物理学改变世界的十大定律和理论
物理学改变世界的十大定律和理论
科学定律通常可以简化为数学表达式，比如伟大的E=mc2。这种公式是基于大量实验数据的特定表达式，只有在特定条件存在时才能成立。然而，这些定律或理论对普通人来说很难理解。这篇文章让我们像看“100，000个为什么”一样，轻松地走上基础科学的最佳捷径。
这10篇文章将采用倒排形式，易于理解，符合发展规律。从大爆炸的阶段开始，我们将了解行星，描述重力，然后开始生命的进化，最后进入量子物理学，迎接世界上最令人眩晕的事情。
10.敲打公共理论的砖石:大爆炸理论
标准解释:大爆炸是描述宇宙诞生及其随后演化的初始条件的宇宙学模型，它得到了当今最广泛和最精确的科学研究和观测的支持。目前，人们对大爆炸的普遍看法是，宇宙是在有限的时间过去之前，从一个非常致密、温度极高的初始状态(根据2010年获得的最佳观测结果，这些初始状态存在于133亿至139亿年前)演化而来，并通过持续膨胀达到今天的状态。
当任何人想尝试触及深奥的科学理论时，从宇宙开始是正确的，解释宇宙发展至今的大爆炸理论是最好的选择。这个理论的基本结构是基于埃德温·哈勃、乔治·勒迈特、阿尔伯特·爱因斯坦和其他许多人的研究。该理论直截了当地指出，也就是说，假设宇宙始于大约140亿年前的一次大爆炸。那时，宇宙被限制在一个奇点，包含了宇宙中所有的物质。宇宙最初的运动:继续向外膨胀，今天仍在继续。
阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊对于大爆炸理论的广泛支持是不可或缺的。他们架设了一个喇叭形天线，接收到一种无法消除的噪声信号，即宇宙电磁辐射，即宇宙微波背景辐射。最初的大爆炸使整个宇宙充满了这种可探测到的微弱辐射，相应的温度约为3K。
9.计算宇宙的年龄:哈勃定律
标准解释:来自遥远星系的光的红移与它们的距离成正比。经过近十年的观察，哈勃和米尔顿·舒马赫于1929年首次提出了这个定律。Vf=Hc×D(离速度的距离=哈勃常数×离地球的距离)，今天经常被引用作为支持大爆炸的重要证据，并成为宇宙膨胀理论的基础。
这是前面提到的一个人，埃德温·哈勃。这个人对宇宙学的贡献值得回忆他的事迹:在20世纪20年代呼啸而过、大萧条摇摇欲坠的年代，哈勃进行了突破性的天文学研究。他不仅证明了除了银河系之外还有其他星系，而且还发现了那些星系正在向远离银河系的方向移动，而他的公式中的距离比率就是星系后退的比率。哈勃常数是指宇宙膨胀速率的参数，以及从地球到这些星系主体的距离。然而，据说被尊为星系天文学创始人的哈勃非常不喜欢“星系”这个词，并坚持认为它是“银河外星云”。
随着时间的推移，恒星会改变，哈勃常数也会改变，但这没什么大不了的。重要的是，这一定律有助于量化宇宙中星系的运动，并计算遥远星系的距离。“宇宙由许多星系组成”的概念，以及这些星系的运动可以追溯到大爆炸的发现，都使得哈勃定律像以这个人命名的天文望远镜一样著名。
8.改变整个天文学:开普勒三定律
标准解释:即行星运动定律，开普勒发现的行星运动的三个简单定律。
第一定律:每颗行星都沿着自己的椭圆轨道绕太阳运行，而太阳位于椭圆的焦点上。
第二定律:在相等的时间内，连接太阳和运动的行星的线所扫过的面积相等；
第三定律:行星围绕太阳公转周期的平方和与它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比。
几个世纪以来，科学家们一直与宗教领袖和他们的同行为行星的轨道而斗争，尤其是它们是否以太阳为中心。16世纪，哥白尼提出了日心说，这在当时引起了很大的争议，他认为行星绕着太阳转而不是绕着地球转。从那以后，第谷·布拉赫等人也讨论过。但真正为行星运动学建立了明确科学基础的是约翰尼斯·开普勒。
17世纪早期开普勒的行星运动三定律描述了行星如何围绕太阳运动。第一定律也称为椭圆定律。第二个定律，也称为面积定律，换句话说解释了这个定律，也就是说，如果你连续30天跟踪和测量地球和太阳之间的联系以及地球的运动所形成的面积，你会发现无论地球在轨道上的什么地方或者测量什么时候开始，结果都是一样的。至于第三定律，也称为调和定律，它使我们能够在行星轨道周期和离太阳的距离之间建立明确的关系。例如，金星，一颗非常靠近太阳的行星，其轨道周期比海王星短得多。正是这三条定律彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系。
7.大多数理论的基石:万有引力定律
