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薛定谔的猫：改变物理学的50个实验

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四川成都

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作者(英) 亚当·哈特-戴维斯，未读出品

出版社北京联合出版有限公司

ISBN9787559606266

出版时间2017-09

装帧平装

开本32开

定价49.8元

货号25171161

上书时间2024-10-19

百叶图书

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商品描述

前言

物理学拥有漫长的历史，事实上，它可能是古老的科学。人类总是好奇地想弄清事物运行的规律，于是有的人不辞辛劳，开始努力探索大自然的秘密。在那遥远的过去，一定曾有无数原始人坐在夜幕下，仰望头顶璀璨的星月，猜测它们运行的规律。每种文化都有独特的创世神话和无数有关天空的传说，但物理学却另辟蹊径，试图运用逻辑推理和实验揭开世界的真相。

天文学总是走在科学的前沿，你可以用裸眼观察星空，列出星星的名字，为它们编制星图，记录行星神秘的运行轨迹，还有偶尔出没的流星、彗星和超新星。1600年左右，望远镜的出现让天文学迈上了新的台阶，但天文学家不做实验，所以这本书里很少提到他们的名字。从恩培多克勒的漏壶实验到阿基米德的浴盆顿悟，中间隔了差不多两百年。在这段时间里，人类的计算能力和理解能力都有了巨大的进步。希腊文明衰落后，科学曾一度裹足不前，直到伊斯兰黄金时代的曙光初现，众多阿拉伯科学家、工程师和炼金术士为科学揭开了新的篇章。不过随之而来的是又一次的蛰伏期，直到1543 年，哥白尼提出石破天惊的日心说，67 年后，观察到木星卫星的伽利略义无反顾地加入了拥护他的阵营。伽利略做了一系列突破性的实验，在他之后，罗伯特·波义耳和艾萨克·牛顿为化学和物理学奠定了坚实的基础。依靠新的理论和实验技术，科学家开始测量音速、光速和地球质量，并试图研究翅膀的流体力学特性。在这个时期，欧洲是物理学研究的中心，德国更是天才云集的重镇，不过美国人很快迎头赶上，独占鳌头，这样的局面一直延续到了今天。

19 世纪末，物理学领域涌现出一批惊人的发现——短短五年内，科学家先后发现了X 射线、放射性和电子，新的想法和理论应运而生，在此基础之上，人们又设计了进一步的实验；20 世纪初，我们对物质特性的理解突飞猛进。

两次世界大战迫使研究者将工作重点转向军事领域，由此创造出雷达、微波和环磁机，重要的是，我们开始试着利用核能。二战结束后，基础科学再次蓬勃发展，尤其是在天文学、天体物理和宇宙学领域，科学家开始更加深入地研究宇宙的性质。我们将望远镜送上了太空，那里没有干扰视野的大气；与此同时，我们拥有的计算能力也在飞速增长，根据摩尔定律，高密度集成电路上镶嵌的晶体管数量每两年就会增长一倍，所以电脑的计算能力也遵循同样的发展规律。21 世纪，我们迎来了大科学的时代，许多前所未有的大型昂贵实验纷纷启动，某些实验由数千名物理学家共同参与，为了分析这些实验产生的海量数据，他们动用了多台超级计算机。即使付出了这么多努力，但我们离物理学的尽头依然非常遥远。无论做了多少实验，每个实验总会带来新的问题，等待我们去一一解答。

导语摘要

本书从科学史的角度，依照时间序介绍了有史以来*突破性的重大物理学实验，这些实验为物理学各领域奠定了扎实基础，也是人类科技发展的重要基石，例如：牛顿的苹果到底是不是真的故事？人造云和粒子移动的轨迹有何关联？透过油滴要怎么测量电子的带电量？不论你感兴趣的是光学、力学、电子学还是天文学，这本书都能让你找到许多有趣且深具启发性的解答。

作者简介

亚当·哈特-戴维斯，1943年生，英国科学家、作家、电视节目主持人，1990年代主持英国广播公司BBC的「地方英雄」和「罗马人对我们有什么贡献？」等系列节目，成为知名的科普传播人士。毕业于牛津大学莫尔顿学院化学系，于约克大学取得有机金属化学博士学位，之后曾在牛津大学出版社担任科学图书编辑。目前仍为英国的广播与电视节目协助幕前与幕后工作。2007年获英国皇家摄影学会授予荣誉会员资格。著作超过30本，包括《历史：从文明之初到今天》《时间之书》《薛定谔的猫：改变物理学的50个实验》等。

