《永不停息的宇宙》现代物理学发展的导论

本书首版于1935年，此版本为1951年美国版。

本书是一本现代物理学发展的导论，为理解分子（空气的组成）、原子（电子、离子、元素周期表、玻尔的原子模型）、亚原子粒子、原子核提供了循序渐进的指南。

注意：虽然本书的公式较少，但内容讲解细致缜密，专业词汇较多，并非是面向大众的科普书，尤其是只想简单了解微观粒子组成的读者慎入。

亮点

本书配有大量的图表，配图按照作者的指导翻动会显示为“动画”。

后记的内容涉及了现代物理学发展的历史与社会意义。

阅读笔记

第一章

当我们给轮胎打气时，通常打气筒会变得很烫——我们可能认为是摩擦导致发热，就像我们在摩擦手掌时感到温暖。的确，一部分热量是摩擦产生的，但大部分热量的产生有别的原因。一项实验可以证明这一点：摘下打气筒夹在轮胎上的夹子，直接向空气中打气。此时，打气筒的温度几乎没有升高。实际上，给轮胎打气是“压缩加热”的例子。

第004页，气体分子运动论适用于一切处于气态的物质。实际：对于某些特殊情况（例如：在极高压力或极低温度下），这些假设不再适用，因为气体分子之间的相互作用与体积效应开始变得显著。在这种情况下，需要使用更复杂的模型来描述气体的行为。

量子力学表明，我们必须放弃绝对定律的想法，一切自然定律实际上都是某种意义上的偶然性定律。

在观察布朗运动时，所看到的显微镜下的（花粉）微粒并不是真正的分子，它们比分子大1000倍至10000倍。实际上，使用液体还是气体并不重要，使用显微镜观察香烟释放出的蓝色烟雾，也同样可以看到成千上万飘浮在空气中的微粒。它们被四面八方的空气分子撞击时，由于微粒非常小，由空气分子撞击造成的影响并不完全平衡，从宏观角度看到的是：颤动的粒子沿着曲折的路径运动。

天空为什么是蓝色的：引发散射的物体之直径，与落在物体上的波之波长大致相等时，就会发生显著的散射。这个规律适用于任何类型的波。根据这个规律可以得出，特定波长的光会显著的被特定大小的粒子散射（例如：小颗粒的玻璃呈篮色，而大颗粒的玻璃呈绿色、黄色或红色）。相比于长波长的光，小粒子（例如：空气粒子）对短波长的蓝光的散射更有效。

第二章

通过辐射损失了能量的物体会损失质最，但不一定损失粒子。

第三章

普朗克只考虑了处于热平衡状态物质,辐射能量的量子化问题，但没有考虑到辐射本身也是量子化的，他只认为光与物质之间的能量转移是量子化的，但辐射本身还是连续的。他提出的能量子指的不是辐射，而是发出辐射的腔体物质的振子之能量。

类比：原子是一个壶，外界的辐射是一个水缸，原子吸收辐射，相当于用小碗将水缸里的水舀出来倒入壶中，原子辐射能量，相当于将壶里的水用小碗舀出来倒入水缸。

普朗克并未宣称光由粒子组成。

1905年，爱因斯坦指出辐射本身也是量子化的，提出了光量子（德语lichtquant）的概念。1926年，美国加州大学伯克利分校的刘易斯，在给《自然》杂志的信中，将其命名为光子（photon）。

群速度是波包中能量传播的速度，而相速度是波的相位传播速度。相速度可能大于光速，但这仅反映了波动的相位传播速度，而不涉及实际信息或能量的传输速度。

第四章

每条巴耳末谱线都是由一组细线构成的，被称为谱线的“精巧结构”。

在原子核附近找到电子的概率很大，越往外概率迅速递减，但理论上只在无限远处为零。

我们常用太阳系模型类比原子模型，这种类比实际上并不精确：太阳比所有行星加起来更重，因此占优势的力是太阳的吸引力。相比之下，行星之间的相互作用只会导致较小的扰动。虽然一般原子核的电荷值要比单个电子的电荷值大（所有电子的电荷值加起来与原子核的电荷值大小相同、符号相反），但它的优势并不像太阳质量的优势那么明显。因此，天文学中以经典力学为基础发展起来的摄动法，在原子身上只能得到相当差的近似结果。

