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【物理原理】每个人都应该知道的物理学的六个基本原理

2018-12-19 02:33:57 网络整理 阅读:139 评论:0

爱因斯坦曾经说过:“这个世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的。” 至少要感谢他,我们对宇宙有了更深层次的理解。而在现代物理学的两大基石——量子力学和广义相对论——的背后有着六个基本原理,是我们每个人都应该知道的。

- 原理 1 -

光速不变原理

回到1860年代,麦克斯韦在前人的基础上统一了电学和磁学。电磁理论最伟大的一个成果就是预言了电磁波的存在,并证明了电磁波在真空中的传播速率与真空中的光速 c 相同,从而揭示了光的电磁本性。而且,他也得出了一个结论:“光相对于任一惯性系的速度都为c。” 也就是说光速是不变的。这很奇怪。根据我们的经验,如果有一个人在移动的车上发射了一枚子弹,对于一个站在路边的旁观者来说,子弹的传播速度是它发射出的速度加上车的速度。

【物理原理】每个人都应该知道的物理学的六个基本原理

但是,20多年后,美国物理学家迈克尔逊和莫雷在寻找传播光的介质——以太,他们的实验出乎意料的得出了一个结论:光速是一个常数!不仅如此,光速还是宇宙的速度极限。无论是物质、信息、引力或其它力都无法超越光速。爱因斯坦认为光速不变是自然法则,这也成为了他构建两个相对论的起点。

狭义相对论:

爱因斯坦发现,光速不变原理有一些奇怪的结果。想象一下你坐在两架相互靠近的宇宙飞船中的其中一架,它们分别以90%的光速运动。从你的角度看,另一架的速度是多少?我们不用去管确切数字是多少,但肯定不会大于光速。1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论,空间和时间会弯曲来满足光速不变。例如,运动中的时钟走的比较慢,也就是说你在一架飞船中会老的更慢。同时,运动中的尺子也会显得更加的短。日常生活中的速度,这些效应都是可以忽略的,但是一旦速度接近光速,它们就变得非常显著。

【物理原理】每个人都应该知道的物理学的六个基本原理

E=mc²:

著名的方程E=mc²就是源自于狭义相对论,用光速把能量和质量联系了起来。因此,在欧洲大型强子对撞机中,可以通过将两束质子在高能下对撞产生许多大质量的粒子。

- 原理 2 -

等效原理

16世纪时,伽利略意识到在没有空气阻力时,从比萨斜塔扔下两个质量不同的物体(比如一根羽毛和一个铁球),将以同样速率落下并同时落地。在阿波罗15号登月任务中,宇航员David Scott在没有空气的月亮上确认了该原理。牛顿认为,这之所以会发生必须满足一个奇怪的巧合:惯性质量 = 引力质量。为什么会这样?对于这一重要的事实的思考,爱因斯坦提出了等效原理:在空间的一个足够小的区域,一个观察者感知到的引力场的物理效应和另一个在没有引力场区域以匀加速运动的观测者所感知的物理效应相同。爱因斯坦认为这是他一生中最快乐的思想。

【物理原理】每个人都应该知道的物理学的六个基本原理

广义相对论:

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