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简单物理学 大多数没有接受物理学熏陶的人，可能认为物理学家做着非常复杂的计算问题，但那不是问题的要害。要害在于，物理学是一些概念，不理解这些概念，就无从了解世界运行的原理。 物理学基本概念 牛顿力学：加速度、引力、质量、能量、功、动量、角动量、守恒定律、作用量 相互作用：电磁相互作用、强相互作用、弱互作用、引力相互作用 基本粒子：玻色子、费米子、反粒子、分子、原子、夸克、电子、光子、胶子、引力子 场论：麦克斯韦场、杨-米尔斯场、引力场 电磁学：麦克斯韦方程、电磁波、电磁场、电荷、波 量子力学：薛定谔方程、波函数、波粒二相性、测不准原理、包利不相容原理 狭义相对论：参照系、惯性系、相对性原理、光速不变定理、洛伦兹变换、闵可夫斯基空间、事件、世界线、光锥、静质量、质速关系、质能关系 广义相对论：引力质量与惯性质量、等效原理、引力场、曲率、黎曼几何、爱因斯坦引力场方程 热力学：概率、熵、第二定律、相空间、平衡态、温度、绝对零度、统计力学、孤立系、混沌 宇宙学：大爆炸、稳态理论、真空、黑洞、奇点 人：生命、基因、大脑、人择原理、自由意识、人工智能 终极定理：大统一、狄拉克方程、量子场论、量子电动力学、量子色动力学、量子引力、超弦 数学：数系、函数、微积分、几何 第一定律：物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。 第二定律：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。 加速度：物体的运动状态改变了，也就是物体有了加速度；逆定理也成立。 F=ma 是一个混乱的源泉。 第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。 引力：任何两个物体之间都存在吸引作用，它的大小与物体的质量以及两个物体之间的距离有关。 质量（物体中物质的量）： 从第二定律算出的质量称惯性质量MI，从引力定律算出的质量称引力质量MG，定义不同的两个质量，不但成正比，而且常数为1 。 静止能量指一个物体所具有的作功的能力；运动能量必定是依附在物质的运动速度。 能量是一份份的，不可能有分数。 功是能量转化的量度：做功的过程就是物体能量的转化过程，做了多少功，就有多少能量发生了转化。 动量：物体的质量和速度乘积，是个矢量（p=mv）。 动量守恒定律：一系统由两个质点组成，如果这两个质点只受到它们之间的相互作用，则这系统的总动量保持恒定，即：p1+p2=常量 质能守恒定律：质量和能量的总和必须永远保持不变。 任何一个物理量都是一个“实体”，即客观实在的东西。 相对论是关于物质运动与时间空间关系的理论。 惯性系与非惯性系 惯性系 牛顿力学中的定义：静止或者作匀速直线运动参照物（参照系）。（这里的时间与空间是绝对的，相对一个绝对的坐标系来说的，这种说法并不正确） 非惯性系 相对于惯性系作加速运动的参照物（参照系）。 说明：没有受任何外力的参照物才是真正的匀速直线运动，但引力无处不在，所以没有真正的惯性系，但是象近似的火车并不防碍我们讨论狭义相对论。狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。 惯性系和非惯性系之间是可以通过坐标变换变过来变过去的。 狭义相对论（惯性系） 有了物质，也就有了时间空间。 时间是相对的 “假如我以光速跟随一道光束飞行，我会看到哪些奇异景象？比方说，这道光束若是由一座时钟反射出来，我应该看到一座静止的钟，也就是说在我眼中，那座钟的时间是静止的；可是在别人看来，同样的钟却滴答滴答这不是矛盾呢？” 相对论中的时间快慢都是对于一个参照物（参考系）比较的，因为这样才真正有意义。 两事件发生的先后或是否“同时”，在不同参照系看来是不同的（但因果律仍然成立）。 所以说没有绝对的同时，时间也不是绝对的，而是相对的。 每一参考系都有它自身的时间：参考系时间。 空间是相对的 一个物体（参考系）的运动，只有在与另一物体（参考系）相比较而存在。 一个匀速直线运动的物体也可以对静止的物体说，你是匀速直线运动的，而我是静止的。 