9个改变世界的方程,你能看懂几个?( 二 )
1/v^2*?^2y/?t^2=?^2y/?x^2
在这个方程中 , v是波的速度 , 其他部分描述的是波在一个方向上的位移 。利用扩展到二维或多维的波动方程 , 研究人员得以预测水、地震波和声波的运动 。该方程也是量子物理学中薛定谔方程的基础 , 后者使许多现代计算机设备成为可能 。傅里叶方程
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无论你有没有听说过法国数学家、物理学家让-巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶男爵 , 他的工作都早已影响了你的生活 。他在1822年写下的数学方程使研究人员能将复杂、混乱的数据分解成简单波的组合 , 从而更容易分析 。根据《耶鲁科学》(YaleScientific)杂志上的一篇文章 , 傅里叶变换的基本思想在提出时是一个激进的概念 , 许多科学家拒绝相信复杂的系统可以简化到如此优雅的程度 。然而 , 在今天的许多现代科学领域 , 包括数据处理、图像分析、光学、通信、天文、工程、金融、密码学、海洋学和量子力学等领域中 , 傅里叶变换有着广泛的应用 。例如在讯号处理中 , 傅里叶变换的典型用途就是将讯号分解为振幅分量和频率分量 。麦克斯韦方程组
电和磁在19世纪还是全新的概念 , 当时的学者们都在研究如何捕捉并利用这些奇怪的物理现象 。1864年 , 苏格兰数学家和物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发表了一个包含20个方程的方程组 , 描述了电场和磁场如何产生作用 , 以及它们之间的相互关系 。该方程组极大地促进了我们对这两种现象的理解 。现在 , 麦克斯韦方程组由四个一阶线性偏微分方程组成 , 分别是描述电荷如何产生电场的高斯定律、表明磁单极子不存在的高斯磁定律、解释时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律 , 以及说明电流和时变电场如何产生磁场的麦克斯韦-安培定律 。这个方程组是所有大学一年级的物理系学生都要学习的内容 , 也为现代科技世界中所有的电子方程奠定了基础 。E=mc^2
如果没有这个著名的方程 , 任何一个变换方程列表都不可能是完整的 。1905年 , 阿尔伯特·爱因斯坦首次提出了质能等价的概念 , 即E=mc^2 , 这是他开创性的狭义相对论的一部分 。E=mc^2表明 , 物质和能量是同一个事物的两面 , 方程中E代表能量 , m代表质量 , c代表恒定的光速 。如此简单的方程中所包含的概念 , 至今仍让许多人难以理解 , 但如果没有E=mc^2 , 我们就无法理解宇宙中恒星的存在 , 也不知道如何建造像大型强子对撞机这样的巨型粒子加速器 , 更无法一窥亚原子世界的本质 。可以说 , 这个方程已经成为人类历史上最著名的方程之一 , 并成为了文化的一部分 。弗里德曼方程
【9个改变世界的方程,你能看懂几个?】用一组方程来定义整个宇宙 , 听起来似乎是一个狂妄自大的想法 , 但这正是俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼在20世纪20年代所提出的重要思想 。利用爱因斯坦的相对论 , 弗里德曼指出 , 从大爆炸开始 , 膨胀宇宙的特征可以用两个独立的方程来表示 。
这两个方程把宇宙的所有重要参数 , 包括宇宙的曲率、宇宙包含多少物质和能量、宇宙扩张的速度 , 与一些重要的常数 , 如光速、重力常数和哈勃常数等结合起来 。这是一个在广义相对论框架下 , 描述空间上均一且各向同性的膨胀宇宙模型 。众所周知 , 爱因斯坦并不喜欢宇宙膨胀或收缩的观点 , 他的广义相对论认为 , 这些情况的发生是收到了引力的影响 。爱因斯坦试图将一个标为“λ”变量添加到爱因斯坦方程中 , 作为宇宙学常数 , 使方程能有静态宇宙的解 。在哈勃提出膨胀宇宙的观测结果——哈勃红移——之后 , 爱因斯坦放弃了宇宙学常数 , 并认为这是他“一生中最大的错误” 。不过 , 几十年后 , 这一概念又被重新拾起 。研究者认为宇宙学常数尽管值很小 , 但可能不为0;而且该常数可能以暗能量的形式存在 , 而暗能量推动着宇宙的加速膨胀 。
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