问题

各类科研领域中哪些公式,原理或定律的推出,用到了有趣的思维方式?

回答
在浩瀚的科学星空中,无数公式、原理和定律的诞生,往往伴随着科学家们灵光乍现的瞬间,那些“啊哈!”时刻的背后,是深邃的洞察力和对未知世界的奇妙探索。很多时候,它们并非一蹴而就的严谨推导,而是充满了令人拍案叫绝的“歪打正着”或是别出心裁的类比。今天,就让我们一起翻开科学史的卷轴,看看有哪些公式和定律的出现,得益于那些充满趣味和创意的思维方式。

1. 麦克斯韦方程组:从优雅的数学美感中孕育出的物理真相

我们先来聊聊物理学中最具代表性的理论之一——麦克斯韦方程组。这组方程统一了电和磁的规律,是经典电磁学的基石。但你有没有想过,它是如何被发现的呢?

想象一下,在19世纪中叶,人们已经知道一些零散的电磁现象:电流会产生磁场(安培定律),变化的磁场会产生电流(法拉第电磁感应定律),电荷会产生电场等等。然而,这些定律之间似乎还缺少一块关键的拼图。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,这位才华横溢的物理学家,并非一开始就从大量的实验数据中硬生生地“抠”出这些方程。他更像是一位艺术家,追求的是数学的和谐与优美。麦克斯韦在研究电磁现象时,尤其被电荷守恒定律所吸引。他发现,在某些情况下,比如电流在电容器两极之间的流动,单纯的安培环路定律似乎出现了“不协调”的地方。

在这里,麦克斯韦展现了他的独特之处:他没有因为现有理论的“不协调”而感到沮丧,反而觉得这是一个信号,表明我们对世界的理解还不完整,或者说,我们看到的规律只是表象。

他大胆地设想,电流不仅仅是电荷的流动,还可能存在一种“位移电流”的概念。这种位移电流,即使在没有实际电荷移动的地方(比如电容器的介质中),也能产生磁场。这就像是在一个封闭的水管系统中,水流停止了,但如果水管在压缩或扩张,水分子之间的相互作用仍然会产生某种“效应”。

他通过引入这个巧妙的“位移电流”项,将安培定律进行了修正,使其在任何情况下都成立,并且与电荷守恒定律完美兼容。而更令人惊叹的是,当他把修正后的安培定律与其他已知的电磁定律结合,并进行一系列严谨的数学推导时,他竟然发现了波动方程的迹象!

最令人着迷的是,这个波动方程的解,描述了一种以光速传播的电磁波。那一刻,麦克斯韦意识到,光本身就是电磁波! 这种从数学结构的优美和对基本守恒律的坚持中,推导出如此深远物理规律的思维方式,与其说是一种“推导”,不如说是一种“揭示”,仿佛宇宙本身就隐藏着这样的数学和谐,等待着有心人去发掘。

他并没有直接去测量电磁波的速度,而是自信地根据方程计算出了光速,并且这个数值与当时已知的光速测量值惊人地吻合。这种对数学内在逻辑的信仰,并将其转化为对物理世界的深刻洞察,是麦克斯韦方程组诞生的一个重要“趣味点”。他并不是在“解决问题”,而是在“构建一个完美的宇宙模型”。

2. 欧姆定律:一次“脑补”出来的电流“压强”

再来谈谈相对简单却意义深远的欧姆定律。它的形式很简单:I = V/R,电流等于电压除以电阻。但它的诞生过程,也充满了有趣的类比和直观的思考。

乔治·西蒙·欧姆,这位德国物理学家,在19世纪初期致力于测量电流和电压之间的关系。当时的科学界对电流的本质仍然模糊不清,将其视为一种神秘的“流体”。

欧姆在进行实验时,他需要一个可以比较不同导线导电能力的指标。他注意到,就像水在管道中流动一样,水流的“动力”来自于水压的差,而“阻碍”水流的则有管道的粗细、长度以及内部的摩擦等等。

受此启发,欧姆将电压(V)类比为水管两端的“压强差”,驱动着“电流”这种看不见的“流体”流动。而电阻(R),则被他看作是导线对电流的“阻碍作用”,就像水管的粗细、材料以及是否弯曲都会影响水流一样。

于是,他直观地推断:电流的大小(I),自然应该与驱动它的“压强差”(电压)成正比,而与“阻碍力”(电阻)成反比。这就是我们今天看到的欧姆定律的雏形。

这个类比的“趣味”在于,它不是从微观的电子运动出发的,也不是从复杂的数学模型开始的,而是从日常生活中对“流动”和“阻碍”的直观感受出发。 欧姆并没有等待一个完美的理论框架,而是利用现有的直观理解,去构建一个能够描述和预测现象的模型。