光速在任何参照系里都是相同的，因此光速是绝对的，而不是相对的。 即光速不变原理：光速不仅和观察者的运动速度没有关系，和光源的运动速度也没有关系。 结论：由于光速在任何参照系里都是相同的，对于相同的动作（各自惯性系所花时间大小相同的动作），运动的物体在相对静止的物体看来，这个动作所经过的路径要比自已所处的惯性系（光速传递的距离）要长（也就是说运动的物体花的时间要多），所以运动的物体时间比静止的物体时间慢。而且量度物体的长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短。 时空的关键特点是，即使它在大尺度上弯曲，在小尺度上也可以看作是平直的如同地球一样。 结论：质量是能量的一种形式。物体的总能量（运动时的能量）等于它的静能与动能之和。 E = mc2 = E0 + E = m0c2 + mc2 = m0c2 + (mv2)/2 能量不是静能就是动能，静能离不开静止质量，动能离不开m和速度。 m = m - m0 m为运动时的质量 一个有静止质量m0的基本粒子，相应地也有静止能量E0。 m为零表示物体没有运动，没有动能。完全的惯性系是不存在的，所以没有m为零的物体。 “质量亏损”实际上是指核子质量转由光子质量（质量守恒），而能量是强相互作用场转换成电磁场能量（能量守恒）。 即：静能形式变成动能形式（一部分的m0 - m，所以 E0 - E） 质量与能量形式可以转换，但数量守恒。所以不能说物质可以转化为能量。 只要物体受到了力（有能量传递E），就会有质量增加m。但所有物体的总质量与能量守恒。 光子的m是常见的运动质量，所以人类应该禁止核武器。 有质量的物体都不可能有等于光速的运动（别想有无穷大质量），只有象光子这样（零静止质量）的粒子才有光速。所以任何物体的速度不能超过光速c。 由物质而存在时空，对于不同的惯性系也是不同的。但所有的惯性系在通过洛伦兹变换后，物理定律是相同的。物质有了能量（速度）变化后，也会有质量变化。而且因为光速不变性，相对运动（快速）的惯性系比相对静止（慢速）的惯性系的时间也要慢些，光速运动的物质时间不会流逝。 广义相对论（惯性系与非惯性系） 相对于作加速运动的火车来说,车内小球没有受到外力的作用,却不保持静止或匀速直线运动的状态,所以在加速运动的火车上,惯性定律不成立 广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式。 马赫原理：任何一块物质的惯性归因于那块物质和宇宙中其它物质之间的相互作用。孤立的物体惯性为零。 等效原理：在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。即任何物理实验都不能区分引力场和惯性力场。 爱因斯坦电梯： 惯性实验室: 理想的惯性系，无加速度，则小球受到的外力0； 加速实验室: 理想的惯性系，受外力后有惯性加速度g，则小球受到的惯性力是MIg； 引力实验室: 均匀的引力场，受引力后有引力加速度g，则小球受到的引力是MGg； 由惯性质量等于引力质量，即MI=MG，则一个加速参考系内的惯性力场同一个均匀的引力场等效。 在惯性实验室中，空间时间是平直的，所以小球作匀速直线运动； 在加速实验室中和引力实验室中，空间时间发生了弯曲，所以小球作抛体运动。 匀速直线运动在平直四维空时中的轨迹是短线程； 抛体运动在弯曲四维空时中也是短线程空间时间结构的变化，在加速实验室中是运动引起的，在引力实验室中却是物质引起的 有加速度就表示有引力场，不仅弯曲了空间，也弯曲了时间。 有引力场就是时空的弯曲，不是物质（永久引力场）引起，就是运动（非永久引力场）引起。 加速系的惯性力场也是一种引力场，但是它和物质所产生的引力场（如地球的引力场）有本质区别。前者叫“非永久引力场”，可以通过坐标变换消除引力效应；后者叫“永久引力场”，不能通过坐标变换消除整个空间的引力效应，但是引力效应可以通过空时弯曲来解释，不必借助于引力这种力来解释。 加速运动所引起的非永久引力场和物质分布所引起的永久引力场，有本质的区别。非永久引力场中空间时间结构和永久引力场中的空间时间结构，也有本质的区别。前者的空间发生弯曲，空时作为一个整体是不弯曲的；而后者，空时作为一个整体也是弯曲的。 