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出版者:学苑

作者:荣德基

出品人:

页数:122 页

译者:

出版时间:2007年08月

价格:15.9

装帧:平装

isbn号码:9787507728668

丛书系列:

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《宇宙的织锦：从牛顿到量子纠缠的物理学之旅》 —— 一部关于人类求知欲与宇宙奥秘的宏大叙事 本书导言：我们身处何处，我们如何认知？ 人类文明的进程，始终与我们对“世界如何运转”的理解紧密相连。我们仰望星空，试图捕捉那些遥远的光芒；我们低头观察日常，探究手中的物体为何会落下。本书并非教科书，它是一份邀请函，邀请您进行一场跨越数个世纪、深入物质与能量本质的探险。我们将追溯那些塑造了现代科学基石的伟大思想，审视那些看似微不足道的实验如何推翻了既有的世界观，并最终瞥见我们理解尚未触及的、更为深邃的宇宙图景。 第一部分：古典的辉煌与裂痕——万物皆有定律 第一章：静力学的基石与宏观的和谐 在启蒙运动的曙光中，物理学迎来了第一次辉煌的统一。本章将聚焦于艾萨克·牛顿爵士的革命性工作。我们将深入剖析《自然哲学的数学原理》如何将天体运行的规律与地面上物体的运动统一于一套简洁的数学框架之下——万有引力定律。我们会探讨什么是惯性、什么是力，以及如何利用这三条运动定律来精确预测行星的轨道、抛射体的轨迹乃至潮汐的起落。这不是对公式的机械罗列，而是对“决定论”世界观的细致描绘：一个如果知道初始条件，就能完全预测未来状态的宇宙模型。同时，本章也会触及到早期热力学萌芽，探讨功、热量以及能量守恒的初步概念，为后续对“效率”与“熵”的讨论埋下伏笔。 第二章：电磁场的交响曲与光的本质之争 穿越十八世纪，物理学的焦点转向了看不见、摸不着的力——电与磁。本章将详细梳理从富兰克林静电实验到法拉第电磁感应发现的曲折路径。我们将重点阐释詹姆斯·克拉克·麦克斯韦如何将看似独立的电现象、磁现象与光学现象整合为一套优雅的四方程组。麦克斯韦方程组不仅仅是工程学的基石，更是哲学层面的突破，它预言了电磁波的存在，并将其速度精确地计算出来，与当时已知的光速不谋而合。这标志着光被确认为一种电磁现象。本章还会探讨光速不变性的早期实验尝试，为迎接二十世纪的物理学革命埋下伏笔，暗示着牛顿经典时空的局限性。 第三部分：世纪的转折——相对性与时空的重构 第三章：速度的极限与时空的相对性 二十世纪初，人类对“绝对”的信仰开始动摇。本章将详细解读爱因斯坦狭义相对论的两个基本公设及其深刻的哲学含义。我们将追随爱因斯坦的思路，理解为何速度的上限是光速，以及这种限制如何导致时间膨胀（时间变慢）、长度收缩（长度缩短）以及质能等价性（$E=mc^2$）的必然出现。本书将努力用直观的思维实验来阐释洛伦兹变换背后的逻辑，展示在不同参照系中，时间和空间不再是独立的背景，而是交织在一起的“时空”结构。我们会探讨这一理论如何解决经典物理学在处理高速运动物体时的矛盾。 第四章：引力的几何学——弯曲时空中的天体运动 如果说狭义相对论统一了空间与时间，那么广义相对论则将引力纳入其中。本章深入探讨爱因斯坦如何将引力不再视为一种“力”，而是物质和能量对时空几何结构的弯曲效应。