从经典力学到广义相对论，你可以品尝到的物理学，300年
这是一本书的序言，简要介绍了“连续统”的物理学，从经典力学到广义相对论。
那本书还没有出版，所以我把其中的一部分贴在这里。
本书讨论了相对论、引力波、黑洞、微波背景辐射、暗物质和暗能量等前沿物理话题。
这只是近几年才发生的事情。
考虑到大多数读者没有受过经典物理的洗礼，甚至理解本书的入门主题（狭义相对论）也相当困难，所以作者决定简单介绍一下经典物理的脉络（主要涉及相对论） ）在故事开始之前。密切相关的内容），希望读者能够了解广义相对论之前物理学的整体框架。
不要低估经典物理学。没有经典物理的基础，那些前沿的物理课题就是无源之水、无本之木。
贯穿经典物理学的是一种叫做“还原论”的思想，它主张世界上的一切都是由更基本的事物组成的。这个过程可以称为“还原”。
经典物理学将世界上的一切简化为以下组成部分：
宇宙的图景可以简单地描述为：惰性粒子在力的作用下穿过空间和时间。
之所以被称为“惰性粒子”，是因为在没有外力推动的情况下，它会保持原来的状态。这实际上是经典力学中的牛顿第一定律。
物理学家首先研究了单个惰性粒子（粒子，有质量的点）在力的作用下如何运动，并发展了粒子力学（关于平动力学，粒子只能平动运动）。
然后他更进一步，研究了由多个惰性粒子组成的刚性结构（刚体，不变形的物体）如何在力的作用下运动，并发展了刚体力学（关于平移和旋转的力学，刚体可以平移和旋转）。
这些是“紧凑”力学，其中力的效果立即传递到整个粒子或刚体。这种力学只关注力的一种作用：改变物体的运动状态。
你知道，力还有另一种作用：使物体变形。
随后物理学家在“紧致”力学的基础上研究“分散”力学，包括弹性力学（研究弹性介质，包括大多数固体）和流体动力学（研究流体，包括液体和气体）。
力的作用不会立即传播到整个弹性介质或流体，从而导致其变形。
弹性介质和流体可以统称为连续介质，再与后来发展起来的塑性力学、弹塑性力学相融合，从而得到统一的连续介质力学（关于平移、旋转、变形的力学）。
连续介质与我们生活中接触到的物体非常接近。它具有弹性、塑性、粘性、内应力（应力的直观表现是物体的热胀冷缩，是物体内部的固有力）。所有这些属性都是连续介质。力学要讨论的内容，所以连续介质力学除了研究力的作用（动力学方程）外，还需要研究物质本身的性质（本构方程）。
从此，物理方程被分为两类：
连续介质力学建立后，人类终于能够描述力效应在连续介质（固体、液体、气体）中的传播规律。这种传播表现为机械波，而声波是我们最常接触到的机械波类型，所以声学实际上是连续介质力学的一个分支。此外，地震波和冲击波也是典型的机械波。
我们目前所说的“力量”，就是生活中给予我们直观感受的力量。这种力可以称为机械力，因此机械波现在可以理解为机械力对连续介质的扰动的传播。
我们需要了解连续介质力学的一个关键原理：机械力的作用在连续介质中以有限的速度传播，传播的速度就是介质中的声速。
后面要提到的电磁波和引力波也类似，只不过它们的传播速度是光速。
回顾这个过程，力学走过了粒子力学、刚体力学、连续介质力学的道路。只有达到了连续介质力学的阶段，经典力学才算成熟。
作者需要强调的是，连续介质力学是狭义相对论的基础，更是广义相对论的基础。没有连续介质力学的基础，你在相对论的道路上走不了多远。要想攀登物理学的顶峰，就必须脚踏实地。
这种机械系统有三种等价的表达式：
正如大多数人所熟悉的那样，牛顿力学关注力与运动之间的关系，并基于牛顿三定律。
拉格朗日力学和哈密顿力学是专注于“最小作用原理”的力学。在机械系统中可能发生的所有运动中，只有满足这一原理的运动才是真正发生的运动。
力在时间上积累的作用表现为动量，力在空间上积累的作用表现为能量。如果同时考虑时间和空间上积累的力的作用，则表现为作用量。因此，作用量可以看作是动量在空间上积累的效应，或者是能量在时间上积累的效应。
最小作用原理绝对是物理学中最普遍的原理，所有的物理定律都可以看作是最小作用原理的不同表现形式。
