广义相对论及其实验基础

阿尔贝特·爱因斯坦是当代最伟大的物理学家.他在1915年创立的广义相对论是关于时间空间性质与物质及其运动相互依赖关系的学说,是建立在广义协变要求和黎曼几何基础上的引力理论和宏观物质运动理论。这一理论不仅对牛顿力学的核心内容(牛顿动力学和万有引力公式)给予了统一和深刻的解释,还预言了牛顿力学所不能解释的新的引力效应,并为以后的实验所证实。广义相对论就其创造性和理论内     

时间为何不同于其他维度?

似乎所有人都知道时间的特殊性,但物理学——迄今最精密、最成功的科学怎么处理它?梳理2000多年来物理学的基本运动理论的发展,一个初步的脉络呈现在我们面前.亚里士多德认为时间维度与空间维度是互不影响的,空间维度可能更为重要——天上和地面的运动规律是不一样的.牛顿引入绝对时间与绝对空间的概念,在经典力学中时间维度是与空间维度地位平等的.牛顿提出三大运动定律以后,物理学的基本运动理论一分为三:爱因斯坦的(狭义)相对论力学、量子力学和演化力学.三个力学理论分别引入一个普适物理常数:真空中光速c、普朗克常数h和玻尔兹曼常数k,各自界定了对物理世界认识的一个极限:光速不变性、不确定性和不可逆性.对时间的认识也一分为三:量子力学基本沿用经典力学的时间概念;基于相对论,力学时间与空间统一了,可以在一定程度相互转换,但基本的时序是相对性不变的,时间与空间有所不同;基于热力学第二定律和耗散-涨落定理所代表的不可逆性,演化力学给予了时间一个特别地位.这些显然还不是最后答案.三种普适力学若是统一,以后时间的作用怎样?     

行星运动的后牛顿效应

早在广义相对论建立初期,人们就注意到了它对行星运动的影响。著名的水星近日点进动就是作为广义相对论的三大验证之一受到人们的注意。显然,行星运动中的后牛顿效应远不止这一项。只是当时定位观测和历表理论的精度都较低,由后牛顿效应引起的其他影响可略去不计。随着观测技术的改善和空间科学的发展,近年来大行星的运动理论有了长足的进步。当前的几种主要理论其相对精度已达10~(-8),也就是说到了公里量级。因此,后牛顿效应     

遗产与未来

近代科学技术的历史已发展到了一个非常惊人的程度,这也应归功于二十世纪前三十年的一些革命性的发现,这些发现和产生它们的思想,以及随后由此产生的技术,便形成了人们的遗产,这些遗产已经成为我们现代科学技术的基础。本文拟集中精力简述几个主要问题。为此,详细地叙述这些遗产是很有必要的。上世纪末已创建了所谓的经典力学,或称之为牛顿力学。当时有些极有权威的物理学家认为:经典力学即牛顿力学将不会再有多大的发展了。十九世纪获得的两项伟大科学成就——詹姆斯·克莱克·麦克斯韦尔的电动力学,以及以原子结构理论为依据的路特伟格·波尔曼对热力学的解释。两者之间的统一在十九世纪末已被人们公认了。它们和艾萨克·牛顿力学一起构成了自然科学基础知识中最重要的知识框架。这就是当时的物理学。同时,工业革命给十八世纪和十九世纪时期的西方世界带来了巨大的发展,这一发展最初是以牛顿力学和后来的麦克斯韦尔电动力学以及波尔曼的热力学为基础。尽管已有这些成就,但     

非线性沸腾传热学-Ⅲ：随机理论

经典确定论描述的牛顿力学已经有300多年的发展历史.在20世纪初受到两次大的冲击,在高速运动的情况下被相对论力学取代,在微观粒子世界让位于量子力学.曾一度被认为万能的牛顿力学也有了自己的应用范围;一是速度不能太大,二是质量不能太小.非线性复杂系统具有内在随机性是对牛顿力学的第三次冲击.知道了初始条件和边界条件     

反映理论力学重大发展的《现代应用动力学》

自牛顿奠定了经典力学的基础之后,在十八、十九世纪,拉格朗日和哈密顿又建立了分析力学,但是,此后理论力学的发展很缓慢,二十世纪六十年代以来,特别是航天技术的发展,给理论力学提出了一系列新的重大课题,在现代科学和工程问题中,力学     

