《时空与万物》PPT课件

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,文化物理,南京航空航天大学理学院,（施大宁 教授编著）,罗建 主讲,自然与数学,物质世界的层次,宇宙中的均衡与相互作用,黑洞的意义,宇宙大蟒,1.2,时空与万物,一、自然与数学,毕达哥拉斯,（,Pythagoras,，,584-497,BC,）,:,“,数即万物,”,“宇宙的本质可以通过,数字,和,纯几何形式,来揭示的”,自然是和谐的,则两弦发的音相差,8,倍,则两弦发的音相差,5,倍,空间,时间,光,自古希腊起，自然哲学家一直在探索三者之间的关系,一个人倘若常常凝想宇宙的浩渺无际，时间的茫无头尾，便会因为过分的虚无感和人生短暂的伤感而使心灵在重负下受伤。反过来，如果人们永远意识不到宇宙在时空上的无限性，便会使心灵因缺少哲理的永恒依托而变得轻浮浅薄。,一、自然与数学,抽象,线性,连续,关于,空间科学概念的发展,(Euclids,几何,原本,c.300 B.C.),Euclids,公,设,（,Postulates,）,1.,两点之间存在一条直线。,2.任意一条线段可以无限延长成直线。3.以任意一条线段为半径可画一个圆。,4.所有直角一概相等。,5.平行线永不相交。,公元前,3,世纪，欧几里得（公元,前,330,？,前,275,？）,总结了史前文明对空间意义的零星的思考，创立了作为整个科学基础的欧氏几何学，他的,几何原本,是古希腊科学的最高成就。,一、自然与数学,-,他,把抽象思维转化成几何图形,-,他,定义了与图形相关的术语,-,他,在几何图形基础上提出了若干公理,（,axioms,）,-,他,在这些公理的基础上提出5个公设（,postulates,）,随后，,阿基米德补充：,空间任意两点的最短距离,是直线,。,欧,几里德的几何系统来源于智力抽象,（,mental abstraction,）,欧氏几何的核心：空间是由,直线,构造而成的；,圆,是最美的形式。,这个,几何系统意味着空间是均匀（,uniform,）,连续（,continuous,）,同,质（,homogenous,）和,空的（,empty,）。,一、自然与数学,欧氏几何,成为,古希腊科学与哲学的基础,。,在,柏拉图,（427-374 B.C.）,学院的大门上雕刻着,:,“,不,懂几何学者勿入”,（,Let no one enter who is not schooled in geometry,）,芝诺（,Zeno,公元,前5世纪哲学家,）提出悖论，来揭示有关空间概念的矛盾之处。,(,例,如：飞毛腿阿基里斯,和,乌龟赛跑,),一、自然与数学,希腊人一直没有认真对待和真正解决这个悖论,O,A,l,B,C,D,设阿基里斯,和,乌龟的速度分别为,V,1,和,V,2,（V,1,V,2,）,一、自然与数学,时间的意义：,时间图像必须既具有线性化的直线特征，又必须包括轮回性的圆的特征,这就是,螺旋线,，代表一条均匀流逝的，又具有轮回周期特征的时间长河,.,人类不仅可以观察自然，更具有在高层次上，抽象思考自然的能力,一、自然与数学,组成,宇宙物质的五个基本物体（,The five Platonic Solids,）：,六面体,earth,（,土,）,四面体,fireheat,八,面体,airgas,十,二面体,universe,（星系）,aether,（以太）,二十,面体,waterliquid,柏拉图,（,Plato，427-347 BC）,完美的几何形体,一、自然与数学,雅典学派,拉斐尔,（,Raphael,，,1510-1511,）,天才的拉斐尔定格了哲学家那崇尚高贵的情操和古希腊那高度理想的黄金时代。,一、自然与数学,一、自然与数学,哲学是科学的纯粹形式；古希腊哲学的核心是理性主义,古,希腊科学的品质是理性、理想和唯美的结合。