首页 >要闻 > 内容

7项科学突破开启了技术时代

要闻 2019-12-31 11:25:09

在伽利略和牛顿等人开始解开宇宙的奥秘之前,我们对宇宙万物的了解几乎是完全缺失的。

对于夜空中的任何现象都没有科学上合理的解释,也没有对任何自然力量的真正理解。

简而言之,我们是《权力的游戏》里的人,但没有龙、魔法和僵尸。

然而,我们并没有花费数千年的时间来建造巨大的城墙而不是发明什么东西,而是利用物理学的原理来解答许多关于存在的奥秘,有了这些知识,人类取得了令人难以置信的成就。

从推动工业革命到点燃电气时代的火花,再到解开恒星的秘密,物理学支撑着我们进入21世纪的技术冒险。

在艾萨克·牛顿之前,我们对物体在宇宙中如何运动的理解来自于古希腊。为什么物体会落到地球上?亚里士多德认为这可能是因为物体渴望与地面结合。为什么它们运动的时候会慢下来?因为他们自然会累。

牛顿的无限更先进的运动定律首次发表在他的传奇的原理在1687年,2000多年后,阿斯托的死亡。在这本书中,他不仅第一次明确地描述了控制天体如彗星、恒星和行星运动的引力,而且还描述了更重要的地球上的物体如战舰、炮弹、建筑物和……梨。

定律1:

物体不是静止就是匀速运动,除非受到外力的作用。

第二法:

物体的加速度与作用在其上的合力成正比,而且方向相同,与质量成反比。因此,F = ma。

第三定律:

当一个物体对另一个物体施力时,第二个物体同时施力,其大小与第一个物体相同,方向与第一个物体相反。

牛顿的三大运动定律最终引发了18、19世纪的工业革命。现在的机器都是按照明确定义和被理解的规律运行的——蒸汽机车、工厂和机床都是用牛顿的科学来构思和设计的。

在建造第一座摩天大楼的过程中,他的数学也发挥了作用——第二定律可以用来计算作用在你房子里每块砖上的所有力。与此同时,第三定律是理解喷气推进的关键,它仍然是我们进入太空的唯一手段。

如果引力是宇宙中第一个被真正掌握的力,那么第二个力就是你现在正在使用的东西——电磁力的统一力,即电磁学。

数千年来,人类一直观察到乌云密布的天空中闪电风暴的壮观和恐怖。古代的偏执型文明认为,愤怒、吝啬的神是雷电的罪魁祸首,直到19世纪我们才学会在地球上利用这种力量。

迈克尔·法拉第,一位像布莱恩·考克斯或尼尔·德格拉斯·泰森这样的著名科学家,在19世纪伦敦的皇家学会做出了令人瞠目结舌的静电和更多的东西。

他对现代文明的主要贡献是通过众所周知的法拉第定律——归纳法的发现。本质上,这是一种意识,如果你把一根导线放在磁场中并移动它,磁场会推动导线中的电子产生电流。电动机是在现场诞生的,电第一次被掌握为一种有用的工具。

线圈的磁场环境的任何变化都会引起电压的变化。

电力从一种新奇的东西转变成一种强大的新技术,为随后的电力革命奠定了基础,改变了发达国家人类生活的方方面面。它使尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)和其他人能够使用早期的灯泡,释放出人造光的能量。它与牛顿的物理学惊人地结合起来,创造了水力发电厂。它使每一个电子器件的发明成为可能。

电话是这个时代最直接和最具变革意义的结果之一。它以电报和后来的电话的形式使远距离通信成为可能,由于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦尔的电磁波,这项技术将成为无线技术。

迈克尔·法拉第从来没有能够充分发展和完成他的电和磁的工作,所以它留给了詹姆斯克拉克·麦克斯韦在1862年作出可能是最重要的发现在所有的科学。

麦克斯韦方程组用数学语言描述了电和磁之间的关系。他认为它们一定是密切相关的现象,然后发现它们可以结合起来产生振荡波。他用当时的前沿科学来计算这些波的速度,令所有人惊讶的是,这正是光速。他意识到这不是巧合,光是一种振荡的电磁波。

这项工作奠定了基础,在其他一百万件事情中,医学诊断学的一个步骤的改变,使这样令人难以置信的机器,如x光和后来的PET扫描和MRI机器。通过了解电磁是如何工作的,他能够把它放在跟随的人手中。

也被称为熵定律,最初是由法国人萨迪·卡诺在1824年提出的,这是一个大多数人不用思考就知道的物理学领域。它取决于这样一个事实:随着时间的推移,温度和其他能量的差异总是会减小到热力学平衡状态。

“不处于平衡状态的孤立系统的熵会随着时间的推移而增加,接近平衡状态下的最大值。”

换句话说,这就是为什么当你走到雪地里的时候会觉得冷。这是一条最终会导致宇宙热死的定律,也是你今天早上穿衣服的主要原因之一。

了解了这些过程的物理原理,发明了改变世界的技术,如制冷。没有冰箱,我们就没有新鲜的食物和器官移植。同样的原理也适用于散热片的使用,使电脑内部的微芯片散热。嗯微芯片。

