除了數(shù)學(xué)

還有物理

我們通過數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)世界，通過物理懂得世界。

假期的第一天，超模君因?yàn)槟承┰虿⑽礆w家。

便在電腦前繼續(xù)碼字，跟你分享我所理解的物理。

如同喜歡數(shù)學(xué)公式那般的簡潔，對于物理，超模君也喜歡物理的公式。

物理公式就像是魔法一樣，我們通過他，了解了世界的過去：宇宙的誕生，地球的年齡；也是通過他，我們也知道了未來：地球破滅的時(shí)刻，地外文明是否存在；通過他，看到了宇宙的終極命運(yùn)。

遙望宇宙星空后，物理公式也帶我們窺探原子世界，在原子世界中，我們找到了電子、中子，探索到了最大的能力源：原子能（核能）。

在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，每一次新公式的誕生，都意味著又開啟了觀察世界的新視角，歷史的進(jìn)程也就被改變了。

牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律（1687年）

對于牛二，相信各位模友都應(yīng)該很熟悉了，是的，基本上每個(gè)人的青春都被這條公式“摧殘”過。

它說明了什么？力可以用質(zhì)量乘以加速度來表示。

啥意思？！

這條公式給你解釋了：為什么你推一個(gè)重箱子比推一個(gè)輕箱子容易的多呢！

牛頓第二定律最偉大的之處是在于定義了力，用物體的質(zhì)量和加速度進(jìn)行描述。

如同我在《從一到無窮大》（黑一下京東，買到的書就像盜版的）這本書看到這么一個(gè)小故事，故事就是說：兩個(gè)貴族在比說數(shù)字大小，

其中一個(gè)貴族絞盡腦汁后說：3。另一人聽到后，無奈地說：好吧，你贏了！

現(xiàn)在看這個(gè)故事可能會(huì)覺得很可笑，3怎么可能是最大的呢？！而在當(dāng)時(shí)的環(huán)境下，所有人只知道“大”，卻不知道怎么去描述大，意識形態(tài)里只認(rèn)為3是最大的。

而牛頓第二定律定義力，解釋力的大小該怎么去衡量。

在牛逼頓的運(yùn)動(dòng)定律中，還有：

第一運(yùn)動(dòng)定律就是慣性定律：是說一切物體在不受任何外力的作用下或所受合外力為零時(shí)，總是保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)。

第三運(yùn)動(dòng)定律：相互作用的兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律構(gòu)成經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)理論。

牛頓

有了計(jì)算法則，可以讓物理學(xué)家和工程師計(jì)算知道如何去測量力的大小。而在所有涉及力與運(yùn)動(dòng)的問題上，總會(huì)有這個(gè)公司的身影。

英國工業(yè)革命時(shí)代的到來，除了技術(shù)條件的到達(dá)，也少不了物理公式基于的知識基石。

通過這個(gè)公式，它會(huì)告訴你需要多么強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)才能使一輛汽車行駛，或使得一架飛機(jī)飛起來，或讓火箭飛向太空等等。

牛頓的萬有引力定律（1687年）

別吵別吵，大家聽著，這個(gè)公式是必考題，一定要記住，這個(gè)公式就是萬有引力定律。

這個(gè)公式是什么呢？任意兩個(gè)有質(zhì)量的物體都會(huì)彼此吸引，但力的大小會(huì)隨著彼此之間距離的增加而急速下降。

我和那個(gè)女生是彼此吸引的，不過因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)，引力不夠大。

所以成功脫單的秘訣就是：靠近那個(gè)女生，不斷減少距離，提高兩個(gè)人的吸引力。

撩妹技能get！如果喜歡我，請靠近我！

想必大家都還記得那個(gè)砸在牛頓頭上的蘋果吧。

這蘋果砸的真痛，請不要隨意嘗試！

從人類意識到太陽和月亮后，宇宙被分為兩個(gè)領(lǐng)域——地球和其他天體。而牛頓所發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律則應(yīng)用于一切領(lǐng)域。

