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现代物理最令人震惊之处,不在于它有多么抽象和数学化,而在于这些极端抽象的理论,竟然能如此精准地描述我们身边极其具体、常见的现象。 超级抽象的物理,如何解释你身边的日常? 你可能会觉得,像广义相对论、量子力学、弦论这些现代物理学前沿,充满了让人眼花缭乱的数学符号,听起来离我们的日常生活无比遥远。它们研究的是黑洞、宇宙起源、微观粒子这些“高大上”的东西。最令人惊叹的地方其实在于:即便这些理论抽象到了极点,它们却能完美地解释我们生活中那些最普通、最具体的事物。 抽象和具体,在物理学中达到了惊人的统一。怎么理解呢?来看几个例子: 1. 小电阻,大学问:为什么天冷手机电池不耐用? 我们都学过初中物理:电阻(R)就是电压(U)除以电流(I),R = U/I。它描述了电流流过导体有多“费劲”。工程师知道铜线电阻小,铁丝电阻大,也知道电阻会随温度变化(比如冬天开暖气,电器容易热)。 但为什么?为什么不同材料电阻不同?为什么温度升高电阻通常会变大?为什么在极低温下(比如接近绝对零度),某些材料的电阻变化规律又不一样了?理论物理用极其抽象的工具,给出了精确的答案。 * 高温下的线性增长(常见现象): 想象一下金属导线。它由整齐排列的原子(离子实)和自由流动的电子组成。原子并非静止不动,而是在平衡位置附近不停振动(这振动在量子世界里叫“声子”)。温度越高,原子振动越剧烈。电子在导线中流动时,就像在人群中奔跑,撞上剧烈振动的原子(声子)的几率就越大,受到的阻碍就越多——电阻变大! 理论物理通过复杂的方程(比如玻尔兹曼方程)计算这种碰撞散射的几率,最终证明:在不太低的温度下,金属的电阻随温度升高近似线性增加。这就是你感觉冬天电器更容易发热(电阻大,发热多)的深层原因之一。 * 极低温下的平方增长(奇异现象): 当温度降到非常非常低(接近绝对零度,比如液氦温度),原子振动几乎停止了(声子几乎没了)。这时候主导电子运动的,是电子之间的相互作用和碰撞。理论物理(这里用到朗道的“费米液体理论”)告诉我们,在这种极低温下,纯金属的电阻随温度的变化不再是线性的,而是按温度的平方增加(R ∝ T²)。这是另一个由抽象理论精确预言的具体现象。 * 最抽象的理解:一切都是“响应” 现代物理看待电阻(或者说电导,电阻的倒数)最本质的方式,是把它看作一种“响应函数”。
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