从经典力学到世界尽头

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　　物理学家费曼曾说过“一杯葡萄酒蕴含着整个物理学世界”。一杯葡萄酒怎么可能蕴含着浩瀚的物理世界呢?拥有对未知世界充满好奇的你，是否知道我们这个现实世界怎么运作的呢?

　　2017年10月3日，美国的三位物理学家因在引力波探测方面的突出贡献，而获得了2017年的诺贝尔物理学奖。其实，不管是如此高大上的引力波还是荡漾在湖水中的水波纹，它们都遵循着各自美妙的物理定律。到底有多妙不可言，接下来让我们一探究竟。

　　图1 双黑洞合并，引起时空的涟漪——引力波

　　经典物理学

　　物理学的框架大致可以分为经典物理学、相对论和量子力学。一般而言，我们把19世纪末以前的物理学都称为经典物理学，它主要是由伽利略、牛顿、麦克斯韦和玻尔兹曼等人建立起来的;而相对论又可以分为狭义相对论和广义相对论，这绝大部分都是爱因斯坦建立起来的;至于量子力学，它主要是由普朗克、海森堡、薛定谔和泡利等人所创建的。

　　在经典物理学中，可细分为经典力学、光学、天文学、流体力学、热力学和电磁学。

　　经典力学主要由伽利略和牛顿打头阵，最著名的便是牛顿三定律了。如今，我们生活环境中运动的物体都无时无刻在遵循着牛顿三定律，打个比方来说，当我们用手抛出篮球时，在不考虑空气阻力的情况下，我们可以根据牛顿力学精确的算出你是否能投中篮筐。

　　光学主要是由惠更斯和牛顿发展起来的，不过他们两个是冤家，因为惠更斯主张光具有波动性，而牛顿则认为光是具有粒子性。从光的反射和折射现象的确能让光具有粒子性的学说站住脚，但是光的衍射、干涉等现象却说明了光的波动性。尽管他们的观点最终都被德布罗意的“波粒二象性”所终结，但是由牛顿和惠更斯发展的几何光学却影响着物理学的进程。

　　图2 光的色散(光通过三棱镜后散射出五颜六色的光)

　　伽利略通过一块凹透镜和一块凸透镜之城折射式望远镜，从而将人类的视线引向了宇宙，牛顿通过三棱镜，将自然光分解成了五颜六色的光，三原色的面纱逐渐被揭开。而列文虎克则通过对一块镜子不断研磨，制成了放大镜，打开了微观世界的大门。

　　提及天文学，首先应该提及牛顿和开普勒，开普勒的三定律加上牛顿的万有引力定律让人们知道了为何月球对地球不离不弃，为何地球上有春夏秋冬。

　　图3 月球绕着地球公转

　　当有飞机从天上飞过时，我们应该庆幸于流体力学真的起作用了。直升飞机可以依靠着牛顿第三定律——力的作用是相互的，通过螺旋桨高速旋转向下推动气流获得反作用力而飞行，但是具有固定翼的民航客机或战斗机却是依靠着伯努利原理——流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，来获得向上的升力，进而展翅翱翔在天际。当然流体力学的应用不止于此，还有小到液体的各种计量仪器，大到海洋环流的监控预测。

　　图4 依靠压强差翱翔的飞机

　　民以食为天。每当我们吃到热腾腾的饭菜时，我们却未曾想过，饭菜是通过燃气加热的物理机制。当燃气点燃时，火焰中大量高速运动的分子便开始猛烈的撞击锅具底部，组成锅具的分子受火焰分子的撞击也开始躁动起来，锅具内部表面开始发烫(其实是锅具的分子狂乱的运动)，这时，组成饭菜的分子受锅具内表面的分子撞击也开始活跃起来，饭菜便由冷变热了。液态的水经过高温可以对大米不断的“轰击”，让饭菜软化，多余的水则逃逸了。所以，热力学影响着我们的温饱啊!

