这一次搞懂99%的物理学(上)

小编学习物理将近十年,书本上,论文中学习过不少理论。由于物理学的新理论、新定理、新结论都会用发现它的物理学家的名字来命名,所以今天心血来潮,把印象中学习过相关知识的物理学家列出来,不列不知道,一列直接懵逼,居然有180人之多!这当中还不包括实际上作出了很多物理学贡献的伟大的数学家。

这下来劲了,小编根据每个人的理论内容、对于物理学的贡献以及加上整体的社会知名度,把这180位物理学家分成了五个层次,分别是“突出贡献”、“小范围扛把子”、“划时代大扛把子”、“启迪全人类超级扛把子”以及“神”。(不知为何用这五种颜色来作区分的朋友,可以度娘“光谱”二字,便知其中玄机)

“突出贡献”就是不管这个人终身成就如何,只要做出任何一个被人们记住的贡献就可以了,比方说欧姆、赫兹、安培、伏特这些,其实贡献不是那么卓著,但是有个东西用他们的名字命名就可以算是突出贡献。“小范围扛把子”,至少是在他这个领域的贡献已经比较卓著了,可能好几个大的成果都是他做的。“划时代大扛把子”就已经是全世界极为少数的物理学家了,具有对整个领域的推动作用。“启迪全人类超级扛把子”是超越领域从根本上要改变人们对领域的认识的人物,比方霍金,他的理论如果被验证了,他就可以从绿色升级到蓝色,甚至可以升级到紫色。“神”的话就是领域的开创者缔造者,当然是蓝色还是紫色,还有很重要的因素就整体知名度的高低,波尔和薛定谔就差在了知名度上,谁让薛定谔有只闻名天下的猫呢。

下面的篇幅,我们会以“神”们作为分界点,因为基本每一位“神”都直接统治着一整个领域,然后把剩下四个等级的物理学家们都划分到每个领域里。之后再对每个物理学家的成果贡献,作一定的描述。由于在下才疏学浅,描述多凭当年学习之知识以及自身体会,如有不当之处多多包涵。当然在量子力学这个领域“神”似乎多了一些,有一点拥挤,这也不奇怪,量子力学还没被完全研究透呢,还没有出现一位终极大神,所以“神”们多一点也正常。而且很多“神”们是跨领域的,这里就他最主要贡献的领域安放他们。

当然,在物理学家等级的划分上,一定会有很多粉丝们或黑粉们表示不赞同,但是这个东西嘛,所谓“文无第一、武无第二”。有一些成就接近的科学家们,谁更牛逼纯属个人喜好了。比方说普朗克和海森堡你们觉得谁更厉害?当然这里不存在这个问题,因为小编把这俩都划入了“神”的范畴,是不是“神”当然不单纯看物理贡献,还要看社会知名度、人格魅力等等。

阿基米德几乎可以说是物理学的鼻祖了,生活在当时属于古希腊殖民地的现在属于意大利南部的西西里岛上的叙拉古(Syracuse),美国纽约上州也有个Syracuse,中文名叫做“雪城”。阿基米德的故事几乎是大家耳熟能祥的。最著名的贡献是所谓的阿基米德定律,也就是“浮力定律”,物体感受到的液体或气体的浮力等于它排出液体或气体的密度乘以质量乘以重力加速度。但是阿基米德那个年代还没有所谓的重力加速度的概念,这个公式属于后人的总结。以及相关的故事是他帮助当时的叙拉古王判断出了金银匠在打造皇冠的时候参了假,用王冠的重量排出水的体积去除王冠的重量得出王冠的密度小于纯金的密度。

阿基米德在罗马征服叙拉古的时候被一名罗马士兵误杀,尽管当时罗马方面颁布了条例说千万不能杀阿基米德。最后这名士兵不知道是内疚自杀还是被当局处死,反正是没活着。

小编曾经在西西里旅游的时候去过阿基米德的墓。旅游小贴士是,阿基米德的墓直接在马路边就能看见,千万不要买10欧元的票进到公园里反而啥都看不到。而且你也看不到墓碑,全部都是石头窟窿,意思一下就得了,千万别花冤枉钱。

如果说阿基米德是物理学的鼻祖,那么伽利略在我心目中就是物理学的高祖,伽利略是第一个系统地把物理学当做一门科学来研究的人。阿基米德那个年代还不存在非常明显的分科,亚里士多德柏拉图这帮人其实只要是问题都会思考,总得来说就是“解决问题的人”或者说“思想者”,当然我们有个专门的词汇来形容他们就所谓的“哲学家”。

