第一章2时空与万物

大学物理南京航空航天大学理学院（施大宁教授编著）hechongjun@赫崇君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§1.2时空与万物

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，便会产生虚无感和人生短暂的伤感。反过来，如果人们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依托而变得轻浮浅薄。

一、自然与数学

一、自然与数学毕达哥拉斯（Pythagoras，584-497BC

）:“数即万物”

宇宙的本质可以通过数字和纯几何形式来揭示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Euclid’s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？）创立了作为整个科学基础的欧氏几何学，即《几何原本》。

一、自然与数学

-把抽象思维转化成几何图形

-定义了与图形相关的术语

-在几何图形基础上提出了若干公理（axioms）

-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。欧氏几何系统来源于智力抽象（mentalabstraction）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、自然与数学在柏拉图（427-374B.C.）学院的大门上雕刻着:

“不懂几何学者勿入”（Letnooneenterwhoisnotschooledingeometry）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、自然与数学欧氏几何

成为古希腊科学与哲学的基础。希腊人一直没有认真对待和真正解决这个悖论OAlBCD…设阿基里斯和乌龟的速度分别为V1和V2（V1>V2）

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（ThefivePlatonicSolids）六面体

earth（土）四面体fire

heat八面体

air

gas十二面体

universe(星系)

aether(以太)二十面体

water

liquid柏拉图(Plato,427-347BC)——完美的几何形体

一、自然与数学《雅典学派》拉斐尔Raphael，1510-1511）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”

1025—10-15

称之宇宙的40个“台阶”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1078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110-3原子核内10-15米10-3810-2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（Blackhole）？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(Blackhole)？现代定义：世紀大賭博索恩(KipThorne)賭:Yes霍金(StephenHawking)賭:No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。

—施大宁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？

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