广义相对论中的引力场（时空弯曲）是植根于黎曼几何的。 黎曼几何：三角形内角和大于度，局部平直，整体弯曲（如同地球表面）。 曲率为零的空间称为平直的（欧几里德空间）；反之，空间就是弯曲的（黎曼几何） 质能决定了时空曲率。 引力场理论以法拉第场和黎曼度规张量为基础的。 引力场方程思想：四维空时是弯曲的，曲率由物质的分布决定。 结论有： 引力场越强，时间越慢（时间弯曲）； 光线在引力场中发生弯曲。 “经典解”：黑洞和大爆炸。 惯性、引力以及物体和时钟的度规性状，都归结为单一的场的性质 这个强有力的理论，也先天地带有一些假设，这些假设在非常短的距离上是不正确的，比如奇点。 广义相对论的基本思想：物质的分布及其运动使其周围的时空发生弯曲，而时空的弯曲则反过来影响物质的运动 即： 物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动 物质的引力（分布）和惯性力（运动）会产生本质不同而效应相同引力场（非惯性系），从而导致周围的时空弯曲，时空弯曲也“影响”了物质运动。弯曲大小由质量（分布）和能量（运动）决定，如何弯曲则用黎曼几何。 广义相对论解释了两种不同引力场的引力效应，从而表明非惯性系中的物理定律也是相同的。 舞台：时间与空间；对象：粒子与场。 粒子：要6个参数(3个位置和3个动量)；有自已的世界线、(静)质量、自旋、有的还有电荷，而区分粒子正是用这些数值大小来判断。 场：要有无限个参数描述；麦克斯韦方程电磁场、杨-米尔斯场、爱因斯坦方程引力场。 力的实质：相互作用都是费米子交换玻色子，宇宙中所有现象都是粒子在场中运动而已。 引力相互作用-玻色子：引力子 / 强度：最弱 / 作用距离：长 电磁相互作用-玻色子：光子 / 强度：强 / 作用距离：长 强相互作用-玻色子：胶子和介子 / 强度：最强 / 作用距离：短 弱相互作用-玻色子：中间玻色子 / 强度：较弱 / 作用距离：短 力程短的弱、强相互作用都不显现于宏观现象之中； 力程长的电磁、引力相互作用是因为光子、引力子没有质量。 弱相互作用 放射性：原子核自动放出某种粒子而转变成新核。衰变中电荷数和质量数都是守恒的。 原子序数大于83的所有天然存在的元素，它们的原子核都是不稳定的。 衰变：23892U-23490Th+42He 衰变：23490Th-23491Pa+0-1e 宇称守恒：系统具有时间反演不变性(CPT) 在弱相互作用过程中宇称不守恒 - 中微子是左手征；而反中微子却是右手征。 W+, W- Boson：與電荷變換的弱作用相關。 Z Boson：所有不改變粒子種類的弱作用都與之相關。 强相互作用 核子之间的核力，是一种比电磁作用大得多的相互作用。 原子半径很小，质子间库仑斥力很大，但原子核却很稳定。 所以原子核里质子间的除了库仑斥力外还有核力。 只有在2.010的-15次方米的短距离内才能起作用。 质子和质子之间、质子和中子之间、中子和中子之间都存在。 核力是色力的间接效应，即强相互作用可以看作是夸克 - 胶子相互作用的间接结果。 Color Charge（色荷）：決定參與強作用的量子數。夸克和膠子的色荷皆為0。 核能 核子间存在着强大的核力，核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。 铀核裂变：中子入射重铀235，分裂成两个中等质量的核同时放出23个中子,出现质量亏损。 核聚变：两个核碰撞并合并成一个更重的核的过程。 如核反应：21H+31H-42He+10n （需要高温使氘核和氚核有足够的动能接近到10-15米发生热核反应） 太阳及所有发光恒星的能源来自核反应。 所有粒子可分为费米子与玻色子两类。 费米子之间的玻色子的来回往返，产生了我们观察到的力。 粒子不再是某种刚性实体，而是粒子和波的双重性质的物体。 基本粒子有几百种，绝大多数都不稳定，大部分为强子。 在能量足够大时，所有的基本粒子都能嬗变为其他粒子，它们能够仅仅从动能产生，并能湮灭而转化为能量，譬如说转化为辐射。 所有基本粒子都由同一种实体制成，我们可以称这种实体为能量或普遍物质（universal matter）；所有的基本粒子正是这种物质所能呈现的不同形式。 