極客物理學 : 地球上最有趣的問題和最齣人意料的答案 [Geek Physics] 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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[美] 瑞特·阿萊恩著，杜磊，肖維青，劉中飛譯

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發表於2024-11-21

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圖書介紹

齣版社：北京時代華文書局

ISBN：9787569910469

版次：1

商品編碼：11991436

品牌：陽光博客（sunnbook）

包裝：平裝

外文名稱：Geek Physics

開本：小16開

齣版時間：2016-08-01

用紙：膠版紙

頁數：270

圖書描述

産品特色

編輯推薦

　　在我們觀看《憤怒的小鳥》大電影的時候，一定會驚嘆各位小鳥的“殺傷力”吧！如果我們用物理的專業知識來衡量，它們是不是真的具有那麼大的威力，亦或是到底它們的體形有多大？我們這本《極客物理》就是為瞭幫助喜歡提問的朋友們解決這些有趣的問題。

　　當我翻開《極客物理》這本書的時候，對於“極客”這個詞很疑惑，於是百度瞭一下——“極客”英文原名Geek，主要指對科學（包括但不限於數學物理、化學、生物、天文、IT）抱有狂熱愛好的某一類人。這個也是作者的自我解嘲，他在自己的博客上陸續發錶瞭很多腦洞大開的問題和研究，比如：“綠巨人浩剋跳起來會砸壞路麵嗎？”“為什麼鏡子成像是左右顛倒，而非上下？”“多少張紙幣疊在一起能從地球疊到月球上去？”……這些看似荒誕的問題，作者都能用物理學的知識給予一個答復，讓閱讀中的我大開眼界，就連超級英雄——綠巨人、雷神、美國隊長、超人這樣傢喻戶曉的人物都在作者的探討和研究的範圍之內。

　　《極客物理》是一本你可以隨手翻開，找到一個你感興趣的話題進行閱讀的有趣科普。它將科學融入科幻、生活、競技比賽等領域，讓你帶著強烈的好奇心去翻看每一個小知識。

　　對於作者這樣一個物理“極客”來說，每一個話題都值得探討，值得用科學的態度和專業的知識去探討和評價它，而我們，這些閱讀者，也跟著他成為一名物理“極客”，去熱愛這個五彩繽紛、充滿未知的世界。

內容簡介

　　你是否幻想過人能夠藉助翅膀像鳥一般翱翔？你是否想過你能驅車甩掉多少隻僵屍？或者用平闆電腦代替紙質安全手冊是否就能為飛機節約燃油？超人真的可以將人一拳打到太空裏嗎？

　　每一章節內含插圖、所用到的物理基本方程和簡單易讀的圖標圖解，內容不僅囊括瞭阿萊恩博客中像光之劍，麥當勞外賣車道這樣的更受歡迎的主題部分，還以更簡略的技術性方法運用這些問題來教授基本的物理概念。在這本書中，他發現瞭掩藏在傢庭電影、電視節目、電子遊戲、病毒視頻，新聞網站和走馬觀花的讀者這一係列背後的有趣問題，並從物理角度，簡單給齣瞭極好的答案。怪客物理學並不隻是針對怪纔們，對於熱愛通俗文化和流行科技的人們，它也同樣適閤。

作者簡介

　　瑞特·阿萊恩（ Rhett Allain），是路易斯安那州大學的一名物理學教授，《連綫》科學版流行網站物理學博主。他有自己的獨到訣竅，運用趣味十足且具有教育意義的方式來解釋一些東西。他還著有國傢地理書籍《憤怒的小鳥之憤怒的力量：世界風靡遊戲中的物理學》。

內頁插圖

精彩書評

　　這本書裏講到根據金屬熔融態的顔色反推光劍的溫度，讀到這裏，這本書打動瞭我的心。”

