15、现代物理与量子力学：宇宙奥秘的探索

现代物理与量子力学：宇宙奥秘的探索

在物理学的广阔领域中，现代物理作为后牛顿时代的重要分支，为我们揭示了宇宙更深层次的奥秘。它主要有两大基石：量子力学和爱因斯坦的相对论。相对论又分为狭义相对论和广义相对论。

爱因斯坦的相对论

• 狭义相对论 ：于1905年发表，是关于时空关系被广泛接受和证实的理论。它基于两个公理：一是物理定律在所有静止参考系中相同（即物体不受外力作用时）；二是真空中的光速对所有观察者都是相同的，与光源或观察者的运动无关。著名的质能公式$E = mc^2$常被认为源于狭义相对论，它表明能量（$E$）和质量（$m$）之间存在联系，有质量的物体都有相应的能量，反之亦然。实际上，$E = mc^2$是$E^2=(mc^2)^2+(pc)^2$的简化形式，其中$p$代表动量。
• 广义相对论 ：1915年发表，是爱因斯坦关于引力的综合理论。它在狭义相对论的基础上，考虑了相互加速的区域和质量。质量与时空的相互作用构成了我们对引力的理解。该理论包含特定的场方程，即爱因斯坦场方程（EFEs），用于表示时空分布变化的动力学。广义相对论还表明，光在经过大质量天体（如中子星和黑洞）时会遵循“时空曲率”。黑洞是引力极强的区域，连光都无法逃脱，通常认为是大质量恒星坍缩形成的。

经典物理与量子力学的对比

经典物理能解释宇宙的许多运作，但存在盲点。它在宏观尺度上表现出色，但在微观领域则略显不足。而量子力学在微观世界中大放异彩。

原子与亚原子粒子

曾经，原子被认为是物质的最小单位，但随着科学和工程的发展，我们