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史上十大最美物理公式,你知道幾個?

 禹杰 2015-10-13

史上十大最美物理公式,你知道幾個? - shengge - 我的博客

話說牛頓的第二定律可以被當成整個物理學的開端。仍然記得當年初中學到牛頓第二定律之后心里面有一種豁然開朗的感覺,有一種全宇宙的秘密都盡在于此的感覺在這里我們?yōu)槭裁礇]有選用牛頓第二定律的通常形式F=ma呢?因為我們這里選用的形式才是牛頓當年提出這個定律時的原始形式,而且這個形式在愛因斯坦的狹義相對論中也是正確的。但是話又說回來了,牛頓的第二定律終究還僅僅是力學中的基本定律,不能走出力學這個狹隘框架半步。所以這個牛頓的式子排名第十。

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薛定諤的波動方程背后確實沒有什么引人入勝的傳奇可講,只是因為有一次,薛定諤先生在演講宣傳“德布羅意波”(就是我們常說的波函數(shù)所描述的波)時被一個聽眾問到“德布羅意波的波動方程是什么”,從而激發(fā)起了薛定諤尋找答案的沖動。但是由這個波動方程的提出所引發(fā)的量子力學體系之建立確實是一段百聽不厭的傳奇。在物理學史上,量子力學又被稱為男孩物理學,因為創(chuàng)立量子力學主體的是一幫平均年齡不到30歲的大男孩。他們在哥本哈根的“量子教父”:玻爾的帶領下共同埋葬了經(jīng)典物理的宏偉大廈,開辟了另一片嶄新的物理天地。在現(xiàn)代的量子力學體系中,薛定諤方程就像經(jīng)典力學中的牛頓第二定律一樣被作為一項公設來接受。

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我們可憐的玻耳茲曼最后是死于自殺,按照他的遺囑,人們將這個公式永久的鐫刻在了他的墓碑上。

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 狄拉克方程是高等量子力學中比較有傳奇色彩的一個公式,因為狄拉克的反電子就是這個方程所預言的,另外還有著名的狄拉克海洋等等神奇的概念。不過以現(xiàn)代量子場論的觀點來看,當年狄拉克的這些看似神奇的假設實際上都是沒有必要的,因為在量子場論中粒子就是場,場就是粒子,二者可以被同一個方程所描述。另外,狄拉克方程的另一個成功之處在于:它第一次實現(xiàn)了量子力學與狹義相對論的有機統(tǒng)一。那些質疑量子論與相對論統(tǒng)一性的言論大多是指廣義相對論對引力場的描述與量子場論對引力場的描述之間的矛盾。實際上磁鐵們可以在下面的文章中看出:量子場論將引力場視為粒子,即引力子;而廣義相對論認為引力不是一種實實在在的力而僅僅是一種時空彎曲效應。同時這兩種理論又在各自的領域內取得了絕對的成功,所以產(chǎn)生了不可調和的矛盾。實際上,狹義相對論與量子論和諧的很,狄拉克方程儼然就是高速粒子的薛定諤方程。
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 哎呀,這個……這個……這個式子也忒變態(tài)了吧。估計很多人眼都花了,其實我也比你們好不到那里去,我也僅僅是知道這個公式中所包含的運算方法而已,至于更深的物理理解我也是一頭霧水。要自由的運用這個公式我估計也要坐兩年冷板凳了。雖然我們對公式的細節(jié)沒法給出什么評論,不過我卻可以告訴你們這個公式的底細。因為現(xiàn)在擺在磁鐵們面前的就是一個具有大統(tǒng)一方程潛質的公式?。≡趺礃?,有眼不識泰山了吧?整天在小說中叫囂什么大統(tǒng)一方程,真見到了你都不一定認出它來。為什么這么說呢?因為從理論上講,這個公式在微觀程度上統(tǒng)一了所有的電磁現(xiàn)象,而我們日常生活中所接觸到的物理現(xiàn)象,除了有重力參與的少數(shù)物理過程外,幾乎都與電磁力有關。所以說這個式子可以從理論上說明我們日常生活中所遇到的一切物理過程:從摩擦力到拉力彈力,從生命的新陳代謝到虛擬的網(wǎng)絡世界統(tǒng)統(tǒng)在這個式子的管轄之內。