這就好玩了，我們可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)導(dǎo)致蘋果從樹上落下的力與地球圍繞著太陽的力竟然是一樣的。這兩種完全無法想象到一起的力，竟然可以用同一個(gè)公式來表示，無一不感嘆大自然的神奇。

由于地球上的物體（包括人類）的質(zhì)量都很小，使得物體之間的吸引力并不夠大（女生只要輕輕一推，距離就遠(yuǎn)了，哭）。所以當(dāng)萬有引力定律被發(fā)現(xiàn)之后，主要的用途都用在于行星軌道的計(jì)算。

直到人類的探索欲望想突破天際的時(shí)候，萬用引力定律被應(yīng)用到了載人航天和衛(wèi)星計(jì)劃中，將人類送到了遙遠(yuǎn)的月宮。

雖然牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，但窮一生也無法了解引力為什么會(huì)這樣（當(dāng)發(fā)生無法理解的事情時(shí)，人類總會(huì)選擇相信神鬼之說），或許這也是牛頓晚年寄托于神學(xué)的原因之一，

直到阿爾伯特·愛因斯坦在他的廣義相對論中，解釋了引力是有質(zhì)量的物體彎曲時(shí)空而引起的。

即便如此，廣義相對論也只應(yīng)用極端的情況下。根據(jù)廣義相對論，引力越強(qiáng)的地方，時(shí)間流逝得越慢，所以在衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的過程中，自然而然就要考慮時(shí)間差問題，要不一天時(shí)間下來，衛(wèi)星就可能出現(xiàn)不可想象的誤差。

但在大多數(shù)情況下（尤其在考試中），這個(gè)已有300多年歷史的公式還是很好用的。

麥克斯韋方程（1831年和1865年）

對于這個(gè)公式，《無言的宇宙》一書中是這么評價(jià)：麥克斯韋方程是上帝之眼中看到的光。

為什么一個(gè)簡單的方程有如此高的評價(jià)？

因?yàn)檫@個(gè)公式詮釋的是：你可以用一個(gè)變化的磁場來產(chǎn)生一個(gè)變化的電場，也正因這個(gè)方程使得整個(gè)世界有了電。

從物理上看，完全解釋了（經(jīng)典）電磁現(xiàn)象的根源：

靜態(tài)情況：電荷產(chǎn)生電場（Gauss Law），電流產(chǎn)生磁場（Ampere Law）；

動(dòng)態(tài)情況：變化的電場可以產(chǎn)生磁場（Maxwell-Ampere Law），變化的磁場也可以產(chǎn)生電場（Faraday Law）。

所以，（經(jīng)典）電磁現(xiàn)象可以由電荷以及電荷的運(yùn)動(dòng)（電流）產(chǎn)生了電場、磁場、以及變化的電場和磁場（電磁場）來解釋。

從數(shù)學(xué)上看，方程的形式很簡潔，而大家最喜歡這種簡潔的表達(dá)方式。

回看麥克斯韋方程誕生的歷史：

在1831年，英國物理學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電場與磁場之間的聯(lián)系：一個(gè)變化的磁場可以使得附近的電線產(chǎn)生電流，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

后來，英國物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋把法拉第的電磁感應(yīng)寫進(jìn)了他的4個(gè)電磁學(xué)基本方程里。

是的，確實(shí)是因?yàn)檫@個(gè)方程使得世界有了電。大多數(shù)發(fā)電機(jī)（不管是在風(fēng)力渦輪機(jī)里，燃煤電廠里，還是水電站里）的工作原理，都是用機(jī)械能（風(fēng)、蒸汽或水）去旋轉(zhuǎn)磁體，進(jìn)而產(chǎn)生電能。而當(dāng)我們把這個(gè)過程反過來，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是電動(dòng)機(jī)的原理。

更不一般地說，麥克斯韋方程組幾乎應(yīng)用到電氣工程、通訊技術(shù)和光學(xué)中的每一個(gè)領(lǐng)域，其偉大之處就在這了。

著名學(xué)者文小剛先生對于麥克斯韋方程是這么說的：

麥克斯韋一直是我心中的真英雄。他最重要的發(fā)現(xiàn)，就是發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的一種新的存在形式。