而且在古希腊,大部分哲学家解决问题的方式主要是坐而论道,基本靠嘴。伽利略是一个真正意义上的实验物理学家。大家都知道的他的故事是从比萨斜塔上同时扔木球和铁球,结果是两个球同时着地,当然最后这个故事被证明是捏造的。

伽利略的研究范围很广泛,因为那个时候那么多学科根本就还没有被发现,界限不明显,所以也不太分物理学家、数学家,大家都是“研究者”。所以说评价伽利略,我认为主要也不是说他做出过什么具体贡献。而是在思考问题的方式上,用实证的方法,甚至定量的方法来研究自然现象,是首次有了物理学家的样子。所以毫不夸张地说,伽利略开启了一个真正物理学家应该所具有的研究方法的时代。所以叫伽利略是“物理学之父”也是不过分的。

伽利略的研究内容很多,有动力学、天文学。同时他是日心说的坚定支持者,只是他认为地球和各大行星让太阳飞行的轨道是正圆形因为圆形是最完美的形状,而上帝造万物都应该是完美的,但是很可惜他错了,这些轨道其实是椭圆形。

开普勒的主要贡献是通过长年累月的望远镜观察,总结出了行星运动的规律,总结来说,在牛顿用万有引力算出来行星运动的轨迹是个椭圆以前,人家开普勒就用“大数据”暴力地总结出了这个结论。他还总结出了行星单位时间划过的与旋转中心连线的面积是恒定的,这个其实就是最早版本的“角动量”守恒。从这个意义上来说,开普勒在毫无数学理论支持的情况下还能发现这俩定律,也真不是一般人,不仅是个脑力活,这也是个体力活,那个年代来微积分都没有发明出来,还要总结出这个划过的面积一样,是很困难的。难以想象他用了什么方法。

如果说上面的伽利略是“物理学之父”,那么牛顿就是“定量物理学之父”。什么意思呢?就是在牛顿之前,伽利略那个年代,研究自然现象,基本都是用语言进行定性描述,你只能说某某东西具有某某性质,但是你没有办法用数字、用数学进行定量化地描述,说白了就是不够精确。

但是现代物理,定性描述问题基本上等于什么都没说,定量的描述是极为重要的。牛顿同时也是微积分的发明人,当然也有说法微积分的发明人是德国的莱布尼兹,当然也有可能是两人分别独立地发明了微积分,那个年代的通信又不发达,所以貌似他俩都在撕谁是微积分的发明人。但是我更倾向于是牛顿,因为要定量地研究物理学,势必是需要一种在当时来说是一种新的数学语言的,在这样的一种情况下,牛顿的研究似乎是对微积分的需求更加多,所以他貌似确实是更有积极性和必要性去发明一个微积分玩玩。

牛顿最著名的贡献当属牛顿的力学三定律,以及万有引力定律,他大大小小的贡献还有很多,比方说光的折射、再比方说超越方程的牛顿解法等等。

简单讲一下牛顿三定律以及万有引力定律。第一定律是:一个物体如果不受力,只能是静止状态或者匀速直线运动状态,第二定律是:一个物体的加速度正比于所受的力,也就是F=ma,F是力,m是质量,a是加速度。第三定律是:作用力等于反作用。

其实第一定律和第三定律是多余的,因为第一定律和第三定律可以由第二定律推出来。因为当F=0的,时候,由于F=ma,经典物体一定具有质量,所以a一定等于0,a等于0意味着一个物体没有加速度,没有加速度就是处在速度恒定的状态,则一定是匀速直线运动或者是静止。第三定律可以由两个靠在一起的物体,在一个总的外力推动下,两个物体的加速度一定相等从而推出两个物体之间的相互作用力一定互相相等而得出。

也就是两个物体之间的引力正比于他们质量的乘积并反比于他们距离的平方,比例系数是G=6.67*10^(-11)。由这个万有引力公式,我们可以推出来一个行星绕太阳运动的轨迹一定是一个椭圆或者一个正圆,而一个正圆恰恰只是一个特殊的椭圆,当一个椭圆的长轴与短轴一样长的时候,一个椭圆就是一个圆。

平民出身的牛顿最后因为才华还成为爵士,所以他是“Sir”。其实牛顿还担任过造币厂的厂长,这可是一个非常重要的职位。他终身未婚,似乎也没什么朋友,脾气古怪,大家都不喜欢他,不知道他是没空谈恋爱还是其实是个gay。

