世界上第一条人造彩虹,是牛顿做出来的,他也是第一个分析光的物理学家。
是的,那个著名的三棱镜实验就是牛顿做的,是不是觉得他更伟大了。
牛顿制造了人类第一条人造彩虹
然而,牛顿受制于时代,他对于光的研究并没有很深入,并且他当时认为光是一颗一颗的粒子组成的。
牛顿去世之后,物理学家们对光进行了深入研究,发现它是一朵“奇葩”。
如果牛顿知道了后续的光学研究,可能他的棺材板会压不住。
力学之父牛顿
学物理必学的力学,也必然绕不开牛顿的三大定律。
我们现在看科幻片,里面如果出现反重力的现象,大家都会玩梗,说:“牛顿的棺材板按不住了!”
因为在地球上,任何生物都无法摆脱重力,重力来源于地球的万有引力。
只要地球不爆炸,万有引力就不放假,只要在地球上生活,就得乖乖听引力的话。
按照牛顿他老人家的第一定律,任何运动的物体,突然把力撤去,它会维持原有的运动方向做匀速直线运动。
牛顿的棺材板压不住了
这个定律也被称为惯性,也就是说,师傅刹一脚,车停了,但是师傅会继续朝前面以原先的速度匀速直线运动。
现实中的师傅没有飞出去,是因为栓了安全带,以及受到了摩擦。
牛爵爷的第一定律直接挑战了祖师爷亚里士多德的理论,祖师爷认为力没了物体也就不运动了。
在地球上,牛顿第一定律很难完全实现,但是在太空中实现了。
惯性的示意图
人类最远的两个星际探测器旅行者1号和2号在能量耗尽后,就会维持原有的速度和方向,继续朝太阳系外运动。
因为宇宙中没有什么空气阻力,两个探测器只要别撞上其他天体,就能一直运动下去。
牛顿老人家的第二定律就是合外力与加速度的关系,公式F=ma。
第三定律就是著名的你打人一巴掌,自己的巴掌也会很疼,并且打得越狠手越痛。
根据牛顿第三定律手也会疼
这三大定律加万有引力,只要是个地球人,一辈子都离不开它们,牛顿在我们生活中无处不在。
然而,牛顿的成就不只是力学定律,他还开辟了另一个物理领域——光学。
虽然牛顿对光的研究比较浅显,但是成就也是非常高的,他用三棱镜得到了七色光,揭示了光的颜色是混合出来的。
此时的牛顿还没有发现,光的很多特性都是违背力学的,它是宇宙最大的叛逆者。
三棱镜制造彩虹
光不会受到地球引力的影响,它可以从地球身边擦肩而过,不留下一片任何痕迹。
为何光能够践踏万有引力,无视地球呢?因为光是没有质量的!
牛顿研究光的时候,用三棱镜将它们打散了,获得了七种“葫芦娃”颜色的光。
当时他认为,光是各种颜色的微粒构成的,也就是说光是一种粒子。
但是,和牛顿一个时代的胡克认为,光是一种波。
于是二者展开了激烈的争论,双方的支持者也是各种“开战”。
弹簧之神胡克
牛顿的支持者认为,胡克弹簧成精了,看啥都是波;胡克的支持者则认为,牛顿搞力学魔怔了,看谁都是“粒”。
这场争论一直延续到了1807年,一位叫托马斯·杨的物理学家做了一个实验,这就是载入物理史册的双缝干涉实验。
该实验验证了光是一种波,牛顿“粒”学似乎在光学中失败了。
但是在1905年,那个名叫奇迹的男人爱因斯坦认为,牛顿和胡克都没有错,光既是一种波还是一种粒子,它具有波粒二象性。
光的波粒二象性
1926年,物理学家吉尔伯特·路易斯正式将这个粒子命名为光子。
事情到这里似乎可以画上圆满的句号了,从此再无牛顿和胡克的光学之争了。
然而,光的神奇之处开始被科学家们发现,这个光子,竟然是没有质量的。
万有引力和是第二定律都涉及到了质量,光子没有,这就让它无法被力束缚,无视牛顿,直接飞过地球。
一言蔽之,光不归牛顿管,它可以任意挑战牛顿的任何一条定律。
光子不归牛顿管
那么,就没有人能管管光吗?