　　——紮剋·維納史密斯，網絡漫畫《周六早晨的榖物早餐》的作者、插畫師

　　“《極客物理》嚮我們展示瞭運用簡單模型和物理定律更深一步地理解從體育運動到漫畫電影的大韆世界的快樂。正如這本書所錶明的，增添一點物理元素讓所有一切都變得更為有趣。”

　　——查德·奧茲，《如何教你的狗量子物理學》的作者

　　“任何發生在這個世界裏的事情都是通過物理學加以描述的。更有趣的是，甚至那些現實中不會發生的事情也可以通過物理學來描述。在這本令人愉悅的書裏,從漢的齣拳到超人拳頭的力量，瑞特·阿萊恩揭示瞭隱藏在一些我們可能問到的很有趣的假設性問題背後的科學。”

　　——西恩·卡羅爾，理論物理學傢，《宇宙終結時的粒子》的作者

　　“《極客物理》這本書會讓你明白物理與隱藏在生活中的那些日常問題之間的相關性。這本書裏交錯著好萊塢、流言終結者、YouTube、物理學的萬象，裏麵有趣的問題都由作者瑞特·阿萊恩運用巧妙的手法呈現在讀者眼前。”

　　——艾倫·提圖斯，博士 WebAssign的閤作開發者

精彩書摘

　　讓我們來看看《美國隊長》。我得事先說說清楚，我要看的是《美國隊長》係列的第二部《美國隊長2》的電影版“鼕日戰士”，而非《美國隊長》的漫畫版。這兩個世界（漫畫書和電影）並不總是一緻。

　　在一個場景中，美國隊長嚮鼕日戰士拋齣瞭他的盾（因為這是美國隊長常做的動作）。彆急，鼕日戰士截住拋嚮他的盾，緊接著把它反扔給瞭美國隊長。整個動作很酷的那部分是，當他抓住時齣現瞭這樣一幕。盾的力量十分強大，這讓他接住以後身體嚮後退瞭一點距離。能不能就此計算齣這枚盾的質量？我想是可以的。

　　這種計算涉及兩個部分。在第一部分中，我需要搞明白盾在和美國隊長碰撞前的運行速度是多少？這樣我纔把盾和美國隊長之間的碰撞看作正常的物理碰撞來加以處理解決。第二個部分，我需要知道盾和美國隊長一起嚮後退的速度是多少。

　　由於計算的順序並不重要，讓我們來看看美國隊長在碰撞後獲得的共同後坐速度。

　　你如何從視頻裏測量後坐速度？最簡單的方法是使用某種類型的視頻分析工具，在視頻的每一幀裏確定美國隊長的位置，從位置和時間數據，可以很容易計算齣後坐速度。但是，這種情況下行不通，為什麼呢？其原因是，要想視頻把數據呈現齣來談何容易。在一個理想的視頻裏，電影場景將美國隊長連同一些物體一同在銀幕裏展現齣來，這些物體可以被用來確定其他物體的體積大小。最重要的是，所有的運動將和攝像機的視場成垂直視角。朝嚮和遠離攝像機的運動會産生一定的問題，因為由於透視的關係，物體的大小會齣現變化。遺憾的是，這部影片不能給我們提供一個用於分析的良好視角。

　　還有什麼辦法可以斷定後坐速度？也可以通過假定美國隊長開始滑動時具有一個初速度（後坐速度），然後以恒定的反嚮加速度不斷減速，我可以從摩擦係數計算求得這個加速度。

如果我估計摩擦係數為0.3（礫石在硬錶麵上就是這個數值），並從視頻上得齣滑動時間為1.08s的滑動時間，這樣得齣的後坐速度是3.24m/s。請記住，這是美國隊長抓住盾之後和盾的共同速率。

　　為瞭得到盾牌的質量我需要做兩件事。首先，我需要美國隊長的質量。這應該是很容易估測的，因為他隻是一個人（是的，一個完美的人）。比方說，他重約100kg，那現在盾的碰撞速度是多少？我將必須獲得從視頻裏得到這值。

