探究物理：挑战万有引力 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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《探究物理》共五册，分别是《挑战万有引力》、《遨游电子王国》、《解译声波密码》、《驾驭原子世界》和《探索太空奥秘》。本丛书深入浅出地点出了力学、电学、光学、声学、原子物理学、天体物理学、环境物理学的重点与精髓，是青少年学习和了解最新科技知识的良师益友。书中提出的一些悬而未决的疑难问题必将激发出青少年探索物理奥妙的热情与浓厚兴趣。

宇宙的低语：从天体运动到引力本质的深度探索 本书简介 本书并非聚焦于对既有物理学框架的常规复述，而是深入挖掘那些在经典理论的边缘闪烁，或是在前沿实验中悄然浮现的物理学议题。它旨在带领读者跨越教科书的边界，去触碰那些仍在激烈辩论中的概念，去思考那些尚未被完全解答的宇宙奥秘。 第一部分：超越牛顿的疆界——引力场的精细描绘 本章首先从对开普勒定律和牛顿万有引力定律的精确性进行审视开始。我们将探讨在极端引力环境下，例如在水星近日点的反常进动中，经典引力模型的局限性。这里的重点不在于推导广义相对论的数学，而是从现象学的角度理解为何需要对引力进行几何化描述。 随后，我们将剖析引力场论的早期尝试，以及在弱场极限下，狭义相对论与牛顿引力的兼容与过渡。探讨的重点将放在：引力如何作为一种场存在，其传播速度的物理意义，以及信息在引力作用下如何传递。我们将细致考察引力透镜效应的微弱信号如何帮助我们绘制星系团的质量分布图，并以此为引子，讨论暗物质的间接证据——即在不直接探测粒子的情况下，如何通过引力效应推断其存在。 特别地，本部分会引入“引力理论的重整化问题”。虽然在量子尺度下，标准广义相对论表现出不可重整化的特性，但我们将从有效场论的角度，探讨在低能近似下，引力与其他基本力的有效耦合，为后续的量子引力探讨铺设基础。 第二部分：时空织物的波动——引力波天文学的黎明 引力波的直接探测，标志着我们进入了一个观测宇宙的新窗口。本部分将详细阐述引力波的物理本质：它们是时空自身的涟漪，是质量加速运动所产生的能量辐射。我们将侧重于分析从双黑洞并合（BBH）、中子星并合（NS-NS）到黑洞与中子星并合（BH-NS）事件中，所携带的丰富物理信息。 我们不局限于 LIGO/Virgo/KAGRA 等地面探测器的技术细节，而是深入探讨波形建模的复杂性。从视界动力学的数值模拟到对合并后“余震”（Ringdown）阶段的分析，每一个参数——如质量、自旋、辐射能——如何被精确地编码在时空扰动中。 此外，本章还将讨论引力波在宇宙学中的应用潜力。例如，利用双中子星并合产生的电磁对应体（千新星），我们可以独立测量哈勃常数，从而解决当前宇宙膨胀率测量中存在的“哈勃张力”问题。我们还将探讨未来空间引力波探测器（如 LISA）将如何揭示早期宇宙的结构，乃至与宇宙背景辐射的互补关系。 第三部分：暗物质与暗能量的引力签名 宇宙学观测表明，我们所熟悉的普通物质仅占总能量密度的不到5%。剩下的绝大部分由神秘的暗物质和暗能量主导。本书将重点分析这两种成分在引力层面的表现。 对于暗物质，我们将探讨其在星系尺度和宇宙大尺度结构形成中的作用。这包括对哈勃流动的修正，以及在星系晕中对恒星轨道速度曲线的解释。我们将对比不同的暗物质候选模型（如冷暗物质CDM、温和暗物质WDM），重点分析它们在最小尺度结构形成上的差异性预测，并讨论未来直接探测实验的局限性。 至于暗能量，它被视为一种在时空中均匀分布的、具有负压的能量形式。本章将详细考察如何从宇宙学的FLRW度规出发，推导出暗能量对宇宙膨胀历史的影响。我们将对比最简单的宇宙学常数模型（$Lambda$）与更广义的动力学暗能量模型（如Quintessence或张量-标量理论）。重点在于区分这两种模型如何导致不同的未来宇宙图像——是加速膨胀的永恒分离，还是最终的“大撕裂”（Big Rip）。这里的分析将紧密结合当前对红移和标准烛光（Ia型超新星）的最新观测数据。 第四部分：量子引力的理论探索与概念性挑战 当我们试图将广义相对论与量子场论统一起来时，我们面临着深刻的理论挑战。本部分将审视几种主流的、但尚未被实验验证的量子引力路径。 首先，我们将聚焦于弦理论（String Theory），不是从其高维紧致化入手，而是探讨其核心思想：基本粒子被视为一维的振动弦，以及这种描述如何自然地包含了引力子。我们将讨论全息原理（Holographic Principle）的深刻含义，特别是 AdS/CFT 对偶性，它提供了一种在特定背景下将量子引力问题转化为无引力量子场论问题的工具。 其次，我们将探讨圈量子引力（Loop Quantum Gravity, LQG）。LQG试图对时空本身进行“量子化”，将其视为由离散的“量子”编织而成。本章会介绍斯平量规（Spin Networks）和体积算符，讨论LQG如何避免了标准广义相对论中的奇点问题，并在量子尺度上预测了“大反弹”（Big Bounce）的可能性，取代了传统的宇宙大爆炸奇点。 最后，本章将提出一个核心的哲学和物理学问题：引力作为一种“力”与时空结构之间的本质区别。在经典理论中，引力既是场，也是几何；在量子理论中，这种界限如何保持？我们将讨论信息悖论的深层含义，以及对黑洞信息守恒的最新思考，例如防火墙悖论（Firewall Paradox）和软毛理论（Soft Hair）。 结论：面向未来的物理学图景 本书的总结部分不会给出任何定论，而是总结当前研究的交叉点和未解之谜。我们探讨了引力在宏观宇宙学、中等尺度的星系动力学，以及未来可能在微观尺度上展现的量子效应之间的内在联系。宇宙的引力框架，从最微小的量子涨落到最大的宇宙结构，正在等待一个更深层次的统一描述。本书鼓励读者以批判性的眼光，持续关注实验观测的突破，这些突破将最终决定哪条理论路径能够真正揭示万有引力的终极奥秘。

