這4個物理公式改變了未來，讓我們重新認識這個世界

2017-04-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

除了數(shù)學

還有物理

我們通過數(shù)學發(fā)現(xiàn)世界,通過物理懂得世界。

假期的第一天,超模君因為某些原因并未歸家。

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)學公式那般的簡潔,

對于物理,超模君也喜歡物理的公式。

物理公式就像是魔法一樣,我們通過他,了解了世界的過去:宇宙的誕生,地球的年齡;也是通過他,我們也知道了未來:地球破滅的時刻,地外文明是否存在;通過他,看到了宇宙的終極命運。

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)。

在過去的幾個世紀里,每一次新公式的誕生,都意味著又開啟了觀察世界的新視角,歷史的進程也就被改變了。

牛頓第二運動定律(1687年)

對于牛二,相信各位模友都應該很熟悉了,是的,基本上每個人的青春都被這條公式“摧殘”過。

它說明了什么?力可以用質(zhì)量乘以加速度來表示。

啥意思?!

這條公式給你解釋了:為什么你推一個重箱子比推一個輕箱子容易的多呢!

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)量和加速度進行描述。

如同我在《從一到無窮大》(黑一下京東,買到的書就像盜版的)這本書看到這么一個小故事,故事就是說:兩個貴族在比說數(shù)字大小,

其中一個貴族絞盡腦汁后說:3。另一人聽到后,無奈地說:好吧,你贏了!

現(xiàn)在看這個故事可能會覺得很可笑,3怎么可能是最大的呢?!而在當時的環(huán)境下,所有人只知道“大”,卻不知道怎么去描述大,意識形態(tài)里只認為3是最大的。

而牛頓第二定律
定義力,解釋力的大小該怎么去衡量。

在牛逼頓的運動定律中,還有:

第一運動定律就是慣性定律:是說一切物體在不受任何外力的作用下或所受合外力為零時,總是保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。

第三運動定律:相互作用的兩個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。

牛頓的三大運動定律構(gòu)成經(jīng)典力學的基礎理論。

牛頓

有了計算法則,可以讓物理學家和工程師計算知道如何去測量力的大小。而在所有涉及力與運動的問題上,總會有這個公司的身影。

英國工業(yè)革命時代的到來,除了技術條件的到達,也少不了物理公式基于的知識基石。

通過這個公式,它會告訴你需要多么強大的發(fā)動機才能使一輛汽車行駛,或使得一架飛機飛起來,或讓火箭飛向太空等等。

牛頓的萬有引力定律(1687年)

別吵別吵,大家聽著,這個公式是必考題,一定要記住,這個公式就是萬有引力定律。

這個公式是什么呢?任意兩個有質(zhì)量的物體都會彼此吸引,但力的大小會隨著彼此之間距離的增加而急速下降。

我和那個女生是彼此吸引的,不過因為距離遠,引力不夠大。

所以成功脫單的秘訣就是:靠近那個女生,不斷減少距離,提高兩個人的吸引力。

撩妹技能get!如果喜歡我,請靠近我!

想必大家都還記得那個砸在牛頓頭上的蘋果吧。

這蘋果砸的真痛,請不要隨意嘗試!

從人類意識到太陽和月亮后,宇宙被分為兩個領域——地球和其他天體。而牛頓所發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律則應用于一切領域。

這就好玩了,我們可以發(fā)現(xiàn)其實
導致蘋果從樹上落下的力與地球圍繞著太陽的力竟然是一樣的。這兩種完全無法想象到一起的力,竟然可以用同一個公式來表示,無一不感嘆大自然的神奇。

由于地球上的物體(包括人類)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,距離就遠了,哭)。所以當萬有引力定律被發(fā)現(xiàn)之后,主要的用途都用在于行星軌道的計算。

直到人類的

探索欲望想突破天際的時候,萬用引力定律被應用到了載人航天和衛(wèi)星計劃中,將人類送到了遙遠的月宮。

雖然牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力,但窮一生也無法了解引力為什么會這樣(當發(fā)生無法理解的事情時,人類總會選擇相信神鬼之說),或許這也是牛頓晚年寄托于神學的原因之一,