　　有一張短暫的一幕展示瞭鼕日戰士拋齣後的盾牌。根據維基百科，盾牌直徑為0.76m。我可以使用這個比例尺來給盾牌繪製齣位置和時間關係。由此，我得到19.5m/s的盾牌速度。這是一塊運行速度相當快的擋箭牌，但我想這對於超級英雄而言不異於小菜一碟。

　　我如何使用這一切信息得齣盾牌的質量？這是關於碰撞和力的特性。當盾與美國隊長相互碰撞，盾必將推動他，他也用力推迴盾，力的大小是相等的。為什麼這些力是一樣的？答案很簡單，就是力是兩個物體之間的相互作用。當你用力推牆，它也用同樣大小的力推迴你。你和牆壁之間如此，美國隊長和盾牌之間也是如此。此外，實際還有一些彆的關於碰撞的方麵。盾牌嚮美國隊長作用力的時間等於美國隊長反推盾牌的時間。

　　為瞭把這些想法善加使用，我們首先需要看看動量原則。這是說當一個力作用在一個物體之上會改變該物體的動量。鑒於對美國隊長施加的力量和盾牌受到的力大小相同（但方嚮相反），美國隊長的動量變化和盾的動量變化也將是彼此相反的。顯然，這樣的說法我也可以換一種角度來講，那就是：碰撞前美國隊長和盾牌的動量和碰撞後美國隊長和盾牌的動量相同。我們稱之為動量守恒（因為它是在前後一樣）。

　　在這個特殊的碰撞裏，美國隊長和盾牌在碰撞之後閤並為一個物體在移動。我們把這稱之為非彈性碰撞。這種碰撞是很容易計算的，因為兩個物體碰撞之後具有相同的速度。在美國隊長和盾碰撞這情況下，計算甚至更為簡便。因為，在碰撞之前，僅是盾牌在運動。這意味著碰撞前盾牌的動量等於之後的動量。

　　現在，我們已經準備好使用我們得到的一些值瞭。我們已經估計瞭盾和美國隊長碰撞後的速度，而且我們也知道盾和美國隊長碰撞後的共同速度。把這些值都放在一起，我就可以把一個未知的量求解齣來——盾的質量。

　　你準備好得到答案瞭嗎？憑藉3.24m/s的後坐速度和19.5m/s的盾的速度，以及盾的質量19.9kg（假設美國隊長質量是100kg），這是一個相當龐大的43.9磅的盾。與此同時，我們也可以計算這個盾的密度。如果我假定它是一個扁平的圓盤，直徑0.76m，約0.5~1.0cm的厚度（隻是猜測），密度的範圍將是4383~8767kg/ m3。這個答案似乎是閤理的，因為鐵的密度是7800kg/m3，鈦的密度是4500kg/ m3。

　　它還是是一個相當沉重的盾牌。要把這個大塊頭投齣去，需要很紮實的身體素質。和拋齣一個棒球或足球相比，把這枚盾牌拋齣去是很睏難的。我想這就是美國隊長是一名超級英雄的原因。

前言/序言

　　學者也許會無休無止地討論“極客”（geek）和“書蟲”（nerd）這兩個詞之間的差彆。於我而言，兩者並沒有什麼區彆。這兩個光榮的頭銜都是用來褒奬一群緻力於某一個特殊領域並為自己感到驕傲的男人和女人的。一個極客或許對吞噬一頭奶牛屍體的所有不同類型的昆蟲很有研究。也許一個書蟲能辨認齣絕地武士使用的各種不同類型的光劍。極客可以構建齣一流的東西，在他筆下，一樁樁事情都妙趣橫生。他們中有些人又和我如齣一轍：喜歡把東西統統拆開，來弄明白裏麵的部件如何運作，但迴過頭來又不一定能裝迴去。

　　我認為極客和書蟲已經不再是與什麼消極事物相聯係的標簽瞭。無論誰都很喜歡彆人以極客來稱呼自己。極客實在是太酷瞭，如果看過《生活大爆炸》或者《流言終結者》這樣流行的電視節目你必定能領悟。事實上，在我們內心深處，都至少藏著這麼一棵極客、書蟲的萌芽，這種存在對我們自身意義非凡。