推荐者简介

王惠亮

　　现职：国立高雄师范大学生物科技系教授兼副校长
　　经历：国立高雄师范大学生物科技系系主任、总务长、教务长
　　学历：美国康乃尔大学博士
　　专长：分子生物、遗传工程、生物农药

推荐序／王惠亮
推荐序／苏明俊
前言

奥妙无穷的力
共振酿成的惨案
阿基米德吹牛
章鱼与真空吸盘
硬度之王
自行车不倒之谜
中幡不倒的奥妙
杂技中的力学
头顶重物潇洒自如和奇妙的「被中香炉」
弓形石拱桥
比萨斜塔不倒之谜
从飞机失事谈金属疲劳
摩擦与摩擦学
楼房搬迁
倔强的陀螺
禁闭在船舱里的实验
从骏马拉铜球说到如来佛的神力
虎克定律的来历
力和力矩
龙骨水车和戽斗
地动仪
风箱． 鼓风水排． 指南车．「水转百戏」
扇车．曲柄摇把
马镫和马的肩套挽具
从弓箭、弩到世界上最早的枪和子弹
抛石器．火炮．喷火器
防弹玻璃与防弹背心
希特勒的祕密武器
形形色色的导弹
导弹家族的小兄弟
从向人体内发射「导弹」说起
一万多公斤羊毛不翼而飞
度量衡史话
把患绝症的人暂时冷冻起来
从斯坎佛的探索到根据结晶雪追查杀人犯
大桥和轮船都怕冷吗？
神祕的雪花
冰雪滑行
别开生面的生物力学
应用人体力学研制新型汽车
乌龟和兔子赛跑
动物的「力学头脑」
啄木鸟不会脑震盪的祕密

荡漾在流体中的力
高楼风．夏天穿黑色袍子的人
走马灯的新贡献
从蒸汽机到蒸汽火车
风筝史话
降落伞
降落伞大步走进各个领域
从雁阵说到节能
保守势力哑口无言了
「兴登堡」号飞艇遇难
第一个飞上天的人
叩开「天门」的人
乘坐气球飞越大西洋
矫翼思凌空
耐人寻味的昆虫飞行
向虫鸟学习飞行
渴望腾飞的「鸟人」
让人也展翅翱翔
他们飞上了蓝天
曹沖秤象和怀丙打捞铁牛
王冠之谜
世界上第一艘蒸汽轮船
「海龟」的下沉和上浮
海沟探祕
波光粼粼浮浮沉沉
为潜艇穿上「海豚服」
蜘蛛具有液压传动的脚
河上「拔河」比赛
神通广大的常压潜水服
压力极大的深海世界
海洋潜浪和漩涡
驾驶「海底」河流
间歇喷泉

