亚洲日本18在线观看_ 333年物理學(xué)方程

1687年

在經(jīng)過(guò)了20年的思考

實(shí)驗研究、天文觀(guān)測和數學(xué)演算

牛頓終于出版了曠世之作

《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》

簡(jiǎn)稱(chēng)《原理》

照亮了籠罩在假設與猜想中的科學(xué)

站在伽利略等物理大師的肩膀上

牛頓在《原理》中提出了

三條運動(dòng)定律

它們可用于分析

各種各樣的動(dòng)力學(xué)運動(dòng)

其中第二定律與加速度有關(guān)

被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域

牛頓的運動(dòng)定律

奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎

經(jīng)典力學(xué)是一門(mén)

在宏觀(guān)世界和低速狀態(tài)下

研究運動(dòng)的物理學(xué)分支

在18世紀和19世紀

拉格朗日和哈密頓用更加抽象的方法

發(fā)展了經(jīng)典力學(xué)的新的表述形式

即分析力學(xué)

除了運動(dòng)定律

牛頓在《原理》中還告訴我們

蘋(píng)果落地和地球繞著(zhù)太陽(yáng)轉

都遵循著(zhù)同一個(gè)定律

基于第二定律和萬(wàn)有引力定律

牛頓從數學(xué)上嚴格地證明了

開(kāi)普勒在17世紀初提出的

行星運動(dòng)定律

之后，天文學(xué)家還運用牛頓的理論

從數學(xué)上預言了海王星的存在

18世紀

物理學(xué)家開(kāi)始研究

自然界中的各種波動(dòng)現象

聲波、光波、地震波等等等等

尤其讓物理學(xué)家感興趣的

是樂(lè )器等物體中的弦振動(dòng)問(wèn)題

1727年

伯努利研究了小提琴上弦的振動(dòng)

利用牛頓定律寫(xiě)下了系統的運動(dòng)方程

并求解了方程

他從求到的解中得出

振動(dòng)弦的最簡(jiǎn)單形狀是正弦曲線(xiàn)

近20年后

達朗貝爾采用了類(lèi)似的方法

但他的目標不在于求解

而是專(zhuān)注于簡(jiǎn)化運動(dòng)方程

最后他寫(xiě)下了一個(gè)優(yōu)雅的方程

描述了弦的形狀如何隨時(shí)間變化

19世紀上半葉

物理學(xué)家提出了

描述流體如何流動(dòng)的

納維-斯托克斯方程

它可以被看作是牛頓第二定律的流體版本

被廣泛用來(lái)模擬各種物理系統

比如流過(guò)飛機機翼的氣流

數學(xué)家一直在探索該方程的

解的存在性和光滑性問(wèn)題

但由于問(wèn)題過(guò)于困難

因此它被列為

七個(gè)“千禧年大獎問(wèn)題”之一

至今仍未被解決

1824年

研究能量傳遞和轉換的熱力學(xué)

迎來(lái)了轉折性時(shí)刻

6月12日

卡諾出版了《論火的動(dòng)力》

標志著(zhù)熱力學(xué)成為現代科學(xué)

卡諾在他的著(zhù)作中提出了著(zhù)名的

卡諾熱機、卡諾循環(huán)和卡諾定理

到了1850年代

克勞修斯和開(kāi)爾文重新表述了卡諾的理論

克勞修斯還提出了“熵”的概念

奠定了熱力學(xué)定律的基礎

熱力學(xué)可以總結為四條定律

其中第二定律對我們理解

時(shí)間、宇宙的命運

都有著(zhù)深刻的影響

天體物理學(xué)家愛(ài)丁頓曾表示

如果一個(gè)理論被發(fā)現違反了這一定律

那么這個(gè)理論終將走向崩塌

在統計力學(xué)中

有一個(gè)看似簡(jiǎn)單

卻與F=ma同樣重要的公式

這個(gè)公式也定義了熵

它連接了宏觀(guān)世界和微觀(guān)世界

這一公式被刻在了玻爾茲曼的墓碑上

雖然它的形式實(shí)際上是由普朗克寫(xiě)下的

物理學(xué)家麥克斯韋

同樣在熱力學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻

其中他最偉大的成就

是繼牛頓統一了天與地之后

再次實(shí)現了一次卓越的統一

基于法拉第等人的工作

麥克斯韋最終寫(xiě)下的方程組

統一了電和磁

他告訴我們

看似完全不同的電力與磁力

實(shí)際上是電磁力的不同表現

方程組也預言了電磁波的存在

后來(lái)被赫茲通過(guò)實(shí)驗驗證

19世紀末

力、熱、電、磁、光

關(guān)于這個(gè)世界運轉的基本原理

似乎都已經(jīng)被發(fā)現

除了兩朵飄浮在物理學(xué)上空的烏云

黑體輻射和邁克爾遜-莫雷實(shí)驗

而正是這兩朵烏云

直接引發(fā)了兩場(chǎng)重要的革命

量子革命和相對論革命

不像經(jīng)典力學(xué)關(guān)注的是宏觀(guān)世界和低速運動(dòng)

