2019.04.10

趙老師的音頻講座反復聽了無數遍，又看了這么書，收獲很大，書里針對講義多了一點點細節，同時也很佩服趙老師引用的詩詞。

2018.10.03（周三）

《物含妙理總堪尋》- 03

古希臘對一個星座中的恒星這樣命名，最亮的叫α，其次叫β……，根據恒星的亮度從大到小的順序排過去。

古希臘命名亮度規則，后來有的亮星變暗了

麥哲倫環繞地球航行的時候，曾經在赤道以南航行，在赤道以南可以看見南天的星空，這些星空在北半球看不到。當麥哲倫的船隊穿越美洲最南端的海峽時，隨船的天文學家在南半球的天空中發現了這兩個星系，就把這兩個星系命名為大麥哲倫云和小麥哲倫云。

北半球看不到的

所以望遠鏡不僅在看遠方，而且也在看歷史。越遠的星系，我們看到的越是它古老的景象。

看到了歷史

愛因斯坦說，你們看一個籃球的表面。這個籃球的表面面積是4πr2，是有限的。一個二維的生物在上面爬來爬去，永遠爬不到邊，這就是一個二維的有限無邊的空間。

愛因斯坦建議大家充分地發揮想象力，想象我們的三維空間是有限無邊的。他認為三維空間應該是一個超球面。超球面可不是個實心球啊，那是四維時空中的一個三維的球面。我們的宇宙就是這樣的，四維時空當中的一個三維超球面。他認為時間不停地走著，而這個超球面沒有變化。

有限無邊

伽莫夫考慮，勒梅特講的這個原始的、熱的宇宙蛋是不是一個核火球啊？應該把核物理用進去。于是他就把核物理用到宇宙演化的研究中了。根據他的觀點，最初宇宙是一個核火球，這個核火球逐漸膨脹開來，慢慢地降溫形成我們今天的宇宙，這就是所謂火球模型。

但是這個模型遭到主張穩恒態宇宙模型的霍伊爾（就是后來被霍金挑錯的那個人）諷刺，他說這個模型簡直就是一場大爆炸，還不如叫大爆炸模型算了。結果大爆炸模型這個名稱一直沿用至今。現在大家叫火球模型的反而少了。

火球模型就是大爆炸模型

這種暗能量還有一個奇特性質：不參加電磁相互作用。不參加電磁相互作用就使你看不見它，它既不發光，也不擋光，它對光是透明的。這種物質就叫暗能量。

當代的兩朵烏云：暗物質與暗能量暗能量跟暗物質都是透明的，暗物質是成團結構的，基本上是聚集在有恒星、有星系的地方，比如銀河系的中心附近，許多人推測存在大量的、我們看不見的這種暗物質。

暗能量

有一位天體物理學家就跟大家說：“千萬不要去追一輛公共汽車、一個女人，或者一個宇宙學的新理論，因為用不了多久你就會等到下一個。”

太生動了

第六講時空隧道與時間機器

一個洛倫茲蟲洞出現的話，我們在天空中會看見一個球，這個球就是洛倫茲蟲洞的洞口。火箭從這里進去，就會看到一條隧道（即蟲洞），通往別的地方。

人扯碎了現在先不管，現在只考慮原子不扯碎，先考慮這個問題，人不扯碎那要求就更高了。要維持這樣一個蟲洞，需要相當于銀河系發光物質一百倍質量的負能物質。我們從來沒有看到過大量的負能物質，所以撐開蟲洞現在看來條件是很苛刻的。

蟲洞很難維持

唯獨熱力學第二定律告訴我們，自然過程不是可逆的，時間是有一個流逝的方向的。雖然現在有人談論熱力學的時間箭頭，宇宙學的時間箭頭，心理學的時間箭頭，我認為所有這些箭頭歸根結底都是熱力學的時間箭頭，都是熱力學第二定律的表現。為什么會有熱力學第二定律？為什么會有不可逆性？不清楚。這種不可逆性，不能夠從其他的理論推出來，所有從其他物理理論推導出不可逆性的企圖都失敗了，這個事情也是很奇怪的。