密码、序列、构象和动力学

我们刚刚纪念了牛顿的《自然哲学的数学原理》发表300周年(1687-1987),牛顿的经典力学把地球上的机械运动和天体的运动结合起来,完成了人类认识史上一次伟大的综合.300年过去了,这一次综合的深远意义已充分显示出来.建立在牛顿力学基础上的近代物理     

天文学和引力物理学

一、历史回顾第一个引力理论就是牛顿的万有引力定律,它的出现是天体(特别是行星)视运动规律同力学概念结合的产物.利用它和牛顿运动定律一起创立了天体真运动理论——天体力学.这是天文学发展史中第一次巨大飞跃.此后二百年内,天体力学成为天文学,甚至是数理科学的主要内容. 牛顿万有引力定律又是宇宙间普遍适用的定律.任意两个物体间都存在引力,其大小可用简单公式表达:     

待到2050年,物理学会统一吗？

欧洲核子研究中心（ＣＥＲＮ）和别处的实验或许已使我们完成了粒子物理的标准模型，但一切作用力的统一理论可能需要一些完全新颖的观念。 物理学研究的一个主要目标就是：了解自然界如何以一种统一的方式发生奇妙的变化。过去一些最伟大的成就已向着这个目标步步靠近：伊萨克·牛顿于十七世纪统一了地面物体的力学和天体力学；詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于十九世纪统一了光学和电磁理论；阿尔伯特·爱因斯坦于１９０５～１９１６年统一了时空几何和引力理论；化学和原子物理亦因量子力学于二十年代诞生而统一起来。 爱因斯坦花费其生命的…     

重力加速度的后牛顿效应

本文根据文献[1]计算后牛顿近似的方法,对于静态球对称质量产生的外部引力场,推导出Einstein理论和Brans-Dicke理论的重力加速度的后牛顿近似的统一表示式,将它们应用到地球和木星的引力场,估算了后牛顿改正值。     

暗宇宙、马赫原理和惯性运动

从牛顿力学到爱因斯坦狭义相对论。惯性运动、惯性系和相对性原理起着突出的作用．具有极其重要的意义。然而，有关惯性运动、惯性系的起源问题一直没有解决。     

力学信息学简介

数据在力学的发展中始终属于最基础和最重要的角色。在古典力学时代,通过对海量数据的总结归纳,科学大师们得出了以牛顿运动三大定律为代表的自然世界运行的客观规律。在当今时代,快速发展的力学实验自动化技术和高通量技术,使力学数据呈爆炸式增长,如何基于迅猛增长的数据来快速发现、发展和革新力学理论,成为一个迫切需要解决的问题。力学工作者可以借助当下快速发展的人工智能算法,直接智能地优化实验和生产工艺,或者利用诸如符号回归、稀疏回归和流形学习等机器学习方法对数据进行挖掘处理,发现并给出数据所遵循的公式形式,将数据上升为知识。这一人工智能和力学相结合的交叉学科便是“力学信息学”。基于力学信息学方法,古老的力学学科也必将迎来新的春天。     

美哉物理(十六)物理学中科学美学旨意的升华(上)

本系列文章已论述过的课题,其要点大多涉及现代(理论)物理中的美学蕴含。其实,它的渊源主要在于以牛顿力学为核心的近代经典物理;甚至可将其追溯到古代以至中世纪的自然哲学和科学文化。一般认为,牛顿是近代经典物理的代表,爱因斯坦是现代物理——包括现代经典物理和量子物理——的代表。从牛顿到爱因斯坦,物理学科由近代物理演进为现代物理,其理论大系从基础到概念、从物理思想到数学表述,都发生了根本性的转变和飞跃,理论水准则一而再地登峰造极。与此同时,由物理学的持续发展而不断锤炼着的科学美学旨意,也一而再地升华。牛顿力学得以构…     

美哉物理(十七)物理学中科学美学旨意的升华(下)

经典场论丰富了科学美学旨意爱因斯坦指出:力学纲领“本质上是原子论的和机械论的,一切事物……完全要被解释为按照牛顿运动定律的质点运动。”然而,18￣19世纪电磁学的发展改变了这样的局面。法拉第针对电、磁现象提出了场概念,并予以美妙的力线图像描绘;麦克斯韦、洛仑兹等人建立并完善了电磁场理论(电动力学)体系。同时,经典场论纲领得以形成;爱因斯坦凭籍其相对论建树而拓展了这个纲领。牛顿崇尚原子论,如上篇所述,表现在牛顿力学以分立的质点为最基本的概念,以不连续的物质粒子为基本的物理实在;质点之间的引力作用是即时的超距作用。…     

100原子秒是多少

无论是牛顿力学、还是相对论力学所定义的时间,均属于比较抽象的概念.所幸的是时间的单位:年、月、日、分、秒……规定的通俗易懂.所以,人们在计量时间时才能得心应手、运用自如.     