标准解释:牛顿万有引力定律指出，任何两个粒子都是通过连接中心线方向的力相互吸引的。重力的大小与质量的乘积成正比，与距离的平方成反比，与两个物体和中间物质的化学性质或物理状态无关。这个理论可以用一个已经写进今天高中物理教科书的公式来表达:F=G×[(m1m2)/r2]
尽管今天人们认为这是理所当然的，但当艾萨克.牛顿在300多年前提出万有引力理论时，这无疑是当时最具革命性的重大事件。牛顿的理论可以简单地表述如下:任何两个物体，不管它们各自的质量如何，都会相互作用，质量越大，产生的重力就越大。在公式中，f指两个物体之间的万有引力，用“牛顿”作为度量单位；M1和m2分别代表两个物体的质量。r是两者之间的距离；g是重力常数。
在各种实际条件下，这是一个相当精确的定律，但是自从物理学发展以来，人们已经知道牛顿对重力的不完美描述。然而，这个定律仍然是迄今为止所有科学中最实用的概念之一。它简单易学，覆盖面广，所以在广义相对论早期很少有人注意到它。更重要的是，万有引力定律使小人类能够获得计算大行星间引力的能力，并且在发射轨道卫星和绘制月球探索路线时特别有用。
6.物理科学有一个基本定理:牛顿运动定律
标准解释:牛顿第一定律是惯性定律；牛顿第二定律建立了质量和加速度之间的关系。牛顿第三定律是作用和反作用定律。
牛顿。每当我们谈论这位人类历史上最杰出的科学家之一时，我们都会情不自禁地从他最著名的三个力学定律开始。因为这些简单而优雅的定律奠定了现代物理学的基础。
对三个定律的简单理解，第一个让我们知道滚动的球可以在地板上移动，必须由外力驱动。这种外力可能是与地板的摩擦或儿童的踢腿。第二定律由公式F=ma表示，它也意味着方向矢量。当球滚过地板时，由于加速度的作用，它得到了一个指向滚动方向的矢量。通过它，可以计算出球上的作用力。第三定律非常简洁，而且广为人知。它的意思无非是用手指戳任何物体的表面。他们都会以同样的力量做出回应。
5.热力学基础基本上是完整的:热力学三定律
热力学第一定律，热量可以转化为功，功也可以转化为热，即能量守恒和转换定律；第二定律有几个表达式，其中一个是从低温物体到高温物体的热传递不可能不引起其他变化。根据第三定律，当热力学温度为零(即T=0时)，所有完美晶体的熵值等于零。
英国物理学家和小说家查尔斯·珀西·斯诺曾经说过一句非常著名的话:“一个不知道热力学第二定律的科学家就像一个从未读过莎士比亚的科学家。”斯诺的话意在批评科学和人文之间“两种文化”的隔离和分裂，但他无意中在文人圈子里“赢得”了热力学第二定律。事实上，斯诺的论述确实强调并呼吁人文主义者理解其重要性。
热力学是研究系统中能量运动的科学。这里的系统可以是发动机或热芯。斯诺利用他的智慧将其简化为以下基本规则:你不能赢，你不能收支平衡，你不能退出游戏。
如何理解这些陈述？首先，让我们看看所谓的“你赢不了”。斯诺的意思是，既然物质和能量是守恒关系，在能量转换的过程中，我们不可能实现从一种能量形式到另一种能量形式的等价转换而不损失一些能量。就像发动机要做功一样，它必须提供热能。即使在一个完全封闭的空间里，一部分热量也不可避免地会散发到外面的世界。
这导致了第二条定律，“你不能实现收支平衡”给定熵的无限增加，我们不能返回或保持相同的能量状态。因为熵总是从高浓度的地方流向低浓度的地方。熵的存在也是永动机不能出现的原因。
最后，第三条定律是“不能退出的游戏”这里，绝对零度，即理论上可能的最低温度，通常是零开尔文(零下273.15摄氏度或零下459.67华氏度)。第三定律指出，当系统达到绝对零度时，分子将停止所有运动，即熵在没有动能的情况下可以达到理论最小值。但是在现实世界中，即使在宇宙深处，也不可能达到绝对零度。你只能无限期地接近所谓的终点。
4.公元前200年的大智慧:阿基米德原理
标准解释:物理学中的阿基米德原理，即阿基米德浮力原理，是指物体在流体的作用下浸入静态流体的合力等于物体排出的流体的重力，这种合力称为浮力。数学表达式是:f浮点=G行
至于阿基米德是如何发现浮力原理的，这是物理学上的一个重大突破，有一个传说:阿基米德洗澡时，当他看到浴缸里的水随着他身体的浸入而上升时，他受到启发而思考。当他最终决定发现浮力理论时，古希腊最伟大的哲学家兴奋地喊道:“找到了！找到了！”在锡拉丘兹市街头裸奔时。
古希腊学者阿基米德的古老发现，已被广泛应用于人类社会生产的各个领域。根据浮力原理，作用在部分或全部浸没在液体中的物体上的作用力等于物体中液体体积释放的液体重量。这对于计算物体的密度以及进一步设计和建造潜艇和远洋船舶具有重要意义。
3.我们自己的讨论:进化和自然选择
标准解释:生物学中的进化，也就是进化，是指种群中遗传特征在世代之间的变化。自然选择，也称为自然选择，是指生物体的遗传特征在生存竞争中有一定的优势或劣势，从而导致生存能力的差异和繁殖能力的差异，从而使这些特征得以保留或消除。
