REC#001 — ~1590
自由落体
/ Free Fall重的东西真的比轻的先落地吗？
伽利略是第一个敢跟亚里士多德公开唱反调的人。传说他在比萨斜塔上扔下了两个铁球。
[点击「释放」，看两个球谁先着地]
10 kg1 kg
地面
两千年的常识被推翻了。从此，物理学不再相信权威，只相信实验。
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物理简史
Twenty-one experiments across 2600 years
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ACT I
观察的时代
The Age of Observation两千年来，人类相信亚里士多德：重的东西先落地，天体做完美的圆周运动。直到几个人决定不再相信书本，而是亲自去看。
伽利略不只研究落体。他还盯上了一盏摇晃的灯。
REC#002 — ~1602
钟摆
/ Pendulum钟摆的快慢取决于什么？重量？还是别的？
据说伽利略在比萨大教堂做弥撒时，盯着头顶摇晃的吊灯出了神。
[分别调节两个钟摆的摆长和质量，观察周期变化]
周期只跟长度有关，跟重量无关。这个发现后来让人类造出了精确的钟表。
如果地上的规律变了，天上呢？行星真的在走完美的圆吗？
REC#003 — 1609
开普勒轨道
/ Kepler's Orbits行星绕太阳转，轨道是什么形状？
开普勒花了八年计算火星的轨道，失败了七十次。第七十一次，他放弃了圆形，试了椭圆——完美吻合。
[拖动滑块改变轨道的扁度，观察行星速度的变化]
v(r) follows Kepler's 2nd law: dA/dt = const
宇宙不完美。行星走椭圆，不走圆。靠近太阳时快，远离时慢。这为牛顿的引力理论铺好了路。
落体、钟摆、行星轨道……那光呢？光在遇到不同介质时会怎样？
REC#004 — 1621
折射定律
/ Snell's Law光从空气进入水中，为什么会拐弯？
斯涅尔从未发表他的发现。笛卡尔后来独立推导出了同样的定律，并把它写进了书里。
[拖动光线改变入射角度，调节折射率观察变化]
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
临界角: 42°
当角度足够大时，光会完全反射回去——这就是光纤通信的原理，你现在看到的这个网页就靠它传输。
REC#005 — 1687
万有引力
/ Universal Gravitation让苹果落地的力，和让月球绕地球转的力，是同一个吗？
关于苹果的故事可能是牛顿自己编的。但不管苹果有没有砸到他头上，他用一个公式统一了天地。
[调节两个物体的质量和距离，观察引力的变化]
引力实验室
F = G · m₁ · m₂ / r²
F = 6.67
同一个公式解释了苹果为什么会掉下来，也解释了月球为什么不会飞走。牛顿26岁时完成了这件事。
ACT II
看不见的力
The Invisible Forces牛顿统一了天地，但他无法解释：光是什么？电是什么？磁是什么？接下来的发现将证明，宇宙中最强大的力量是看不见的。
REC#006 — 1801
双缝实验
/ Double Slit光到底是一颗颗粒子，还是一片波？
托马斯·杨是个天才——14岁能读十种语言。他用一个简单到不可思议的实验终结了牛顿的粒子说。
[点击「发射」逐个发射粒子，或「连续发射」观察图案]
粒子数: 0
粒子一个一个发射，却慢慢形成了波的图案。两百年后量子力学才解释了这个谜：你不看的时候它是波，你看的时候它是粒子。
牛顿解释了引力，但还有一种力他解释不了——电和磁。
REC#007 — 1831
电磁感应
/ Electromagnetic Induction不接电线，能凭空产生电流吗？
法拉第是铁匠的儿子，在书店当学徒时自学了科学。他没受过数学训练，却靠纯粹的直觉发现了电磁感应。
[拖动磁铁穿过线圈，越快电流越大]
线圈
NS
拖动磁铁
电流
0
变化的磁场产生电场——这个发现让人类进入了电气时代。发电机、变压器、无线充电，全都基于法拉第的这个实验。
电磁感应揭示了看不见的力。但波还有更多秘密。