战胜地心引力
牛顿与万有引力
「沙漠之舟」的最佳航线
坐炮弹是不能飞出地球的
「火龙出水」和多节火箭
多节火箭战高温斗严寒
火箭的燃料与速度
人造卫星飞出地球
加加林首次遨游太空
宇宙响彻〈东方红〉乐曲
抢救卫星
同步卫星的轨道及其寿命
遥测
别开生面的救难卫星
未来战争的生命线－－军事星
太空船载人返航
第一个登上太空的中国人不能失败
潇洒的太空行走
掉不下来的太空行走
失重后人体的生理变化
失重给人类带来的福音
光辉的历程

推荐序
　　
　　生长在一个知识爆炸的时代，我们每天甚至每分每秒都被新的资讯冲击着，有时根本还来不及接收，这些新讯在转眼间已成为旧闻；随着科技产业的日新月异，新颖的科技产品也是不断地推陈出新。我们每天几乎都是透过手上的3C产品，将所有的资讯及知识「滑」到眼前，但不论内容是什么，我们总是用不超过五秒钟的时间，伸出手指毫不留情地将它滑开，因为后头还有数不尽的新讯等着我们去看，没有时间─仔细阅览，深怕一个不留神，就跟不上这个快速转变的世界。在我们汲汲营营求新求快的同时，似乎忘了抬头看看四周的世界、忘了与你身旁的人对话、更忘了伸出手去翻一本好书。
　　
　　放下手机，试着回想你有多久没有好好阅读一本书了呢？尤其是正处求学阶段的青少年们，陪伴你们成长、让你们获得知识的绝对不仅仅是那台电脑或那支手机，更多的是一本本放在书架上等着你去挖掘、去探索的知识宝库。身为教育者最担忧的莫过于看见莘莘学子们在3C世界里不断向下沉沦，每天紧盯着手上的萤幕，茶不思、饭不想，达到另一种「废寝忘食」的境界，而学业，早就被抛诸于脑后了。这难道能不令人忧心忡忡吗？
　　
　　要改善这个在校园里已逐渐蔓延扩散的现象，必须从根本的基础做起。首要的关键就是让青少年重拾对阅读的兴趣，进而将阅读视为一种生活态度，自然而然地在生活中养成阅读的好习惯。「阅读」是须要培养的。能够引起阅读动机，让青少年主动伸手翻书是极为重要的第一步，然而要让莘莘学子跨出艰难的这一步，书籍内容是否具有吸引力是相当关键的。当然，能从阅读中汲取知识、增广见闻、丰富人生色彩，才是阅读最大的乐趣与助益。在此，要郑重向各位学子们推荐「青少年科普丛书」系列书籍，是专为中小学生打造的优良读物，目前的出版品有《科学揭祕动物世界》、《探究物理》等套书。
　　
　　《科学揭祕动物世界》分为无嵴椎类、海洋类、鱼类、两栖爬行类、鸟类、哺乳类等六册，每册皆有数十个主题，每个主题的篇幅精炼，并针对主题附上优美的照片，深刻读者们的印象，让读者不仅能从文字认识动物，还可由照片看见动物之美。书中除了介绍生活中常见的动物之外，还要带领大家认识稀有罕见甚至濒临灭绝的动物，让我们能够更加珍惜与爱护这片土地，好让这些动物能无忧无虑地生存下去。此书最特别之处在于描写了若干动物的小故事，为平凡的文字增添了生动有趣的色彩，也提升了对读者的吸引力。
　　
　　《探究物理》分为挑战万有引力、遨游电子王国、解译声波密码、驾驭原子世界、探索太空奥祕等五册，汇集多元的物理现象，借由一则则小故事，介绍力学、电学、声学、原子学及天文学等等的学科知识，其中也包含在全球广为讨论并饱受争议的「核能」应用，使读者懂得学思并重，思考物理学发展带给人类的利弊得失，进而探究其未来趋势，让物理学为人类生活带来更多更广的助益。
　　
　　来吧！让我们一同阅读「青少年科普丛书」，揭开科学的神祕面纱，探索其中的奥妙，一定能让你感受阅读的乐趣，并且获益良多。
　　

