有哪些因科技進步而顛覆的物理知識?

隨著科技發展,很多以往的知識被更新或者顛覆,中學物理書上(初中+高中)很多規律和概念就同樣也就不再適用了。請大家列舉一些隨著科技的進步,有哪些被證明是不準確或者需要修正的概念或者規律?


拋磚引玉,我先自己列舉幾個,還望大家補充和指正!

一、負折射率材料顛覆了折射定律

中學物理書上的折射定律指出折射光線和入射光線分別在法線的兩側。然而負折射率材料的出現證明這個是不準確的。俄國物理學家 Victor Veselago 在 1968年理論上預言了光線的負折射,21世紀初多國科學家在實驗上終於證 實了光學中的負折射現象,並在接下來的幾年中從二維陣列擴展到三維材料。[1]負折射率的折射入圖1所示,折射光線和入射光線就在法線的同側

圖 1 負折射率材料中折射光線和入射光線在法線的同側

二、等離子體顛覆了物質有三態的分類

中學物理物理書把物質分為三種狀態:固態、液態和氣態。但是除了這三種態以外還有第四種態等離子態。等離子體(plasma)是由部分電子被剝奪後的原子及原子團被電離後產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質,尺度大於德拜長度的宏觀電中性電離氣體,其運動主要受電磁力支配,並表現出顯著的集體行為。它廣泛存在於宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。日常生活中的比如閃電和高溫火焰都是等離子體(如圖2)。

圖 2 閃電被認為是地球上常見的等離子體現象(左),火焰里的自由電荷將被兩個電極板之間的電場來回拖拽(右)[2]

三、拓撲絕緣體顛覆了物質分為導體和絕緣體的分類

中學物理書上指出物質根據導電性的好壞可以分為導體,絕緣體(帶隙小的稱為半導體)。拓撲絕緣體是一種不同於金屬和絕緣體的全新的物態,它最直觀的性質就是其內部為絕緣體,而表面卻能導電。就像是一個絕緣的瓷器碗(圖3),鍍了金之後,便具有了表面的導電性。不過,我們之後會了解到,這是兩種本質上完全不同的表面導電。鍍金碗表面的導電性,對瓷器來說是外加的,將隨著鍍層的損壞而消失。而拓撲絕緣體的表面導電是源自絕緣體的內稟性質,雜質和缺陷都不會影響它。

圖 3 拓撲絕緣體示意圖

拓撲絕緣體是一種具有新奇量子特性的物質狀態,為近幾年來物理學的重要科學前沿之一,2016年諾貝爾物理學獎授予三位在美國從事拓撲相變科學家。

四、准晶的發現顛覆了固體材料分為晶體和非晶體的分類[3]

一直以來( 20世紀80年代以前),根據原子排列的是否規則,人們把固體材料分為兩大類:晶體和非晶體。晶體里的原子規則排列;非晶體原子混亂排列。

1982年4月8日,謝赫特曼首次在電子顯微鏡下觀察到一種「反常」現象:鋁錳合金的原子採用一種不重複、非周期性但對稱有序的方式排列。這就是准晶體首次發現,如今在鈷、鐵、鎳等金屬的鋁合金中,准晶已經成為了一種見怪不怪的結構,有趣是,准晶出自合金,本身卻是電的不良導體。2009年7月15日,據美國《科學》雜誌在線新聞報道,在自然界中在一種名為khatyrkite的岩石中找到了准晶。這一發現也使得准晶被劃入了一種真實存在的礦物質。

圖4 合金 Ho-Mg-Zn 准晶體中的五重電子衍射圖譜(右圖),khatyrkite岩石這一天然准晶體的照片與電子衍射圖譜(右圖)。

准晶是一種介於晶體和非晶體之間的固體。准晶具有完全有序的結構,然而又不具有晶體所應有的平移對稱性,因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。

瑞典皇家科學院2011年10月5日宣布,將2011年諾貝爾化學獎授予以色列科學家達尼埃爾?謝赫特曼,以表彰他「發現了准晶」這一突出貢獻。瑞典皇家科學院稱,准晶的發現從根本上改變了以往化學家對物體的構想。

PS:以上圖片均來自網路。

[1] Negative-index metamaterial

[2] (The Plasma Universe Wikipedia-like Encyclopedia)

[3] 百度百科(准晶_百度百科)與維基百科(Quasicrystal - Wikipedia)


謝邀,

全氮陰離子的成功獲取,使大規模殺傷性武器研製沒有止步於氫彈!