REC#008 — 1842
多普勒效应
/ Doppler Effect为什么救护车靠近时声音尖，远离时声音低？
多普勒预言了这个效应，但没能亲眼验证。三年后，有人让一群小号手站在火车上演奏，在站台上听——音调果然变了。
[调节声源的移动速度，观察波的压缩和拉伸]
这个效应不只适用于声音。天文学家后来发现远方星系的光是「红移」的——它们在远离我们。这是宇宙在膨胀的第一条线索。
看不见的力之后，是看不见的粒子——原子真的存在吗？
REC#009 — 1827
布朗运动
/ Brownian Motion花粉在水里为什么会不停抖动？
植物学家布朗在1827年发现了这个现象，但解释不了。78年后，一个默默无闻的专利局职员给出了答案——他叫爱因斯坦。
[调节温度滑块，观察粒子运动的剧烈程度]
黄色: 花粉粒 白色: 水分子
抖动是因为水分子在撞击花粉。这是原子真实存在的铁证——在此之前，很多科学家认为原子只是数学假设。
ACT III
两朵乌云
Two Clouds1900年，物理学家们以为一切都搞明白了。只剩两个小问题——两朵「乌云」。没有人知道，这两朵乌云即将摧毁整座大厦，从废墟中生长出全新的物理学。
REC#010 — 1900
黑体辐射
/ Blackbody Radiation把一块铁加热到发光——经典物理预言它会发出无限的能量。这显然不对。哪里出了问题？
普朗克在1900年做了一个他自己都不相信的假设：能量是一份一份的。他本以为这只是临时的数学技巧。
[拖动温度滑块，比较经典预测（红色）和量子预测（绿色）]
第一朵乌云被吹散了。但代价是引入了一个疯狂的假设——能量不是连续的。普朗克不知道，他刚刚打开了量子力学的大门。
普朗克打开了门，但不敢走进去。下一个人走了进去。
REC#011 — 1905
光电效应
/ Photoelectric Effect为什么微弱的紫光能打出电子，但再强的红光也不行？
1905年，26岁的爱因斯坦在专利局的办公桌上写了四篇论文，每一篇都足以获得诺贝尔奖。他真正获奖的，不是相对论，而是这个。
[调节光的频率（颜色）和强度（亮度），观察有没有电子飞出]
光是一份一份的，每一份叫「光子」。这不是数学技巧——这是物理现实。普朗克不敢相信的事，爱因斯坦当真了。
同一个人，同一年，解决了另一朵乌云。
REC#012 — 1905
时间膨胀
/ Time Dilation如果你坐上一艘接近光速的飞船，时间会变慢吗？
同一年（1905年），同一个人（爱因斯坦），还发表了狭义相对论。他问了一个16岁时就困扰他的问题：如果你骑在一束光上，会看到什么？
[拖动速度滑块到接近光速，比较两个时钟的走速]
时间膨胀
γ = 1 / √(1 − v²/c²)
静止时钟
运动时钟 (0% c)
γ = 1.000运动时钟慢了 0.0%
第二朵乌云也被吹散了。没有以太，光速对所有人都一样。代价是：时间是相对的。你的「现在」不是我的「现在」。
ACT IV
量子与时空
Quantum & Spacetime物理学分裂成两条路。一条通向原子内部——那里的规则匪夷所思。另一条通向时空本身——引力不是力，而是几何。两条路都通向人类从未想象过的世界。
REC#013 — 1911
卢瑟福散射
/ Rutherford Scattering如果朝原子射击，子弹会怎样？
卢瑟福让学生朝金箔发射粒子，大部分穿过去了。但极少数直接弹了回来——他说这就像你朝一张纸巾开炮，炮弹反弹砸到了你。
[点击「发射」射出粒子，或「连续发射」看统计结果]
穿过: 0偏转: 0反弹: 0
原子几乎是空的。如果把原子放大到足球场那么大，原子核只有场中央的一颗豌豆。所有的质量都集中在那里。
原子核找到了。下一个问题：电子在原子核周围怎么运动？
REC#014 — 1913
玻尔模型
/ Bohr Model电子为什么只能在特定轨道上？跳跃时会发生什么？
玻尔的模型简单到让人不敢相信。但它精确预测了氢原子每一条光谱线的位置——一条不差。
[点击不同轨道让电子跳跃，观察发出的光的颜色]
每一种颜色的光，对应电子的一次跳跃。霓虹灯、焰火的颜色、恒星的光谱——都是电子在不同能级间跳来跳去。
