搜索这4个物理公式改变了未来，让我们重新认识这个世界
2017-04-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
除了数学
还有物理
我们通过数学发现世界,通过物理懂得世界。
假期的第一天,超模君因为某些原因并未归家。
便在电脑前继续码字,跟你分享我所理解的物理。
如同喜欢数学公式那般的简洁,
物理公式就像是魔法一样,我们通过他,了解了世界的过去:宇宙的诞生,地球的年龄;也是通过他,我们也知道了未来:地球破灭的时刻,地外文明是否存在;通过他,看到了宇宙的终极命运。
遥望宇宙星空后,物理公式也带我们窥探原子世界,在原子世界中,我们找到了电子、中子,探索到了最大的能力源:原子能(核能)。
在过去的几个世纪里,每一次新公式的诞生,都意味着又开启了观察世界的新视角,历史的进程也就被改变了。
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牛顿第二运动定律(1687年)
对于牛二,相信各位模友都应该很熟悉了,是的,基本上每个人的青春都被这条公式“摧残”过。
它说明了什么?力可以用质量乘以加速度来表示。
啥意思?!
这条公式给你解释了:为什么你推一个重箱子比推一个轻箱子容易的多呢!
牛顿第二定律最伟大的之处是在于定义了力,用物体的质量和加速度进行描述。
如同我在《从一到无穷大》(黑一下京东,买到的书就像盗版的)这本书看到这么一个小故事,故事就是说:两个贵族在比说数字大小,
其中一个贵族绞尽脑汁后说:3。另一人听到后,无奈地说:好吧,你赢了!
现在看这个故事可能会觉得很可笑,3怎么可能是最大的呢?!而在当时的环境下,所有人只知道“大”,却不知道怎么去描述大,意识形态里只认为3是最大的。
定义力,解释力的大小该怎么去衡量。
而牛顿第二定律
在牛逼顿的运动定律中,还有:
第一运动定律就是惯性定律:是说一切物体在不受任何外力的作用下或所受合外力为零时,总是保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态。
第三运动定律:相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。
牛顿的三大运动定律构成经典力学的基础理论。
牛顿
有了计算法则,可以让物理学家和工程师计算知道如何去测量力的大小。而在所有涉及力与运动的问题上,总会有这个公司的身影。
英国工业革命时代的到来,除了技术条件的到达,也少不了物理公式基于的知识基石。
通过这个公式,它会告诉你需要多么强大的发动机才能使一辆汽车行驶,或使得一架飞机飞起来,或让火箭飞向太空等等。
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牛顿的万有引力定律(1687年)
别吵别吵,大家听着,这个公式是必考题,一定要记住,这个公式就是万有引力定律。
这个公式是什么呢?任意两个有质量的物体都会彼此吸引,但力的大小会随着彼此之间距离的增加而急速下降。
我和那个女生是彼此吸引的,不过因为距离远,引力不够大。
所以成功脱单的秘诀就是:靠近那个女生,不断减少距离,提高两个人的吸引力。
撩妹技能get!如果喜欢我,请靠近我!
想必大家都还记得那个砸在牛顿头上的苹果吧。
这苹果砸的真痛,请不要随意尝试!