在建立机械体系的过程中，人类完成了对自然的初步统一，这是科学与神话分离的标志：天与地遵循同样的规律。
万有引力定律打破了天地之间的屏障。世界上的一切事物之间都存在引力。使月球绕地球旋转的力与使苹果掉落的力是相同的。
引力支配着宇宙的大尺度结构及其演化，也是本书的主题。
力学体系成熟后，物理学家逐渐形成了统一的概念：力学自然观。当然，这个概念的形成也得益于热学、光学、电磁学的发展。
机械自然观认为，一切自然现象（运动、力、声、热、光、电、磁、化学反应）本质上都是机械现象，是不同惰性粒子在不同力的驱动下的运动。这个概念最著名的结果是能量守恒定律和能量转换定律。
这是“大统一论”的首次出现，也是人类第一次清醒地认识到世界上的一切都是一个统一的整体。
在力学自然观的指导下，物理学家构造了“热”、“光”、“电”、“磁”的机械结构。然而，这些结构总是很难与实验定律相一致。完全一致，这导致物理学家开始欣赏抽象力学：分析力学。
这种力学实际上就是前面提到的拉格朗日力学和哈密顿力学。使用这种力学，可以忽略具体的力学结构，只需要关注动作的量即可。
现代物理学也使用了分析力学的框架，这使得物理学真正成为一门像样的科学。
正如前面连续介质力学介绍中提到的，运动、力和声波是统一的。
热科学、化学和力学的统一源于分子和原子的概念。以前抽象的惰性粒子具体化为分子和原子。多个原子可以形成分子。它们都是非常微小的物质。一根头发丝的粗细，就能把原子横向排列！
热现象被视为大量分子运动的宏观表现。分子运动得越快，温度就越高。物理状态的变化（固体、液体和气体之间的转变）被视为分子运动速度和分子间力的函数。对抗的结果。
化学反应被视为各种分子内原子重组形成新分子的过程。原子之间的力（化学键）控制原子的分解和结合。
在此背景下，热力学、统计力学和化学动力学诞生了。
光、电、磁这三种现象的统一是一部史诗。这就是物理学中最重要的理论（场论）的诞生和成熟。
电现象和磁现象之间存在“非接触力”。两块磁铁可以在不接触的情况下将力的作用传递给彼此，从而产生了“场”的概念。带电物体周围存在电场，磁铁周围存在磁场。电场用于在带电物体之间传递“电”，磁场用于在磁体之间传递“磁力”。
电场和磁场都像连续介质一样分散在空间中。事实上，物理学家通过类比连续介质力学建立了电场和磁场理论。它可以称为电动力学（电磁学），其中包含无与伦比的麦克斯韦方程组。
电场和磁场被描述为统一电磁场的两侧。电磁场就像一个连续的介质。连续介质内部存在应力，电磁场内部也存在应力。当连续介质受到扰动时，会产生机械波（机械力作用的传播，传播速度就是声速），而当电磁场受到扰动时，会产生电磁波（机械力作用的传播，传播速度为声速）。电磁力的作用，传播速度就是光速）。
其实“光”是可见的电磁波（光波），光学的本质是电动力学（电磁学）。
宇宙中存在着许多看不见的电磁波（无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线）。这些电磁波的分类是基于它们的振动频率。
光波的频率介于红外线和紫外线之间，只占完整电磁波的一小部分。因此，当我们用肉眼观察星空时，实际上看到的信息非常少。现代天文观测已使用射电望远镜。它用于接收天体发出的可见光以外的电磁波。
连续介质力学和电动力学非常相似，但它们的关系远不止相似之处。事实上，它们可以通过一种特殊的物质状态融合在一起，这就是继固体、液体、气体之后的第四种物质状态：等离子体。
闪电和一些高温火焰是自然产生的等离子体。当普通物质（固体、液体、气体）在强电场下被分解时，原子解离成电子和离子，大量电子和离子聚集形成浆料。和物质一样，这就是等离子体，也叫“等离子”。
我们仍然可以将等离子体视为连续介质，但是等离子体受到电磁力（而不是机械力）的影响，因此为了描述等离子体，需要融合连续介质力学和电动力学，等离子体动力学诞生了。 。
这是经典“连续介质”物理学的综合综合，其中包含许多神奇但鲜为人知的有趣现象（磁冻结、电子朗缪尔波、阿尔文波、离子声波、磁声波、电子回旋波）。具有可控核聚变的“人造太阳”需要利用等离子体动力学来约束反应堆中的等离子体。此外，等离子体动力学也是许多“边缘科学”的关键。