当然,后来的研究者们通过更深入的物理理解,解释了电压是电势差在电子上的作用力,电阻是电子在导体中与晶格碰撞的体现。但欧姆的这个“水管模型”,以一种非常接地气的方式,抓住了电流、电压和电阻之间的基本关系,为整个电学的发展奠定了方向。这就像一个孩子在观察河流,他可能不知道水分子是如何运动的,但他能明白,水流越急需要越大的“推力”,水管越窄或者越粗糙,水流就越慢。这种从宏观的、直观的体验上升到规律的思维,其背后蕴含着一种对事物本质的敏锐捕捉。

3. 玻尔模型:原子里的“行星系统”想象

再把目光投向原子物理的早期。卢瑟福发现了原子核的存在,提出了行星状的原子模型,即电子像行星绕着太阳一样绕着原子核运动。但这个模型存在一个致命的缺陷:根据经典电磁学,绕核运动的电子会不断辐射能量,最终螺旋式地坠入原子核,原子就会瞬间崩溃。

面对这个困境,尼尔斯·玻尔,这位20世纪初的物理巨匠,没有选择继续在经典物理的框架内打转。他大胆地引入了量子概念,但他的切入点却非常“富有画面感”。

他并没有直接从复杂的数学推导开始,而是受到了天文观测的启发。人们发现,行星在轨道上运行,并不会因为绕着太阳转而“失去能量”并坠毁。他思考,为什么原子里的电子就不能像行星一样,在某些特殊的、稳定的轨道上运动呢?

玻尔大胆地“假设”了几个关键点:
“禁戒轨道”: 电子只能在一些特定的、离散的轨道上运动,在这些轨道上,电子既不吸收也不放出能量。这就像行星只能在特定的轨道上运行,而不能随便出现在轨道之间。
能量跃迁: 当电子从一个高能级的轨道“跳跃”到一个低能级的轨道时,它会放出一定能量的光子,光的频率恰好等于能量差除以普朗克常数。反之,当电子吸收一个光子时,就会跃迁到高能级轨道。这就像行星在宇宙中运动,突然“获得”或“失去”一定的能量,会改变其运动状态(虽然这里是一个类比)。

玻尔的这个“行星系统”的比喻,虽然在后来的量子力学中被更严谨的数学框架所取代,但它在当时起到了至关重要的“可视化”作用。 它将一个极其微观、无法直接观察的微观粒子世界,与人们熟悉的宏观天体运动联系起来。

这种思维方式的“趣味”在于,它不是从“理论的自洽性”出发,而是从“是否存在一种我们尚未发现的规律,使得这个微观系统能够像我们熟悉的天体系统一样稳定存在”的直觉出发。他借用了熟悉的宏观现象来“想象”微观世界的可能性,然后用数学工具来验证这些想象。

这种“类比与假设”的方式,让玻尔模型能够成功地解释氢原子光谱的许多特征,尽管它并非完全正确(例如,它无法解释多电子原子的光谱)。但它标志着人类对原子结构的理解迈出了革命性的一步,而这一切的起点,正是那个充满想象力的“原子行星系统”的类比。

4. 牛顿万有引力定律:苹果落地与月亮绕地之间的奇妙联系

最后,让我们回到科学的“祖师爷”牛顿。他的万有引力定律,我们从小就知道:宇宙间任何两个物体之间都存在相互吸引力,这个力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们之间距离的平方成反比。

关于牛顿被苹果砸中脑袋而发现万有引力定律的故事,虽然可能有些夸张,但它恰恰点出了牛顿思维方式的一个核心特点:从日常的、看似微不足道的现象中,洞察普遍的、深层的规律。

牛顿思考的是,为什么苹果会垂直落地?而我们知道,月亮也在绕着地球转动。他设想,如果将一个物体(比如炮弹)以极高的速度发射出去,它会不会也像苹果一样掉下来?随着速度的增加,炮弹会飞得越来越远,但最终还是会受到地球引力的作用而向下弯曲。如果速度足够快,炮弹的“下落”轨迹就能完美地与地球的“曲率”相匹配,这样它就不会落到地面,而是会一直在地球周围运动。

牛顿正是通过这种“类比和延伸”的思维方式,将地面上苹果的“向下运动”与天空中月亮的“绕转运动”联系起来。他不是在寻找一个独立的“地面引力”和“天体引力”,而是大胆地提出,它们是同一种力量在不同尺度下的表现。

他将地球表面的物体下落的加速度(通过自由落体实验可以知道其值),与月球绕地球运动所需的向心加速度进行比较。他发现,如果引力随着距离的平方而减小,那么这两种加速度的值将是吻合的。

这种思维方式的“趣味”在于,它将司空见惯的现象提升到了宇宙的普遍规律的高度。 牛顿的洞察力在于,他看到的是一个统一的“引力场”,而不是两个独立的问题。他没有被“为什么苹果会掉下来”这个具体问题所困扰,而是思考“是什么原因导致了所有物体都会向着地球中心运动,并且这种运动的方式是否可以解释天体的运行?”