当然有,牛顿管不了光是因为他的物理理论是建立在宏观条件下的,但是爱因斯坦可以管光,他甚至“驯服”光。
爱神发现了它在能量中占据的作用,得到了著名的质能方程,这也是难得的有光速参与的公式。
爱因斯坦以光为参照,诠释了时间和空间,颠覆了牛顿的力学世界。
也让人们看见了牛顿物理的局限性,在地球宏观物体上,牛顿力学是绝对的王者,但是离开了地球,很多东西就不归牛顿管了。
牛顿研究光的时候,还并没有意识到光的速度,估计在当时的他眼里,光速比较慢。
爱因斯坦的加速世界
牛爵爷的物理里面,一切物理量都是独立的,比如时间就是时间,空间就是空间,质量是不会变的。
根据牛顿的万有引力公式,地球产生引力的原因是自身的质量,但是爱因斯坦表示,不一定。
爱因斯坦认为,引力的产生来自引力场,是天体附近空间发生弯曲而产生的。
只要置身于这个弯曲空间内,那么就会受到地球引力的控制,这就好比海上的一个漩涡,只要靠近漩涡就会被吸住。
引力场
引力场是可以束缚光的,只是地球的引力场做不到,宇宙中的很多天体都做不到,只有两种天体可以影响到光的传播。
一种天体是中子星,它的引力场会使光的传播路线出现弯曲;另一种则是黑洞,它的引力场可以直接让光无法逃离。
光不受地球的掌控,但是它受到宇宙规则的束缚,它再怎么也不可能不归宇宙管。
牛顿带我们看到了宏观世界的物体运动,爱因斯坦带我们看到了高速运动下的物体运动。
光逃离不了黑洞
有人说,已经100多年了,人类的物理还在前人留下来的底子,仿佛人类的物理学已经发展到了极限。
这句话,100多年前的开尔文勋爵也说过,他说完没多久,量子力学就诞生了,之后开启了一个新的物理时代。
牛顿和爱因斯坦隔了近300年,这才过100多年,才哪到哪儿。
并且爱因斯坦的理论也不是嗖的一下就横空出世的,他也受到了普朗克、洛伦茨等人的影响和帮助,后来朗之万、薛定谔等人帮他完善。
爱因斯坦同时代的物理学家们
并且相对论也不是无敌的,在它那个年代,还有根本哈根学派与之“敌对”,二者一度“水火不容”,在各种会议上针锋相对。
这场辩论可以说是将人类的认知带入了微观的世界,这里的一切都与牛顿的力学世界完全不一样。
按理说,这群科学家们的大脑也不受牛顿管了,棺材板又压不住了。
并不是,牛顿是这群科学家们在学生时代必须学的知识,他们也非常尊敬牛顿,谦虚地说,他们是站在巨人的肩膀上摘苹果。
站在巨人的肩膀上摘苹果
巧的是,这句话牛顿也说过类似的,他说自己的理论是建立在伽利略等人的基础之上。
所以,物理大师们都不是凭空诞生的,是一代一代人的不断进步,甚至修修补补,改正里面的错误。
物理的祖师爷亚里士多德就犯过很多错,后来他的错误理论被有心之人利用,成为了禁锢物理学家的存在。
当然,这不完全是亚里士多德的错,古希腊时代的物理还没有和哲学分家,像祖师爷、阿基米德等人都是身兼数职,既是物理学家还是哲学家。
古希腊的科学家
因此,科学发展不能急功近利,对于宇宙来说,光速都是慢的!人类算啥!
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