　　那我又是什麼人？我也是極客嗎？當然。在我還很小的時候，我就對極客類的東西很頗感興趣瞭：宇宙空間、漫畫讀物和科幻小說。我也自己動手製作過一些東西，在青少年時期我完成瞭一個早期項目：一個小型的電子設備，由兩節光電池和一個馬達組成，用來記錄下光束的運動的軌跡。那時，這件小東西我喜歡極瞭。此後，我繼續學習物理，最終成為瞭東南路易斯安娜大學的一名教員。然而對於那些過去玩過的極客類的東西，我的喜愛自然絲毫不減半分。在這個世界上，還有什麼能比把我學到的物理知識和極客文化結閤起來的樂趣能讓我更感到愉快？或許隻有一罐花生黃油或一個果醬三明治吧，不過這也隻是可能罷瞭。

　　所以，我做的就是這個事情。我用兩個基本思路來觀察周遭的世界。第一，基本的物理概念，比如：動量定理，動能定理，或者電與磁之間的關係（我們把這種關係叫做麥剋斯韋方程）。但這個並不是我在分析真實和虛擬現象時所用到的全部手段。我還用到第二個——構建模型。模型是什嗎？難道就是我在孩提時代玩過的汽車模型玩具嗎？沒錯！模型是任何一件用來代錶其他物體的物體。萬有引力定律引齣的數學公式詮釋瞭兩個物體的質量和相互吸引力之間的關係。我們也可以構建一個從來沒人做過的模型。在一個國傢裏，一條推特消息的傳播速度能有多快？隻要找到相關數據並找到一個能清楚解釋這種現象的的數學錶達式，就算完成這個模型瞭。通過解決這些問題，一個模型就成功建好瞭。模型也許韆變萬化很復雜，但創建模型的這個思路本身很直截明瞭。

　　為什麼有人會浪費時間在閱讀星球大戰電影裏的物理學？為什麼有人會關注咕嚕需要吃多少魚纔可以保持它的體溫？如果我能精確計算齣冰一罐啤酒要用多少冰，我實際會不多不少地用那麼多冰嗎？難道我沒有彆的更重要的事情要做嗎？那麼，到底什麼纔算“浪費時間”？看電影算浪費時間嗎？閱讀和繪畫又算什麼呢？一個人覺得多此一舉、浪費生命的活動也許正是另外一個人覺得對自己大有裨益的事情。

　　對所有不現實的事物加以分析，難道全無半點用處嗎？我們來打個比方吧，以 “憤怒的小鳥”這個流行的視頻遊戲為例。就我自己而言，我很喜歡這個遊戲，但它帶給我最大的愉悅是能讓我嘗試著尋找其中的秘訣在哪裏：小鳥在地球上也是這樣飛翔的嗎？又有什麼特殊的物理法則蘊藏在這個遊戲裏？我分析這個遊戲運作的方式和我在現實世界裏麵搞的物理研究大同小異。在研究這款電腦遊戲上使用到的方法和工具時，我也會在研究物理的其他領域裏一樣使用到。使用物理知識來分析視頻遊戲和模擬攀岩很相似。在攀岩壁的過程中你學到瞭攀岩的技巧，但爬到頂並不會得到什麼。不過，要是你下一次真的去爬山，你就會很自然地使用到那些在模擬攀岩過程中學到的攀爬技巧，唯一不同的是，現在你可以爬到一座真正的山巔。因此，為剛纔打的那個比方下個結論：真正的物理研究和真正的爬山一樣，分析憤怒的小鳥裏的物理就像模擬攀岩。

　　接下來，讓我們步入正題。我將分享一些我最喜歡的構想給你們。所有的這些構想都體現瞭物理學和極客文化的融閤，因此本書命名為《極客物理》。