直到阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論中,解釋了引力是有質(zhì)量的物體彎曲時空而引起的。

即便如此,廣義相對論也只應用極端的情況下。根據(jù)廣義相對論,引力越強的地方,時間流逝得越慢,所以在衛(wèi)星軌道設計的過程中,自然而然就要考慮時間差問題,要不一天時間下來,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

(尤其在考試中),這個已有300多年歷史的公式還是很好用的。

麥克斯韋方程(1831年和1865年)

對于這個公式,《無言的宇宙》一書中是這么評價:麥克斯韋方程是上帝之眼中看到的光。

為什么一個簡單的方程有如此高的評價?

因為這個公式詮釋的是:你可以用一個變化的磁場來產(chǎn)生一個變化的電場,也正因這個方程使得整個世界有了電。

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(Gauss Law),電流產(chǎn)生磁場(Ampere Law);
動態(tài)情況:變化的電場可以產(chǎn)生磁場(Maxwell-Ampere Law),變化的磁場也可以產(chǎn)生電場(Faraday Law)。

所以,(經(jīng)典)電磁現(xiàn)象可以由電荷以及電荷的運動(電流)產(chǎn)生了電場、磁場、以及變化的電場和磁場(電磁場)來解釋。

從數(shù)學上看,方程的形式很簡潔,而大家最喜歡這種簡潔的表達方式。

回看麥克斯韋方程誕生的歷史:

在1831年,英國物理學家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電場與磁場之間的聯(lián)系:一個變化的磁場可以使得附近的電線產(chǎn)生電流,這就是電磁感應現(xiàn)象。

后來,英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋把法拉第的電磁感應寫進了他的4個電磁學基本方程里。

是的,確實是因為這個方程使得世界有了電。大多數(shù)發(fā)電機(不管是在風力渦輪機里,燃煤電廠里,還是水電站里)的工作原理,都是用機械能(風、蒸汽或水)去旋轉(zhuǎn)磁體,進而產(chǎn)生電能。而當我們把這個過程反過來,就會發(fā)現(xiàn)這是電動機的原理。

更不一般地說,麥克斯韋方程組幾乎應用到電氣工程、通訊技術和光學中的每一個領域,其偉大之處就在這了。

著名學者文小剛先生對于麥克斯韋方程是這么說的:

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”(電磁波)。所有相互作用,都來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,我這里講個故事。

我每次從加拿大開車入境美國,在邊境上,檢察官都這樣問: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嗎?我想:如果檢察官是研究生水平,我應當回答一個。如果檢察官是大學生水平,我應回答四個。如果檢察官是高中生水平,我就不知道回答幾個了?最后我試著說:四個。他就放我過境了。(看來我不是假裝搞物理的。)

愛因斯坦的質(zhì)能等價(1905年)

相信這個公式大家都應該看過,是的,就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。

首先,我們先來解釋解釋這個方程:能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。

啥意思呢……質(zhì)量其實是一種超濃縮的能量。

超濃縮的能量,這個詞便是質(zhì)能方程最神奇之處。

公式中常數(shù)c代表著光的速度,而這個值的平方更是大的無法想象,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)。

說起愛因斯坦的質(zhì)能方程,自然免不了要說說原子彈。

事實上,質(zhì)能方程最具影響力的應用便是原子彈,這個著名的公式闡明了:當一個不穩(wěn)定的大原子核分裂成兩個小的原子核時,會釋放出大量的能量。因為兩個較小的原子核的質(zhì)量加在一起總是小于原來的大原子核,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,愛因斯坦本人曾給當時美國總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福寫過一封信,信中建議羅斯福要盡快開展原子彈的研發(fā),以防止德國納粹研制出核武器,避免導致更多生命的逝去。

1945年7月15日,美國成功進行了人類歷史上第一次核爆炸?？膳碌氖?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于2萬噸TNT爆炸時放出的能量。