熱力學第二定律是有方向性的

我們看，假如宇宙中真的出現了一個蟲洞，大家會看到什么呢？會看到一個球狀的蟲洞口。那個洞里的景象跟外面的天空是不一樣的。正如李白的詩：洞天石扉，訇然中開，青冥浩蕩不見底。

你看到的景象可以說是別有洞天了。還有一位藝術家寫過這么一首詩，說：只聞白日升天去，不見青天降下來，有朝一日天破了，大家齊喊阿癐癐這個球狀的蟲洞口，難道不像天破的一個洞口嗎？“

都是好詩

2018.10.04（周四）

《物含妙理總堪尋》- 04

盧瑟福是一位杰出的導師，他培養了很多優秀的學者，培養了11個獲得諾貝爾獎的學生，特別著名的就是玻爾和查德威克，還有卡皮查。卡皮查是搞低溫物理的。

卡皮查是來自蘇聯的優秀學生。蘇聯在十月革命以后，有幾次稍微把國門打開一點，派出去一些學者。卡皮查跟一位老先生來到英國考察。考察以后他就不想回去了，但是盧瑟福怕影響英國和蘇聯的科學交往，不愿意收他當研究生，勸他回去，說“我已經招滿了”。“你招多少呀？”“我每年就招30個學生，我已經招滿了。”“你就那么嚴格嗎？有點誤差沒有啊？”盧瑟福說：“有誤差，5％。”“你看，加上我還不到5％”，于是盧瑟福就把他留下來了。

很聰明的辯解

玻爾對他老師的模型進行了重大改造。大家都知道，就是軌道量子化（圖7-5）。玻爾認為，核外的電子只能在若干特定的軌道上運行，這些軌道不會變化。

波爾改造模型

泡利就假定，每一個狀態只能容納一個電子，每個軌道上有兩個狀態，這叫不相容原理。這兩個狀態是什么？泡利說不清楚。為什么會有這個原理？也不清楚。有了這個原理，最里層軌道的狀態填滿后，電子就要填外層軌道，然后再填更外層軌道，一層一層往外排，這樣就把周期律和光譜線全都給解釋清楚了。

泡利不相容

泡利還批評過那位發現反質子的賽格雷，他是意大利的物理學家。賽格雷有一次做報告，做完報告步出會場的時候，泡利和賽格雷一起往外走，一邊走一邊說，“你今天這個報告，是我這幾年聽見的最差的一個。”后面有個年輕人聽見泡利講這個話就笑起來了。泡利一回頭看他笑，又說了，“你上次那個報告除外。”

泡利的嘴真毒

自古以來幾何作圖題里面有三大難題。一個是用直尺和圓規能不能三等分一個角，這是大家最熟悉的；還有一個，能不能用直尺和圓規做一個正方形，使它的面積和一個已知圓的面積相等，即化圓為方；第三個問題是能不能用直尺和圓規畫出一個立方體，使它的體積是原來立方體體積的兩倍，即立方倍積問題。

三大難題

當時玻恩在哥丁根大學主持一個理論物理研討班，數學大師希爾伯特經常來聽。這個研討班有一句格言叫“愚蠢的問題不僅允許，而且受歡迎”，就是要自由討論，鼓勵青年人勇敢發言。

要用于犯錯

因為數學邏輯是很嚴謹的，而搞物理的這幫人呢，是一邊猜想著一邊研究。希爾伯特聽完他們的討論之后覺得：哎呀，怎么這個樣子啊！希爾伯特感嘆之后就說了一句話：“看來物理學對于物理學家來說實在是太困難了！”諷刺了一通。