高能微观世界：各种粒子都是以微观粒子的单体出现，作高速的匀速直线运动。 在高能微观世界，量子力学就无能为力了，支配那里的规律的理论是量子场论。这是在量子力学的基础上发展起来的理论。 费米子 自旋为半奇数：夸克（中子，质子，介子等强子）、轻子（电子、子、子（重轻子）、3个中微子）。 强子：参与强相互作用的粒子，又分重子（质子、中子、超子）和介子（如介子）。 重子由三个夸克组成、介子由一个夸克和一个反夸克组成；一切强子都是由夸克组成。 对称性自发破缺，使费米子获得质量。 玻色子 波函数一定是对称的，自旋为零或偶数 光子、引力子、胶子（传递粒子间相互作用的粒子）、氘核、粒子。 玻色子粒子可以看成经典场（电磁场与引力场）的量子（量子化的能量小包）； 电磁场的量子是光子，引力场的量子是引力子； 任何基本的力都必然有与之相关联的基本粒子，即相应场的量子。有时量子被称为相应力的携带者。 反粒子 反粒子是量子力学与相对论结合的结果。 许多粒子都有和它质量相同而电荷相反的粒子-反物质。 一个有质量的粒子和它的反粒子可以湮灭而形成能量，并且这样的对子可由能量产生出来。 一个电子和正电子相遇时就转化为两个光子(纯能量：动能)：这个过程叫“湮灭”( annihilation )，有是甚至说为“物质湮灭给出能量”。但实际上这仅仅是物质之间的转换(电子转换成光子)，能量形式之间的转换（静能转换成动能）。 光子的反粒子就是它本身。 反物质只能在高能碰撞中偶而出现。 物質與反物質的本質差異：了解物質和反物質在物理定律上微小的差異，就可能會產生有關於為什麼宇宙中包含的物質遠比反物質多的線索，所有的反物質是怎麼不見的？ 射线 粒子：氦原子核4/2H，有很强的电离作用，贯穿能力很小，光速的十分之一 射线：高速运动的电子流0/-1e，贯穿能力很强，电离作用弱 本来物理世界里没有左右之分的，但射线却有左右之分 射线：波长极短的电磁波，性质像X射线，贯穿能力更大，电离作用很小 宇宙射线：是从宇宙空间射来的高能粒子，主要为质子 原子 原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一，却集中了原子的几乎全部质量 一个原子的绝大部分是一无所有的空间，加上量子因素排除了电子具有精确的轨道的可能性，原子便让人觉得是一种非物质的模糊的实体了 质子、中子的质量分别都是电子质量的1800倍 兀介子在原子核里，往来于中子和质子之间，用核力使中子、质子粘结在一起。 质子数相同，中子数不同的称同位素 离子不过是得到或失去一个或几个电子的原子。 原子的化学性质取决于其中的质子数，在物理化学反应中，原子核不发生变化。 只有在核反应中原子核才发生变化。 原子处于在低能量环境中。 电子在不同的原子核外如何组成各种原子以及不同的原子如何组成种类数不清的分子。 质子(proton)：符号11H 中子(neutron)：符号10n 分子形成 能量最小原理：一个系统总是要调整自已，使系统的总能量达到最低，使自已处于稳定的平衡状态（宏观世界与微观世界都适用） 两个或几个原子相遇时，要进行调整，使能量尽可能降低，如果可以达到比原来远离时的能量（称此时能量为零）要低，就能构成一个稳定的分子；如果调整后的最低能量仍大于零，则原子就要互相远离以减少能量，无法构成分子 两个或多个原子结合成分子，是因为它们接近时，即外层电子云重叠时的能量比远离时能量要小，它们之间产生了引力。所以，原子的结合，主要取决于最外壳层电子的情况，特别是电子云的情况，而在原子的结合中，量子力学中的状态叠加原理又起了特殊的作用 自然界天然存在的九十余种元素中，最突出、最特别的是元素碳C（与别的原子结合能力特别强，因为薛定谔方程） 分子凝集起来的形成的物质状态：气态、等离子态、（液态、固态：凝聚态物理学） 玻色爱因斯坦凝聚 原子气体中,在足够低的温度下，所有原子有可能处在相同的最低能态上，所有的原子的行为像一个粒子一样。 加速器 因为光的波长太长，為了观察更小的粒子，物理學家需要波長盡可能小的粒子作为探子。 粒子的動量和它的波長成反比。 所以加速粒子使其速度接近光速，粒子有了動量后可成为探子。 如同电脑显示器的分辨率，点越小越多，信息越清楚。 