历史

01.041643年1月4日,艾萨克·牛顿出生于英格兰林肯郡。他一生的研究对物理学、天文学和数学都产生了极其深远的影响,是公认的历史上伟大的科学家之一。1661年,牛顿进入剑桥大学三一学院学习。1687年他发表《自然哲学的数学原理》,阐述了万有引力和三大运动定律,奠定了此后三个世纪里力学和天文学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都     

辛拓扑

物质运动是数学概念的最丰富的泉源之一。我们可以找到一条连续的线索,从伽里略的实验和开普勒的经验定律,经过牛顿、拉格朗日以及哈密顿的光学力学相似理论,贯穿至今日数学的一大主流部分。从力学发展到微分方程、以至流形、李群和测度论。振子的正规模式导致二次型和线性代数。热传导和波动导致富利叶级数和函数分析。但是在所有数学概念中潜在的最有前景的一个概念,目前仅为数学家和理论物理家们所知晓。它受到哈密顿一般力学形式的儿柯解释的发扬,这种深奥的几何被引述为"辛"(Symplectic)几何。     

速度战胜引力 速度战胜距离：宇宙航行动力漫谈

水能载舟,也能覆舟。这正是人与自然关系的缩影,人在自然环境中诞生和发展,也受自然环境的制约。人类自古以来就向往着进游宇宙,但却无法离开地面分寸,其中自有奥妙。17世纪牛顿创立的万有引力学说．揭开了这个秘密。万有引力定律指出,物体都有引力,它们总是相互吸引;引力的大小与物体的质量成正比,与物体之间的距离平方成反比。人的质量与地球相比,相差十分悬殊,因而引力的大小显得一边倒,总是地球的强大引力吸引着人,把入束缚在地球上而无法进入宇宙空间。牛顿运动力学还告诉人们,速度是战胜引力的法宝,如果物体的运动速度…     

蔚蓝的思维清澈的理性

人类近代史上曾发生过两次具有里程碑性质的科学革命:一次是17世纪以牛顿力学体系的建立为标志的科学革命,一次是20世纪初以爱因斯坦和普朗克为代表的、以相对论和量子论为标志的科学革命. 这两次革命的科学大师都站到了巨人的肩上.牛顿不仅站在伽利略、哥白尼的肩上,也站在阿基米德和托勒玫的肩上,他运用微积分等数学工具,初步地、闭合地、确定性地回答了人类曾苦苦思索了两千年的问题:物体是怎么运动的?爱因斯坦和普朗克则站到了牛顿等大师的肩上,他们的视野更开阔,看到了以经典力学为代表的科学革命的局限性,利用近世数学工具,描绘了一个更接近"真实"的、开放的、动态的世界,并无情地击碎了第一次科学革命给人们带来的基于经典时空观的"确定性"理念.相对论摧毁了经典的时空观,量子论推翻了经典的确定论.人们不由得开始追问理性思考的合理性在哪里.伴随着自然科学各分支领域不断深入地探索和进展,拨开了层层迷雾,给迷惑、沮丧和彷徨中的人们打开了一扇扇窥视未知世界的窗口.     

拉伸流变学及稳定性研究

1.引言流变学,是研究材料流动和变形的科学。非牛顿流体力学和流变学,有着十分密切的联系,流变学研究材料的物性;其研究方法有实验和理论两个方面。流变学的重要任务是建立材料的本构关系。非牛顿流体力学以本构方程理论为基础,进一步研究非牛顿流体的运动状态。然而,在现代,流变学和非牛顿流体力学,在流体的范畴内,已经成为一致的相同的概念了。在高分子工业生产的过程中,有许多工艺过程可归结为拉伸流体流动,其中,典型的工艺过程是