傅里叶最重要的贡献就是所谓的“傅里叶变换”,我认为这个东西重要性简直是多么被强调都不过分。我大学学了40几门课,学下来感觉就学到两个东西,一个是数学分析,一个就是傅里叶变换推广的Vector Space。

傅里叶变换说起来就是:任何一个周期性函数都可以分解成不同周期的正弦函数以及余弦函数的叠加。再推广一下,其实任何函数,不必要是周期性的,都可以分解为周期性函数的叠加。大概这么个意思:

其实按说拉格朗日是个数学家,他其实是意大利的都灵人,但是后来一直在法国发展,还是超级大富二代。他在物理上的主要领域是分析力学。

牛顿力学用来解一个系统的运动的方法其实很不适用,虽然牛顿三定律是对的,但是并不一定有多强的计算能力。拉格朗日研究多年,发现所有的力学系统都应该遵循一个所谓的“最小作用量原理”,也就是一个系统的动力学演变,遵循的规律应该是整个过程作用量最小,所谓的作用量,简单来说就是动能减去势能。其实你这么理解就简单了,一个物理过程应该是刨去必须要花费的能量,剩下来的有效能量必须是最小的,这也是一个变相的能量最低原理了。大概是这么个东西:

庞加莱也是最最伟大的数学家之一,庞加莱猜想是28个希尔伯特问题当中的一个,而且在28个当中也是属于比较难的问题。光是要把这个猜想描述清楚也非常不容易。

庞加莱对物理的贡献主要是对三体问题的研究,他是第一个发现三体问题的混沌特性的,也为今后的对混沌系统的研究打下了坚实的基础。

这也是一位物理和数学双牛逼的大牛,划时代的大师级人物。在很年轻的时候就展露出极为高超的数理天赋。他在物理方面的主要成就是重新阐释推广了牛顿力学,用自己的一套东西建立了哈密顿动力学。牛顿力学是研究单体力学系统或者离散力学系统的方法,哈密顿力学更加适合处理多体问题,或者说经典场论问题。像经典力学场合经典的电磁场都适合用哈密顿力学来处理。

其实不仅仅是经典范畴,量子力学范畴哈密顿动力学也具有很重要的地位。量子系统的第一件事情,尤其是凝聚态的理论当中,就是要写出系统的哈密顿量。比方薛定谔方程里的H,就是这个量子系统的哈密顿量。这个哈密顿量在量子的框架下变成了所谓的“作用子”,用来求解系统的能量。

这毕竟是曾经跟牛顿大撕逼过的男子,当然他主要还是一个数学家。除了微积分以外,他对逻辑学的贡献也挺大,著名的充分条件,必要条件,充要条件什么的似乎就是他的研究成果。要说物理方面的话,虽然说牛顿搞定了三定律。但是莱布尼兹的贡献似乎更加常用,也就是所谓的动能的概念,一个物体的动能通过微积分其实可以很容易地得到是等于:

胡克最著名的就是所谓的胡克定律,大家高中都要学,弹簧的力正比于弹簧的形变,而且可以被推广到很多别的情况,不一定就是一个弹簧,其实随便什么物质发生微小的形变都可以写成胡克定律的形式:

大家还记得压强的概念吗,就是帕斯卡提出的。一帕斯卡等于一牛顿压在一平方米的面积上。真空的概念也是帕斯卡提出的,帕斯卡也对流体力学进行过比较深入的研究。

泊松按说其实也是个数学家,有泊松比、泊松过程等等研究成果。他是光的波动说的坚决反对者,认为光就是粒子,他曾经为了反对菲涅尔的光的波动说,曾经说如果光是波的话,那么根据光的衍射定理,你拿一束光找一个圆盖子,印在墙上,那么这个中心应该是亮的,但是根据生活经验明显这个是扯淡,所以光不是波。可但是,结果还真的发现有这么一个亮斑,最后不知道是不是为了讽刺他,这个亮斑被命名为“泊松亮斑”,时时刻刻都在提醒泊松打脸。

转动参考系的非惯性力,也就是所谓的“地转偏向力”,洋流的成因。也是南北半球冲马桶水下流旋转方向不同的根本原因。

热学和统计领域没有找到我认为可以成为“神”的人。热力学里的最重要的定律就是热力学第二定律,也就是所谓的“熵增原理”。“熵”是用来表示系统混乱程度的物理量。

玻尔兹曼的巨大贡献是第一次用系统的微观态数这一概念建立了统计力学的理论基础。但是他在世的时候这个理论一直没有获得承认,后来他精神很抑郁还自杀了。这个世界算是欠他一个诺贝尔奖。只能说当时他的理论太超前,超前到当时的物理学界没有办法及时理解。

