诺贝尔奖获得者欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)曾经说过:“所有科学都是物理学的集合。” (具有讽刺意味的是,卢瑟福在化学而不是物理学上获得了诺贝尔奖)。物理学家可能不是最谦虚的人,但是如果想到一个问题,就会想办法找到答案。这里是一些最著名的物理学知识,以及它的含义。
奥斯瓦尔德熟化
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想象一下水滴上面有凝结的表面,就像一个密封的水瓶。首先,凝结是许多细小水滴的形式。但是,如果你将那瓶水放置一会儿,你会注意到所有这些微小的液滴开始变得越来越大。你正在观察物理学家所说的奥斯瓦尔德熟化。
基本前提是,较大的液滴比较小的液滴更“节能”。这是因为液滴表面上的粒子不如其中间的粒子稳定,并且小液滴在表面上的分子比例要比中间的分子大。为了变得更稳定,小分子会结成团,形成更大的水滴。因此,如果你将水瓶放置足够长的时间,你可以观察到那些微小的液滴合并并变得越来越大。
即使你从未花时间凝视着水杯上的水滴,但如果你将冰淇淋放在冰箱中的时间过长,你也会体验过奥斯瓦尔德熟化。想象一下你吃过的美味松脆的冰淇淋,结冰的团块经历了奥斯瓦尔德熟化。冰淇淋中的晶体从小到大,最终形成了那些冰冷的团簇。
卡门涡街
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在流体力学领域,物理学家研究流体在空间中的流动及其形成的模式。他们研究的最美丽的图案之一是漩涡,像小船这样的东西在尾流后留下来。当船在水中移动时,它将流体切成两半。当水在船后汇聚时,形成了交替的涡流图案,称为卡门涡街。
这种现象对各种问题都很重要。例如,高层建筑,烟囱和海底潜望镜都必须处理绕在它们周围的风。当风绕来绕去时,该力会导致这些结构强烈振动。某些结构(例如天线和潜望镜)具有散热片,可以挡风并防止两侧的涡流汇合。
这种现象在昆虫身上也能发现。当昆虫拍打翅膀时,它们会在空中产生微小的漩涡。但是昆虫并没有接受涡旋可能产生的阻力,而是在升起前一小会儿转动了翅膀,使它们的翅膀随着空气的涡流向上抬起。
速动反电话
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想要发信息到过去吗?没问题,只需拔出你的速动反电话。使用物理技术将信息及时发送到过去的想法至少是在1907年开始的,当时爱因斯坦考虑过要比光速更快的信号才能发送到过去。但是爱因斯坦并没有称它为速动式反电话。格雷格里·本福德(Gregory Benford)于1970年首次创造了该词组。这是许多此类悖论之一,本福德对此进行了总结:
假设爱丽丝和鲍勃达成以下协议:当且仅当爱丽丝在一点未收到来自鲍勃的消息时,爱丽丝才会在三点向鲍勃发送消息。在两点钟收到爱丽丝的消息后,鲍勃立即发回了一条消息,以便于爱丽丝在一点钟能收到消息。但是,只有在第一次交换没有发生的情况下,才会进行消息的第二次交换。
快速的反电话需要一种叫做“超光速粒子”的东西,在理论上甚至不存在,更不用说在现实中了。
毛球定理
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想象一个表面长满毛的球体,你能把所有的毛全部梳平,不留下任何像鸡冠一样的一撮毛或者像头发一样的旋吗?拓扑学告诉你,这是办不到的。这叫做毛球定理(hairy ball theorem),它也是由布劳威尔首先证明的。用数学语言来说就是,在一个球体表面,不可能存在连续的单位向量场。这个定理可以推广到更高维的空间:对于任意一个偶数维的球面,连续的单位向量场都是不存在的。
毛球定理在气象学上有一个有趣的应用:由于地球表面的风速和风向都是连续的,因此由毛球定理,地球上总会有一个风速为 0 的地方,也就是说气旋和风眼是不可避免的。
极大定理
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从字面上看,这是一个巨大的定理。巨大定理也被称为有限简单组的分类,它由100多位数学家,数百篇期刊文章和15,000页证明,是有史以来最大的数学证明。
这些数学家在那个巨大定理中提出的观点是,每个有限的简单数字组都属于以下四个类别之一:循环的,交替的,李型简单组或零星的。对这四个小组的研究一直追溯到1832年,直到才完成。世界上只有很少的数学家完全理解该证明,甚至不清楚完成它会给数学带来什么。除了创造了一项世界纪录之外。