目录

引言 6
1.早期实验：公元前430—1307 8
约公元前430 空气算是“物质”吗？——恩培多克勒
约公元前240 浴盆里的水为什么会溢出来？——阿基米德
约公元前230 如何测量地球？——埃拉托斯特尼
1021 光是怎样传播的？——海什木
1307 彩虹的颜色从哪儿来？——弗莱贝格的狄奥多里克
2.启蒙时代：1308—1760 26
1581 磁北极在哪里？——诺曼
1587 大球和小球：谁坠落的速度更快？——伽利略
1648 山顶上的空气更稀薄吗？——帕斯卡
1660 轮胎为什么要充气？——波义耳
1672 “白色”是一种颜色吗？——牛顿
1676 光速是有限的吗？——罗默
1687 “苹果砸头”的故事是真的吗？——牛顿
1760 冰是……热的？——布莱克
3.更广阔的领域：1761—1850 52
1774 你能称出这个世界的质量吗？——马斯基林
1798 你能（不借助山峰）称出这个世界的质量吗？——卡文迪许
1799 不含电池？——伏特
1803 光会互相干涉吗？——杨
1820 磁能产生电吗？——奥斯特和法拉第
1842 声音能拉伸吗？——多普勒
1843 让水变热需要多少能量？——焦耳
1850 光在水里会变快吗？——斐索与傅科
4.光、射线和原子：1851—1914 78
1887 什么是以太？——迈克尔逊与莫立
1895 X 射线是怎样被发现的？——仑琴和贝克勒尔
1897 原子里面有什么？——汤姆森
1898 镭是怎样被发现的？——居里与居里夫人
1899 能量能在空间中传播吗？——特斯拉
1905 光速是恒定的吗？——爱因斯坦
1908—1913 世界为何大部分是空的？——卢瑟福等人
1911 金属在零度下会表现出什么特性？——昂内斯
1911 把头探进云里就能获得诺贝尔奖？——威尔逊
1913 如何测量粒子携带的电荷？——密立根与弗莱彻
1914 量子力学比我们想象的还要古怪吗？——弗兰克与赫兹
5.物质深处：1915—1939 114
1915 引力与加速度有关吗？——爱因斯坦
1919 你能把铅变成金子吗？——卢瑟福
1919 爱因斯坦的理论能被证实吗？——爱丁顿等人
1922 粒子会旋转吗？——施特恩与格拉赫
1923—1927 粒子会波动吗？——戴维森与革末
1927 一切都是不确定的？——海森堡
1927—1929 宇宙为什么会膨胀？——弗里德曼
1932 反物质真的存在吗？——安德森
1933 引力如何构建银河系？——兹威基
1935 薛定谔的猫是死还是活？——薛定谔
1939 怎样利用核物理知识造出原子弹？——西拉德与费米
6.跨越宇宙：1940—2009 150
1956 一颗恒星诞生了？——塔姆等人
1965 大爆炸留下了余韵吗？——彭齐亚斯与威尔逊
1967 小绿人真的存在吗？——贝尔
1998 宇宙正在加速吗？——珀尔马特
1999 我们为什么会在这里？——里斯等人
2007 我们是宇宙中的智慧生物吗？——波勒等人
2009 我们能找到希格斯玻色子吗？——希格斯等人

内容摘要

主编推荐
亚当·哈特-戴维斯，1943年生，英国科学家、作家、电视节目主持人，1990年代主持英国广播公司BBC的「地方英雄」和「罗马人对我们有什么贡献？」等系列节目，成为知名的科普传播人士。毕业于牛津大学莫尔顿学院化学系，于约克大学取得有机金属化学博士学位，之后曾在牛津大学出版社担任科学图书编辑。目前仍为英国的广播与电视节目协助幕前与幕后工作。2007年获英国皇家摄影学会授予荣誉会员资格。著作超过30本，包括《历史：从文明之初到今天》《时间之书》《薛定谔的猫：改变物理学的50个实验》等。