玻尔兹曼葬在维也纳的公墓,这个墓边上就是贝多芬、勃拉姆斯等一众音乐大师。他的墓志铭什么都没有写,只有他生前没有得到完全承认的研究,也就是熵的公式:

S就是熵,k是玻尔兹曼常数等于1.38*10^(-23),Omega就是所谓的微观态数。

在这之前其实有过很多关于理想气体的方程,什么道尔顿分压定律啊,玻意耳定律啊等等,但是其实都只是克拉伯龙方程的一个特殊表现形式。所以最终把理想气体的关系写出来的就是这个克拉伯龙方程,是最好用的。

克拉伯龙还有重要的贡献是明确了什么叫可逆过程,这个是对卡诺热机的一个重要的描述,直接催生了热力学第二定律的热力学表述。另外一个表述是熵增原理,但是这两个表述可以被证明为是等价的,当然还有所谓的“克劳修斯”表述。

赫姆霍兹自由能,是整个热力学的核心之一,基本所有的热力学系统的稳态的求解方法都是要去把赫姆霍兹自由能进行最小化。在非统计系统当中被最小化的是能量、或者说哈密顿量以及作用量。对应的是最小能量原理和最小作用量原理。但是在热力学系统当中,有了温度的热能基础,必须计入与熵有关的“无用”的能量,所谓有用的能量就是赫姆霍兹自由能:

卡诺的主要贡献是所谓的卡诺热机。所谓热机就是在一个热源和冷源当中架设一套机制,让热量从热源传递到冷源的过程中能够做工。卡诺通过研究所谓的卡诺热机,证明了一个热机的效率最高不能高过这个值:

这个工作在卡诺的时代没有被太过多的重视,但是后来被详细研究,引出了热力学熵的概念以及热力学第二定律的热力学表述。

吉布斯同时是一个化学家,他在物理学的研究方向主要是热力学,通过他的努力,把化学从一个经验科学更加地严格化了,计算化了。对热力学研究,他的“系宗”研究方法被确立为热力学研究的正统方法,同时他的重要贡献还有还有最为著名的热力学概念之一的,吉布斯自由能:

昂萨格也是一个化学家,曾经还是布朗大学的教员,但是在大萧条时期由于布朗大学没办法养得起只研究不教学的人就把他辞退了。据说昂萨格讲课就是个渣,几乎没人能听懂。唯一能听懂的一个人最后跟随他去了耶鲁大学当教员。昂萨格在物理方面帮他获得诺贝尔奖的贡献是对二维Ising模型的严格解。所谓的Ising模型是一个以正方形矩阵排布的自旋晶格,相邻的自旋有一个相互的作用,就好像这样:

这个东西很难解,当年难道不少物理学家,这个东西被解出来了一个对于理解晶体的量子性质是有非常大的帮助的,所以解个题也是可以得诺贝尔奖的哦。

瓦特按说是个工程学家,最大的贡献就是发明了蒸汽机,从此欧洲进入了工业革命时代,所以虽然不是什么高深的理论,但是他的发明却推动了全人类的进步。

麦克斯韦是苏格兰物理学家,也是数学家。他的最伟大的贡献是把电场和磁场进行了统一,把所有的电磁现象全部融合到了他总结的四个麦克斯韦方程组里。

麦克斯韦从小聪明过人,据说9岁就开始跟着他爹进出皇家科学会听学术报告。19世纪对电学的研究是非常流行非常昌盛的。之前有人搞了个票选世界上最伟大的十个公式。麦克斯韦方程组得票是最高的,排名第一,爱因斯坦的质能方程排在第五位。

第一个方程说的是电荷与电场的关系,第二个方程说的是磁通量的变化会产生涡旋电场,第三个方程说的是磁单极与磁场的关系,但是由于我们知道目前看来还没有任何发现磁单极的迹象,所以这里磁场在封闭曲面上的总通量必须为0。第四个方程说的是磁场和电流以及变化的电场的关系。

别看是四个方程,所有的电学现象,我是说所有的,都可以用这四个方程组去解释,去计算,去预言。这四个方程组联合起来计算就直接推导出了电磁波的存在,并且可以算出电磁波是以光速传播的,从而把电磁波和光统一了起来,于是我们就知道了光也是一种电磁波。从而为用无线电波来传递信息打下了基础。

