物理群星

方程墙

方程是物理学家写给宇宙的情书——每一行都用最少的符号,说出最深的事实。

万有引力定律

艾萨克·牛顿 →
F=Gm1m2r2F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}

宇宙中任意两个物体都在互相吸引:质量越大、离得越近,引力越强——苹果落地与月亮绕地,遵循的是同一条定律。

牛顿第二定律

艾萨克·牛顿 →
F=ma\vec{F} = m\vec{a}

力不是维持运动的原因,而是改变运动的原因:受力越大,运动状态改变得越快;物体越重,改变它就越费劲。

电磁感应定律

迈克尔·法拉第 →
ε=dΦBdt\varepsilon = -\frac{d\Phi_B}{dt}

穿过线圈的磁场变化得越快,感应出的电压就越高。法拉第用实验和力线图景发现了这条规律,今天的数学形式是麦克斯韦等后人整理出来的。

真空中的麦克斯韦方程组

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 →
E=0B=0×E=Bt×B=μ0ε0Et\begin{aligned} \nabla \cdot \vec{E} &= 0 \\ \nabla \cdot \vec{B} &= 0 \\ \nabla \times \vec{E} &= -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \\ \nabla \times \vec{B} &= \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \end{aligned}

四行方程讲了一个循环的故事:变化的磁场生出电场,变化的电场又生出磁场——两者互相催生、在空间中自行传播,这就是电磁波。

c=1μ0ε0c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}

用两个纯粹来自电学与磁学实验的常数,算出的波速恰好等于光速——光的真实身份由此揭晓。

E=hνE = h\nu

能量不能无限细分——振动的电荷吸收或放出能量时,只能一份一份地来,每份的大小等于频率乘以一个极小的新常数 h。

普朗克黑体辐射公式

马克斯·普朗克 →
u(ν,T)=8πhν3c31ehν/kBT1u(\nu, T) = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\,\frac{1}{e^{h\nu/k_B T} - 1}

一个发热物体在每种频率上辐射多少能量,这条公式一网打尽——从炼钢炉的橙红到宇宙微波背景,全都严丝合缝。

放射性衰变律

玛丽·居里 →
N=N0eλtN = N_0 e^{-\lambda t}

放射性原子并非一起消亡,而是每个原子都按固定概率随机衰变——于是剩下的数量像退潮一样按指数规律减少,「半衰期」由此而来。

卢瑟福散射公式

欧内斯特·卢瑟福 →
dσdΩ=(Z1Z2e24E)21sin4(θ/2)\frac{d\sigma}{d\Omega} = \left(\frac{Z_1 Z_2 e^2}{4E}\right)^{2} \frac{1}{\sin^{4}(\theta/2)}

α 粒子被原子弹开的角度分布有严格规律——角度越大越罕见,恰好按这个比例递减。实验点点吻合,只能有一个解释:原子的正电荷全部挤在一个极小的核里。

E=mc2E = mc^2

质量本身就是被封存的巨大能量——一克物质里蕴含的能量足以让一座城市明亮一晚。

广义相对论场方程

阿尔伯特·爱因斯坦 →
Gμν+Λgμν=8πGc4TμνG_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8\pi G}{c^4} T_{\mu\nu}

