宇宙的全部秘密,就在这7个符号中 | 王木头讲科学

摘要: 千变万化的宇宙总是逃不过这7个东西

11-02 23:18 首页 把科学带回家

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今天是王木头讲科学的第24期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。





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你想过为什么会有时间吗?时间到底是什么呢?如果你有强烈的好奇心的话,一定是想过这样的问题,对吧。先告诉大家一个比较常见的用来研究一件事情的方法,就是我们研究什么东西,就先假设它不存在,看看世界会发生什么事情。如果世界因为没有它而有了天翻地覆地变化,那么这件事情就很重要,如果结果相反,世界没有什么变化,那么它就可能不那么重要了。

我们现在就这样来研究一下时间吧。大家能想象到一个没有时间的世界是什么样子吗?这样吧,我们假设有一个非常特别的机器,它可以让整个宇宙的时间都暂停下来。时间停止了,那么也就相当于没有时间了。那么这个时间静止的世界会是什么样子呢?



你想象出来了吗?这会是一个静止的世界,一切的一切都会停止不动,没有时间,世界将会毫无生气。这下大家应该能体会到了原来时间是这么的重要。如果你有机会成为超人,需要选择一项超能力,一个是刀枪不入,一个是控制时间,我想你应该能做出正确的选择了吧。当然是选择控制时间了,这绝对是超强的能力。

幻想就到这里了。我们回过头来继续来考虑科学问题。上一次,我留了一个疑问,这也是解开爱因斯坦问题的关键,就是光速时钟会因为运动变慢,那是不是推广到所有物体之上都可以呢。这其中的关键就是,是不是所有可以代表时间的东西,都需要通过运动来记录时间呢?

其实我们上面的想象已经可以帮我们解答了,如果没有时间,那么一切就会停止。这就是说,运动与时间应该是一个对双生子,要么一起存在要么一起消失。当然这还是从宏观角度来看的,那我们来举几个实际的例子来验证一下看看是不是这样。



首先,古人们记录时间的方法有什么呢?一般都是通过天空中太阳的高度,以及晚上月亮和星星的位置,这毫无疑问是和运动有关的。如果有一个巨大的火车,上面装着我们的太阳系,火车的运动也一定会像影响光线时钟一样影响太阳和月亮所代表的时间,那火车上的地球时间就是变慢的。

还有什么呢?摆钟和手表,这些用个机械计时的设备也都是通过运动来计算时间的,摆锤摆动的次数,齿轮转过的圈数,它们肯定也会受到运动影响而变慢的。

可能你还会想到手机电脑这样的电子设备也可以计时,这些没有机械结构,也是通过运动来计时的吗?还真是,不过用来计时的运动不再是机械运动了,而是电磁运动。通过电磁震荡的次数来计时。光线不就是一种电磁波吗?说起来,电子计时设备可能与爱因斯坦的例子更接近。



到这里,我想你已经非常确定了,时间的确是和运动有关的,而且凡是能够记录时间的东西都是通过它们的运动来决定的。那你有没有开始糊涂了呢?我们前面明明说过,时间和移动的距离决定了速度,现在好像又反过来了,运动好像又能决定时间了?到底谁决定谁呢?那个才是最根本的呢?

答案是它们之间是互相决定的,至于那个是最根本的还真不好说。但是我们可以很确定的是,运动的距离、时间和速度这3个物理量一组,我们不需要同时知道,只需要知道其中两个,另一个也就能求出来了。所以3个里面只需要有2个,这2个就是基础的物理量了。那到底怎么选呢?3个里面选那两个呢?那就要看科学家们是如何规定的了。

现在世界公认的有7个最基本的物理量,其他任何物理量都可以有这7个组合而成。它们分别是,长度、质量、时间、电流强度、热力学温度,这可不是我们平时说的摄氏度,它是以绝对0度为起点开始记录的一种温度,还有发光强度和物质的量,物质的量以后学习化学的时候会经常用到,大家可以先理解为这是表示原子和分子个数的一个物理量。



至于为什么选这7个而不是另外的7个,这个原因很多,就比如长度,不只是可以用来表示运动的距离,还可以表示一个物体的长宽高,这些是和速度没有关系的,所以用速度代替长度还不合适。那时间能不能代替呢?理论上是可以的,不过还是选择时间更合适一些。因为在平时,记录一个时间会比较容易,去测量速度可就难了。就比如,有一个飞驰的汽车,你想知道它的速度,你有什么方法可以不用知道时间就把它测量出来吗?很难吧。