这四个方程是电磁学、电动力学的收山之作,有了这四个方程,电学就达到了一个顶峰,就是所谓的“被研究完了”,之后跟电磁学有关的研究几乎是围绕电磁的应用展开的工程学问题了。

特斯拉是个具有神秘色彩的人,他一个奥地利科学家,其实他其实不是严格意义的纯物理学家,更像一个工程师。之前在爱迪生手下工作,后来跳出来做了自己的公司。他最大的贡献其实都是应用方面的,没有什么太决定性的新理论。最著名的就是交流电,因为高压的交流电会让电能在运输过程中的消耗在导线上的能量相对很低。但是当时爱迪生是他的竞争对手,是推行直流电的,为了搞商业竞争爱迪生用交流电电死了一头大象还拍成了节目,由此来诋毁交流电。这个也是爱迪生一生的污点。特斯拉还醉心于无线输电的研究,但是这个他终身没有攻克,无线输电在现代也是极难的课题。当然有说他其实成功了,通古斯都大爆炸就是他的无线输电搞出来的,我表示严重怀疑。

法拉第是个英国科学家,他的化学成就也很高。物理上的主要成就在电磁学上,主要是发现了电磁感应的现象。所谓的电磁感应,一个重要的现象是,一根通电的导线会在磁场中受到磁场的力。电磁感应是我们很多现代电器的基石。比方说电动马达,本质上就是基于这个电磁感应。所以特斯拉这个汽车吧,应该叫法拉第汽车。当然后来也确实出来了法拉第牌汽车。

不过法拉第是穷苦出身,从小没有受到很严格的数学的教育,所以他没有办法把他发现的物理现象很好地像麦克斯韦那样总结成非常漂亮的方程。法拉第在电化学上的成就非常高。所以其实法拉第也跟特斯拉有点像,是个聪明才智更多在于动手和发现应用方面的科学家。更偏向于是一个实验物理学家。

最著名的成就是所谓的洛伦兹变换,早在爱因斯坦做出来相对论之前,洛伦兹就发现如果要保证不同参考系当中的电磁场,也就是麦克斯韦方程的不变性,伽利略变换是不靠谱的,所以只是为了纯数学上要让不同参考系当中的电磁场产生的力实质上要不变,则需要一个不同的参考系的变换方法,就是所谓的洛伦兹变换,是这样的:

当然洛伦兹还有重要的贡献是所谓的洛伦兹力,大家在高中都会学就是运动的电子在磁场中会感受到同时垂直于磁场和电子运动方向的力:

库伦最著名的就是所谓的库仑定律,描述了电荷与电荷之间的相互作用力,两个电荷之间的相互作用力正比于它们电荷量的乘积,反比于它们距离的平方,跟万有引力定律是一样的形式。库伦也被用来作为表征电量的单位,一个库伦可是很多的电量,毕竟一个电子只有1.67*10^(-27)库伦。库伦力的公式是:

密立根主要的贡献是用所谓的“油滴实验”确定了元电荷的大小,就是说电荷的最小单位就是元电荷,电荷不能无限地分,有一个基本最小的单位,就是一个电子的带电量。不过据说当年密立根去掉了很多不好看的数据,是用一个半编造的数据回归出来的实验结果,所以这个他因为油滴实验获得的诺贝尔奖到底是不是作数呢?

光学研究者,在几何光学的应用上做了不少事情,最著名的成果是和Zeiss合作做了很多照相机镜头,Zeiss就是著名的蔡司。

霍尔效应,在垂直于2D导体平面的方向上加磁场,会在垂直电流方向形成固定电势差。

惠更斯是光的波动说的主要支持者,他的光的波动理论可以解释很多光的现象,包括反射和折射这种明显的光的粒子说的现象也可以很要地用惠更斯的光的“波前”的理论来解释。

菲涅尔也是另外一位光的波动说的猛将,他的主要的贡献是定量算出了光的衍射现象。

光学研究者,在光学的应用上做了不少事情,最著名的成果是和Zeiss合作做了很多照相机镜头,Zeiss就是著名的蔡司。

瑞利散射,光的散射强度跟光的波长的四次方成反比,这也是天空为什么是蓝色的原因。

布鲁斯特是优秀的光学家,发现了双折射的现象。有一个概念叫做布鲁斯特角,这个角度是一个入射临界角,入射的极化光线%地折射到了第二种介质中。

注:写到一半发现微信文章不能超过两万字,所以无奈必须拆成上下两集。请期待下集。