這個式子上榜的另外一個原因在于:以這個方程為基礎建立起來的量子電動力學是人類有史以來最精確的科學理論,是物理學中的一塊瑰寶,是人類智慧的驕傲。據(jù)此推導出來的電子磁距大小的理論數(shù)值與實驗數(shù)值居然可以吻合到小數(shù)點后九位?。〒?jù)說第十位之所以沒吻合上,問題不是出在QED,而是出在對電子電荷實驗數(shù)值的應用已經(jīng)達到了上限?。┻@絕對是物理學史上從未有過的傳奇……

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磁鐵們在討論科幻題材時常常愛講宇宙的終極定律什么的,這實際上有點涉及到了物理學中所謂的第一性原理問題。第一性原理,通俗一點就是說上帝創(chuàng)造這個世界時的基本想法和基本規(guī)則。如果有人問你:在現(xiàn)在的物理學家看來,宇宙的第一性原理是什么?毫無疑問,最小作用量原理是最佳候選者。那么最小作用量原理到底對我們宇宙的運行規(guī)律說了些什么呢?比如一顆小球在恒定力的作用下運動的情況,在我們做實驗之前我們有理由猜測小球會沿著任意一條曲線去運動。那么物理學中的問題是:實際中的小球會按照哪一條運動曲線去運動呢?最小作用量原理告訴我們:如果我們對小球每一種可能的運動曲線定義一個名為“作用量”的數(shù)值,那么,小球實際中的運動曲線的一個基本性質就是:它的那個名為“作用量”的數(shù)值在所有可能的曲線中最?。『苷鸷呈前?,確實,但是這個思想更震撼的地方在于:這個原理不僅適用于以上所說的力學情況,它對于所有的物理分支都適用!包括量子力學、電動力學、熱力學等等物理分支。我開始接觸這個思想時也被深深的震撼了,原來我們的世界就是一個由極值所構架的世界!但是且慢,這個在物理過程中名為“作用量”的數(shù)值是怎么計算的?哈哈,露馬腳了,很遺憾,這個所謂的作用量在整個物理學的各分支中沒有固定形式,往往是根據(jù)不同物理分支的要求,人為的根據(jù)最小作用量原理湊出來的……否則物理學早就沒啥可研究的了。盡管如此,這個思想仍然是物理學中一個不可多得的瑰寶。

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1916年11月25日,愛因斯坦十年磨一劍的廣義相對論終于蓋棺完成了,這就是我們物理公式榜上的No.1:愛因斯坦場方程。首先我稍微來解釋一下這個方程哈:方程左邊描述的是時空的彎曲情況(以度規(guī)來描述),方程右邊的T描述的則是時空中的能量---動量分布情況,二者之比為一個與萬有引力常數(shù)G有關的常量。這個場方程精確的體現(xiàn)了愛因斯坦對于時空與物質關系的基本設想:運動的物質告訴時空怎樣彎曲,而彎曲的時空反過來又告訴物質怎樣運動。另外,我們偉大的物理公式No.1中至今有一個常數(shù)不定(已經(jīng)在公式下面標出來了),這就是傳說中愛因斯坦的宇宙常數(shù),因為這個常數(shù)的數(shù)值很小,只有在考慮宇宙尺度的時空結構時才會有用。愛因斯坦當年出于先驗的考慮,想當然的認為這個常數(shù)不是零,可是后來有個叫弗里德曼的家伙在假設宇宙常數(shù)為零的情況下一手推出了與天文學家埃德溫·哈勃觀測結果相一致的膨脹宇宙模型(這個模型今天被稱為人們尊為標準模型),我們的老愛同志捶胸頓足,把他的這個“先驗錯誤”認定為自己一生中所犯的最大的錯誤。然而似乎上帝特別喜歡跟人類的智慧大師們開玩笑,如今,隨著天文觀測水平的提高,人們發(fā)現(xiàn):宇宙中存在著一種被稱為“暗能量”的力量,它使得我們的宇宙一直在加速膨脹,這反映在場方程中就是宇宙常數(shù)不為零!如果愛因斯坦地下有靈,不知道會不會有一種閃了腰的感覺。

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