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史上十大最美物理公式,你知道几个?

2015-10-13

话说牛顿的第二定律可以被当成整个物理学的开端。仍然记得当年初中学到牛顿第二定律之后心里面有一种豁然开朗的感觉,有一种全宇宙的秘密都尽在于此的感觉在这里我们为什么没有选用牛顿第二定律的通常形式F=ma呢?因为我们这里选用的形式才是牛顿当年提出这个定律时的原始形式,而且这个形式在爱因斯坦的狭义相对论中也是正确的。但是话又说回来了,牛顿的第二定律终究还仅仅是力学中的基本定律,不能走出力学这个狭隘框架半步。所以这个牛顿的式子排名第十。

薛定谔的波动方程背后确实没有什么引人入胜的传奇可讲,只是因为有一次,薛定谔先生在演讲宣传“德布罗意波”(就是我们常说的波函数所描述的波)时被一个听众问到“德布罗意波的波动方程是什么”,从而激发起了薛定谔寻找答案的冲动。但是由这个波动方程的提出所引发的量子力学体系之建立确实是一段百听不厌的传奇。在物理学史上,量子力学又被称为男孩物理学,因为创立量子力学主体的是一帮平均年龄不到30岁的大男孩。他们在哥本哈根的“量子教父”:玻尔的带领下共同埋葬了经典物理的宏伟大厦,开辟了另一片崭新的物理天地。在现代的量子力学体系中,薛定谔方程就像经典力学中的牛顿第二定律一样被作为一项公设来接受。

我们可怜的玻耳兹曼最后是死于自杀,按照他的遗嘱,人们将这个公式永久的镌刻在了他的墓碑上。

 狄拉克方程是高等量子力学中比较有传奇色彩的一个公式,因为狄拉克的反电子就是这个方程所预言的,另外还有著名的狄拉克海洋等等神奇的概念。不过以现代量子场论的观点来看,当年狄拉克的这些看似神奇的假设实际上都是没有必要的,因为在量子场论中粒子就是场,场就是粒子,二者可以被同一个方程所描述。另外,狄拉克方程的另一个成功之处在于:它第一次实现了量子力学与狭义相对论的有机统一。那些质疑量子论与相对论统一性的言论大多是指广义相对论对引力场的描述与量子场论对引力场的描述之间的矛盾。实际上磁铁们可以在下面的文章中看出:量子场论将引力场视为粒子,即引力子;而广义相对论认为引力不是一种实实在在的力而仅仅是一种时空弯曲效应。同时这两种理论又在各自的领域内取得了绝对的成功,所以产生了不可调和的矛盾。实际上,狭义相对论与量子论和谐的很,狄拉克方程俨然就是高速粒子的薛定谔方程。
 哎呀,这个……这个……这个式子也忒变态了吧。估计很多人眼都花了,其实我也比你们好不到那里去,我也仅仅是知道这个公式中所包含的运算方法而已,至于更深的物理理解我也是一头雾水。要自由的运用这个公式我估计也要坐两年冷板凳了。虽然我们对公式的细节没法给出什么评论,不过我却可以告诉你们这个公式的底细。因为现在摆在磁铁们面前的就是一个具有大统一方程潜质的公式!!怎么样,有眼不识泰山了吧?整天在小说中叫嚣什么大统一方程,真见到了你都不一定认出它来。为什么这么说呢?因为从理论上讲,这个公式在微观程度上统一了所有的电磁现象,而我们日常生活中所接触到的物理现象,除了有重力参与的少数物理过程外,几乎都与电磁力有关。所以说这个式子可以从理论上说明我们日常生活中所遇到的一切物理过程:从摩擦力到拉力弹力,从生命的新陈代谢到虚拟的网络世界统统在这个式子的管辖之内。

这个式子上榜的另外一个原因在于:以这个方程为基础建立起来的量子电动力学是人类有史以来最精确的科学理论,是物理学中的一块瑰宝,是人类智慧的骄傲。据此推导出来的电子磁距大小的理论数值与实验数值居然可以吻合到小数点后九位!(据说第十位之所以没吻合上,问题不是出在QED,而是出在对电子电荷实验数值的应用已经达到了上限!)这绝对是物理学史上从未有过的传奇……

磁铁们在讨论科幻题材时常常爱讲宇宙的终极定律什么的,这实际上有点涉及到了物理学中所谓的第一性原理问题。第一性原理,通俗一点就是说上帝创造这个世界时的基本想法和基本规则。如果有人问你:在现在的物理学家看来,宇宙的第一性原理是什么?毫无疑问,最小作用量原理是最佳候选者。那么最小作用量原理到底对我们宇宙的运行规律说了些什么呢?比如一颗小球在恒定力的作用下运动的情况,在我们做实验之前我们有理由猜测小球会沿着任意一条曲线去运动。那么物理学中的问题是:实际中的小球会按照哪一条运动曲线去运动呢?最小作用量原理告诉我们:如果我们对小球每一种可能的运动曲线定义一个名为“作用量”的数值,那么,小球实际中的运动曲线的一个基本性质就是:它的那个名为“作用量”的数值在所有可能的曲线中最小!很震撼是吧,确实,但是这个思想更震撼的地方在于:这个原理不仅适用于以上所说的力学情况,它对于所有的物理分支都适用!包括量子力学、电动力学、热力学等等物理分支。我开始接触这个思想时也被深深的震撼了,原来我们的世界就是一个由极值所构架的世界!但是且慢,这个在物理过程中名为“作用量”的数值是怎么计算的?哈哈,露马脚了,很遗憾,这个所谓的作用量在整个物理学的各分支中没有固定形式,往往是根据不同物理分支的要求,人为的根据最小作用量原理凑出来的……否则物理学早就没啥可研究的了。尽管如此,这个思想仍然是物理学中一个不可多得的瑰宝。

1916年11月25日,爱因斯坦十年磨一剑的广义相对论终于盖棺完成了,这就是我们物理公式榜上的No.1:爱因斯坦场方程。首先我稍微来解释一下这个方程哈:方程左边描述的是时空的弯曲情况(以度规来描述),方程右边的T描述的则是时空中的能量---动量分布情况,二者之比为一个与万有引力常数G有关的常量。这个场方程精确的体现了爱因斯坦对于时空与物质关系的基本设想:运动的物质告诉时空怎样弯曲,而弯曲的时空反过来又告诉物质怎样运动。另外,我们伟大的物理公式No.1中至今有一个常数不定(已经在公式下面标出来了),这就是传说中爱因斯坦的宇宙常数,因为这个常数的数值很小,只有在考虑宇宙尺度的时空结构时才会有用。爱因斯坦当年出于先验的考虑,想当然的认为这个常数不是零,可是后来有个叫弗里德曼的家伙在假设宇宙常数为零的情况下一手推出了与天文学家埃德温·哈勃观测结果相一致的膨胀宇宙模型(这个模型今天被称为人们尊为标准模型),我们的老爱同志捶胸顿足,把他的这个“先验错误”认定为自己一生中所犯的最大的错误。然而似乎上帝特别喜欢跟人类的智慧大师们开玩笑,如今,随着天文观测水平的提高,人们发现:宇宙中存在着一种被称为“暗能量”的力量,它使得我们的宇宙一直在加速膨胀,这反映在场方程中就是宇宙常数不为零!如果爱因斯坦地下有灵,不知道会不会有一种闪了腰的感觉。

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