連猜帶蒙研究物理

現在來講真正的量子力學的建立。真正的量子力學，首先是從矩陣力學開始建立的。創建矩陣力學，海森堡的貢獻最大。海森堡在玻恩的啟發下，認識到看不見的東西其實并不重要，重要的東西是我們能夠看見的，實驗上能夠測到的東西。

海森堡開窗矩陣力學

瑞士那邊有一個叫薛定諤的物理學家，搞了一套波動力學，沒用他們的矩陣，只用微分方程就把那些光譜線也算出來了，他們覺得很奇怪。

奧地利物理學家薛定諤當時在瑞士工作，他們那個學校周末的時候經常有一些學術報告，有一次薛定諤在做完報告以后，主持會議的教授德拜對薛定諤說：“你今天講的那些沒有太大意思，聽說德布羅意搞了一個物質波，你能不能下次把他的這個工作介紹介紹。”薛定諤說：“可以！”在第二次會議的時候薛定諤就講，講完以后德拜就問了：“它既然是個波，它的波動方程是什么樣啊？”薛定諤想，對啊，德布羅意波沒有方程啊！于是他就去努力尋找。過了一段時間以后，他又出來做報告說：“上次德拜教授說德布羅意波沒有方程，我現在找到了一個！”

這就是著名的薛定諤方程，量子力學最基本的方程。

薛定諤方程

維恩怎么這么說話呢？原因是此前不久，他參加了海森堡的博士學位答辯，海森堡的導師是索末菲。答辯委員會主席就是維恩，維恩是位實驗物理學家，海森堡的論文是搞流體力學的，本來他這論文講的也沒有什么問題，好像就可以通過了，結果在無意之中維恩問了一個關于光學誤差的問題，海森堡不會，這就引起維恩注意了。又問他說“你跟我講一講法布里－珀羅干涉儀是怎么回事啊？”他講不出來，維恩一看“嗯？怎么講不出來呢？”又問“你跟我講一講顯微鏡的原理吧。”海森堡也不會，然后說“那望遠鏡呢？”他也不會。“那蓄電池呢？”還不會。維恩想，這個家伙簡直是連本科畢業的水平都達不到，怎么能給他博士學位呢，就不想讓海森堡通過。

海森堡的基礎太差，難怪后來算鈾的臨界質量差那么多

1926年，玻恩提出了波函數的概率解釋，認為德布羅意波是概率波。波函數的模的平方表示粒子出現的概率。后來，海森堡又在1927年提出了測不準關系，

位置和動量不能同時確定，這樣粒子就沒有軌道了。式（7.7）表示時間和能量也不能同時確定。

概率波和測不準

薛定諤始終不愿意承認概率波這套理論。愛因斯坦也認為概率的描寫肯定不是最終的理論。有一些玻爾那邊的年輕人就諷刺薛定諤，說“看來薛定諤方程比薛定諤本人更聰明”。

薛定諤反對概率波

薛定諤提出幾個重要觀點，一個是“生命來自負熵”，這個觀點很重要。一般人都以為人們吃東西只是為了補充能量。維持生命最重要的條件是補充能量，能量是生命的源泉。薛定諤指出這種看法不對，沒有抓住本質。如果只是為了補充能量的話，咱們都不用生產糧食了，只要挖煤就行了，只要把這屋里的暖氣燒得比37℃高一點，那熱量不就往身體里面流嗎？但是經驗告訴我們，這樣并不能維持生命。

薛定諤指出，關鍵在于生命需要負熵來維持。需要高質量的能量，低熵的能量。與低熵相伴的能量才是生命的可用能，或者叫有用能。與高熵相伴的熱能是比較低級的能量，對生命用處不大。他認為，生命的關鍵不在于能量，而在于負熵。這是一個非常重要的結論。