麥克斯韋之前，我們認(rèn)為物質(zhì)存在的形態(tài)只有粒子形式。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)物質(zhì)還有一種新的存在形式：那就是“場”(電磁波)。所有相互作用，都來源于這一新形式的物質(zhì)。

要想知道麥克斯韋方程有多重要，我這里講個(gè)故事。

我每次從加拿大開車入境美國，在邊境上，檢察官都這樣問：你是干什么的？我：搞物理的。檢察官：你知道麥克斯韋方程有幾個(gè)嗎？我想：如果檢察官是研究生水平，我應(yīng)當(dāng)回答一個(gè)。如果檢察官是大學(xué)生水平，我應(yīng)回答四個(gè)。如果檢察官是高中生水平，我就不知道回答幾個(gè)了？最后我試著說：四個(gè)。他就放我過境了。(看來我不是假裝搞物理的。)

愛因斯坦的質(zhì)能等價(jià)（1905年）

相信這個(gè)公式大家都應(yīng)該看過，是的，就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。

首先，我們先來解釋解釋這個(gè)方程：能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。

啥意思呢……質(zhì)量其實(shí)是一種超濃縮的能量。

超濃縮的能量，這個(gè)詞便是質(zhì)能方程最神奇之處。

公式中常數(shù)c代表著光的速度，而這個(gè)值的平方更是大的無法想象，正因如此，便出現(xiàn)了極少量的物質(zhì)可以釋放出巨大的能量（也就有了廣島的原子彈了）。

說起愛因斯坦的質(zhì)能方程，自然免不了要說說原子彈。

事實(shí)上，質(zhì)能方程最具影響力的應(yīng)用便是原子彈，這個(gè)著名的公式闡明了：當(dāng)一個(gè)不穩(wěn)定的大原子核分裂成兩個(gè)小的原子核時(shí)，會(huì)釋放出大量的能量。因?yàn)閮蓚€(gè)較小的原子核的質(zhì)量加在一起總是小于原來的大原子核，損失的質(zhì)量被轉(zhuǎn)化為能量。而這能量足以讓一座城市被摧毀。

在二戰(zhàn)期間，愛因斯坦本人曾給當(dāng)時(shí)美國總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福寫過一封信，信中建議羅斯福要盡快開展原子彈的研發(fā)，以防止德國納粹研制出核武器，避免導(dǎo)致更多生命的逝去。

1945年7月15日，美國成功進(jìn)行了人類歷史上第一次核爆炸。可怕的是，在這顆試爆的原子彈里，只有大約一克的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成能量，但釋放出的能量大致相當(dāng)于2萬噸TNT爆炸時(shí)放出的能量。

二戰(zhàn)末期，為了迫使日本投降，美國把兩顆原子彈投在了日本領(lǐng)土上。然而，愛因斯坦在晚年曾表示，簽署那封信是他生命中“一次巨大的錯(cuò)誤”。

拋開戰(zhàn)爭，核能的合理使用也讓我們感覺到了科學(xué)的價(jià)值。

想想看，此時(shí)質(zhì)能方程+麥克斯韋方程雙劍合璧，正在為超模君的電腦不斷提供著電力來源。

現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜與公式的簡潔，構(gòu)成了不完美的科學(xué)，也正因?yàn)檫@種殘缺的美，才會(huì)有不斷完善的時(shí)候。

作為一名八線網(wǎng)紅，超模君沒法像各位科學(xué)界大牛那般改變世界，但我從來都沒放棄過對夢想的追求，指不定哪天我也能成為一線網(wǎng)紅。。。

每當(dāng)這樣的夜晚，我都會(huì)掰著腳趾頭數(shù)一數(shù)：諾貝爾、菲爾茲、吉尼斯、格萊美、奧斯卡、勞倫斯、普立策、福布斯…… 我特么連一個(gè)都還沒體驗(yàn)過呢！

生命真美好，依然假裝充滿著無限的可能性。

本文由超級數(shù)學(xué)建模編輯整理