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66662月前
物理学第一定律? 什么是物理学第一定律?在物理学的所有定律中,唯独第一定律牢不可破。爱因斯坦说过,相对于自己的相对论和牛顿的万有引力定律,这些定律在未来都有可能被推翻,而熵增定律永远不会。熵增定律是凌驾于所有自然定律之上的第一定律,它是宇宙万物变化的基础,与时间单向流逝一样牢不可破。 而薛定谔也曾说过,生命以负熵为食的背后,是否隐藏着更深的法则?这就得从熵增的本质讲起。在以往的科普中,常常用混乱度描述熵,高熵状态意味着更高的无序度,而低熵则意味着更高的有序度。大部分科普对熵的解释往往就止步于此了,鲜有提及到为什么物质总是倾向无序而不是有序。 其实熵增定律背后还隐藏着一个更基础的法则,那就是概率。也就是说,物体自发运动达到能量最低状态的概率远大于达到能量更高状态的概率。万物运动皆来自能量,而能量却总是在转化。比如当我拿起一支铅笔,轻轻松手,铅笔就会倒下。在倒下的过程中,铅笔的势能转化成动能。当它撞击桌面时,这些动能以分子振动的形式转递给了桌子和空气。 那反过来,为什么平躺时的铅笔,空气和桌子不能将它们的能量传递给铅笔,让它再次竖立起来?在热力学理论中,能量是系统做功的能力。当铅笔站立时处于高势能状态,它就存在更多的能量可用于做功。而当铅笔撞到桌面后,可用于做功的能量就会减少,这些减少的能量传递给了桌子和空气。
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66664周前
惜闵可夫斯基于1909年早逝,他的思想在当时尚未被完全接受。牛顿的绝对空间与时间观已经受到挑战,但爱因斯坦并未停步。尽管狭义相对论彻底改写了我们对运动和光速的理解,他仍无法解释引力——牛顿定律依赖物体间的绝对距离,而狭义相对论指出没有观察者能统一测量这些距离。于是爱因斯坦耗费十年深思,引领物理学迈向新高度。 1915年,他提出广义相对论:时空不仅是观察者相关的,更能因质量与能量的存在而弯曲。引力不再是一种神秘的“力”,而是物体沿着弯曲时空的自然运动。空间与时间不再固定,而是灵活可塑。狭义相对论告诉我们,时间流逝取决于运动状态;广义相对论进一步指出,时间也受引力影响,靠近大质量物体的时钟走得更慢。 1916年,卡尔·施瓦茨希尔德解出了广义相对论的场方程,描述了一个球形质量的时空结构。他的数学解隐含了一个极端现象——完全坍缩的天体,50年后被称为“黑洞”。黑洞弯曲时空,使光线无法逃逸,越接近黑洞中心,时间流逝越慢,几乎停止。 施瓦茨希尔德解只是众多奇异时空结构的开端:虫洞、曲速引擎,甚至整个弯曲宇宙,都源自时空的可塑性。 1919年,恒星光线偏折的观测验证了爱因斯坦的理论,他一夜成为传奇。随后,科学家们继续设计实验检测相对论。 1971年,约瑟夫·哈费尔与理查德·基廷利用铯原子钟和环绕地球飞行的飞机,验证了时钟在不同运动状态和引力场下的时间差异。实验显示,时钟确实产生微小偏差,精确印证了广义相对论的预言。 更奇异的是,爱因斯坦还意识到:柔韧的时空本身可以振动与共鸣……这种振动最终被人类观测到,成为引力波的直接证据,进一步揭示了时空的动态本质。电和磁可以在空间中产生涟漪,而引力同样也能做到这一点。 尽管如此,爱因斯坦最初并不确定自己的数学推导是否正确,甚至一度怀疑自己是否在自欺欺人,他无法断言引力波是否真实存在。
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