。两个固体之间的摩擦力使汽车移动、使人能行走。没有这样的摩擦力,地面将像冰一样,车轮会原地打滑,而最轻微地动一下脚也会使人跌倒。还有一种宏观力由弹簧产生。弹簧可作为床的支垫,使床舒适而柔软。在所有这些情况下,力将由微分子间的相互作用所产生:气压由分子从一个表面弹回而产生,摩擦力由沿相反方向运动的分子间原子相互作用而产生,而压缩的弹簧将向外推,因为分子键被压紧了。

所有分子间的相互作用都是由电磁作用产生的,电磁作用将产生除了引力之外的所有宏观力。

四种基本的力将支配一切,或远或近地起作用,控制或大或小物体的运动。它们使星际气体崩溃形成恒星,使瀑布坠落,使行星围绕太阳运转,使大陆漂移,使动物行走,使汽车开动,使直升飞机上升,使炸弹炸裂成碎片,使云彩飘动,使血细胞穿过脉管和心脏涌流,或者输送电荷流过电线。它们可使巴士停下或启动,使火苗闪烁,产生潮汐,或者使橡皮反弹。它们操纵巨浪推动航船。它们在线圈中盘旋。它们使风扇中的空气流动,控制风和天气。或者使大桥屹立,把分子束缚在一起。它们使一片口香糖发粘,或者推动一个被击中的棒球。它们转动表中的齿轮使钟表滴答。它们使挡风玻璃上的雨刷粘滞,使弹簧弹起,或者保持细胞壁完整无损。它们使琴弦颤动,使原子核相互作用。它们引发地震使家具摇晃,或者将夸克束缚在π介子或质子中,触发μ介子使之衰变。它们由引力子、胶子、大向量玻色子或光子产生。它们使悠悠球忽上忽下,或者使哨子呜叫。简而言之,它们将控制宇宙。

物理学之第三书,称为经典物理学

感谢自然。

让她的规律广为人知。

于是它被写下。

于是它将存在。

第1章:第一定律

经典力学有三个基本定律,被称为牛顿运动定律。它们将支配宏观物体的运动。

第一定律:每一物体在没有受到外力作用的时候,静止的物体仍保持静止,运动的物体仍保持其匀速直线运动。第一定律也叫惯性定律。

第一定律反映出物体固有的和自然的“懒惰”。无生命的物体缺乏运动的愿望。如果没有受到强迫它为什么要改变?所以,任何物体,无论有无生命,都想永远在自然中懒惰下去。

你为何拍动翅膀?为何在沙漠行走?

为何向天空举起手臂?

为何努力又努力地做这样的事情?

加速度使物体速度或方向发生改变,所以加速度是运动的改变,表示一种“不懒惰”。它反映出动机和改变的欲望。

第2章:第二定律

第二定律:物体的加速度与外力成正比,与物体的质量成反比。这个定律被称为F=ma或称作用力定律。

所以力是改变运动的动因,质量将衡量出物体的“懒惰”程度。重的物体非常懒惰,它们抗拒改变,对力的反应缓慢。轻的物体要勤快一些,对力的反应很快。

如果你尽全力去推一块半吨重的石头,石头几乎一动不动;但如果你用同样的力推一本放在桌上的书,书难道不会飞出去吗?

第二定律为表面看来是任意运动的物体找到了一个根据。当一个天生懒惰的物体快起来或慢下来,向右或左转弯,向上或向下翻,那么它这么做不是凭它本身的意志,而是因为有外力强迫它如此。于是,一枚硬币抛起,翻转着落到地上,是因为有一个力存在。这力是引力。所以物体的加速也是由于力的作用。仿佛自然机械地驱使物体改变行为。所以力是自然戒律的体现。

聪明的人不难看出第一定律是从第二定律得出的,因为,如果没有力作用于物体,就不会有加速度存在。确切地说,没有加速度,速度和运动方向不会改变。

没有力便不会有运动。

第3章:第三定律

第三定律:当两个孤立物体相互作用时,它们彼此施加的力将大小相等,方向相反。这就是作用与反作用定律。

这个定律表明了在所有神圣与凡俗物间的游戏是公平的。例如,如果你握住一个伙伴的手向后拉,你将向你的伙伴移动,但你的伙伴也会向你移动。因此你无法把力施加到你的伙伴身上而自身不受力的作用。你推他就是他推你,你拉他就是他拉你。所以这两股力将大小相等。这是恰当和公平的。

你怎样待人,人也怎样待你。

当推变成撞时,推和撞都不会获胜。

例如,当你推一堵墙时,墙反推回来。这就是为什么墙没有移动,似乎墙长了手一样。

第4章:引力

丘比特不断地放箭。

使相爱之人互相吸引。

引力定律:两物体间的引力与它们质量成正比,与距离的平方成反比。引力将沿物体间的连线起作用。这就是牛顿的万有引力定律。

引力随距离的平方而减弱即:如果两物体间的距离加倍,引力将减小4倍。如果距离扩大为3倍,引力将减小9倍。如果距离扩大为4倍,引力将减小16倍。如此类推。所以,只有相对邻近的物体才会感觉到引力。于是月亮被地球吸引,地球和月亮被太阳吸引。地球和月亮也会感到来自最近的恒星的一股极小引力,因为这颗阿尔法半人马座有40万亿公里远。

引力与质量成正比即:如果地球的质量加倍,地球的引力也将加倍,你的双脚会感到双倍的拉力,你的体重用秤称量时将会加倍。如果地球质量变成3倍,地球引力也将变成3倍。如果地球质量变成4倍,它的引力也将同样增加4倍。如此类推。