每种粒子对应一种场，场没有不可入性，对应各种不同粒子的场在空间中互相重叠地充满全空间。 场也具有波粒二象性。 场的能量最低状态称为基态(ground state)，场的其它能量状态称为激发态(excitation state)。场的激发态表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。因此，在场和粒子之间，场是更基本的，粒子只是场处于激发态时的表现?_Einstein 所有的场都处于基态时为物理真空(physical vacuum)。因此，真空并不是“真”的“空”无一物，真空态时全空间充满各种场，只是由于所有场都处于能量最低状态，从而不可能表现出任何释放出能量而给出信号的物理效应。 按照量子场论，相互作用存在于场之间，无论是处于基态还是处于激发态的场，都同样地与其它场相互作用；粒子之间的相互作用来自它们所对应的场之间的相互作用，场之间的相互作用是粒子转化的原因。 杨-米尔斯场: 弱力与强力由交换某种能量量子而产生(麦克斯韦场的推广)。 对于弱相互作用，相应于杨-米尔斯场的量子是W粒子，并带有电荷； 对于强相互作用，相应于杨-米尔斯场的量子是胶子，它把中子、质子胶合在一起。 The Standard Model Under the Standard Model all fundamental particles can be broken down into two groups, fermions that make up matter, and bosons that exchange the forces acting on matter. Due to the physics of the theory, almost all of the behaviour of the universe can be explained based on this handful of particles. Supersymmetry is a theory of particle physics that extends the Standard Model by associating each boson with a corresponding fermion and vice-versa. 夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部成份。 夸克有6种味（flavors），三种颜色（colors） 夸克和胶子是禁闭的，但又是渐近自由的。 Flavor（味）：不同型夸克 (上 up, 下 down,奇異 strange, 魅 charm,底 bottom,頂 top）和不同型輕子(電子 electron,介子 muon, tau)專用的名稱。對於每一種帶電輕子味，都有一對應的微中子味。換句話說，flavor是區分不同夸克/輕子的量子數。夸克與輕子的每一種味（flavor）都有不同質量。 胶子 色对胶子起的作用，犹如电荷对光子的作用，既胶子与色的相互配合和光子与电荷的相互配合一样。不同在于光子是电中性，而胶子是多色性。 引力（时空弯曲） 广义相对论将引力描述成因为时空中的质量和能量而引起的时空弯曲。物体试图直线方式运动，但是它们的路径因为时空的弯曲而被弯折。 引力不是寻常意义之下的力，而是时空弯曲的一种表现；引力现象本质上是一种几何现象（引力的几何化）。 对于足够大量物质粒子，引力则比其它所有的力都更重要。 引力使时空具有一个开端也许还有一个终点。 引力总是吸引意味着，宇宙必须是膨胀或必须是收缩。 对不受引力作用的系统来说，有序意旨复杂；无序意旨简单。对引力来说，情况正好相反。 质量和能量的一个重要性质是它们总是正的，这就是引力总是把物体相互吸引到一起的原因。 引力场（引力子）与引力波 Graviton（引力子）：万有引力的载力粒子，尚未被直接观测到。 引力波是引力场方程的一类解。 引力波如同电磁波一样以光速传播并携带能量。 正如电荷加速时会产生电磁波一样，物体加速时也会产生引力波。 (所有电磁波都是电荷非匀速运动的结果，所有引力波都是物体非匀速运动的结果) 引力效应是靠引力波传递的，就象电磁力靠电磁波传递一样。 