这本书主要分为八章,两个部分,前半部分包括前五章,主要讲了如何推导出E=MC²,后三章属于后半部分,讲了构成世界的物质组成,探讨了质量与时空。
第一章主要就两个观点进行了阐述:一是如何定义原点,我们所生活的空间虽然可以相对的确定我们的位置,但是宇宙并没有一个中心去建立对应的原点,所以这样的尝试是不可行的,既然没有原点,那么如何定义静止与运动也是个问题,在这里引入了参考系,就是只有有参照系的情况下,描述运动才是有意义的。二是面对科学的态度,理论需要用实验去证明,一个无法证明的理论是没有什么价值的。如果我们没法证明绝对速度,那么绝对时间和绝对空间的存在也是没有意义的。
在这一章中,穿插着讲述了物理学史上的著名人物,从地心说到日心说最后到宇宙中心。用一个坐在飞机上看书的人来讲解原点与位移的概念。以及一个光速是恒定不变的。
第二章主要就法拉第发现电磁感应原理,麦克斯韦尔引入位移电流后总结归纳出麦克斯韦尔方程组,预测电磁波的速度等于电场和磁场的强度比,这个速度为299792458m/s,而这就是光的速度。光速是一个恒定不变的量,这与我们的直觉相违背,所以很多物理学家试图证明光速是变化的,包括迈克尔逊和莫雷的干涉测量法,最后证明了光速是不变的。我们不得不接受麦氏方程的正确性,抛弃绝对时间的概念。1864年麦氏方程诞生,直到1905年,爱因斯坦证明,大自然站在了麦氏方程这一边。
这一章讲了法拉第如何发现电磁场,并简单描述了场的概念,作者向读者表达了方程的作用,即不需要做实验就能得出与实验结果相符的答案。麦氏方程主要表达了变化的电场产出变化的磁场。而光波没有传播媒介,所以文中提到了以太的猜想(后被证明不存在)。麦氏方程的产生,与牛顿力学让人产生了困惑,到底谁才是对的,最后,爱因斯坦证明了,麦氏方程的准确性。
第三章狭义相对论,讲了两个效应:钟慢效应和尺缩效应。这两个效应有两个假设公理:一个是麦氏方程是成立的,也就意味着光速不变。另外一个是没有任何实验能测出绝对速度。根据这两个公理,再加上勾股定理,计算出在参考系内光走过距离为一米的反射镜的时间为6.67纳秒,在外部参考系中,光走过两面反射镜的距离为(CT)²=(1)²+(VT)²,两者所用的时间相比就得出γ=1/sqr(1-V²/C²)。当速度不同,时间放缓的程度也不同。而尺缩效应,则是利用μ介子进行阐述,2.2微秒的生命周期,在加速器中以99.94%的速度延长了29倍的生命周期,如果和μ介子在同一参考系中,就会发现,生命周期仍然为2.2微秒,而空间则缩短了29倍。归纳来说,这两个效应是从两个参考系中来分别描述来达到理论的统一。
第四章时空理论,有三个核心观念:不变性,因果性,距离。不变性又包括旋转不变性和平移不变性。旋转不变性是因为角动量守恒,平移不变性因为动量守恒。书中举了地月系统做角动量的分析。因果性则非常简单,起因与经过顺序不能相反,否则就会产生矛盾。距离,在平面中欧式距离是最短的,但是在时空中,最近的距离公式却变成了双曲线。并利用该公式对运动做了一个新的描述,最后得出了γ值,与前面的推导相呼应。最后提到了双生子佯谬,提出了加速度对时空的影响。
第五章E=MC²,首先它是一个方程。代表着能量与质量可以互换,其比率为光速的平方。在讲解之前是引入了一个矢量的概念。矢量是一种有方向有大小的量。在三维空间中,p=mv,Ek=1/2mv²,通过这两个公式通过矢量将其转化到时空中,通过化简得到(mc)²=(γmv)²+(γmc)²。其中γmc²≈mc²+1/2mv²,其物理意义为:动量时空矢量的时间方向部分等于MC。如果用E/P那么会得到c²/v,若以v=c的话,可以得到E=CP,即速度为c的不含质量的物体也有能量
前五章的核心很明确,先讲解公式所需的基本物理知识和法则,在了解了这些必须条件之后进行公式的推导,有一点让我很感兴趣,就是物理学中的各位前辈们都是怎么去思考物理现象的,如何观察生活提出问题的,我觉得这是书中的一个亮点,说明物理学家并不是离我们很远的人物,他们是从生活中来,到生活中去的一群人。