物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。

Ek=hνWE_k = h\nu - W

光是一份一份的能量包,每一份的能量只由频率决定——量子革命由此打开大门。

P=ψ2P = |\psi|^2

波函数本身不是可以摸到的实在,它的模平方才有意义——那是你在此处找到粒子的概率。量子力学不预言结果,只预言几率,而这几率准得惊人。

正则对易关系

马克斯·玻恩 →
pqqp=h2πipq - qp = \frac{h}{2\pi i}

在量子世界里,先测位置再测动量,与先测动量再测位置,结果不一样——差值恰好由普朗克常数决定。这行公式刻在玻恩的墓碑上。

氢原子能级公式

尼尔斯·玻尔 →
En=13.6eVn2E_n = -\frac{13.6\,\mathrm{eV}}{n^2}

氢原子里的电子只能待在一串编了号的「楼层」上,每层能量由整数 n 决定——光谱线就是电子在楼层之间跳上跳下时开出的收据。

hν=EmEnh\nu = E_m - E_n

电子从高能级跳到低能级时,把能量差一次性打包成一份光——光的频率不由轨道运动决定,只由两层之间的落差决定。

itΨ=H^Ψi\hbar\frac{\partial}{\partial t}\Psi = \hat{H}\Psi

波函数是一张关于「可能性」的地图,这条方程规定了地图如何随时间流动——微观世界的牛顿第二定律。

德布罗意波长公式

路易·德布罗意 →
λ=hp\lambda = \frac{h}{p}

一切运动的物质都伴随一列波,波长等于普朗克常数除以动量——棒球的波长小到无从察觉,而电子的波长恰与原子间距相当,于是晶体成了它的天然光栅。

全同费米子波函数的反对称性

沃尔夫冈·泡利 →
ψ(1,2)=ψ(2,1)\psi(1,2) = -\psi(2,1)

把两个一模一样的费米子互换位置,波函数就要变一次号。若它们硬要挤进同一个量子态,波函数便等于自己的负值——只能是零。「不相容」的禁令,就藏在这个负号里。

不确定性原理

维尔纳·海森堡 →
ΔxΔp/2\Delta x \, \Delta p \geq \hbar/2

把粒子的位置测得越准,它的动量就必然越模糊——这不是仪器不够好,而是自然允许我们知道的极限。

狄拉克方程

保罗·狄拉克 →
(iγμμm)ψ=0(i\gamma^\mu \partial_\mu - m)\psi = 0

让量子力学与狭义相对论握手言和的方程——电子的自旋从中自动跳出,还预言了一整个由反物质构成的镜像世界。

En=ωc(n+12)E_n = \hbar\omega_c \left(n + \frac{1}{2}\right)

磁场中的电子不能随意转圈,只能待在一级一级离散的能量台阶上——后来量子霍尔效应等半导体物理的大厦,就盖在这些台阶上。

二级相变自由能展开

列夫·朗道 →
F=F0+a(T)η2+b2η4F = F_0 + a(T)\,\eta^2 + \frac{b}{2}\,\eta^4

磁铁失去磁性、金属变成超导,看似风马牛不相及的相变,在临界点附近都能用同一个「序参量」多项式描述——万千相变,一副骨架。

xbeiH^t/xa=DxeiS[x]/\langle x_b|e^{-i\hat{H}t/\hbar}|x_a\rangle = \int \mathcal{D}x\, e^{iS[x]/\hbar}

粒子从 A 到 B 不是只走一条路,而是同时走遍所有可能的路径;每条路径贡献一个「相位」,全部叠加起来,就是量子世界给出的答案。

杨-米尔斯场强

杨振宁 →
Fμν=μAννAμ+ig[Aμ,Aν]F_{\mu\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu + ig[A_\mu, A_\nu]

电磁场的推广版:最后一项意味着场会「自己与自己作用」——正是它让规范场论既优美又艰深,也让传递强力的胶子能把自己粘在一起。

杨-巴克斯特方程

杨振宁 →
R12R13R23=R23R13R12R_{12}R_{13}R_{23} = R_{23}R_{13}R_{12}

三个粒子两两碰撞,先撞哪一对都不影响最终结果——这条自洽条件后来成为可积系统与量子群的基石。

宇称变换

李政道 →
P:(x,y,z)(x,y,z)P: (x, y, z) \to (-x, -y, -z)

把空间三个坐标同时反号,相当于照一次镜子。人们曾深信一切物理定律照过镜子都不变,李政道与杨振宁却发现:在弱相互作用里,这一点从未被实验检验过。

李-杨单位圆定理

李政道 →
zk=1|z_k| = 1

把磁体的配分函数写成复变量的多项式,它的零点会全部整齐地落在单位圆上——这些零点向实轴逼近的方式,决定了物质在哪里、以何种姿态发生相变。

TH=c38πGMkBT_H = \frac{\hbar c^3}{8\pi G M k_B}

黑洞不是绝对零度的坟墓,它有温度——而且质量越小反而越热。太阳质量的黑洞只有约亿分之六开,小黑洞却会越蒸发越烫,最终在爆炸中谢幕。

黑洞熵(贝肯斯坦-霍金熵)

史蒂芬·霍金 →
S=kBc3A4GS = \frac{k_B c^3 A}{4 G \hbar}

黑洞能记下多少「信息」,不由它的体积决定,而由视界的表面积决定——这颗种子后来长成了全息原理。