,这种思想直接被物理学所继承，比如,开普勒行星模型：,一、自然与数学,物理学中模型的意义：,从个体到一般,从复杂到简单,从现实到理想,物理学的基本方法之一：,还原论,二、物质世界的层次,四方上下谓之,“宇”,空间,空间基准单位是“米”,10,幂次方代表“数量级”,10,25,10,-15,称之宇宙的,40,个“台阶”,18,18,时间基准单位是“秒”,10,幂次方代表“数量级”,时间的跨度,也是,40,个数量级,“阿秒”,10,-18,秒,二、物质世界的层次,古往今来谓之,“宙”,时间,阿秒频闪技术观察电子运动,李政道先生书：,宇宙大蟒,至大的宇宙和至小的基本粒子遵循的,物理法则是相同,的,。,二、物质世界的层次,微观,介观,宏观,宇观,量子力学,经典力学,天体物理,二、物质世界的层次,二、物质世界的层次,质量跨度,10,78,个原子，造化无限,物理学的基本方法之二：实验研究,三、,宇宙中的均衡与相互作用,结论：自然界的物质存在不是随意的，其存在的可能性由,某种规律,决定。,自然力的平衡结果,推论：,自然力的数目有限。,三、,宇宙中的均衡与相互作用,强力,弱力,万有引力,电磁力,什么是力？,简单地说，力将驱动宇宙间物体，改变它们的运动。,只有四种自然力控制整个宇宙：,原子核内,10,-15,米,宏观,宏观,相对强度,1,10,-3,原子核内,10,-15,米,10,-38,10,-2,黑洞区,量子区,天公造化,非,无限,物含妙理总堪寻,三、,宇宙中的均衡与相互作用,（质量大，体积小）,（质量小，体积小）,密度的相似性：,自然力的平衡结果,三、,宇宙中的均衡与相互作用,“,测量”的意义：,质量大，晃动小，,可“见”,质量小，晃动大，,不可“见”,什么是黑洞（,Black hole,）？,光线,天体,质量增加,，或,半径减少,，逃逸速度,增加,。,如果逃逸速度大于,光速,c,则,光也无法逃逸,。,四、黑洞的意义,黑洞,经典定义：,四、黑洞的意义,地球（半径为,6400,公里）变成黑洞，大小如同一个,乒乓球,太阳（半径为,70,万公里）变成黑洞，半径只有,3,公里,经典观点：黑洞,致密天体（每立方厘米,100,亿吨）,四、黑洞的意义,利用黑洞模型估计宇宙大小：,意义：,生活在此球内部的人，不可能将光发射到其之外,宇宙的平均密度：,得,宇宙的大小,R,四、黑洞的意义,什么是黑洞（,Black hole,）？,现代定义：,世紀大賭博,索恩,(Kip Thorne),賭,:,天鵝座,x-1,是黑洞,霍金,(Stephen Hawking),賭,:,天鵝座,X-1,不是黑洞,黑洞真的存在吗？,天鵝座,X-1,四、黑洞的意义,黑洞可探测吗？,来吧！,你永不可拒绝我，,这个世界，,才是我最后的晚餐。,作者自拟,Yes!,黑色晚礼服的小伙子和白色衣裙的姑娘翩翩起舞,四、黑洞的意义,四、黑洞的意义,黑洞的时间图景：,你的时间越来越慢，最终成为永恒。,你,我,进入黑洞的那一瞬间，,你,看到了宇宙的全部时间：,过去、现在和将来,愿意去体味吗？,图,5.44,温室,（马格里特，,1939,）,这正是以光速运动的观察者所看到的景象。,落入黑洞，粉身碎骨。黑洞蒸发时，再循环为粒子和辐射。不朽的是质量或能量。,四、黑洞的意义,千万说,No,！,霍金给出了“黑洞蒸发”的物理图像。,四、黑洞的意义,黑洞与白洞？科学幻想还是物理实在？,时空中不同区域之间虫洞的思想,并非科学幻想,，或者艺术家的发明，它来源于爱因斯坦,1935,年的一篇论文。爱因斯坦本来认为：因为虫洞会缩紧，飞船不可穿越而只能撞到奇点（右图）。但现代宇宙学认为，如果有一个负曲率的时空区域（如同马鞍面），虫洞将维持开放。非物理专业人士，如果想完全理解这段话，请到著名大学理论物理专业读十年。,四、黑洞的意义,