DNA的雙螺旋結構的兩個發現者——生物學家沃森和物理學家克里克，青年時代都讀過薛定諤的《生命是什么？》這本重要著作。

薛定諤反而對生物學有了重大貢獻

第八講比一千個太陽還亮

約里奧很快就用實驗證實了自己的想法，他明白自己找到了一條大規模利用核能的途徑，找到了一種新的，可以大規模應用的能源。約里奧立刻把自己的兩個助手約到咖啡館，商量是否公布這一重大發現。當時歐洲上空已經戰云密布，他們的發現有可能用于戰爭，帶來災難。他們三個人討論以后認為：火和電的發現都曾經給人類帶來過災難，但更多的是人類文明的進步，應該相信人類可以掌握自己的命運，所以他們公布了自己的發現，把論文登出來了，但是他們沒有說出能造原子彈，所以一般人也不大注意。

二戰前，約里奧提出利用核能，發現可用于戰爭

日本的湯川秀樹是亞洲第一個得諾貝爾獎的人。

1949年得諾貝爾獎，真厲害

1939年，德國進攻波蘭，歐洲戰場全面爆發，法國對德宣戰以后，約里奧找了法國軍備部部長，建議法國制造原子彈對付希特勒。但是，法國沒能挺住，馬奇諾防線很快被突破了。

約里奧在緊急情況之下，把他的實驗室中的重水押運到法國南部的一個港口，裝上了一艘去英國的船。然后他就返回巴黎，回到巴黎的時候，巴黎已經被德國占領了。德國占領軍傳訊了約里奧，問你的重水哪兒去了？約里奧在回巴黎的路上就聽說從那個港口開出的另外一條去挪威的船被炸沉了，他就說放在那條去挪威的船上了。

約里奧保護重水，還參加巷戰

在諾貝爾獎頒獎的時候，有一個儀式，就是獲獎者的夫人會有機會和瑞典的王子一塊兒跳舞。她（費米夫人）說：跟一個白馬王子在一塊兒跳舞，這是每一個小姑娘從小就有的夢想，這次我終于有了這個機會，不過呢，這位王子已經六十歲了。

費米夫人和白馬王子

哥本哈根衛戍司令不想屈服，準備把武器發給老百姓進行巷戰。國王說算了，咱們根本打不過德國，和德國簽訂停戰協定吧。投降，但是要有條件，其中一個條件就是猶太人你們不能帶走。在這一點上，丹麥人還是夠意思的。丹麥方面說，你們強迫把猶太人聚集到一起可以，但是要允許他們的鄰居去探望他們，因為他們的鄰居對他們的安全很關心。所以丹麥的猶太人差不多都活下來了。

丹麥人很夠意思

坐轟炸機的時候，轟炸機上每個人都有位置，機槍手你也不能讓他騰出位置，為什么呢，因為中途可能碰上德國飛機，機槍手還有任務。玻爾沒地方呆，就把他擱到炸彈倉里了，結果玻爾還休克了，因為有一段高空缺氧，他沒有戴好氧氣面罩，休克了，當然好賴還是到了倫敦。

“二戰”以后有些記者，西方的記者就質問英國政府說，聽說你們給駕駛員有個命令：這飛機如果要迫降的話，不能把玻爾交給德國人，要把他扔到海里。是不是有這么回事？一直質問，一直到70年代、80年代還有人在那兒質問英國當局，英國當局斷然否認有這種事情。后來玻爾終于逃到了美國。

波爾逃到美國，差點死在轟炸機上

奧本海默受命擔任了原子彈的總設計師。奧本海默開始找一些人，到他那兒工作。其中很重要的一個任務，是測鈾的臨界質量。

當時要找一個人來測臨界質量，這件工作需要一個實驗非常精細，又非常勇敢的人來做，需要有犧牲精神的人。

于是把斯洛廷找來，他同意了。他把兩塊鈾裝在一個架子上，然后用螺絲刀擰，使兩塊鈾靠近，周圍放了很多計數器，如果計數器嘎嘎響得厲害了，就趕緊把兩塊鈾再擰開。擰開以后拿刀片削下一塊，再讓它們靠近，一直到計數器剛剛不響的時候，這時鈾的質量就是臨界質量，超過這個值它就會自動爆炸了。這樣我們就知道，多大塊的鈾，就可以制成原子彈了。

