| “经典物理”和“现代物理”,你知道该如何区分么? 量子世界巡游记-清华大学出版社
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钟子丹从办公桌后面站起来,走向侧面墙上一块面积硕大的白板。他在白板上自上而下画了一道黑线,在黑线左面写上标题“经典物理”,右面写上“现代物理”,然后说: “经典物理就是我们平时所说的‘力热电光’,包括力学、热力学、电磁学和光学。描述的是我们熟悉的、在周围环境里发生的物理规律。你在上中学时学过的物理都是经典物理中的内容。和经典物理对应的是现代物理。它们之间的区分很简单,凡是和量子物理不沾边的都是经典物理。”
远山把身子下的椅子转了个90°,面向白板,认真地听着。
“量子物理诞生以后,科学家意识到九刀流,经典物理理论或者说规律其实都是量子物理在宏观条件下的近似。那什么叫宏观条件?”钟子丹问。
“就是您说的尺度大于原子的环境?”远山猜测。
“对。”钟子丹很满意,他意识到远山的确具备一个优秀学生的潜质,是个思路很清楚的人。
“所以,物理学家们认为,所有现存的经典物理分支都应该能够找到它们被量子化以后的理论。比如,电磁学应该有量子化以后的电磁学,力学应该有量子化以后的力学,等等。而实际上,这两门学科的量子化版本已经有了,前者称为量子电动力学,后者就是所谓的量子力学。但到目前为止,很多经典理论还没有被量子化,比如爱因斯坦的广义相对论就还没有被量子化,还处在经典理论的范畴里e侠网。这也是目前许多物理学家努力攻克的项目之一。”
“您是说,爱因斯坦的广义相对论也是经典物理?也是近似理论?”远山瞪大了眼睛。
“对,广义相对论还有很多和量子物理发生冲突的地方。物理学家们仍在这方面努力寻求突破。不过这不在我们今天讨论的范围里了。你觉得你对经典物理有多少感性上的认识?” 钟子丹笑着问。
“您是说我能把多少自己的生活经历和经典物理联系起来?这应该不算太难吧。比如说,我开车,用经典物理的运动学可以计算车的速度、能量、动量等。这我在高中的时候也知道。还有,我还记得我们老要算什么一颗炮弹发射以后,在空中飞行的轨迹,还有几个宇宙速度,还要算人造卫星打入太空需要多大的速度,以及它们绕地球旋转的精确轨迹和半径。”
“我现在也觉得你真的天生底子不错,有机会的话会在学识上很有造化的。”钟子丹真心地评价和鼓励远山,首肯地笑着说,“你既然都准备了,就不妨再说些你准备了的东西,一来不会辜负了你的辛勤,二来也可以帮我对你的基础有更好的了解。”
远山深受鼓舞,他沉吟片刻mc王小国,整理了一下思路,接着说: “经典电磁学的应用和我们日常生活的关系更紧密些吧。现今的衣食住行中都少不了各类电器的辅助。嗯,热学和光学我不是很熟悉,不过应用还是知道一些,至少了解望远镜,小时候还烤过炉子。”说到这儿,他笑了起来。
“说起烤炉子,你知道烤炉子的时候你接受热量的这个过程是怎么回事吗?”钟子丹微笑着插话。
“热辐射吧?炉子发出热辐射。”远山肯定地回答。
“那热辐射的本质是什么?”钟子丹追问。
“本质?”远山糊涂了,想了想,说,“不知道。热学的知识我了解不多。”
“没关系,我只是随便问问。热辐射的本质其实是电磁辐射。”
“电磁辐射?这和电有什么关系?炉子又不接着电,我说的是那种烧煤、烧柴禾的炉子,不是电炉子。”远山觉得钟子丹误会自己了。
“对,我说的就是那种烧煤、烧柴禾的铁炉子或者土灶雷君君。”钟子丹又笑了,看着远山不解的神情,他切断了这个话题,“这个话题我们以后会有机会专门聊。你说得挺好,我做个总结吧。大约在100多年前吧,所有这些经典物理理论似乎已经完备得足以解释发生在我们周围的形形色色的自然现象和事件,就像你刚才侃侃而谈一样。而且基于经典物理理论的技术发明与创造也层出不穷,似乎也足以满足人类无穷无尽增长的物质需求九鲤溪。
所以,在一段时期里,有些物理学家自己都觉得物理的核心问题都已经基本解决,剩下的工作只是修修补补,追求精细完善罢了蓝博基尼。直到接近20世纪初,人们意外地发现,在小于原子的领域,许多原本以为完美的经典物理理论突然失灵了,无法解释许多颠覆常识的实验现象。
而看似处在另一个极端的领域——宇宙学研究领域里,经典物理居然也遇到了前所未有的困难。给你举个例子,依据经典物理计算,太阳几乎不可能成为每天为地球提供所有外部能量的太阳。因为太阳内部的热核反应按经典物理计算根本不可能发生,其中的细节我以后会介绍给你。
今天你要了解的基本历史图像是,在接近20世纪初的那段时间里,物理学家在解释微观世界和宏观宇宙的过程中都碰到了经典理论无法解决的困难。”
钟子丹停顿片刻,好像要给远山时间铭记这个历史时刻。然后,他接着说:
“于是,在20世纪的一百年里,量子力学在物理学家们产生困惑和不懈的解惑中逐渐成形,一个新的世界——量子世界,越来越清晰地呈现在人类的认识中。
后来科学家们惊奇地发现,发生在宇宙学中的许多现象,和发生在小于原子的微观世界里的现象竟然出自相同的物理机理。
而这些机理都涵盖在逐渐完善的量子理论中,李允浩有如一个最大的世界和一个最小的世界冥冥中在一个宇宙奇异点上连在了一起,而我们早先认知的关于经典世界的物理理论不过是这个量子理论的经典近似而已。
所以三界超市,有一个要点我需要反复强调: 在微观领域,也就是小于原子并且包含原子的领域,虽然经典物理理论无法准确地描述微观粒子的运动行为,但这并不意味着经典物理错了,而是由于精确度不足,经典物理无能为力了。
反之,量子物理的基本原理虽然同样适用于宏观世界,但在实际操作中,采用近似的经典理论就可以准确地表述宏观世界的行为电棒多少钱。采纳量子解释和计算,反而弃简就繁,徒生曲折。”
图源:网络
编辑:叶丹苧
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作者:跃刚
清华大学出版社出版
内容简介
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