在不同尺度上,物理世界遵循着不同的规律。描述微观量子世界的定律,与描述宏观物体的定律有着本质的区别。然而,任何随着尺度的变化必然是连续的,物理学中看似截然分立的领域,实则具有丰富的联系。
《尺度,法则和生命》这幅画,正是通过17个地位显著的公式,描绘了物理学不同领域的联系与相互影响。
沿着图中从左到右的方向,粒子数量增加,系统复杂性也随之增加。沿着从下往上的方向,系统的尺度逐渐增大。图的各个角分表代表了物理学的不同领域。沿着顺时针方向,左下角描绘粒子波动性的图像代表量子力学;左上角电磁相互感生的图像代表电磁学与电动力学;旁边的湍流代表流体力学;右上角的星云、黑洞、恒星以及交织的时空,代表描述宇宙的相对论;右下角纷乱的粒子、石墨烯、足球烯、DNA双螺旋代表热力学与统计物理。
图的正中是人类和孕育人类生命的地球。地球上的四个人则表现了人类面对这四个不同尺度与复杂性的领域时,截然不同的态度:左上角的人拿着笔,陶醉于电动力学的完美,右上角的人满含热情与虔诚地拥抱宇宙的奥秘,右下角的人面对复杂的世界充满困惑,左下角的人震惊于微观量子世界的怪异。
画面四个象限间隔用黑白色调,具有旋转对称性,仿佛阴阳一样形成一种动态的平衡。本文将从左上角开始,顺时针依次介绍这些描述了不同尺度自然世界的重要公式。
1. 麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组,位于画作中的左上角。电磁现象研究中最重要的一点是要理解,是电荷的存在产生了渗透整个空间的电磁场。
2. 纳维尔-斯托克斯方程
纳维尔-斯托克斯方程,位于画作上方中间位置。左侧包含与流体速度、加速度有关的项,而右侧是与外力、外部压强有关的项,形式上与牛顿第二定律非常一致。
3. 连续性方程
连续性方程位于纳维尔-斯托克斯方程下方,在顶部的两个人体中间。流体力学中,决定流体行为的一个重要特征,是在流体中是否存在源或者汇。
4. 洛伦兹变换
洛伦兹变换的公式位于纳维尔-斯托克斯方程上方,在中间的格点图形那里。在爱因斯坦提出狭义相对论之前,理解物体相对运动是通过伽利略变换。
5. 爱因斯坦广义场方程
爱因斯坦广义场方程位于画作右上角,黑洞下方。在广义相对论中,爱因斯坦场方程描述了在物质和能量的影响下,时空结构是如何弯曲缠绕的。
6. 黑洞的贝肯斯坦-霍金熵
贝肯斯坦-霍金熵的公式位于图的右上角,黑洞上方的位置。当霍金还年轻的时候,他设想了一种机制,通过这种机制,黑洞喷射自身的质量,并最终蒸发消失。
7. 爱因斯坦质能方程
爱因斯坦质能方程位于右上角的行星里,就在爱因斯坦场方程下方。爱因斯坦质能方程可能是物理学中最广为人知的方程。
8. 重整化群方程
这个方程被放在了图的中间,分裂在地球的两侧。重整化群方程可以用来确定物理系统在不同尺度上的行为。
9. 牛顿第二定律
牛顿第二定律在图中航天飞机的右边。在宏观尺度下,当物体运动的速度远小于光速,作用于物体上的力等于物体的质量乘以加速度。
10. 热力学第二定律
热力学第二定律位于DNA双螺旋下面。热力学第二定律陈述的是,孤立系统的熵只会增加。
11. 配分函数
配分函数在图的右下角。当确定系统处于某个特定状态,尤其是平衡态的概率时,配分函数是我们最好用的工具。
12. 量子简谐振子
量子简谐振子的表达式在地球下方,图的中间。最简单的简谐振子是单摆,摆臂在重力作用下持续均匀摆动。
13. 最小作用量原理
最小作用量原理在图的中下方。最小作用量原理代表了我们对于物理学几乎所有领域的最深刻理解。
14. 薛定谔方程
薛定谔方程位于图中左下角的波形中。薛定谔方程是量子力学的精华,以简洁的数学形式表达了量子力学的内涵。
15. 海森堡不确定性原理
海森堡不确定性原理位于图的左下角。海森堡不确定性原理陈述的是:由于在量子尺度上粒子具有波的特性,粒子的动量和位置不能同时精确测定。
16. 狄拉克方程
狄拉克方程在画作的左侧,爆炸的下方。1928年,保罗•狄拉克提出了描述电子的相对论性方程式——狄拉克方程。
17. 光电效应
光电效应的公式在图的左侧,爆炸的上方。相比于相对论,爱因斯坦对光电效应的发现并不那么广为人知,然而正是凭借光电效应的工作,爱因斯坦获得了他唯一的诺贝尔奖。