一个基本参数将控制引力的大小,它就是万有引力常量,也称为牛顿常量。它是6.67×10(上标-11)牛顿。因为它如此之小,只有在一个物体质量巨大时其引力才有影响。所以,地球、太阳和银河将产生相当大的引力,但是岩石、砖头和大楼却不能。

引力将无处不在,它是所有巨大物体之间的强制性的“爱”。所有巨大物体都会感到彼此的吸引。这将是相互的和单性别的,不存在雌性物质也不存在雄性物质,只有一种物质存在。

从古代的天空传下这样的戒律:

你应爱你的邻人如同爱自己。

你应爱你的敌人如同爱朋友。

弱守恒定律已包含在牛顿的万有引力定律之中。它说,牛顿第二定律中的物质与牛顿万有引力定律中的物质是同一的。所以只有一种物质存在。

引力可以被理解成仿佛有一个圣灵在场,一个巨大物体将在周围创造出一种气氛引力场。而第二个物体,在第一个物体的存在中,将感受到前者的气氛。这气氛将把它吸引向前者。

第5章:行星运动

行星围绕太阳的运动将由牛顿的万有引力与运动定律做出解释。这四个定律将结合起来产生三个称为开普勒定律的次定律。第一次定律说,行星将以椭圆轨道绕太阳运动,太阳将位于椭圆的两个焦点之一。第二定律说,在太阳与行星间画下的一条直线将在相同时间内扫过相同的面积。第三定律说,时间的平方将与平均距离的立方成正比。时间是指行星绕太阳一周的时间,平均距离为近日点和远日点的平均值。时间的平方与距离的立方成正比即“如果距离增加4倍,时间将增加8倍。如果距离增到9倍,时间将增到27倍。如果距离增加16倍,那么时间将增大64倍。如此类推。

所以离太阳较远的行星绕太阳一周需要较长时间,土星就是个例子。土星离太阳的距离大约为地球的9倍,它绕太阳一周的时间大约也为地球的27倍。地球一年绕太阳一周,土星将需要约27年绕太阳一周。

由牛顿定律推导出来的开普勒定律将成为宇宙的法则。小行星和彗星也将遵守开普勒定律。这些法则适用于任何由引力束缚在一起的双体系统,如月亮和地球。

第6章:地球引力

引力使地球表面的物体坠落。它使高尔夫球和篮球返回地面。当空气摩擦力忽略不计时,所有物体,无论其质量为多少,都将以同样的速度下坠。例如,一片羽毛和一片重铁片在真空中的坠落速度是完全一致的。当物体从高塔或悬崖上下落时,它的坠落距离与时间的平方成正比。在一秒中,物体将坠落5米。所以在两秒中,它将下落四倍远,也就是20米。在3秒中,它将下落9倍远,即45米。如此类推。抛物运动将是某种物体,如矛、球或导弹穿过空中的运动轨迹。水平和垂直运动将是互相独立的。例如,一个抛射体水平方向的运动将是匀速的。但它在垂直方向的运运将是匀加速度运动,它将在第一秒中下落5米。加速度由地球引力产生,它将把所有物体引向地心。

第7章:动量

动量是一个运动物体所能产生的推动力的量。质量越大动量越大。一辆卡车和一片叶子以相同的速度运动,卡车的动量更大。与此类似,速度越快动量越大。射出枪膛的子弹比抛入空中的硬币动量更大。

第8章:能量

有两种类型的能量存在:动能与势能。动能是运动的能量。任何运动的物体都具有动能,运动越快,动能越大。势能是物体在一次相互作用中蓄积的能量。桌上的一只球具有一定的引力势能,地板上的球则没有。在球坠落时,它的速度加快,因为势能被转换成了动能。物体将不断地交换动能和势能,但总能量将保持不变。

能量像感情一样。动能就像亢奋的情绪,一阵剧烈的跳上跳下。势能就像抑制的感情,一旦释放,将引发暴力。

第9章:角动量

角动量是旋转动量。旋转的陀螺和溜冰鞋具有角动量,但沿直线奔跑的短跑选手却没有。角速度是一个旋转体旋转的速度。角速度越大,角动量便越大。

第10章:特殊运动

震动是前后的运动。秋风中一片叶子的运动便是一个例子。谐运动是反复和平滑的震动,如一根被弹拨的吉他弦。圆周运动是沿一个圆的运动,如费里斯转轮的旋转或者地球绕太阳的运动。

第11章:电力

丘比特不断地放箭。

使相爱的人互相吸引。

但恶魔将与人类为敌。

除了电荷将充当物质的角色外,电力像引力一样。但与只有一种类型的物质不同,它有两种电荷存在:正电荷和负电荷,与有量值的物质不同,电荷属于量子级,即有一个不可再分的基本单位。所以存在最小的基本电荷。质子的电荷将是这基本单位,一库伦的六百亿分之一,一个非常小的量。一个电子也将具有相应的基本单位,但它是负电荷。

电力定律:两个带电物体间的力将与它们所带电荷的乘积成正比,与距离的平方成反比。例如,如果两个带电物体间距离加倍,电力则减弱四倍。如此类推。如果两物体所带电荷相反,它们将产生吸力。如果电荷相同,则产生斥力。力的方向沿两物体间的连线。这个静电定律叫库伦定律。

一个基本参数,库伦常量,控制电力的大小。它是90亿牛顿。因为它如此巨大,电力将十分强大。所以很难将正电荷与负电荷分开,以至物质通常会含有同等数量的正负电荷,物质通常是中性的。

电力就像带电体间无处不在的强制性的“爱”和“恨”。所有带电体都会彼此感到强烈的吸引或排斥。仿佛存在着雌性电荷和雄性电荷一样。正如雌性吸引雄性,正电荷也将被负电荷所吸引,负电荷也将被正电荷所吸引。至于相同的电荷,正电荷将被正电荷排斥,负电荷将被负电荷排斥。