我们将剖析等效原理的精妙之处，并探讨水星近日点的反常进动、光线在恒星附近的弯曲现象，以及引力红移等关键的实验证据如何确立了广义相对论的地位。最后，本章会展望广义相对论带来的宇宙学图景，包括黑洞的理论预测、引力波的涟漪，以及对整个宇宙演化模型的构想。 第三部分：微观世界的颠覆——量子力学的诞生与挑战 第五章：能量的颗粒性与波粒的二象性 进入微观领域，物理学的逻辑似乎被彻底颠覆。本章从普朗克对黑体辐射的解释开始，探讨能量的“量子化”概念如何成为量子论的第一个基石。随后，我们将深入研究光电效应（爱因斯坦对光子概念的引入）和康普顿散射，确立光不仅具有波动性，还具有粒子性。更进一步，我们将介绍德布罗意物质波的假说，展示电子等粒子同样具有波的特性。这种“波粒二象性”是理解原子结构和一切微观现象的关键前提，标志着经典实在观的彻底破产。 第六章：不确定性与概率的统治 量子力学的核心挑战在于其内在的概率性和非决定论。本章将集中介绍哥本哈根诠释下的量子力学核心思想，尤其是海森堡不确定性原理——我们无法同时精确知道一个粒子的位置和动量。我们将讨论波函数（$Psi$）及其概率解释，以及著名的双缝实验如何无可辩驳地展示了观测行为对物理实在的影响。这一部分的论述将力图清晰地解释“量子叠加态”和“波函数坍缩”的深层含义，探讨观测者在物理描述中的独特地位，以及量子力学与哲学“实在观”之间的紧张关系。 第四章：深入核心——原子结构与核物理的黎明 第七章：原子模型与量子跃迁 在量子理论的指导下，科学家们得以解析原子内部的结构。本章将描述卢瑟福的原子核模型，并解释玻尔的量子化能级模型如何成功解释了氢原子光谱的规律。我们将探讨原子如何吸收和发射特定频率的光子（量子跃迁），以及电子在不同轨道间的“跳跃”并非连续过程。随后，我们将过渡到更精确的薛定谔方程，理解波函数如何描述电子在原子轨道上的概率分布，从而奠定了现代化学和材料科学的微观基础。 第八章：物质的源头与无尽的能量 本书的最后一部分将探究原子核的内部结构及其释放的巨大能量。我们将阐述核力的本质、核子的构成（质子与中子），并详细分析核裂变（如核反应堆的工作原理）和核聚变（如恒星的能量来源）背后的质量亏损与能量释放机制。本章还将讨论放射性衰变的统计规律，介绍强核力与弱核力在自然界中的作用，并对粒子物理学的标准模型（夸克、轻子和规范玻色子）进行宏观的概述，指出人类对物质最基本构成的探索仍在进行之中。 结语：未竟的探索与未来的地平线 当我们回顾牛顿的精确机械宇宙，再审视爱因斯坦的几何时空，最后面对量子力学的概率迷雾时，我们发现物理学的历史就是一部不断自我修正、不断拓展认知的历史。本书的终点，也是所有物理学家探索的起点：如何将广义相对论（宏观）与量子力学（微观）统一起来，形成一个完整的“万有理论”？从弦理论到圈量子引力，我们将在本章末尾展望那些尚未被证实的、但充满希望的未来物理图景，提醒读者：宇宙的宏大叙事，远未结束。 --- 本书特色： 强调思想演变： 侧重于概念的产生背景、逻辑冲突与最终突破，而非纯粹的数学推导。 贯穿哲学思辨： 探讨物理学发现如何影响我们对“实在”、“决定论”和“客观性”的理解。 历史叙事感： 以时间线为轴，将科学家的生平和他们的思想发展有机结合，增强阅读的沉浸感。 深度与广度并重： 兼顾了从宏观引力到微观粒子的核心理论，确保知识体系的完整性。