如果在另外一个外星世界,那里的外星人很特别,和我们地球人完全不同。但是我们仍然可以确定,他们最后找到的最基本的物理量也一定是7个,和我们一样。不过,至于具体是哪7个,可能就会和我们不同了。如果它们有一个特殊的能力,能一下子就感觉出物体运动的速度,这样的话,在他们的世界里面很可能就是速度作为基本物理量了。

对了,刚才我们讲到7个基本物理量的时候说了一个质量,这个质量可不是一个商品质量好不好,是不是耐用的那个质量,两个字虽然一样,但是含义却完全不同。如果说和它关系最紧密的另外一个词的话,你一定知道,那就是重量。我们平常说一个东西有多重,总是认为这是说的这个物体的质量,然后还用多少斤、多少千克,多少吨来表示。其实我们这样的用法是错的,斤啊、千克啊、吨啊都是质量单位,不是重量的单位。



先用比较正式的方式来给大家解释什么是质量,什么是重量吧。质量是用来代表一个物体中含有物质的多少。重量呢,代表的是受到的重力吸引的大小。大家一定要注意到了这里说的重量是一个力的大小。想表示一个力有多大,它还有一个单独的单位,叫做牛。这个不是1牛的力量,是等于一只牛的力量,这个牛是指的牛顿。以后大家接触科学多了,就会发现,很多单位都是用科学家的名字命名的,这些科学家都是对这个领域的科学发展做出重大贡献的人。牛顿就是因为这个才被拿来作为代表力的单位。

这个力呢,也是一个物理量,不过它不是基本物理量,也就是说不是那7个中的一个。它是由质量、长度和时间组合而成的。所以,我们平时说的重量,其实想说的是质量的意思,用的也是质量的单位。而重量本身呢,准确地说它其实代表了一个力的大小。

不过重量和质量可是关系非常紧密的,在地球上如果知道一个物体的质量,那么通过一个简单的计算就可以它的重量了。如果你知道了一个质量是1公斤,也就是1千克的东西,那么它在地球表面受到吸引力的大小大概是9.8乘以1。根据牛顿的万有引力定律,大家应该还记得,它和距离平方成反比,和质量成正比。如果是在月球上,这个同样是1公斤的东西,由于月球的质量小,还有半径也小,所以最后算下来只有地球上重量的六分之一,也就是说任何物体,在地球表面的重量都是他们在月球上的六倍。

但是大家一定要明白,重量虽然变化了但是质量却是一样的,因为质量表示的是含有物质的多少,一个东西不论是在地球上还是在月球上,包含的物质都是不变的,都是1KG。



说到这里,就要给你留个思考题了,你知道有多少种可以称重的工具吗?用不同的秤分别在地球上和月球上称物体,它们得到的结果都是一样的吗?我可以给大家一个提示,你可以想想看这两种称重工具,一个是天平,一个是弹簧秤。弹簧秤就是其中有一个弹簧,通过对弹簧的压缩和拉伸的程度来得出物体的质量。这两个东西在地球和月球得到的结果是一样的吗?

好了今天的内容就到这里了。虽然这次内容是出现在相对论的专辑,但是却主要讲了一些物理学的概念,并没有涉及到太多相对论知识。从时间讲到了质量,这个是为了给后面的内容做铺垫。现在讲了质量,后面距离讲到相对论中最有名的方程——质能方程也就是E=MC2,还会远吗?


《王木头讲科学》的时光机

1.黑洞可以让人一夜成为百万富翁

2.万有引力与300多年前的一次吹牛

3.万有引力和抹奶油蛋糕有相同规律?!

4.爱因斯坦在床单上解释万有引力的本质

5.相对论,是相对的什么?

6.让时间变慢,未来能实现吗?

7.在这个时空里,我们都是光速旅行家

8.光线爱偷懒,所以才能走直线

9.照在你脸上的阳光,已经经历了10万年

10.300年前的古人怎么测光速?

11.像超人一样飞快,就可以抓得住光吗?

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14.光凭什么是电磁波?因为我算出来的呀

15.人类能看见彩虹,并不是一个巧合

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17.波粒二象性,是爱因斯坦向现实的"屈服"

18.让爱因斯坦尴尬了一小会儿的牛顿万有引力

19.给人类打开第三只眼的引力波

20.试过在整个银河系找一只蚂蚁吗?有人成功了

21.有人差点让爱因斯坦失去相对论

22.两千年前就有相对论的思想了?

23.为什么相对论那么难以置信

(加餐)这次引力波还能有啥新鲜的?!





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