精彩内容
如何测量粒子携带的电荷？——测量电子

1897 年，约瑟夫·约翰·汤姆森发现了电子，并测量了电子的荷质比，但当时谁也不知道电子的确切质量和电量, 所以，如果能够测量电子携带的电量，我们就能算出它的质量。
1910 年，罗伯特·密立根成了芝加哥大学的教授，不过在此之前，他已经开始了自己的油滴实验。在研究生哈维·弗莱彻的帮助下，密立根设计制造了这套实验装置，它的原理其实非常简单。

测量微量电
-
利用香水喷雾器，科学家将细小的油滴喷入观察室上方的容器里，然后通过显微镜观察油滴在空气中坠落的速度。
然后他们向容器内射入一束X 射线，这种射线会电离容器内的部分空气，剥夺部分空气分子的电子，让它变成带正电的离子。如果离子化的分子与油滴发生碰撞，那么正电荷会被转移到油滴上。这不会影响油滴受到的地球引力，不过下一步，科学家会给容器施加一个电场。
观察室上下方各有一块金属板，可施加5300V的电压，下方的金属板是正电极，上方则是负电极。电场会对油滴施加一个与重力方向相反的力，推动它向上远离正电极板，靠近负电极板。研究者可以观察油滴是继续坠落、保持静止, 还是向上运动，并测量它的运动速度。
研究者并不知道每一滴油携带了多少电荷，但他们推测电荷应该存在一个基本单位，因此每一滴油携带的电量都应该是这个基本单位的倍数——可能是2 倍、4 倍或5 倍。
他们知道空气的黏度、每次试验时的气温以及黏度对极小液滴的不同影响。因此，根据油滴下降的速率，可以算出每一滴油的有效重量。

电场
-
然后，研究者接通电路，小心地调整电压，使液滴悬浮在空中。这项工作进展缓慢，难度极大。实验中，他们一共研究了58 滴油，有时候单单一个油滴就需要观察5 个小时。油滴保持悬浮状态时，它受到的重力正好等于电场力，而电场力可以通过此时的电压计算得出。知道了油滴的重量，就能算出它携带的电量。
然后研究者升高电压，看着油滴“向上坠落”。根据油滴的运动速率，可以再次验算它的电量。
综合多次实验的计算结果，他们终得出结论：电荷的基本单位一定是1.592×10-19C——我们今天公认的数值是1.602×10-19C，密立根和弗莱彻的结果与这个值的误差小于百分之一。之所以会出现这样的误差，很可能是因为他们采用的空气黏滞系数有所偏差。

发现
-
这个结果非常重要，原因有几个。，它确认了电荷由离散的基本单元组成，而不是托马斯·爱迪生等人猜测的连续变量。
第二，如果这个数值就是小的电量基本单元，那么它一定就是单个电子携带的电量。
第三，它帮助我们测量了阿伏伽德罗常数，这个常数的名字来自意大利科学家阿梅代奥·阿伏伽德罗。1811年，阿伏伽德罗提出，在给定的温度和压力下，任何气体的体积都与它包含的粒子（原子或分子）数量成正比。阿伏伽德罗常数的数值为6×1023，即0.035 盎司（约1 克）
氢、0.42 盎司（约12 克）碳、0.52 盎司（约15 克）氧或1.98盎司（约56 克）铁包含的原子或分子数量。
密立根在计算终结果时排除了大约一半的实验数据，这引发了一些争议。这样的数据篡改并不明智，它可能终走向彻底的学术欺诈。事实上，这些数据不会改变密立根的计算结果，但会增大整个实验的统计误差。
不难想象，通过显微镜观察油滴这项枯燥冗长的工作主要由研究生哈维·弗莱彻承担，但在一
份不同寻常的协议中，他与密立根达成了交换默契：密立根独享这篇论文的所有权益，而弗
莱彻则是另一篇相关论文的作者，那是他的博士论文。结果，弗莱彻得到了博士学位，
而密立根获得了1923 年的诺贝尔物理学奖。
密立根不相信爱因斯坦在1905 年的论文中提出的光电效应，他做了很多高难度实验，试图证明爱因斯坦错了，但结果却适得其反。他说：“我花了十年时间试图推翻爱因斯坦在1905 年提出的等式，结果却事与愿违。到了1915 年，我不得不承认，爱因斯坦的理论是对的，尽管它看起来很不合理。”

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