搜索這4個(gè)物理公式改變了未來(lái)，讓我們重新認(rèn)識(shí)這個(gè)世界
2017-04-25 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
除了數(shù)學(xué)
還有物理
我們通過(guò)數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)世界,通過(guò)物理懂得世界。
假期的第一天,超模君因?yàn)槟承┰虿⑽礆w家。
便在電腦前繼續(xù)碼字,跟你分享我所理解的物理。
如同喜歡數(shù)學(xué)公式那般的簡(jiǎn)潔,
物理公式就像是魔法一樣,我們通過(guò)他,了解了世界的過(guò)去:宇宙的誕生,地球的年齡;也是通過(guò)他,我們也知道了未來(lái):地球破滅的時(shí)刻,地外文明是否存在;通過(guò)他,看到了宇宙的終極命運(yùn)。
遙望宇宙星空后,物理公式也帶我們窺探原子世界,在原子世界中,我們找到了電子、中子,探索到了最大的能力源:原子能(核能)。
在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里,每一次新公式的誕生,都意味著又開(kāi)啟了觀察世界的新視角,歷史的進(jìn)程也就被改變了。
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牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律(1687年)
對(duì)于牛二,相信各位模友都應(yīng)該很熟悉了,是的,基本上每個(gè)人的青春都被這條公式“摧殘”過(guò)。
它說(shuō)明了什么?力可以用質(zhì)量乘以加速度來(lái)表示。
啥意思?!
這條公式給你解釋了:為什么你推一個(gè)重箱子比推一個(gè)輕箱子容易的多呢!
牛頓第二定律最偉大的之處是在于定義了力,用物體的質(zhì)量和加速度進(jìn)行描述。
如同我在《從一到無(wú)窮大》(黑一下京東,買(mǎi)到的書(shū)就像盜版的)這本書(shū)看到這么一個(gè)小故事,故事就是說(shuō):兩個(gè)貴族在比說(shuō)數(shù)字大小,
其中一個(gè)貴族絞盡腦汁后說(shuō):3。另一人聽(tīng)到后,無(wú)奈地說(shuō):好吧,你贏了!
現(xiàn)在看這個(gè)故事可能會(huì)覺(jué)得很可笑,3怎么可能是最大的呢?!而在當(dāng)時(shí)的環(huán)境下,所有人只知道“大”,卻不知道怎么去描述大,意識(shí)形態(tài)里只認(rèn)為3是最大的。
定義力,解釋力的大小該怎么去衡量。
而牛頓第二定律
在牛逼頓的運(yùn)動(dòng)定律中,還有:
第一運(yùn)動(dòng)定律就是慣性定律:是說(shuō)一切物體在不受任何外力的作用下或所受合外力為零時(shí),總是保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。
第三運(yùn)動(dòng)定律:相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上。
牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律構(gòu)成經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)理論。
牛頓
有了計(jì)算法則,可以讓物理學(xué)家和工程師計(jì)算知道如何去測(cè)量力的大小。而在所有涉及力與運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題上,總會(huì)有這個(gè)公司的身影。
英國(guó)工業(yè)革命時(shí)代的到來(lái),除了技術(shù)條件的到達(dá),也少不了物理公式基于的知識(shí)基石。
通過(guò)這個(gè)公式,它會(huì)告訴你需要多么強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)才能使一輛汽車(chē)行駛,或使得一架飛機(jī)飛起來(lái),或讓火箭飛向太空等等。
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牛頓的萬(wàn)有引力定律(1687年)
別吵別吵,大家聽(tīng)著,這個(gè)公式是必考題,一定要記住,這個(gè)公式就是萬(wàn)有引力定律。
這個(gè)公式是什么呢?任意兩個(gè)有質(zhì)量的物體都會(huì)彼此吸引,但力的大小會(huì)隨著彼此之間距離的增加而急速下降。
我和那個(gè)女生是彼此吸引的,不過(guò)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn),引力不夠大。
所以成功脫單的秘訣就是:靠近那個(gè)女生,不斷減少距離,提高兩個(gè)人的吸引力。
撩妹技能get!如果喜歡我,請(qǐng)靠近我!