這兩場(chǎng)革命將帶來(lái)我們對

微觀(guān)世界和高速運動(dòng)的全新理解

1900年

普朗克發(fā)表了黑體輻射公式

他假設能量并不是過(guò)去認為的是連續的

而是一小包一小包的

這標志著(zhù)量子力學(xué)的開(kāi)端

這一關(guān)系式中的比例常數h

代表普朗克常數

是宇宙中非常重要的一個(gè)常數

5年后

愛(ài)因斯坦論基于普朗克的思想

論證了光是由光子組成的

并運用光子假說(shuō)

解釋了赫茲發(fā)現的光電效應

同樣是在1905年

愛(ài)因斯坦統一了時(shí)間和空間

提出了狹義相對論

這個(gè)理論告訴我們

當處于高速運動(dòng)的時(shí)候

時(shí)間、長(cháng)度都變得不一樣了

基于狹義相對論

愛(ài)因斯坦寫(xiě)下了史上最廣為人知的方程

自此

能量和質(zhì)量也被統一了

令人難以置信的是

一個(gè)如此簡(jiǎn)潔的公式

卻蘊藏著(zhù)無(wú)法想象的威力

無(wú)論是在恒星之中

還是在加速器內部

這個(gè)公式都發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用

發(fā)表狹義相對論后

愛(ài)因斯坦開(kāi)始思考另一個(gè)問(wèn)題

什么是引力？

雖然我們無(wú)時(shí)無(wú)刻都在體驗引力的作用

但實(shí)際上直到今天我們依然不了解引力

在牛頓的理論中

有著(zhù)顯而易見(jiàn)的“超距作用”

到了1915年

愛(ài)因斯坦給出了自己的答案

這是廣義相對論的核心方程

方程的左邊

描述了時(shí)空的幾何

方程的右邊

包含了時(shí)空中的東西

比如物質(zhì)和能量

約翰·惠勒總結道

物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲

時(shí)空告訴物質(zhì)如何運動(dòng)

愛(ài)因斯坦的新理論顛覆了牛頓的理論

另一方面

普朗克、愛(ài)因斯坦、玻爾

德布羅意、玻恩、泡利等人

建立的量子力學(xué)

或許比相對論更加深刻

量子世界充滿(mǎn)了

反直覺(jué)、詭異的現象

1926年

薛定諤登上了量子舞臺的中心

他發(fā)表了量子世界中的F=ma版本

他的方程描述了原子的結構

也是許多現代技術(shù)發(fā)展的基礎

可以說(shuō)

量子世界是模糊的

我們熟悉的確定性被概率取而代之

在量子世界中

一個(gè)粒子可以在這里

也可以在那里

還可以既在這里又在那里

物理學(xué)家只能通過(guò)波函數計算出的概率

來(lái)預測粒子所在的位置

這種量子模糊性

隱藏在海森堡提出的著(zhù)名原理的背后

值得一提的是

同樣是在1927年

召開(kāi)了著(zhù)名的第五屆索爾維會(huì )議

與會(huì )者包括了愛(ài)因斯坦、普朗克等

在那張著(zhù)名的全明星照中

還有一位年輕的物理學(xué)家叫狄拉克

彼時(shí)他正在思考

要如何描述

那些質(zhì)量小、運動(dòng)速度快的粒子

比如原子中的電子

對于高速運動(dòng)的粒子就需要考慮到

狹義相對論效應

1928年

狄拉克聯(lián)姻了量子力學(xué)和狹義相對論

寫(xiě)下了薛定諤方程的相對論性版本

量子力學(xué)、狹義相對論和經(jīng)典場(chǎng)論的結合

被稱(chēng)為量子場(chǎng)論

在量子場(chǎng)論中

粒子被視作為場(chǎng)的激發(fā)

在接下來(lái)的幾十年中

量子理論進(jìn)入了高速發(fā)展期

物理學(xué)家意識到了

除引力和電磁力之外

還有兩種基本力支配著(zhù)粒子的行為

那就是強力和弱力

為了描述除引力之外的三種量子力

物理學(xué)家陸續發(fā)展了

量子電動(dòng)力學(xué)

量子色動(dòng)力學(xué)

