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内容大纲
光速c、引力常数G、电子电荷量e、普朗克常数h——这组藏在日常背后的宇宙密码,是从柴米油盐到星辰运转的终极法则。若它们的数值稍有偏移,太阳可能坍缩成黑洞,地球或许再无人类踪迹,宇宙的模样将彻底改写。
本书追溯人类发现四大常数的历程,拆解它们如何揭开宇宙之谜,又衍生出哪些待解的新问题。从相对论到量子力学,从宇宙结构到基本粒子,读懂这些常数,便触摸到了世界运行的底层逻辑。翻开书页,你将在相对论与量子力学的交汇处,读懂宇宙的形成与运行,触摸那些藏在数字背后的、关于世界本质的答案。 -
作者介绍
小谷太郎,1967年出生于日本东京,物理学博士,毕业于东京大学物理学专业,专业研究领域为宇宙物理学和宇宙探测装置开发。他曾先后在日本理化学研究所、美国宇航局戈达德太空飞行中心、东京工业大学、早稻田大学任职。 -
目录
01 通过光速c理解狭义相对论
在宇宙中任何地方测量都始终不变的量
四大常数是“伟大”的物理常数
光速c“贴心地”接近30万千米/秒
人类的运动神经难以精确测量光速
光速c可以将时间转换为空间
表达距离时,光速的应用思路与房地产行业类似
距离最近的星系团约5900万光年
如何测量极快的光速
利用光行差与天顶仪望远镜进行更为精密的观测
伽利略再一次挑战测量光速
科学史上最著名的“失败”实验之一
为什么即使测量装置移动,光速也不变
爱因斯坦出现,以太消失
明星科学家爱因斯坦
大学入学考试分数不够,也没能获得研究职位
1905年是科学史上的“奇迹之年”
天才科学家的光与影
列车告诉我们的相对性原理
狭义相对论就是车厢内的情况不会发生变化
地球的运动无法在地球上测量
在接近光速的列车上打乒乓球
列车缩短、质量增加、时间变慢
光速c是宇宙中速度的极限
乒乓球能超过光速吗
接近光速时,物体的重量会变得极大
能量是代表“物体活力”的量
著名的公式登场
能量和质量是同一种东西
关于原子能的误解阐明
如果光速变慢,世界经济会大混乱
“相对论的100米赛跑”在跑的过程中变成了94米
能量不会凭空消失或产生
爬5米楼梯就能减重6%的“相对论减肥”
如果光速变慢,太阳会被冻结
由未知粒子组成的宇宙
02 通过引力常数G了解宇宙的结构
地球之所以是圆的,要归功于重力的作用
“重量”和“质量”是不同的概念
为何如此微弱的重力能够支配宇宙
牛顿向人类揭示了引力常数
地球和你正以相同的力量互相拉扯
卡文迪什测量引力常数的实验
孤独的天才卡文迪什
宇宙是像钟表一样精确运转的吗
“拉普拉斯恶魔”
计算银河系的质量让天文学家感到困惑
宇宙的主要成分是暗物质
广义相对论的易懂解说
广义相对论被认为难以理解的两个原因
时间缩短,空间延伸
被抛出的球能感知时间的差异
连光都无法从黑洞中逃脱
掉落也需要无限的时间
从这里开始就再也无法返回了——“史瓦西半径”
制造黑洞的方法
宇宙的形状是什么样的
爱因斯坦所设想的宇宙形状是“S”形态
宇宙有多大
宇宙学的蓬勃发展
其他星系正在迅速远离吗
70亿年前,宇宙只有现在的一半大
持续膨胀的宇宙
如果重力变得更强,人类将在0.5毫秒内消失
黑色太阳出现
行星无法长久存在
宇宙将以与现在不同的原理发光
复杂且难以预测的“恒星演化”
03 通过电子电荷量e了解基本粒子
电磁现象是由电子和质子引起的
测量电量
电子的电荷量e是-1.602176634×10?1?C
电磁现象的成因:电子的“脱落”
让孩子们远离物理学的“始作俑者”之一
富兰克林的风筝
保护教堂的富兰克林的发明
糟糕的定义,导致大量的“物理厌恶者”产生
科学家们的“新玩具”——电流登场
电与磁的关系:千年级的大发现
电子的发现与微观世界的物理法则
超级天才狄拉克的预言
由新颖的狄拉克方程推导出的“正电子”
粒子和反粒子相遇后会发生爆炸并湮灭
宇宙中是否存在由反物质构成的天体
两颗光子的碰撞可以生成粒子和反粒子
神秘的反粒子就在我们身边
为什么正电子如此稀少
假说1:存在将反物质转变为物质的未知反应
假说2:宇宙这个区域恰好有很多物质
基本粒子家族:华丽的17名成员
“电子三姐妹”
夸克的电荷值是分数的原因
真空“知道”人类尚未发现的基本粒子
如果电子电荷更大,火星可能适宜居住
电动汽车以惊人的速度启动
会被冰水“烫伤”的世界
宇宙核爆炸是无法避免的
生命能否在这样的宇宙中诞生
04 通过普朗克常数h了解量子力学
终极关卡——普朗克常数h
普朗克常数对其提出者来说也是一个谜
光的性质由振动频率决定
物体发出光的最小单位
量子究竟是什么
普朗克常数代表了一个光子的能量
不符合牛顿物理学的原子运动
矩阵力学与波动力学相继诞生
声波、地震波与引力波的波函数所表示的内容
电子波函数到底表示什么
波函数的概率解释
超过光速的“波函数的坍塌”
观测问题的一种解释
普朗克常数代表了这个世界的根本不确定性
海森堡的不确定性原理
这个世界的像素大小就是普朗克常数
角动量是“离散的”
超越想象的“自旋”概念
经典比特与量子比特
量子比特所传达的奇妙信息
如果普朗克常数增大,原子将变得巨大
元素周期表将扩展到1000亿
质量是太阳数万倍的巨星将会在空中闪耀
世界信息量的减少
05 物理学的四大常数决定了计量单位
计量单位是“物理常数的多少倍”的表述
“米”的诞生
测量技术的进步逐渐追上米原器
光速成为新的米原器
时间单位“秒”的定义
可能改变“秒”定义的光晶格钟
千克原器的替代品是普朗克常数
借助普朗克常数测量质量的原理
以米、千克和秒构建所有物理单位
基本单位的可替换性
极致精练的“自然单位制”
自然单位制:日常不便,却揭示宇宙奥秘
后记 关于基础物理常数可能并非“基础”的话题
光速c、引力常数G、电子电荷量e和普朗克常数h所描绘的宇宙
构成宇宙的其他基础物理常数
存在物理常数不同的宇宙吗
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