“二戰”之后，斯洛廷他們有一次測定的時候出事兒了。兩塊钚（钚是另一種可制成原子彈的元素）靠近的時候，計數器開始響了，正在此時他的螺絲刀一下掉到了地上，沒法擰了，頓時那間屋子全被钚發的光照亮了。他只好馬上用手把這兩塊钚掰開。當時他們幾個人是坐成一圈的，斯洛廷說我是活不了多久了，但是你們還可以多活一段時間，然后他就把每一個人的位置，身體的什么部位對著钚塊，都畫在了黑板上。

鈾發光，這個場景太恐怖了

費曼覺得那些人凈搞些形式主義的東西，你看，把大門看得那么嚴，查得那么嚴，墻上有個洞他們不管。

太有道理了

費曼到那兒去報到。報到的時候正好已經下班了，他想先找一個住的地方，就找到學校宿舍的管理員。那個宿舍管理員說，告訴你啊，年輕人，真的是沒有地方。管理員把他當成學生了，他說實在是沒有地方，我要是剩有一個地方都讓你住，但實在是沒有地方了。

費曼沒辦法，就想在樹林里坐一宿，第二天早晨再去找系辦公室解決。但是晚上坐得很冷，不得不返回宿舍樓。沒辦法，只好在宿舍樓走廊里的長椅子上睡了一宿。等到天亮一上班，他就去找物理系主任。系主任說，唉，怎么會沒有你的房子，單獨給你留了房子啊，他們一定是搞錯了，以為你是學生。于是系主任馬上打了個電話，然后讓費曼趕緊去，說有你的房子。他就去了。去了一看，原來值夜班的管理員下班了，換了個值白班的。值白班的人也不認識他，就對他說：年輕人，我告訴你，真的是沒有房子，你知道不知道，昨天有個教授就在那個長椅子上睡了一夜。費曼說，我就是那個教授，我不想在那兒再睡一夜了。管理員恍然大悟，馬上給他打開了一個房間。

這個笑話很有趣

我們再來看原子彈。原子彈引爆有兩種辦法，一種引爆法是槍法。就是兩塊鈾，上面放一點推進劑，就是炸藥，這兩塊鈾的任何一塊的質量都小于臨界質量，炸藥一炸，使兩塊鈾合到一起就超過臨界質量了，原子彈就爆炸了。還有一種呢，是鈾在中間，周圍一個球面上，全是炸藥，炸藥一炸鈾塊就往中心擠，一擠緊，鈾之間的空隙就小了，那么臨界質量的要求就低一點，然后就引爆了。這種方法叫做內爆法。

原子彈的兩種引爆方法

約里奧曾經對錢三強講，說你們兩個人都是優秀的青年物理學家，我本來希望你們終生在居里實驗室工作，但是我也知道你們很熱愛你們的祖國，我也不能強留你們。隨后，在告別宴會上約里奧拿出一個盒子，說我沒有什么禮物可以送給你們，這里面有些標定了放射性強度的放射性元素，這對你們的國家可能是有用的，就送給錢三強了。錢三強回來以后把它擱在中國科學院的倉庫里，后來中國開始核物理研究的時候，把這些東西拿出來用了。

約里奧對中國很好

第一座核反應堆，是費米在美國芝加哥大學研制出來的，在“二戰”期間就已經開始運作了。大家請看圖8-11，這張圖是后來的人畫的，當時不準拍照。大部分人都在核反應堆的左邊看，右邊還有三個人，這三個人是“敢死隊”。為什么呢，如果這個反應堆要控制不住了，他們抱著一些能夠吸收中子的溶液，可以倒進管道里去，讓反應停下來，但是如果核反應停不住，這三個人就完了，就肯定不行了，來不及跑了。