從實(shí)驗中也開(kāi)始發(fā)現

越來(lái)越多的粒子

這些粒子都是由幾種基本粒子構成的

如夸克和輕子

1970年代

基于量子場(chǎng)論

物理學(xué)家最終建立了

史上最成功的理論之一

粒子物理學(xué)的標準模型

標準模型描述了

光和物質(zhì)間的相互作用

夸克和膠子間的復雜相互作用

解釋了基本粒子的質(zhì)量起源之謎

并且將電磁力和弱力

統一為電弱力

到目前為止

物理學(xué)家已經(jīng)實(shí)現了幾次統一

每一次都帶來(lái)了意想不到的驚喜

標準模型之后

物理學(xué)家立即嘗試在更高的能量下

將電弱力和強力統一

這樣的嘗試被稱(chēng)為大統一理論

但大統一理論預言的質(zhì)子衰變

至今仍未被實(shí)驗觀(guān)察到

物理學(xué)家的終極目標

是將已知的四種基本力

都統一在萬(wàn)有理論中

換句話(huà)說(shuō)

物理學(xué)家想要統一量子場(chǎng)論和廣義相對論

只有成功地找到萬(wàn)有理論

才能夠揭開(kāi)與

宇宙大爆炸和黑洞有關(guān)的

重重謎題

作為宇宙中最神秘的天體

黑洞為這兩個(gè)理論架接了

一個(gè)天然的橋梁

黑洞擁有著(zhù)極強的引力

任何東西越過(guò)它的掌控范圍

就不可能逃脫

包括有著(zhù)宇宙速度極限的光

霍金等人曾認為黑洞不會(huì )輻射

這一結論的直接結果就是

熱力學(xué)第二定律被違反了

貝肯斯坦為了拯救第二定律

提出黑洞的熵必須正比于其表面積

1974年

基于廣義相對論和量子場(chǎng)論

霍金在重新研究黑洞周?chē)膹澢臻g后

推翻了先前的結論

公式中包含了

牛頓的萬(wàn)有引力常數（G）

約化普朗克常數（?）

光速（c）

玻爾茲曼常數（κ）

也就是說(shuō)

霍金的工作把

量子理論、廣義相對論和熱力學(xué)

全部聯(lián)系在了一起

這或許預示著(zhù)

對黑洞的理解

將是找到萬(wàn)有理論的關(guān)鍵

幾十年過(guò)去了

我們距離找到萬(wàn)有理論還有多遠？

答案不得而知

自標準模型之后

基礎物理學(xué)便沒(méi)有根本性的突破

雖然在實(shí)驗和觀(guān)測上

接連發(fā)現了希格斯玻色子和引力波

但這都只是對標準模型和廣義相對論的進(jìn)一步驗證

這是否意味著(zhù)物理學(xué)在幾十年毫無(wú)進(jìn)展？

并不是

理論物理學(xué)家提出了許多新奇的想法

以及許多萬(wàn)有理論的候選理論

包括弦論、圈量子引力

因果動(dòng)力學(xué)三角剖分、因果集等

但這些理論都面臨一個(gè)問(wèn)題

無(wú)法被實(shí)驗驗證

值得一提的是

在過(guò)去的20幾年里

出現了兩個(gè)非常有意思的關(guān)系

1997年

弦論家馬爾達西那提出了

一個(gè)非常重要的對偶關(guān)系

AdS/CFT對偶告訴我們的是

“

四維規范理論

等于

五維反德西特時(shí)空中的引力理論

”

這個(gè)等價(jià)關(guān)系將
四維物理和五維物理聯(lián)系上了

另一個(gè)等價(jià)關(guān)系出現在2013年

馬爾達西那和蘇士侃

將兩個(gè)與愛(ài)因斯坦有關(guān)的概念聯(lián)系在一起

ER指的是“愛(ài)因斯坦-羅森橋”

EPR指“愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論”

這兩個(gè)概念都是愛(ài)因斯坦

在1935年的思考結晶

蟲(chóng)洞 = 量子糾纏

似乎也預示著(zhù)

廣義相對論 = 量子力學(xué)

到目前為止

我們并不清楚

下一次統一的線(xiàn)索究竟隱藏在哪里

答案可能在暗物質(zhì)和暗能量之中

可能在與黑洞有關(guān)的悖論中

也可能隱藏在海量未被挖掘的實(shí)驗數據中

在迎來(lái)這一天之前

我們需要

保持好奇

保持耐心

繼續探索

文/設計：新原理研究所

審校：中科院高能所

圖片來(lái)源：

《原理》：劍橋大學(xué)

地球磁場(chǎng)：NASA

薛定諤貓：James Tuttle Keane

其他：Wikimedia Commons

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