从人类意识到太阳和月亮后,宇宙被分为两个领域——地球和其他天体。而牛顿所发现的万有引力定律则应用于一切领域。
导致苹果从树上落下的力与地球围绕着太阳的力竟然是一样的。这两种完全无法想象到一起的力,竟然可以用同一个公式来表示,无一不感叹大自然的神奇。
由于地球上的物体(包括人类)的质量都很小,使得物体之间的吸引力并不够大(女生只要轻轻一推,距离就远了,哭)。所以当万有引力定律被发现之后,主要的用途都用在于行星轨道的计算。
直到人类的
虽然牛顿发现了万有引力,但穷一生也无法了解引力为什么会这样(当发生无法理解的事情时,人类总会选择相信神鬼之说),或许这也是牛顿晚年寄托于神学的原因之一,
直到阿尔伯特·爱因斯坦在他的广义相对论中,解释了引力是有质量的物体弯曲时空而引起的。
即便如此,广义相对论也只应用极端的情况下。根据广义相对论,引力越强的地方,时间流逝得越慢,所以在卫星轨道设计的过程中,自然而然就要考虑时间差问题,要不一天时间下来,卫星就可能出现不可想象的误差。
但在大多数情况下
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麦克斯韦方程(1831年和1865年)
对于这个公式,《无言的宇宙》一书中是这么评价:麦克斯韦方程是上帝之眼中看到的光。
因为这个公式诠释的是:你可以用一个变化的磁场来产生一个变化的电场,也正因这个方程使得整个世界有了电。
从物理上看,完全解释了(经典)电磁现象的根源:
静态情况:电荷产生电场(Gauss Law),电流产生磁场(Ampere Law);
动态情况:变化的电场可以产生磁场(Maxwell-Ampere Law),变化的磁场也可以产生电场(Faraday Law)。
所以,(经典)电磁现象可以由电荷以及电荷的运动(电流)产生了电场、磁场、以及变化的电场和磁场(电磁场)来解释。
回看麦克斯韦方程诞生的历史:
在1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第发现了电场与磁场之间的联系:一个变化的磁场可以使得附近的电线产生电流,这就是电磁感应现象。
后来,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦把法拉第的电磁感应写进了他的4个电磁学基本方程里。
是的,确实是因为这个方程使得世界有了电。大多数发电机(不管是在风力涡轮机里,燃煤电厂里,还是水电站里)的工作原理,都是用机械能(风、蒸汽或水)去旋转磁体,进而产生电能。而当我们把这个过程反过来,就会发现这是电动机的原理。
更不一般地说,麦克斯韦方程组几乎应用到电气工程、通讯技术和光学中的每一个领域,其伟大之处就在这了。
著名学者文小刚先生对于麦克斯韦方程是这么说的:
麦克斯韦一直是我心中的真英雄。他最重要的发现,就是发现了物质的一种新的存在形式。
麦克斯韦之前,我们认为物质存在的形态只有粒子形式。麦克斯韦发现物质还有一种新的存在形式:那就是“场”(电磁波)。所有相互作用,都来源于这一新形式的物质。
要想知道麦克斯韦方程有多重要,我这里讲个故事。
我每次从加拿大开车入境美国,在边境上,检察官都这样问:你是干什么的?我:搞物理的。检察官:你知道麦克斯韦方程有几个吗?我想:如果检察官是研究生水平,我应当回答一个。如果检察官是大学生水平,我应回答四个。如果检察官是高中生水平,我就不知道回答几个了?最后我试着说:四个。他就放我过境了。(看来我不是假装搞物理的。)
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爱因斯坦的质能等价(1905年)
相信这个公式大家都应该看过,是的,就是爱因斯坦的质能方程。
首先,我们先来解释解释这个方程:能量等于质量乘以光速的平方。
啥意思呢……质量其实是一种超浓缩的能量。
公式中常数c代表着光的速度,而这个值的平方更是大的无法想象,正因如此,便出现了极少量的物质可以释放出巨大的能量(也就有了广岛的原子弹了)。
说起爱因斯坦的质能方程,自然免不了要说说原子弹。
事实上,质能方程最具影响力的应用便是原子弹,这个著名的公式阐明了:当一个不稳定的大原子核分裂成两个小的原子核时,会释放出大量的能量。因为两个较小的原子核的质量加在一起总是小于原来的大原子核,损失的质量被转化为能量。而这能量足以让一座城市被摧毁。
在二战期间,爱因斯坦本人曾给当时美国总统富兰克林·罗斯福写过一封信,信中建议罗斯福要尽快开展原子弹的研发,以防止德国纳粹研制出核武器,避免导致更多生命的逝去。
1945年7月15日,美国成功进行了人类历史上第一次核爆炸。可怕的是,在这颗试爆的原子弹里,只有大约一克的质量转化成能量,但释放出的能量大致相当于2万吨TNT爆炸时放出的能量。
二战末期,为了迫使日本投降,美国把两颗原子弹投在了日本领土上。然而,爱因斯坦在晚年曾表示,签署那封信是他生命中“一次巨大的错误”。
抛开战争,核能的合理使用也让我们感觉到了科学的价值。
想想看,此时质能方程+麦克斯韦方程双剑合璧,正在为超模君的电脑不断提供着电力来源。
现实的复杂与公式的简洁,构成了不完美的科学,也正因为这种残缺的美,才会有不断完善的时候。
作为一名八线网红,超模君没法像各位科学界大牛那般改变世界,但
每当这样的夜晚,我都会掰着脚趾头数一数:诺贝尔、菲尔兹、吉尼斯、格莱美、奥斯卡、劳伦斯、普立策、福布斯…… 我特么连一个都还没体验过呢!
生命真美好,依然假装充满着无限的可能性。
本文由超级数学建模编辑整理
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