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如果说前面对知识点的讲解是扎实的基础建设，那么这本书的习题设计就如同为这座大厦添上了精美的装饰和坚固的支撑结构。它的习题难度梯度设置得极其合理，从最基础的公式代入练习，到需要综合运用多个章节知识的难题，过渡得非常自然流畅。我尤其赞赏那些“情景构建型”的题目，它们往往以一个略显复杂的实际场景为背景，要求读者首先自己建立模型，找出适用的物理定律，然后再进行计算。例如，关于能量守恒的题目，有时会设置在一个复杂的过山车轨道上，或者一个涉及多物体碰撞和形变的复杂系统，这迫使我们不能死记硬背某个特定公式，而是要回归到能量和做功的定义上去。此外，书后的部分思考题极具启发性，它们往往没有标准答案，鼓励我们进行批判性思维和发散性思考，比如探讨超光速运动在现有物理框架下的可能性与局限。这种从被动接受到主动探索的转变，是提升学习兴趣的关键所在。

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这本书在某些相对“冷门”或容易被忽略的知识点上所展现出的深度和广度，实在令人印象深刻。比如，在介绍光学时，对于惠更斯原理的阐述，不仅仅停留在光的衍射和干涉现象上，而是深入探讨了光的波动性与粒子性的哲学含义，以及历史上物理学家们是如何一步步被实验结果说服而改变认知的。还有在解析交流电部分，作者用非常清晰的矢量图来解释相量和相位差，这比纯粹依赖三角函数公式推导要直观得多，一下子打通了困扰我很久的电感和电容对电流相位影响的迷思。更难得的是，书中不时穿插着一些现代物理的“前瞻性”内容，虽然只是简短的介绍，比如对相对论基本思想的朴素阐述，或者量子世界的奇特现象，但这极大地拓宽了高中物理知识的边界，让读者感受到物理学不是终结的知识体系，而是一个仍在蓬勃发展的领域。这种对知识体系宏观结构的把控，使得学习不再是孤立的知识点堆砌，而是一幅不断展开的宏大画卷。

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这本书在处理实验探究部分简直是教科书级别的典范，它不仅仅是简单地罗列步骤和结果，而是将实验设计的“为什么”和“如何避免误差”进行了详尽的剖析。例如，在测定重力加速度的实验中，书中花了大量的篇幅讨论了如何精确地记录时间，如何减少空气阻力对单摆周期的影响，甚至还对比了不同数据处理方法（如最小二乘法和图像法）的优劣，这一点对于追求严谨性的学生来说简直是福音。我特别欣赏作者对“不确定性”的探讨，这往往是高中物理学习中的一个薄弱环节。书中坦诚地告诉我们，任何测量都有误差，关键在于如何科学地评估和减小它。这种对待科学探究的严肃态度，远超出了仅仅要求我们“会做实验”的层面，它培养的是一种科学家的思维模式——怀疑、验证、再怀疑。我以前总觉得物理实验就是按部就班地操作，但读完这部分，我才明白，一个好的实验设计本身就包含了深刻的物理洞察力。它成功地将实验的艺术性展现了出来，让人读完后，不仅想去操作，更想去思考如何改进现有流程。

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从排版和装帧来看，这本书也体现了对读者体验的极大尊重。纸张的质感非常舒服，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。重点内容的字体加粗和关键术语的斜体处理恰到好处，既突出了重点，又不至于喧宾夺主。尤其值得称赞的是，它的注释系统设计得非常人性化，对于那些容易混淆的概念或需要更高阶数学知识来理解的拓展部分，都用旁注的形式进行了标记和解释，而不是强行塞入正文，打断阅读的连贯性。对于自学者而言，这种清晰的层级划分极大地降低了学习的门槛。那些复杂的公式推导步骤，作者都细心地分解成了好几步，每一步都有明确的逻辑解释，让人感觉自己完全能够跟上思路，而不是被一个突如其来的大公式吓退。总而言之，这是一本从内容深度、讲解清晰度到阅读体验都经过精心打磨的作品，它不仅仅是知识的传递者，更像是一位耐心的向导，陪伴学习者走过充满挑战但又无比迷人的物理学习旅程。

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这部书的物理概念阐述得非常到位，尤其是在力学和电磁学部分，作者似乎深谙高中生的思维定式，总能用最贴近生活又充满启发性的例子来解释那些抽象的原理。比如，书中讲解动量守恒时，没有直接堆砌公式，而是通过描述一次精彩的台球碰撞过程，让读者仿佛身临其境地体会到能量和动量的转化。我记得我以前对“矢量”这个概念一直理解得半知不解，总觉得它和普通的数字没什么区别，但这本书里用“航海导航”的实例，生动地展示了方向在物理计算中的决定性作用。再说到热学部分，对气体分子动理论的介绍，深入浅出，让我明白了温度实际上是微观粒子运动剧烈程度的体现，而不是一个凭空出现的参数。作者的语言风格带着一种温和的引导性，读起来不像是枯燥的教材，更像是一位经验丰富的老师在你耳边细细道画着宇宙运行的奥秘。它没有那种高高在上的学术腔调，而是扎根于实验和观察，引导我们自己去发现规律。那种豁然开朗的感觉，是很多其他教辅资料无法给予的。尤其是那些精妙的插图，虽然只是简单的线条，却完美地勾勒出了物理情境，极大地帮助了空间想象力的构建。

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