我们对物质构成元素——原子——的理解带来了下一个技术时代。计算机时代。

毫无疑问,20世纪早期最具影响力的发明是晶体管。如果没有晶体管,我们很难想象会有今天这样的电脑、智能手机或任何电子设备。

晶体管是由半导体材料制成的,用来控制电子在电路中的运动。最早使用晶体管的电子设备是早期的无线电——这些第一个真正的无线通信系统使用电磁波中波长最长的光波相互通信。

这种晶体管技术很快得到了应用,并取代了第一台计算机中最原始的真空管,极大地减小了真空管的尺寸和重量,同时降低了制造成本。

1954年,德州仪器公司发明了第一个硅晶体管,开启了计算机时代。硅是一种理想的材料,因为它在宇宙中含量丰富,并且具有半导体性质。通过在一块硅上封装大量的晶体管,计算机突然能够在短时间内完成大量的计算。

摩尔定律与英特尔(Intel)的戈登•E•摩尔(Gordon E Moore)的预测有关。摩尔预测,集成电路中一定尺寸的晶体管数量每两年就会增加一倍,这实际上相当于将计算能力提高了一倍。英特尔当前一代的Haswell计算机芯片使用的晶体管直径仅为22纳米——远小于人类头发的宽度——这使得生产成本更低,同时进行的计算更多更快,运行效率更高。

摩尔定律最终会失败——晶体管将变得如此之小,以至于它们会受到量子世界奇异现实的影响,从而达到它们的最佳尺寸。

量子力学是基础物理学的一个领域,它研究的是人们所能想象到的最小尺度上的自然现象。我们已经掌握了量子世界100多年,但我们只是刚刚开始用它做一些了不起的事情。

爱因斯坦的jives可以解释重力塑造宇宙的方式,但却无法解释原子和亚原子粒子与宇宙以及彼此之间看似不直观的相互作用。

如果没有对量子物理的理解,你的卫星导航系统就不会存在。全球定位系统需要一种精确到十亿分之一秒的报时能力,为此我们必须使用原子钟。

原子钟是如何工作的

原子钟里面是一种稀有金属铯原子。铯原子中的电子跃迁到远离原子核的更高能级。当它们回落时,就会发出光子。这些光束每秒脉冲90亿次,每一次的作用相当于原子秒的一秒。

GPS模块通过对已知距离的轨道卫星的时间轴进行三角测量来计算其位置。这些时间记录的任何一个微小的误差都会使系统完全失效。简而言之,没有对量子世界的理解,全球定位将是不可能的。

那你的蓝光播放器呢?它内部的激光也是量子科学的产物。它们的工作原理是刺激气体中环绕原子的电子,然后这些电子以光子的形式发射出来。

激光是令人敬畏的,在现代,它被广泛应用于各种领域,从读取光盘数据到反盗版的海军能源武器,甚至是在实验电站的核聚变反应的刺激,物理学家们正试图解开爱因斯坦著名的等式e=mc2的潜力。他们想要释放星星的力量。

核聚变能源总有一天会释放出近乎无穷无尽的清洁能源,很可能开启人类努力的下一个伟大时代。

虽然我们已经利用了量子科学,但毫无疑问,物理学的这个领域还没有揭示出它的大部分秘密。当未来的人们回顾我们对宇宙的认识时,他们会窃笑我们所知甚少。简而言之,我们仍然是《权力的游戏》里的人。

量子具有改变世界的力量,其方式与牛顿运动定律启动工业革命的方式相似。

量子力学的核心是一种反直觉的观点,即亚原子粒子可以同时存在于多个地方。这一基本的自然法则正被用于设计量子计算机——比你的笔记本电脑强大许多数量级的计算机。

当前的计算机使用的比特是0和1的形式,而量子处理器使用的是量子比特(量子位),它可以是1和0,也可以是其他任何东西,同时使用。所以,当寻找一个问题的答案时,它不会依次尝试可能的答案,也不会花费一百万年的时间,它只会一次计算所有可能的答案,然后选择最好的一个。

量子的早期优势之一就是量子加密。因为观察一个量子粒子的行为本身就会改变它(观察者效应),这可以用来保证互联网上安全的信息交换。例如,如果你在一个光子上编码1或0,并将其发送给一个朋友,如果第三方截获并查看该信息,他们将从根本上改变它,提醒你和你的朋友。

银行和情报机构已经在使用这种形式的量子加密,但在未来,所有的数字安全可能都将围绕它展开。

其他用途?运用你的想象力。在PlayStation 26中加入一个量子处理器,可以实现令人惊叹的photorealisitc图形。

量子点已经被用来领导对抗癌症的战斗,量子纠缠可能导致惊人的太阳能电池板的发展,或者比光通信更快。

纳米技术本身可以完全改变我们行医、探索宇宙和日常生活的方式。

我们在TechRadar设想了一个轻松的未来,我们可以用一个巨大的量子计算机来模拟无数的猴子为我们写页面。猴子的评论!未来将是一个美妙的地方。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时候联系我们修改或删除,多谢。