8.德布罗意的物质波方程式
(如能量为hv=mc2,波长为入=h/p=h/mv)
德布罗意是法国贵族的后裔,生于1892年。他善于从历史的观点出发研究自然科学问题,其最杰出的贡献就是在思考光学史的时候提出了物质波的思想。
从这一思想出发,德布罗意仔细考虑了爱因斯坦的相对论和光量子概念,并把问题倒过来考虑。他提出了一个崭新的现点:电子不仅是一个粒子,也是一种波,它还有 “波长”。这一观点后来为两个美国物理学家证实,他们在一次实验事故中意外发现了电子产生的衍射,而衍射是典型的波动特性。德布罗意由于在物质的波动性方面做出了杰出贡献而获得了1929年诺贝尔物理学。
德布罗意按照光的二重性之间相互关系的样子推出了波动方程式:“如能量为hv=mc2,波长为入=h/p=h/mv”。这就是德布罗意公式。具有这种频率的波就是德布罗意波。后来玻恩建议给它取个更恰当的名字:几率波。
9.傅立叶转换
(FFT:FastFouier Transform)
上世纪60年代,电子计算器的技术也达到一定的水准,足以快速处理大量资料。
1965年,Coole和Tukey发表“一个复数傅立叶级数之机械计算算法则”论文,改进了离散傅立叶转换的演算,提出了快速傅立叶转换(FFT: FastFouierTransform)算法。它的价值在于使用更快的计算方式来节省计算器的时间,降低了数字讯号处理中乘法的运算量,使得更多更复杂的讯号得以快速的处理,改善了数字讯号不能实时处理的问题,为数字讯号的实时处理带来了希望,因此,快速傅立叶转换FFT是数字讯号处理发展史上的一个重要里程碑。
数字讯号处理从此随着数字电子计算器和集成电路的发展结合,这就是数字讯号处理器的前身。
10.圆周公式
(L=2πr)
大家在小学时就学过两个著名的公式:圆的周长L=2πr;圆的面积S=πr^2(r为圆的半径,π为圆周率)。
探求圆周的长与圆的面积,是早期数学发源地之一。古今中外,为了计算越来越好的近似值,一代代的数学家为这个神秘的数贡献了无数的时间与心血。
19世纪后,计算圆周率的世界纪录频频创新。进入20世纪,随着计算机的发明,圆周率的计算突飞猛进。借助于超级计算机,人们已经得到了圆周率的2061亿位精度。
德国的Ludolph几乎耗尽了一生的时间,于1609年得到了圆周率的35位精度值,以至于圆周率在德国被称为Ludolph数。把圆周率的数值算得这么精确,实际意义并不大。现代科技领域使用的圆周率值,有十几位已经足够了。如果用35位精度的圆周率值,来计算一个能把太阳系包起来的一个圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。现在的人计算圆周率,多数是为了验证计算机的计算能力,还有就是为了兴趣。
11.哈勃定律方程式
(V=Hr)
近代最重要的天文学家哈勃观测各种星系,发现距离我们越远的星系,远离我们的速度就越快。这就是著名的哈勃定律。
哈勃一生对天文学有三大贡献:一是证实了许多小而暗的星云其实是“别的”银河系,一下把我们的宇宙扩展了亿万倍深远;二是把“星云分类”,这套分类法在今天仍被普遍采用;第三个贡献就是发现了哈勃定律。
许多人以为哈勃是发现宇宙在膨胀、发现“星云”高速奔离的第一人,其实,和哈勃同期稍早的史莱佛已经由光谱中观测,得知许多“星云”各以不同速度离我们而去。但史莱佛并没有把“星云”奔离的速度和其距离找出关系,加以量化。哈勃做到了这一点。
哈勃定律的方程式是V=Hr,V是星球向外飞离的速度,r是星球离地球的距离,而H是哈勃常数。
根据这个定理,我们可以计算宇宙膨胀了多久,“因为星球的光波强弱,和它离开地球的距离有直接关系,因此,科学家便可计算星球离开地球的距离,从而得知哈勃常数的数字,进一步更计算出宇宙的年龄。”
而哈勃常数也可以称为宇宙膨胀系数。最近,哈勃望远镜的研究人员,透过遥远的星系里的造父变星来决定星系的距离,并且统计出哈勃常数约为:每增加百万秒差距的距离,膨胀秒速增加70公里(70km/sec/mpc),误差10%,换算成宇宙年龄为120亿年。
12.理想气体方程式
(pV=nRT)
一般气体,在密度不太高、压强不太大(与大气压比较)和温度不太低(与室温比较)的实验范围内,遵守玻意耳定律、盖·吕萨克和查理定律。而实际上在任何情况下都服从上述三条理论定律的气体是没有的。
人们把实际气体抽象化,提出理想气体的概念,认为理想气体能无条件地服从这三条定律。在这种情况下,理想气体的状态函数p、V、T之间的关系即理想气体的状态方程:
当物质的量为n的理想气体处于平衡态时,它的状态方程就是:pV=nRT。其中包括了气体的三个状态量:p—压强;V—体积;T—气体的热力学温度。
只有理想气体才完全遵守这个关系式。而对于真实气体,必须考虑到分子间的作用力和分子本身体积,将理想气体状态方程式修正后才能应用。
13.普朗克方程式
19世纪末20世纪初物理学有两大进展,一是在1887年,美国两位物理学家完成了一个著名的实验,证明光顺着地球走和背着地球走的速度完全一样;一是 1900年德国理论物理学家普朗克建立了普朗克方程式,试图阐明物体受热发光后,光的颜色、波长与能量分布等的关系。这种关系在经典物理学中是不能解的,但普朗克大胆提出了假设……
他推算出现在很有名的常数h,以写下可用以描述这种称为黑体辐射现象的方程式。
黑体是物理学上的理想物体,它无选择地吸收一切入射的电磁辐射,同时又无选择地向外辐射各波段的电磁波。其辐射强度随波长的分布仅与温度有关,这个分布公式就是著名的普朗克定律:
Eλ是从λ到(λ+dλ)波长范围内所辐射的能量、T是黑体的绝对温度、C1及C2分别为常数(C1=2πhc2、C2=hc/k)、h为普朗克常数= 6.55*10^-27尔格秒、k为波尔兹曼常数=1.37*10^-16尔格/度、c为光速=3*10^10厘米/秒
目前,地球上尚未发现哪一种自然物质是完美黑体,但地球本身十分接近于黑体特性。这对应用理想黑体的有关定律十分有利。