想必大家都還記得那個(gè)砸在牛頓頭上的蘋(píng)果吧。
這蘋(píng)果砸的真痛,請(qǐng)不要隨意嘗試!
從人類(lèi)意識(shí)到太陽(yáng)和月亮后,宇宙被分為兩個(gè)領(lǐng)域——地球和其他天體。而牛頓所發(fā)現(xiàn)的萬(wàn)有引力定律則應(yīng)用于一切領(lǐng)域。
導(dǎo)致蘋(píng)果從樹(shù)上落下的力與地球圍繞著太陽(yáng)的力竟然是一樣的。這兩種完全無(wú)法想象到一起的力,竟然可以用同一個(gè)公式來(lái)表示,無(wú)一不感嘆大自然的神奇。
由于地球上的物體(包括人類(lèi))的質(zhì)量都很小,使得物體之間的吸引力并不夠大(女生只要輕輕一推,距離就遠(yuǎn)了,哭)。所以當(dāng)萬(wàn)有引力定律被發(fā)現(xiàn)之后,主要的用途都用在于行星軌道的計(jì)算。
直到人類(lèi)的
雖然牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力,但窮一生也無(wú)法了解引力為什么會(huì)這樣(當(dāng)發(fā)生無(wú)法理解的事情時(shí),人類(lèi)總會(huì)選擇相信神鬼之說(shuō)),或許這也是牛頓晚年寄托于神學(xué)的原因之一,
直到阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在他的廣義相對(duì)論中,解釋了引力是有質(zhì)量的物體彎曲時(shí)空而引起的。
即便如此,廣義相對(duì)論也只應(yīng)用極端的情況下。根據(jù)廣義相對(duì)論,引力越強(qiáng)的地方,時(shí)間流逝得越慢,所以在衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的過(guò)程中,自然而然就要考慮時(shí)間差問(wèn)題,要不一天時(shí)間下來(lái),衛(wèi)星就可能出現(xiàn)不可想象的誤差。
但在大多數(shù)情況下
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麥克斯韋方程(1831年和1865年)
對(duì)于這個(gè)公式,《無(wú)言的宇宙》一書(shū)中是這么評(píng)價(jià):麥克斯韋方程是上帝之眼中看到的光。
因?yàn)檫@個(gè)公式詮釋的是:你可以用一個(gè)變化的磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)變化的電場(chǎng),也正因這個(gè)方程使得整個(gè)世界有了電。
從物理上看,完全解釋了(經(jīng)典)電磁現(xiàn)象的根源:
靜態(tài)情況:電荷產(chǎn)生電場(chǎng)(Gauss Law),電流產(chǎn)生磁場(chǎng)(Ampere Law);
動(dòng)態(tài)情況:變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)(Maxwell-Ampere Law),變化的磁場(chǎng)也可以產(chǎn)生電場(chǎng)(Faraday Law)。
所以,(經(jīng)典)電磁現(xiàn)象可以由電荷以及電荷的運(yùn)動(dòng)(電流)產(chǎn)生了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、以及變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)(電磁場(chǎng))來(lái)解釋。
回看麥克斯韋方程誕生的歷史:
在1831年,英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的聯(lián)系:一個(gè)變化的磁場(chǎng)可以使得附近的電線產(chǎn)生電流,這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
后來(lái),英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋把法拉第的電磁感應(yīng)寫(xiě)進(jìn)了他的4個(gè)電磁學(xué)基本方程里。
是的,確實(shí)是因?yàn)檫@個(gè)方程使得世界有了電。大多數(shù)發(fā)電機(jī)(不管是在風(fēng)力渦輪機(jī)里,燃煤電廠里,還是水電站里)的工作原理,都是用機(jī)械能(風(fēng)、蒸汽或水)去旋轉(zhuǎn)磁體,進(jìn)而產(chǎn)生電能。而當(dāng)我們把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái),就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是電動(dòng)機(jī)的原理。
更不一般地說(shuō),麥克斯韋方程組幾乎應(yīng)用到電氣工程、通訊技術(shù)和光學(xué)中的每一個(gè)領(lǐng)域,其偉大之處就在這了。