影視名稱「N2爆彈」,即全氮類材料武器研發,未來可能取代傳統核武器成為現實,使傳統核武器的造成的放射性污染間接傷害降低,從而降低使用核武器門檻!發表於《科學》雜誌上,

以下是國內相關研究進度文章鏈接!

http://wap.cnqiang.com/2017/01/23894.shtml

……………

老新聞——— 「2006年8月24日國際天文學聯合會大會上,以絕對多數通過決議5A-行星的定義,以237票對157票通過決議6A-冥王星級天體的定義冥王星從此被視為是太陽系的「矮行星」,不再被視為大行星。」

………

由於觀測技術的提升,也間接證明了在太空中肉眼是看不到長城的,需要用衛星才能觀測到,這點自然科學類教科書已經做了更正。

…………


這個是刻在恩斯特·卡爾·阿貝 (Ernst Abbe)先生墓碑上的公式,這個公式定義了光學顯微鏡的解析度極限。

不得不說很遺憾,這次顛覆了物理學知識的工作獲得的是化學獎!

2014諾貝爾化學獎授予了超高分辨熒光顯微鏡領域的研究者:埃里克·白茲格(Eric Betzig)、斯蒂芬·黑爾(Stefan W. Hell)、威廉·莫爾納 (William E. Moerner

我們知道光束不能匯聚成一個無限小的點,焦點的大小受物鏡的數值孔徑和光的波長等的限制。 然後也就是說遠場的解析度是有上限的,(近場的話的確也是一個突破)

然後,伴隨著托激光探測器等技術發展的福,首先是威廉·莫爾納 (William E. Moerner)先生首先實現了單分子熒光檢測,這樣技術上就保證了在單個分子發光的情況下,我們可以得到這個分子很精確的位置信息。

然後基於這項技術PALM,STORM等技術通過逐個定位分子的方法實現了超分辨。

此外走物理路線的斯蒂芬·黑爾(Stefan W. Hell)很有突破性,早期通過兩個物鏡同時成像提高了Z軸解析度。

而後發展了加減法超分辨的STED

另外還有一個通過結構光照明實現超分辨的SIM

最終,各項技術對比

細節部分可以參考下面回答,門外漢就不多獻醜了

如何通俗地理解 2014 年諾貝爾化學獎「超分辨熒光顯微技術」的技術原理及其帶來的改變?

主要圖片來源

ZEISS Microscopy Online Campus

題外1 下圖一看就不是傳統的物理學家

題外2

上面說的STED STORM SIM 等顯微鏡某一個新成立的上海某高校都有,而且不止一台


夸克的發現改變了粒子帶電量必須是元電荷的正數倍。


一個經典的案例是 金屬氫,這裡簡單地解釋一下:

我們通常所指的金屬,更多地強調物質的組織形式及其物理性質,特別是導不導電。非金屬單質變成相同元素金屬的過程並沒有質子數的改變。

常見的物質,都是由原子構成的,它們的導電性就要由原子的相互作用方式,空間分布形式給出。如果我們逐漸增大壓強,原子的組織形式就可能發生變化,物質的導電性就可能被改變,至於具體怎麼變,情況就可能很豐富了。

比如有一類絕緣體叫 Mott 絕緣體,這個物態差一點就稱為金屬了,但是因為電子間的相互作用使得能帶劈裂而變得絕緣,但是人們發現只要加大壓強就使能帶移動並交錯,使之變為導體。

又比如金屬氫,這一變化就更加劇烈了。我們知道通常情況下,氫原子都是兩兩組成分子,再以范德華力結合為液體與氣體。但是理論上人們預言,只要加上足夠的高壓,氫原子就會像金屬一樣構成晶格,而它的電子也會像在金屬中一樣巡遊。這是,原子間的相互作用就更類似於金屬鍵了,以類似非金屬形式存在氫也就變成了完全類似金屬形式存在的氫了。類似地,人們也預言了許多富氫的材料在高壓下也會變得類似金屬。比如,人們已經成功觀察到了硫化氫(H2S)的金屬化,但是金屬氫與其他材料的製備還是不是很順利。一個有趣的地方是,氫離子是裸的質子,所以金屬氫可以視為一種電子簡併物質。