正文194页，拉比发明的“精巧仪器”指的是核磁共振仪器。核磁共振的原理基于原子核的磁性与自旋。在核磁共振实验中，样品中的原子核被置于强磁场中，通过射频辐射来激发核自旋。当核自旋发生共振时，它会吸收特定频率的电磁辐射，从而产生谱线。通过分析这些谱线，可以获得有关原子核的角动量、磁矩、分子结构等信息。

第五章

任何方法都无法影响衰变（改变半衰期），无论是高温还是低温，无论是施加电场还是施加磁场，等等。

原子量与整数有较大的偏差的原因是，几乎所有化学元素都是同位素的混合物。

中子不带电，只有与原子核碰撞时才会受到阻碍，越轻的元素对吸收中子越有优势（例如：同样质量情况下，氢包含的原子核数是氧的16倍），轻元素（例如：氢、硼）通常被用作中子吸收材料，以控制核反应。芝加哥一号堆采用镉棒的主要原因是与轻元素相比，镉有相对较高的中子吸收横截面（描述特定材料吸收中子的能力的度量，通常以巨巴（barns）为单位），使它对中子的吸收更有效，从而能更好的用于控制核反应。

后记

在卢瑟福的时代，核物理是一场智慧与技巧的竞技，个人参与的花费不高；而现在（1951年），它已经成为工程师的工作，耗费数百万美元，由专家团队完成。

质疑

正文053页，如果使用的是纯净水，那么电流根本不会通过，因为纯水的“电阻”无穷大。

实际：纯水会自我电离（或自我电解），生成少量的氢离子（H+）与氢氧根离子（OH-）。这个过程虽然很微弱，但也能使纯水具有极小的电导性。

正文115页，康普顿研究了石蜡对X射线的散射。

实际：根据笔者看过多个文献，康普顿最初研究的是石墨的电子对X射线的散射。

正文123页，简谐波的传播速度可能比光还快。

实际：即使某种波形不能传播信息，它仍然受到相对论的限制。无论波形是简谐波还是复杂波动，都不可能在任何物质或介质中传播速度超过光速。

正文169页，X射线的光谱没有吸收线。

实际：X射线光谱中通常同时包括“特征线谱”与“吸收线谱（连续线谱）”。吸收线谱是由高速电子与金属靶材相互作用，产生连续范围的X射线能量。在此过程中，某些X射线将被吸收而形成吸收线，这些吸收线通常对应于原子内部的电子跃迁。

正文201页，原子核的寿命长度与从原子核中射出α粒子的速度有关。原子核的半衰期越短，射出的α粒子速度越快。

实际：原子核的寿命长度（即半衰期）与从原子核中射出的α粒子的速度之间没有直接的因果关系。对于放射性原子，放射的α粒子的速度越快，的确会增加它发生量子隧穿的几率。

正文245页，原子核的结合能到铁原子附近达到最小值，然后随着质量数的增加而增加。

实际：结合能随着质量数的增加而增大，直到达到铁元素为止。铁元素的原子核具有最大的结合能。超过铁元素后，结合能开始减小。因为在更大的原子核中，库伦排斥力（带正电的质子之间的排斥力）开始显著增加，抵消了核力的吸引力，导致结合能减小。

遗憾

毕竟是70年前出版的书了，书中有些结论、理论推导甚至理论本身已经过时，读者应注意分辨。例如：①第224页对反质子的描述，反质子于1955年被发现。②我们周围物质过剩而宇宙的某些地方反物质过剩的猜想现在已非主流（虽然科学家们仍在尝试解释为什么在可观测宇宙中看到的是物质的丰富，而反物质似乎相对较少，但主流宇宙学理论通常假设宇宙是均匀与同质的，宇宙中的物质与反物质分布大致平衡）。③核结构的知识已经过时，成书时还没有夸克理论与强力理论。

部分描述与目前的方式不符，例如：正文096页用厘米来描述可见光波长的范围，而目前光的波长通常以纳米来衡量。