著名學(xué)者文小剛先生對(duì)于麥克斯韋方程是這么說(shuō)的:
麥克斯韋一直是我心中的真英雄。他最重要的發(fā)現(xiàn),就是發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的一種新的存在形式。
麥克斯韋之前,我們認(rèn)為物質(zhì)存在的形態(tài)只有粒子形式。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)物質(zhì)還有一種新的存在形式:那就是“場(chǎng)”(電磁波)。所有相互作用,都來(lái)源于這一新形式的物質(zhì)。
要想知道麥克斯韋方程有多重要,我這里講個(gè)故事。
我每次從加拿大開(kāi)車(chē)入境美國(guó),在邊境上,檢察官都這樣問(wèn):你是干什么的?我:搞物理的。檢察官:你知道麥克斯韋方程有幾個(gè)嗎?我想:如果檢察官是研究生水平,我應(yīng)當(dāng)回答一個(gè)。如果檢察官是大學(xué)生水平,我應(yīng)回答四個(gè)。如果檢察官是高中生水平,我就不知道回答幾個(gè)了?最后我試著說(shuō):四個(gè)。他就放我過(guò)境了。(看來(lái)我不是假裝搞物理的。)
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愛(ài)因斯坦的質(zhì)能等價(jià)(1905年)
相信這個(gè)公式大家都應(yīng)該看過(guò),是的,就是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程。
首先,我們先來(lái)解釋解釋這個(gè)方程:能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。
啥意思呢……質(zhì)量其實(shí)是一種超濃縮的能量。
公式中常數(shù)c代表著光的速度,而這個(gè)值的平方更是大的無(wú)法想象,正因如此,便出現(xiàn)了極少量的物質(zhì)可以釋放出巨大的能量(也就有了廣島的原子彈了)。
說(shuō)起愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程,自然免不了要說(shuō)說(shuō)原子彈。
事實(shí)上,質(zhì)能方程最具影響力的應(yīng)用便是原子彈,這個(gè)著名的公式闡明了:當(dāng)一個(gè)不穩(wěn)定的大原子核分裂成兩個(gè)小的原子核時(shí),會(huì)釋放出大量的能量。因?yàn)閮蓚€(gè)較小的原子核的質(zhì)量加在一起總是小于原來(lái)的大原子核,損失的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量。而這能量足以讓一座城市被摧毀。
在二戰(zhàn)期間,愛(ài)因斯坦本人曾給當(dāng)時(shí)美國(guó)總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福寫(xiě)過(guò)一封信,信中建議羅斯福要盡快開(kāi)展原子彈的研發(fā),以防止德國(guó)納粹研制出核武器,避免導(dǎo)致更多生命的逝去。
1945年7月15日,美國(guó)成功進(jìn)行了人類(lèi)歷史上第一次核爆炸。可怕的是,在這顆試爆的原子彈里,只有大約一克的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量,但釋放出的能量大致相當(dāng)于2萬(wàn)噸TNT爆炸時(shí)放出的能量。
二戰(zhàn)末期,為了迫使日本投降,美國(guó)把兩顆原子彈投在了日本領(lǐng)土上。然而,愛(ài)因斯坦在晚年曾表示,簽署那封信是他生命中“一次巨大的錯(cuò)誤”。
拋開(kāi)戰(zhàn)爭(zhēng),核能的合理使用也讓我們感覺(jué)到了科學(xué)的價(jià)值。
想想看,此時(shí)質(zhì)能方程+麥克斯韋方程雙劍合璧,正在為超模君的電腦不斷提供著電力來(lái)源。
現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜與公式的簡(jiǎn)潔,構(gòu)成了不完美的科學(xué),也正因?yàn)檫@種殘缺的美,才會(huì)有不斷完善的時(shí)候。
作為一名八線網(wǎng)紅,超模君沒(méi)法像各位科學(xué)界大牛那般改變世界,但
每當(dāng)這樣的夜晚,我都會(huì)掰著腳趾頭數(shù)一數(shù):諾貝爾、菲爾茲、吉尼斯、格萊美、奧斯卡、勞倫斯、普立策、福布斯…… 我特么連一個(gè)都還沒(méi)體驗(yàn)過(guò)呢!
生命真美好,依然假裝充滿著無(wú)限的可能性。
本文由超級(jí)數(shù)學(xué)建模編輯整理
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