电动力学是我们现在谈论的“力学”中最特殊的科学，它引出了光速之谜。经典力学告诉我们，休息是相对的。每当我们谈论“速度”时，我们必须明确这个速度是相对于哪个参考系的。
麦克斯韦方程组可以计算光速，但是并不清楚计算出的光速是相对于哪个参考系的。测量光速的实验只能测量一种光速。这与经典力学给我们的概念不一致，因为经典力学的时空观（经典时空观）并不准确，而电动力学直接采用了更准确的时空观（相对论观）空间和时间）。
“运动体电动力学”就是在这种背景下应运而生的。这对力学的自然观产生了影响，并导致了电磁学的自然观。这一概念认为自然界的一切现象都是电磁现象，“以太”被置于物理学的核心。
以太被认为是一种特殊的物质，可以填充宇宙中的空隙。电磁场被视为以太的漩涡。光波被视为以太的振动（光速被视为以太的固有属性）。电磁自然观将我们所熟悉的一切物质（固体、液体、气体）视为以太的不同表现（力学自然观将我们所熟悉的一切物质和电磁场视为普通惰性粒子的不同表现）。 ）。
狭义相对论的诞生，调和了机械自然观与电磁自然观之间的矛盾。它更倾向于机械自然观，只承认普通惰性粒子的存在，并将电磁自然观中以太的特殊性质转移到空间和时间上，提出“同时性”的相对论和时钟变慢，尺子缩小。
绝对时间和绝对空间存在于经典力学中，并且它们之间没有联系。但狭义相对论中的时间和空间是相对的，统一的“四维时空”是绝对的。这些内容将在后续章节中详细讨论。 。
我们前面提到的粒子力学、刚体力学、连续介质力学、热力学、统计力学、等离子体动力学等都是建立在经典的时空观上的。既然有了更准确的相对论时空观，就有必要重新建立它。这些物理理论可以统称为相对论力学（相对论粒子力学、相对论刚体力学、相对论连续介质力学、相对论热力学、相对论统计力学、相对论等离子体动力学）。
当然，电动力学是一个特例，它从一开始就遵循相对论的时空观。
这是一个巨大的工程，物理学家从中受益匪浅。光是对相对论粒子力学的探索，就得出了划时代的质能方程E=mc2。这个庞大的工程目前还没有完全完成。也许读者将来可以为这个项目做出贡献。
狭义相对论为世界上一切事物的速度设定了极限：光速。但有一种现象没有被狭义相对论考虑到，那就是引力。
在万有引力定律中，引力的作用瞬间到达宇宙的每一个角落，并且不受光速的限制，这意味着狭义相对论并不是一个完美的理论。
此外，经典力学和狭义相对论都使用一个特殊的参考系：惯性系。惯性系是一个“平滑”参考系。基于物体匀速直线运动而建立的参考系就是惯性系。然而，“相对于谁匀速直线运动”却是一个棘手的话题。看来需要一个绝对的空间。解决“相对于谁”的问题，但狭义相对论否认绝对空间。
引力和惯性系统的问题最终导致了狭义相对论的推广和广义相对论的诞生。
与惯性系相对应的是非惯性系，它是基于加速物体的参考系。当物体不受外力作用时，它将以匀速直线运动。这就是牛顿第一定律。这里的匀速直线运动是在惯性系中观察到的。
如果你在非惯性系中观察，你会发现物体正在加速，就好像它被一个力推动一样。这种效应称为“惯性力”。惯性力只存在于非惯性系中，在惯性系中不存在。的惯性力。
广义相对论源于等效原理：在很小的区域内，引力和惯性力是无法区分的。
人在重力的作用下自由落体，处于完全失重的状态。这时，人感觉不到自己有任何重量，就像漂浮在空中一样。他感觉不到任何加速度，但他受到了重力的影响。他应该在加速，而在地面上的人看来，他确实在加速坠落。
失重的人感觉不到重力，就像惯性系统中没有惯性力一样。也许可以基于失重的人建立一个惯性系统。失重的人也在做某种“匀速直线运动”。但地面上的人确实看到他在加速下落，为了解决这个矛盾，时空本身可以被认为是“弯曲”的，造成了明显的加速。
这种“空间和时间的曲率”无法用传统的曲率来理解。必须使用数学工具来正确理解空间和时间的曲率。这也是本书的主要内容。
现代宇宙学是在广义相对论建立之后才建立的。每当人们谈论宇宙的起源和命运时，不要忘记广义相对论是所有这些话题的基础。