第一座核反應堆

2018.10.05（周五）

《物含妙理總堪尋》- 05

太陽表面溫度是6000度，中心溫度是1500萬度，那里不斷地進行著氫聚合成氦的熱核反應，維持它的生存。

1500萬度是什么概念？

木星左下部有一塊大紅斑，從伽利略時代就發現的這一塊大紅斑，一直保留到現在。

木星既然是一顆流體星，為什么會有一個大紅斑老是在那個位置上不動呢？以后人們才知道，那是一個旋風。木星上的大旋風。這個大旋風已經存在幾百年了。這個斑為什么是紅色的呢？因為含有大量的磷的化合物。這個紅斑很大，可以把地球擱進去。

驚人啊

1994年讓地球人大開眼界，有一個彗星的頭碎了，碎成二十多塊砸在了木星上，在木星上面砸出一洞（圖9-31）。砸的能量有多大？這二十幾個碎塊砸上去以后，相當于二十億顆原子彈（以廣島那顆原子彈為準）那么大的威力。砸后的黑斑存在了好長時間。注意，木星是一個流體星，它不是固體星，但是砸完之后還是留下一個洞。在流體上砸的那個窟窿，可以把地球擱進去。所以彗頭要是撞在地球上，事情還真是不可低估。

彗星的威力

比如說就記載了：周懿王元年，“天再旦于鄭”。就是說周懿王的元年，在鄭這個地方，也就是河南，天亮了兩次。很多人都認為這是瞎說，天怎么會亮兩次呢。現代天文學家研究以后，認為如果是在太陽即將出來的時候，發生日全食，就會出現“天再旦”現象。然后中國人就研究了，研究這次日全食發生在什么時間，提出了一個年份。結果日本人提出不同意見：你們說得不對，你們說的那一次日全食，中國看不見，在太平洋上的人才能看見。日本人認為中國能看到的那次日全食，應該發生在公元前899年。于是天文考古就確定了，周懿王元年是公元前899年，這就把中國歷史上有確切紀年的時間推到了周懿王元年。

日出前的日食

地球的半徑是6400公里，月球的半徑是1700公里，太陽的半徑是70萬公里，日地距離是1.5億公里，叫一個天文單位。

光大概走七八分鐘的樣子，就可以從太陽到達地球。冥王星距太陽是40個天文單位，光走5小時。太陽系的直徑是多少？大概是1光年。

1.5億公里是1個天文單位

第十講時間之謎

柏拉圖對時間有一個論述，說：時間是“永恒”的“映像”。

有意思

因為亞里士多德把柏拉圖的學說顛倒了一個個兒。他認為我們看不見的東西都不是真實的，我們看見的萬物才是真實的東西，他不承認有“理念”這個東西。從我們今天的觀點來看，柏拉圖的理論是唯心的，亞里士多德的理論是唯物的。

老師和學生意見不一致

柏拉圖曾經創立了一個叫阿卡德米的學院，英文的academy這個單詞就是從這兒來的

學院的來歷

子在川上曰：逝者如斯夫！不舍晝夜。什么意思呢？就是說孔夫子坐在河邊上講，時間，就像這河流一樣永遠不停地流逝。孔夫子把時間叫做“逝者”，這是很高明的！因為時間除去有一個可以測量的特性以外，它還有一個流逝的特性。

孔子注意到時間的方向性

愛因斯坦的狹義相對論認為，時間和空間是一個整體，是不能分割的。能量和動量也是一個整體，也是不能分割的。他開始把時空連在一起了，叫四維時空；把能量動量連在一起了，叫四維動量。

很難理解

最近喜歡的詩文

歐陽修老先生還是很有情調的人，這首詞就非常曖昧，其中的“月上柳梢頭，人約黃昏后”，成了千古的名句。
《生查子.元夕》——歐陽修
去年元夜時，花市燈如晝。
月上柳梢頭，人約黃昏后。
今年元夜時，月與燈依舊。
不見去年人，淚濕春衫袖。(淚濕 ：一作：滿)

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