章鱼与真空吸盘
 
据说，19世纪日本皇室一艘满载朝鲜贵重瓷器的货轮在日本海沉没，尽管知道沉船地点，但因潜水员下潜不了那么深，于是求助于章鱼⋯⋯
 
章鱼跟乌贼一样，同属头足类动物，因为牠的「脚」长在头顶上。章鱼有8只长脚，像8条带子，所以人称牠为「八带鱼」。其实，章鱼根本不是鱼，而是一种贝类。
 
章鱼的大脑相当发达，可说是「海洋中的灵长类」。牠那灵巧的腕足能搬运石块、贝壳、玻璃等「建筑材料」来修造自己的房屋，建设海底「都市」。受过训练的章鱼，竟有记忆自己主人的能力。更有趣的是，章鱼对器皿嗜好达到成癖的地步。法国潜水家库斯托和久马曾在距马赛不远的海底，发现一艘古希腊时期的沉船，货舱中有许多盛酒用的双耳瓶，几乎每个双耳瓶内都有一只章鱼。小章鱼常把牡蛎、海螺的贝壳作为栖身之地。
 
迄今已知的最大章鱼是普通的太平洋章鱼，潜水员们热衷于和这些大型动物进行搏杀。1973年2月18日，潜水员海根在华盛顿州的夏胡德运河18.3公尺深处， 用单手以「角力」方式捕捉了一只章鱼，其腕足展开后的半径是7.8公尺，重53.6公斤。另外有一则报导说：「1896年11月，美国佛罗里达州圣奥古斯丁的海滨，曾发现一堆重约6∼7吨的海生动物残骸。经华盛顿美国国家博物馆化验，直到1970年才确定那堆残骸是大型章鱼的遗骸，推测腕足张开可达61公尺。」
 
章鱼的每只腕足上分布着大小不一的约一百个吸盘，每个吸盘像医用的小拔罐，能将猎物紧紧吸住，因而被认为这是牠们最厉害的武器。在传说中，章鱼常被描绘成兇残的海怪。法国着名作家雨果在他的《海上劳工》一书中，把章鱼刻画成「具有形体的恶魔，将会把人拖住吸干」。其实哪有如此毛骨悚然的惨案？居住在大洋洲吉伯特群岛的原住民，往往利用章鱼的脑在两眼之间表皮下的特点，两人一组，一个作饵，另一个对准牠脑部用牙把牠咬死。当然，在这生死关头，必须配合准确，分毫不差。
 
19世纪初，希腊、日本的渔民大量捕捉章鱼，目的是利用牠们奇特的习性来打捞沉没在海底的东西。
 
希腊的克里特岛，由于煤船频繁地往来装卸，海底堆积了厚厚一层煤。渔民们常捉来章鱼，拴在绳子上丢进海里，让章鱼到海底去抓煤块，然后再把绳子拉上来，煤块也就跟着捞上来了。