　　最后，粉墨登场的便是电磁学啦!说起电磁学，我们不应该忘记法拉第和麦克斯韦啊，前者从实验上证明了电磁可以相互转换，后者从理论上做出了完美的解释并预言的电磁波神一样的存在。当麦克斯韦预言了电磁波存在后，赫兹便在实验室中证实了它的存在，而贝尔则将电磁波运用到了电话通信上了。

　　图5 通电螺线管(中学最常见的电磁研究对象，通有电流的螺线管产生磁场)

　　咋一看来，有了经典物理学，我们的衣食住行已经完全可以得到保证了，但是似乎好像天上的卫星，地上的手机电脑等并未提及。别急，有两朵乌云把它们带来了。这两朵乌云是什么呢?一朵被称为“紫外灾难”，一朵被称为“以太漂移实验”，前者导致了量子力学的诞生，后者导致了催生了相对论的诞生。

　　相对论

　　当人们谈论到相对论的时候，最先想到的应该是爱因斯坦。的确，不管是狭义相对论还是广义相对论，都是由爱因斯坦一手创建的。

　　狭义相对论适用于高速运动的情况，尤其是微观粒子的高速运动。这里的高速是指粒子的运动速度能够接近光速，当粒子的速度接近光速的时候，相对论效应便会显现出来。比如粒子的尺度变短，时间变慢，质量增加等等。当然，对于核物理来说，如果没有狭义相对论的产物——质能方程，我们或许永远不知道居里夫人的镭是怎么衰变的，也不知道太阳能如何能长期不断地向外辐射如此巨大的能量，地球上也不能通过核力发电了。

　　图6 太阳内部发生的核反应为太阳提供了源源不断的能量

　　提及广义相对论，人们的目光应该会转向近年来LIGO所探测到的引力波。为什么引力波一经发现，就在全世界范围内引起轩然大波呢?因为引力波是作为广义相对论的最后一块尚未被证实的拼图，另外引力波的探测能够让我们从以往只能依靠天文望远镜观测宇宙，转变为可以通过引力波来探测宇宙中星体的分布。更重要的是，黑洞这个只吸收光却不辐射光的物体无法通过光学望远镜探测到，却可以通过引力波来探测到。

　　广义相对论作为描述物质间引力致使时空弯曲的一种理论，而牛顿的万有引力定律在不太精确的程度上仍然适用，只不过用广义相对论来描述引力更加精确而已。

　　图7 太阳的质量使周围的时空弯曲，让地球绕着自己公转

　　量子力学

　　最后出场的应该是改变人类文化进程的重量级嘉宾了——量子力学。对于物理学专业的学生来说，他们之间常常流传着这样一句话：不自量力的含义是什么?不要自学量子力学!费曼也曾说过，“如果有人对量子力学不感到困惑，那么他一定没有懂量子力学”。就连爱因斯坦也曾因对量子力学的概率性感到迷惑不解而认为“上帝不会掷骰子”。让人捉摸不透的量子力学，造就了诸如半导体、石墨烯、超导体等材料，我们今天使用的手机、电脑、量子卫星、粒子加速器等，都是量子力学的现代化产物。

　　图8 墨子号量子卫星

　　量子力学大致可分为粒子物理学、凝聚态物理学、量子场论(这样分为三大类有些粗糙)。粒子物理学研究的是粒子的本身的结构以及粒子的最基本单元;凝聚态则是研究许多原子分子聚集成液体或固体而表现出来的集体行为;而量子场论则是将狭义相对论和量子力学结合起来，作为一个数学工具来给粒子物理学和凝聚态物理学使用。

　　如今，只要是电子产品，都会涉及到量子力学的产物——半导体。不管是手机还是电脑上的主板，都会有集成电路，而半导体渗入到集成电路的每一个角落。半导体不仅仅可以导电，它还可以发电，屋顶上的太阳能面板就是依靠着半导体硅吸收太阳光而发电的。

　　图9 半导体集成电路

　　毫无疑问，半导体是作为凝聚态最具有代表性的产物，但是凝聚态远不止于此。半导体渗入到我们的生活中，我们才能如此接近量子力学的产物，而作为粒子物理学最具代表性的产物——大型粒子加速器和对撞机来说，离我们就遥遥不可及了。

　　来源：创意工坊实验室微信公众号(ID：AtelierCreatif)，原文来自《科学大众》，作者：李登仟。