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欧洲南方天文台超大型望远镜首次发现,一颗围绕银河系中心超大质量黑洞运行的恒星,正如爱因斯坦广义相对论所预测的,它的轨道形状像一个玫瑰花结,而不是像牛顿引力理论预测的椭圆结构。

也许物理学最强大的方面实际上是宇宙中最令人惊奇的事情,就是物理定律和理论的普遍性。

一些方程式可以解释宇宙边缘的各种现象,以及大爆炸最初时期至深不可测的宇宙未来,让我们来体验一下现代物理学究竟有多强大。

引力游戏

爱因斯坦的广义相对论是我们关于引力如何工作的现代理论:物质和能量弯曲时空,反过来时空扭曲揭示物质如何运动。数学计算有点复杂,这需要一套10个相互关联的方程式来描述所有这些弯曲、变形和移动现象。但是这些方程式涉及巨大的能量。

例如:在弱引力极限中,爱因斯坦的方程简化为人们熟悉的牛顿引力公式,可用于解释从投掷棒球至水电大坝等所有事物的运动轨迹,在地球表面之外,爱因斯坦相对论方程式被用于提供GPS系统的精确定位,并精确预测所有行星的轨道。

这些是完全相同的方程式,没有经过任何修改,继续呈现更多事物的真实原理,揭示了黑洞存在及其运行方式、宇宙中最大结构的增长、星系暗物质的存在,以及宇宙大爆炸现象。

所有这些都来自于一组10个跨越宇宙空间和时间的方程式,事实上,这表明宇宙初期处于一个“有限年龄”。

核能

当物理学家在20世纪40年代开始破解核密码时,他们并不知道自己的不懈努力会揭开天文学最令人困惑的谜团之一:恒星是如何工作的。在此之前,科学家曾做过各种各样的尝试,试图通过地质学和古生物学所揭示的地球年龄,用所有已知物理方法解释为什么太阳保持高温明亮。然而,通常这些尝试都最终以失败告终,即使是最好的解释也仅能延续几百万年。

但是核物理学是一个全新的游戏,一旦物理学家发现点燃核聚变所需的条件(也就是超高压、高温和高密度),他们会意识到这种情况并不总是人为制造的(核弹和反应堆),而是存在于宇宙自然界:位于恒星核心区域。

氢的核聚变是恒星数十亿年自身提供能量的方式,而物理学家使用方程式来理解核反应转化为可用能量的过程,从最微小的原子至最大的恒星,核物理——物理学中相对较新的事物,以一种令人惊讶的方式将宇宙结合起来。

运动定律

但是人们不必使用深奥的相对论方程或者复杂的核反应计算发现物理学的普遍性,它可以像车祸一样简单直接。

当两辆车发生碰撞,可以应用能量和动量守恒定律:碰撞前的总能量和动量必须等于碰撞后的总能量和动量,通过简单的陈述,调查人员可以重现事故现场,找出是哪个司机出了问题,是什么原因导致车辆碰撞。

汽车并不是宇宙中唯一会碰撞的事物,还有恒星碰撞、星系合并、气体云混合等,从某种程度上讲,很少有天文学或者物理学论文不提及能量和动量守恒,科学家利用这些原理来理解宇宙万物。

为什么气体云会辐射能量?中子星为什么会改变它的转速?能量和动量如何实现守恒。

当这些星系碰撞时会发生什么?该情况下如何遵循能量和动量守恒。下次如果你驾车发生碰撞时,花点时间想想车辆碰撞瞬间如何遵循动量守恒,该原理在宇宙中如何应用,无论你身在何处。