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。
○ 《尺度、法则和生命》。| 图片来源:Sean Lang
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。
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。
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。
在上图显示的四个方程中,有两个方程中有倒三角、点,以及表示电场和磁场的字母E和B。这两个公式描述了电场和磁场的散度,或者说是点源在径向上产生磁场和电场的能力。根据这两个公式,电场的散度取决于存在的电荷数量,而磁场的散度总是零!这意味着电场是有源的,而磁场是无源的,正如我们知道的,自然中存在点电荷,但是不存在磁单极子。
另外两个等式包含叉号而非圆点,描述电场和磁场的旋度。旋度可以理解为电场与磁场在自由空间弯曲程度的度量。在描述电场旋度的等式右侧包含磁场,在描述磁场旋度的等式右侧包含电场。这表明,随时间变化的电场会激发环绕的磁场,而随时间变化的磁场会激发环绕的电场。
在描述磁场旋度的等式中,还有一个额外的包含字母J的项,代表位移电流,这表示运动的电荷会产生环绕的磁场。值得注意的是,在描述电场旋度的等式中,并不包含对应的“磁流”项,这是因为“磁流”根本就不存在!如果存在磁单极子,就会有“磁流”,而磁单极子迄今仍未被发现。
这四个描述电磁场散度和旋度的等式构成了麦克斯韦方程组,它们为电磁场在电荷存在时或者真空中的行为提供了完整的描述。
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。
上面这个看起来十分冗长的等式便是描述流体运动的纳维尔-斯托克斯方程。流体,简单说来,就是运动的连续粒子流。正如牛顿第二定律 (F=ma) 描述了粒子在力的作用下如何运动一样,纳维尔-斯托克斯方程描述了粘性、不可压缩流体的运动。它并不是在表述能量守恒,而是描述流体在给定的粘度、集体速度和外部压强下是如何运动的。
由于非线性偏微分方程的数学形式,纳维尔-斯托克斯方程令无数相关领域的研究人员头疼不已。纳维尔-斯托克斯方程的存在性与平滑性是千禧年七大数学难题之一,普遍认为,距离方程的解决还很遥远。 (详见:《物理学中最难的方程之一》)
3. 连续性方程