量子说微观世界不连续。爱因斯坦在另一个方向上走得更远——他重新定义了引力本身。
REC#015 — 1915
时空弯曲
/ Spacetime Curvature引力到底是什么？是一种力，还是别的东西？
爱因斯坦花了十年，从狭义走到广义。他说引发这一切的是「一生中最幸福的思想」：一个自由下落的人感觉不到引力。
[点击放置质量，拖动滑块改变大小，观察空间网格如何变形]
点击或拖动放置质量
引力不是力——是时空的弯曲。地球绕太阳转，不是因为被「拉」着，而是因为太阳把周围的时空压弯了，地球在弯曲的时空里走直线。
量子力学越来越奇怪了。粒子不仅能同时走两条路（双缝），还能穿墙。
REC#016 — 1928
量子隧穿
/ Quantum Tunneling一个球没有足够的能量翻过一堵墙。它能穿过去吗？
伽莫夫用量子隧穿解释了放射性衰变——为什么原子核中的粒子能逃出来，即使经典物理说它们不应该能。
[调节势垒的高度和宽度，观察穿透概率]
在量子世界，粒子有一定概率直接穿墙而过。这不是比喻——太阳之所以能发光，就是因为氢原子核通过量子隧穿聚合在一起。
如果粒子能穿墙，那「叠加」呢？一个东西能同时处于两种状态吗？
REC#017 — 1935
量子叠加
/ Quantum Superposition打开箱子之前，里面的猫是死是活？
薛定谔设计这个思想实验不是为了支持量子力学——而是为了嘲笑它。他觉得「同时是死的和活的」这种说法荒谬至极。
[点击「观测」打开箱子——每次结果可能不同]
量子观测
|ψ⟩ = α|alive⟩ + β|dead⟩
💀
|ψ⟩ = α|🐱⟩ + β|💀⟩
观测前，猫处于生与死的叠加态
但实验站在量子力学这边。在你观测之前，粒子确实处于叠加态。观测本身改变了结果。爱因斯坦至死不接受这一点。
ACT V
宇宙的命运
The Fate of the Universe我们终于抬起头，看向最大的问题：宇宙从哪里来？它会走向哪里？答案比任何人预想的都要奇怪——宇宙的96%是我们完全不理解的东西。
REC#018 — 1929
宇宙膨胀
/ Universe Expansion如果宇宙在膨胀，把时间倒推——一切是不是始于一个点？
哈勃发现星系在远离我们——越远的跑越快。勒梅特，一个比利时神父，第一个提出「原初原子」的想法。「大爆炸」这个名字其实是反对者的嘲笑。
[拖动时间滑块，观察星系如何远离或靠近]
宇宙有一个开始。138亿年前，一切从一个极小极热的点开始膨胀。这不是爆炸——是空间本身在拉伸。
宇宙在膨胀——但光在弯曲的时空中走什么样的路？
REC#019 — 1936
引力透镜
/ Gravitational Lensing光走的是直线吗？如果空间本身是弯的呢？
爱因斯坦预言光会被引力弯曲。1919年日食时，爱丁顿观测到恒星的位置确实偏移了。消息传遍全球，爱因斯坦一夜成名。
[拖动质量位置或调节质量大小，观察背景星星的扭曲]
光沿着弯曲的时空传播。大质量天体背后的星光被弯曲成弧形——宇宙自带放大镜。天文学家用这个效应来「看到」暗物质。
量子力学不只是理论。当人类学会劈开原子核，一切都变了。
REC#020 — 1942
核裂变链式反应
/ Chain Reaction劈开一个原子核，会释放多少能量？
费米在芝加哥大学一个壁球场下面搭建了人类第一座核反应堆。三年后，同样的原理被用在了广岛。奥本海默说：「我成了死神。」
[点击开始，观察中子如何引发链式反应]
绿色: 铀原子 蓝色: 中子 橙色: 碎片
一个中子劈开一个铀原子，释放出更多中子——指数级爆发。E=mc²不再是理论：一克物质蕴含两万吨TNT的能量。物理学从此拥有了毁灭文明的力量。
物理学能毁灭文明，也能揭示宇宙最深的秘密。但最大的秘密是：我们几乎什么都不知道。
REC#021 — 1970s
暗物质
/ Dark Matter星系边缘的星星为什么转得太快？是牛顿错了，还是有什么我们看不见的东西？
维拉·鲁宾的发现曾被忽视多年——部分原因是她是女性。但数据不会说谎：星系边缘的星星转速远超预期。
[切换「有暗物质/无暗物质」，比较旋转曲线]
宇宙中我们能看到的一切——恒星、行星、你、我——只占4%。其余96%是暗物质和暗能量。我们生活在一个几乎完全由未知构成的宇宙里。