引力耦合常数比电磁耦合常数小许多个量级，所以引力波非常微弱难以探测。 电磁场作为电磁力的传递者，是一种矢量场，其相应的光子是一种矢量粒子。 电荷 加速度 电磁波 光子组成的电磁场是电磁力的传递者 物质 加速度 引力波 引力子组成的引力场引力的传递者 空间弯曲与引力子的关系？如何理解引力场受到扰动 所谓场就是讲玻色子(量子)，是物质并有能量 所谓波就是讲物质(粒子)本身在空间运动的方式 物体的运动就会使周围的引力场受到扰动，这种扰动以光速按波的形态传播。 与电磁波不同，引力波并不被物质吸收。 广义相对论，阐明了物质之存在使空间畸变，于是造成引力。每当物质在空间中重新分布，空间畸变的特征就随之改变，这样就会造成某种扰动，即某种“引力波”，它以光速朝所有的方向扩散开去。 引力是平直时空几何被弯曲的结果，时空弯曲的大小由能量（质量m0+m）的动态分配所决定；物体加速时使时空几何扰动，加速引力场（引力子）则以波的方式传递这种扰动。 热力学 正把握着有序生命产生的关键 只牵涉到世界的皮毛，它不像相对论和牛顿力学那样能跟“基层的”，不能与看不见的微观世界打交道。 基本问题-如何使热力学(不可逆)和分子力学(时间对称)的微观世界相和谐。 孤立系：与外界没有任何能量交换和物质交换，或说没有任何相互作用的热力学系统。 平衡态：一个孤立系，经过足够长的时间后，系统必将达到一个宏观性质不随时间变化的状态。 对玻尔斯曼而言，粒子碰撞就是导致系统平衡的机理。 在实际世界中，没有东西是真正处于平衡态的。 态函数：以态参量为自变量，由平衡态确定的其它宏观量可以表达为态参量的函数(温度、熵)。 温度：从分子运动论的观点来看，温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度； 对于单个分子或少量分子的运动，温度这个概念都是毫无意义的。 绝对零度：热力学温度的零度是-273.15，所对达到的最低温度，在这温度下不包含热能。 T=t+273.15(标准大气压下，冰的熔点为0，既273K(开尔文)，水的沸点为100，既373K(开尔文)。 热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。 热力学第一定律(能量转化和守恒定律)：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，这意味着宇宙总能量是守恒的。 过程中通过作功和传热两种方式传递能量 热力学第一定律说，一个系统的熵的微小改变是伴随着该系统的能量的成比例的改变。这个比例因子被叫做系统的温度。 热力学第三定律：绝对零度不能达到原理。 根据热力学第三定律，在绝对零度下一切物质皆停止运动。 绝对零度虽然不能达到，但可以无限趋近。 能量与温度之间的关系，事实上是热力学中的主要问题，也是分子物理学中的主要问题。 热力学第二定律 通俗表述：自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的 克劳修斯表述：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化 第二定律的本质是：在自然界中一种状态出现得越频繁，它的几率就越大。 (不同温度的两物体接触时，低温物体不可能自发的变的比高温物体更冷，除非作功) 宏观不可逆性是微观尺度上的随机性的表现，研究随机性的起源是关健所在 热力学理论还没有一个充分的力学基础，因为现在还不能仅仅利用力学方程和几率运算就推导出热平衡定理和热力学第二定理 相空间 相空间：系统的相空间通常具有极大的维数，其中每一点代表了包括系统所有细节的整个物理态（系统每个粒子的位置和动量座标）。 相空间是一个巨大维数的空间，它上面的每个点代表我们考虑的系统全部可能的态。 熵 熵增加原理：系统经过一个绝热过程后，熵永不减小(如孤立系、宇宙) 宇宙总熵是在无情地朝着它的极大值增长(所有的能量转化都是不可逆的) 玻尔兹曼把熵和概率连在一起，成为世上第一个给一项基本物理定律一个统计性解释的人 信号中的信息量越大，它的熵就越小，熵和信息之间极为相似 在可逆过程中熵的改变是零，而在不可逆过程中熵总是增加的。 熵是物理几率的量度。 - 玻耳斯曼 没有人真正了解熵到底是什么东西。 - 纽曼 熵在绝对零度时消失？ 在可逆过程中熵的改变是零，而在不可逆的过程的过程中熵总是增加的，熵的增加正好与时间的前进一致。 第二定律中最令人困惑的方面即所有在我们四周发现的明显的低熵，应归结于这样一个事实：即通过弥散气体引力收缩成恒星的过程中可得到大量的低熵。 弥散气体：主要是氢、质量占23%的氦及其它物质。 热量是能量的最无序的形式，也就是说，它是能量的最高熵形式。 绿色植物吸收低熵形式的能量（相对少量的可见光）而重新把它以高熵形式（相对多量的红外光子）辐射，为我们提供了所需要的分解的氧和碳，以这种方式把低熵喂给我们。 人：低熵形式的能量（食物、氧气）；高熵形式（热、二氧化碳、排泄物） 至少存在三个时间箭头： 1 热力学箭头，无序度增加的时间方向 2 心理学箭头，在这个时间方向上，我们能记住过去而不是将来 3 宇宙学箭头，宇宙膨胀而不是收缩的方向 时间失称可能是相当微妙的 时间及其方向也许是意识的最大秘密 人择原理：我们存在其中的宇宙的性质受到如下强烈的限制，即必须存在像我们这样有知觉的生物以便对它进行观察。 认为宇宙之所以是我们所看到的这样，是因为如果宇宙不是这样的话，我们也就不会存在，也没有人会来观测宇宙了。 与物理原理不同，人择原理是无法检验它是否正确，所以它不是一个科学原理。 我们人类踞于微小与宏大、短暂与永恒之间的中央位置。 高度有序的大爆炸观点认为人类存在几率之小远不及宇宙存在之小。 weak anthropic principle The conditions necessary for the development of intelligent life will be met only in certain regions that are limited in space and time. That is, the region of the Universe in which we live is not necessarily representative of a purely random set of initial conditions; only those favorable to intelligent life would actually develop creatures who wonder what the initial conditions of the Universe were, and this process can only happen at certain times through the evolution of any given universe. strong anthropic principle A more forceful argument than the weak principle: It implies that if the laws of the Universe were not conducive to the development of intelligent creatures to ask about the initial conditions of the Universe, intelligent life would never have evolved to ask the question in the first place. In other words, the laws of the Universe are the way they are because if they werent, no intelligent beings would be able to consider the laws of the Universe at all. 生命在地球上有34亿年历史 生命决定于与氢一起存在的另外一些元素，最主要的是碳、氧、氮和磷。它们不会在原初大爆炸时就已经生成，大爆炸过程中只可能生成一定数量的氢和氦原子核重元素的生成必须要等到星系和恒星形成时期，恒星的内部像巨大的熔炉，可以使轻元素聚合在一起而引起核合成。