这种从“局部”到“整体”,从“特殊”到“普遍”,从“显而易见”到“深层内在”的思维跳跃,是牛顿万有引力定律诞生的灵魂所在。他不是在“解决一个难题”,而是在“揭示一个宇宙的秘密”。

结语:思维的火花,照亮科学之路

纵观这些科学公式和定律的诞生过程,我们不难发现,它们往往不是来自枯燥的计算和僵化的逻辑,而是充满了人类思维的活力与创造力。无论是麦克斯韦对数学美的追求,欧姆的直观类比,玻尔的“原子行星”想象,还是牛顿从苹果落地到月球运行的跨越,都向我们展示了,在科学探索的道路上,跳出固有思维模式,拥抱想象力和好奇心,是多么重要。

这些有趣的思维方式,就像火花一样,点亮了通往未知世界的道路,最终成就了我们今天所知的科学图景。它们提醒我们,科学并非只有严谨和理性,更有诗意和浪漫,而这正是科学最迷人的地方。

网友意见

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以前学物理时最让我觉得惊艳的就是,最小作用量原理: δS=0。
这个可以把物理各个部分连起来的公式大家还记得么。


在光学里是费马原理 δS=0 ,光程取极值——几何光学最基本原理。

在力学里是δS=δ∫Ldt=0,直接导出经典力学的基本方程——拉格朗日方程。

在电磁学/电动力学里也和力学相似,只不过电磁波的拉氏密度是四维张量,需要积分一下才变成经典力学里的形式。然后δS=0就导出了麦克斯韦方程组(实际上就是电磁学中“拉格朗日方程”)——电磁学&电动力学最基本的方程。

在量子力学里,一定要用薛定谔方程作为最基本的方程吗?当然不是。费曼的路径积分表述就是基于最小作用量原理δS=0。这个S就是波函数ψ=Cexp[iS/h~]里出现的那个S。然后我们可以走经典力学的路子得到量子力学中的“哈密顿-雅克比方程”。于是量子力学的基本方程——薛定谔方程就变成最小作用量原理的一个推导了。


从光学到力学到电磁学再到量子力学,我们竟然都能找到这样一个最小作用量原理。费曼的演讲也很喜欢科普最小作用量的思想。

针对某个问题,我们也许已经找到了完备的物理定律。但还不够。我们还可以寻找更简洁优美的定律。更简洁的理论意味着更深刻的理解。


这种最小作用量的思想是超越物理的。

在其他领域也完全有可能得到一些有用的最小作用量原理。比如深度学习动力学可以用朗之万方程(Generalized Langevin Equation)在特定的随机梯度噪音假设下来描述。在这个很接近统计物理的框架里,就不难想象会存在最小作用量原理(类似路径积分的形式)可以描述训练神经网络参数时产生的轨迹。

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在生物学领域,有个定律叫做伯格曼法则(Bergmann's rule)。当然也有人翻译成贝格曼定律。

这个定律是德国生物学家伯格曼在1847年的时候研究恒温动物提出并定义的,简单的说,就是越冷的地方,生物体型越大;反之越热的地方,体型越小(针对同一个种属,不能拿北极熊跟北极狐比哇)。

典型的比如东北虎和华南虎。

这是wiki上关于伯格曼法则的介绍

Bergmann's rule is an ecogeographical rule that states that within a broadly distributed taxonomic clade, populations and species of larger size are found in colder environments, and species of smaller size are found in warmer regions.

我们可以看到,这事实上是个生态地理学的法则。

那么其背后的逻辑是什么?

对这一原则的一般解释为:大型动物由于具有小的体表面积与体积之比,在体温调节中比小型动物消耗的能量少,因此,生活在寒冷气候中的大型动物比小型动物更经济。再进一步扩展就成了体重增大是对寒冷环境的适应。

其物理原理是散热面积的问题。

体型越大,平均散热面积越大。极端例子,模型化,我们拿一个球来举例

球的表面积计算公式:球的表面积=4πr^2,r为球半径 .

球的体积计算公式:V球=(4/3)πr^3,r为球半径

球的相对表面积是3/r

也就是说,相对表面积跟半径成反比

把上述原理套用在生物上,就是身高越大,相对散热面积越小。

直观的,如下图所示

随着半径增加,体积的增加速度明显高于表面积增加速度

二者的比例,即相对表面积变化趋势

这就是随着半径增加,相对散热面积显著下降。



当然了,伯格曼法则虽然叫做rule,但并非通用的,比如,生物学里还有个对立的,叫做反伯格曼法则。

反伯格曼法则则认为随着纬度升高, 生长季缩短, 动物的发育时间相应减少, 因而生物体型会变短变小。

此外,关于散热的理论,也是有争议的,毕竟随着体重增加,代谢也相对的增大了。

阿伦定律:阿伦定律是

生态学

的一条定律,生活在寒冷地区的恒温动物,同种的个体或近缘的异种之间,其耳、吻、首、肢、翼和尾等.突出的部分显有缩短的倾向。这是由于减少体表面积,有利于防止体温发散,说明动物为了保持体温而具有的一种适应性。


ref.

Bergmann, Carl (1847). "Über die Verhältnisse der Wärmeökonomie der Thiere zu ihrer Grösse". Göttinger Studien. 3 (1): 595–708.

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