既然我们已经建立了一些基本的概念体系，比如宇宙为何从无到有，以及物理学在日常生活中如何发挥作用，我们就可以开始关注我们自己的人类形态，也就是说，我们如何成为今天的我们。
我们知道基因会被复制到下一代，但是基因突变会改变这种情况。这种变化的新情况可能会随着物种迁移而在种群中传播。
根据今天大多数科学家的观点，地球上所有的生物都曾经有一个共同的祖先。后来，随着时间的发展，一些开始进化成具有明显特征的特定物种。随着时间的推移，生物多样性在所有有机生物中逐渐增加和扩大。
从最基本的意义上说，基因突变等突变机制已经发生在生物进化的过程中。每个阶段的这些细节变化将通过一代又一代的传承得以保留。相应地，生物种群发展了不同的特征，这些特征通常可以帮助生物体更好地繁殖和生存。例如，棕色皮肤的青蛙显然比其他颜色的青蛙更适合伪装生活在泥泞的沼泽里。这就是所谓的自然选择。
当然，我们也可以将进化论和自然选择理论应用到更广泛的生物领域。然而，达尔文在19世纪提出的“地球上丰富多样的生命来自进化中的自然选择”无疑仍然是最基本的和开创性的。
2.永远改变了理解宇宙的方式:广义相对论
标准解释:重力在这里被描述为空间和时间的几何属性(曲率)，时空的这种曲率与空间和时间中的物质以及辐射的能量和动量张量直接相关，其联系方法是爱因斯坦引力场方程(一个二阶非线性偏微分方程系统)。
对于任何没有研究过它的人来说，广义相对论的标准定义是一样的。因为它使用了至少四组在解释条目时无法理解的单词。
它的内涵和外延涉及面很广，似乎不能用非纸的形式来描述。在这里，让我们看看现代引力理论研究中所谓的广义相对论的最高水平。作为比牛顿万有引力更普遍的理论，质量仍然是决定引力的一个重要属性，但它不再是引力的唯一来源。
在爱因斯坦的例子中，重力不再是牛顿描述的力，甚至不再是最初的重力概念。因为爱因斯坦认为它是物体周围时空的曲率，所以他过去称之为“物体在重力作用下的运动”是由于物体在弯曲时空中沿着测地线的自由运动。
如果“弯曲时空”的概念变得更清晰，可以想象宇航员在航天飞机上绕地球飞行，对他们来说，在太空中直线飞行，但事实上航天飞机周围的时空已经被地球引力弯曲，这使航天飞机成为一个可以向前飞行和绕地球旋转的物体。
根据美国相对论研究的首席专家约翰·惠勒的解释，这种所谓的时空几何属性可以概括如下:时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲。因此，它可以显示大天体影响下宇宙星光的弯曲模式，为黑洞的研究奠定理论基础。
1.上帝掷骰子吗？海森堡测不准原理
标准解释:德国物理学家海森堡在1927年提出，量子力学中的不确定性意味着在量子力学系统中，粒子的位置和动量(粒子质量乘以速度)不能同时确定。
“调查！在经典理论中，这不是一个需要考虑的问题。”这是《量子物理史话》说的。
这是因为在经典物理学中，你、我或任何观察者对等待测量的客观物体没有影响，或者影响很小，可以忽略不计。那时，即使我们不理解这个原理，它也不会阻止这个原理停留在那里，等待我们慢慢研究它。
但是现在我们即将进入量子世界的魔池。作为这里的观察者，我们将给实验现象带来一些干扰。因此，如果我们测量一个电子的动量，所获得的值只是相对于你这个观察者而言的。在微观世界，我们应该通过“概率”来判断，所谓的上帝掷骰子。
那时，华纳·海森堡有了突破性的发现。即使使用最先进的仪器，人们也无法同时获得两种粒子变量的准确信息。具体来说，你可以精确地知道电子的位置，但你不能同时知道它的动量，反之亦然。类似的不确定性也存在于许多物理量中，如能量和时间、角动量和角度。
也许你不明白这件事的奇怪本质。如前所述，因为量子世界中的量是相对的，所以只要它存在，就应该被测量。因为它在任何情况下都无法测量，所以它不再存在。因此，当你不确定如何测量这个物理量时，谈论它是没有意义的。只有当你测量一个电子的动量时，它才有意义。
这更像是一个哲学话题。“海森堡测不准原理”与其说是在实验中发现的，不如说是由海森堡和他的老师玻尔等人讨论的。当玻尔发现电子既有粒子又有波的性质(量子物理学的支柱，波粒二象性)时，当我们测量电子的位置时，我们把它们视为波长可变的粒子。当我们测量动量时，我们把它当作一个波，知道波长的大小，但是失去了它的位置。
即使你现在很混乱，也没什么大不了的。玻尔的名言是:“如果有人不被量子理论所迷惑，那么他一定不理解量子理论。”曼恩还说，类似的电话账单。所以我们没有什么可沮丧的，爱因斯坦和我们。
资料来源:初中物理化学