在此之后，还要有长达几十亿年的加热，才能够最终生成这些重元素。因此，为了人类的存在，从宇宙创生以来至少要经过约130亿年 地球上所有生物的基因都是由A，C，G，T四种核苷酸组成。 控制细胞分裂的关键分子：酵母蛋白，从最原始的生物到演化最高的生物，都没有什么大不同。 生物学研究对象渐渐集中生命相关的大分子：核酸、蛋白质、酶。 病毒是非常原始的生命形式，只是蛋白质外壳包着一些核酸。 人类已经用纯化学手段制造出了一种生命体：脊髓灰质炎（小儿麻痹症）病毒。以目前技术尚不能制造比病毒更复杂的生物例如细菌，更不用说植物和动物。制造较大的病毒如天花病毒在理论上已经可行，但操作起来很困难。 太阳对我们所做的是给我们提供了巨大的低熵源。我们（通过植物的巧妙功能）利用了这些低熵，最终抽取某一极小的部分将其转换成惊人的、错综复杂的、有组织的结构，这就是我们自身。 人的大脑在比例上比其它任何动物的都大 大脑的右半球几乎完全关联身体的左边，而大脑的左半球关联身体的右半部分； 小脑负责身体的准确定位和控制，并且小脑的左半控制身体左边，右半控制身体右边。 人类意识是和人类语言密切相关.人类才能得到微妙的思考能力。 按照强人工智能的观点：由大脑皮层进行的复杂算法使该区域具有显示意识能力的呼声最高。 宇宙在非常大的尺度下显得相当均匀。 宇宙没有中心：宇宙中没有任何一点具有优越性，所有的位置都是平权的(推论：宇宙没有边界)。 宇宙是有限的但无界的。 通常说的真空是指气体压力低的空间，即相对来说几乎没有原子和分子； 完全真空是没有原子和分子的，但这是达不到的。 真空很复杂，是个凝聚态，是有构造的。 也就是微观的粒子和宏观的真空是分不开的，这两个必须同时处理。 由于引力(黑洞)和宇宙膨胀作用，宇宙热寂(热平衡)说法不定对。 这个理论认为，宇宙学的最终问题只能用量子理论来解决，并且允许存在无限多个平行宇宙。 在宇宙波函数中，波函数最有可能集中在我们宇宙周围。我们所以生活在我们宇宙中，是因为这个宇宙最有可能拥有最大的概率。 存在许多不同物理常量的宇宙。 宇宙波函数牵涉到的数学超出了现在人们的计算能力。 霍金的新思想，是把整个宇宙看成一个量子粒子。 宇宙大爆炸 科学家认为，在宇宙大爆炸当初，存在的是夸克和胶子，最初的只有夸克和胶子的时间持续仅几微秒（1微秒等于千分之一毫秒）。随着宇宙逐渐冷却，这些微小的粒子夸克和胶子合成为质子、中子和电子，它们再形成原子，原子再形成分子，然后从无机物又形成有机物，出现生命，最后又进化到人。 关于大爆炸理论，必须含有关于时空几何本质的某种根本性的新思想。 宇宙大爆炸与普通爆炸不同，空间本身由此爆炸创生出来，并不存在任何中心点。大爆炸喷出的物质均匀地发散到整个宇宙的空间。 大爆炸宇宙模型： 宇宙奇点是个超高密度火球，巨大的能量都集中到一点(理论中的可测量都变为无穷大，从而变为无意义)处于低熵状态，而宇宙一直在膨胀. 两种可能的极端命运： 1.继续膨胀直到热寂(有推测会重新恢复一个宇宙) 2.大坍缩，此时无处不在的引力最终使膨胀停止，并使所有物质不可抗拒地回聚到一起，从而形成一个最终的奇点 (这实际上决定于宇宙中现有物质的数量,还没测完) “免费午餐”定理：只要有了各种定律，宇宙就会自已照管自已了，包括照管它自已的创生。 最初，时空是一无所有的，是平直的-根据爱因斯坦对引力的解释，那时没有物质使时空弯曲。海生伯的不确定性原理允许在短期间内可以免费借能量来创造宇宙。根据爱因斯坦的物质能量关系，这能量产生物质，(以黑洞形式)，物质以引起时空的弯曲-也就是我们所谓的引力。从“无”，我们得到相当多的“有”；尽管如此，产生宇宙所需的总能量等于零，因为宇宙中所有引力的能量是负的，它和产生的质量的(正能量)恰好抵消。 从引力我们知道有暗物质存在，可是用光看不见，红外、紫外、X光都看不见。宇宙里90%以上是暗物质。这些暗物质是什么我们不知道，所以有极大的能量来源我们不知道。 虽然单个中微子的质量微不足道，但由于宇宙中它的数量极其巨大， 如果它具有静止质量，其总质量会非常惊人，影响到宇宙总质量与临界质量的对比关系，即决定宇宙是膨胀还是收缩。 1998年，天文学家们从遥远的超新星爆炸发现了宇宙膨胀正在加速的证据。这暗示着有某种“黑暗能量（dark energy）