评分☆☆☆☆☆

这本书的气质，读起来就像是在和一位饱经风霜的老教授对话。他并不急于抛出公式或者惊人的发现，而是娓娓道来，仿佛在讲述一段漫长的旅程。一开始，我以为会是那种直接切入核心的科普读物，结果发现它更像是在铺陈一块巨大的画布。作者花了相当多的篇幅去梳理那些看似微不足道的历史片段，关于那些伟大的科学家们，他们的生活、他们的挣扎，甚至他们那些不为人知的失败。我尤其喜欢关于伽利略的部分，不是简单的讲述他的实验，而是描绘了他身处那个时代，是如何一步步挣脱旧有思想的束缚，那种孤独而又坚韧的求索过程，读得我心潮澎湃。然后，视线自然而然地转向了牛顿，但作者并没有把他塑造成一个神圣不可侵犯的偶像，而是展现了他如何将前人的智慧融会贯通，如何以一种近乎哲学的高度去理解宇宙的运行规律。这种叙述方式，让物理不再是枯燥的数字和公式，而是充满了人文关怀和历史厚重感。我感觉自己不仅仅是在学习物理知识，更是在经历一段思想的洗礼，理解那些伟大的思想是如何孕育和传播的。这种铺垫，虽然在初期显得有些“慢热”，但越往后读，越发觉得它的深远意义。它让我明白，任何伟大的科学成就，都离不开漫长的孕育期和无数人的努力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，就像是在参加一场别开生面的物理学“辩论赛”。不过，这场辩论赛的参与者，并不是活生生的人，而是那些在历史长河中闪耀过的伟大思想。作者以一种非常动态的视角，将那些相互关联又相互碰撞的理论，用一种生动而又引人入胜的方式呈现出来。他会抛出一个问题，然后引入不同的观点，就像是请不同的“辩手”上场，阐述他们的看法。我看到了那些曾经主导科学界的观念是如何被挑战，又如何被新的理论所取代。这种“对话”式的叙述，让物理学的历史变得鲜活起来，也让我对科学的进步有了更深刻的认识。书中对于“惯性”概念的演变，就是我印象最深刻的部分。从笛卡尔的思考，到伽利略的实验，再到牛顿的精确表述，作者仿佛在引领我穿越时空，亲历了这些思想的诞生和演变。这种方式，让我觉得物理学不仅仅是关于宇宙运行的规则，更是一部关于人类智慧不断超越自我的史诗。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书的时候，心里已经做好了迎接一堆复杂公式和抽象概念的准备。然而，它却给了我一个完全意想不到的惊喜。与其说它是一本物理书，不如说它是一本关于“好奇心”的书。作者似乎是一个极度热爱追问“为什么”的人，他对待每一个物理现象，都像是一个初生的孩子，充满了天真而又执拗的疑问。他不会直接告诉你答案，而是会引导你一起去思考，去猜测，去设计实验来验证。书中有很多关于“思想实验”的描写，那些场景真是太有趣了！比如，想象一下把自己放在一个匀速上升的电梯里，或者想象一下在失重的太空舱里抛出一个球，这些看似简单的场景，却能引发我们对运动、对惯性、对引力最深刻的理解。作者仿佛是一个导游，带着我们穿梭于那些伟大的思想家们的大脑中，亲身体验他们是如何一点点拨开迷雾，最终揭示宇宙奥秘的。这种体验，让我觉得物理不再是冰冷的科学，而是一种充满生命力的探索过程。我仿佛能听到那些古老的声音在耳边回响，感受到那些伟大的头脑在跳动。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉，就像是在进行一场精妙的解谜游戏。每一章，每一个小节，都是一个待解的谜题。作者并不直接给出谜底，而是像一个经验丰富的侦探，一步步地引导我们去搜集线索，分析证据。他会告诉我们，前人在寻找答案的过程中，走过哪些弯路，犯过哪些错误，又从中学到了什么。这种叙述方式，让我深刻地体会到科学发现的艰辛与不易。特别是关于万有引力定律的形成，作者并没有简单地将牛顿的成就作为一个定论呈现，而是详细地回顾了开普勒的行星运动定律，以及伽利略对落体运动的研究，甚至是更早期的天文学家们的观测数据。他让我们看到，每一个伟大的突破，都是建立在无数前人努力的基础之上，都是对已有知识体系的不断修正和拓展。读这本书，我感觉自己不仅仅是在学习物理学，更是在学习一种严谨的思维方式，一种不畏艰难、勇于质疑的精神。我不再是被动地接受知识，而是主动地参与到思考和推理的过程中。

评分☆☆☆☆☆

初翻开这本书，我原本期待的是一场关于引力本质的激烈思想碰撞，或者是一系列精妙绝伦的思维实验。然而，它给我的感觉，更像是在一位经验老道的向导带领下，攀登一座巍峨的山峰。向导并非直接指着山顶告诉你“目标在那”，而是让你从山脚下的不同角度去观察，去感受，去理解这座山是如何形成的。他会带你辨认沿途的植被，讲述它们如何在不同的地质条件下生长；他会指给你看被风雨侵蚀的岩石痕迹，让你体会时间的力量；甚至他还会停下来，让你仰望星空，感受宇宙的浩瀚与自身的渺小。书里对那些基本概念的阐释，简直就像是在给一块璞玉雕琢，每一个切面都打磨得细致入微，反复推敲，确保你真正理解它的形状和质地，而不是仅仅知道它的名字。特别是关于“力”这个概念的演变，从亚里士多德的静止观念到牛顿的惯性定律，作者用一种非常生动且富有逻辑的方式，一步步地剥离了我们固有的思维模式，让我们重新审视那些习以为常的现象。读到后面，你会发现，那些曾经遥不可及的物理定律，似乎也变得触手可及，仿佛它们就隐藏在我们身边的每一个细节之中。