高壓下的物態變化還有很多種,物質金屬化的過程還有許多可能性,相反的過程也應該是存在的。舉一個可能不太恰當的例子,石墨是一種導體,但是在高壓下石墨可以被壓成鑽石,這就是一種絕緣體了。


謝邀。

這要從兩個層面去談。基礎理論層面和應用理論層面。

在物理領域,基礎理論是指做為物理大廈基石的理論體系,現在來講就是四大力學吧,即理論力學、統計力學、電動力學和量子力學。能夠顛覆這一層面的物理知識的情況很少見,每一次都意味著較大的物理學革命和人類史上認識的變革和飛躍。比如牛頓力學的建立、場論的建立、相對論的創立和量子理論的發展。每一次顛覆都是在實踐認識積累到一定程度,原有理論對觀察到理象在解釋和處理時出現一定困難時發生的。

應用理論是指在基礎理論框架內對具體的某一類客觀對象的理論,如固體物理、磁物理等。

=================================

在應用理論層面上,因科技進步而顛覆的物理知識很多,先舉個超導體的例子吧。從材料角度講,它屬於固體物理,即凝聚態物理,從現象的角度講,它屬於導電理論,從實踐技術的角度講,它屬於低溫物理。量子力學發展起來後,促進了科學家對各種物質的物理現象的研究,固體物理就是蓬勃發展的學科,用量子理論為基礎,建立理論模型,研究固體的力學、光學、電學及熱學性質。其中對電學性質的解釋就很成功,在此之前就建立了導電模型,有自由電荷,就是電的導體,固體物體更是根據晶格、能帶等理論,推導出了許多電的技術參數。但按當時的模型,自由電荷的定向運動都會遇到阻力,消耗能量,電阻不能為零。在低溫物理方面的技術進步,將溫度做到了絕對零度附近,這時發現有些物體電阻降為了零,顛覆了原有理論。為了解釋這種現象,庫柏等人創立了新的物理模型,建立了超導理論,引入了聲子、庫柏對等概念,並預言這種超導現象只能在超低溫的環境下出現。然而,過了幾年,實驗物理學家做出高溫超導釔鋇銅氧,將溫度提高到液氮溫度,又顛覆了原來的超導理論,又有理論物理學家對超導理論進行了修正。但在這一層面上無論怎麼顛覆,都還沒有動搖基礎理論層面,只是處於完善模型階段。

稍後再慢慢舉例子。

====================

再舉一個基礎理論層面的例子,眾所周知的相對論。提到相對論,就不能不說經典物理(牛頓力學),前面有人說,牛頓力學有很多理論都是錯的,我不同意這個觀點,相反,我認為牛頓力學是最優美也是邏輯性最強的理論,哪錯了?然而,相對論確實顛覆了牛頓力學,它是怎麼做到的呢?科學哲學描述科學的特徵有一條是可證偽性,換句話說,就是任何理論都是有邊界的,邊界之內理論成立,邊界之外理論會被證偽。而這個邊界,往往是被公認理所當然成立的,做為理論成立的基本條件。牛頓力學的邊界在哪呢?就是空間和時間這兩個概念。一直都是這樣認為的:時間是均勻流逝的,空間是均勻分布的;沒有前者鐘錶就無法計時,沒有後者就沒有速度、長度、面積、體積的計量,這是牛頓力學的基礎。但是在光速測量時,出現矛盾了。大家都知道,如果測一列火車的速度,迎著火車,跑著測,與順著火車,跑著測,前者要比後者速度快,可是將火車換成光,卻出現了怎麼測都不變的現象,為了解決這個矛盾,相對論就誕生了。

待續


表面上每年的新論文都不少但是基礎物理理論發展其實並不快 現今的主流物理仍然以量子理論和相對論為基礎,這兩個理論已經有一百年歷史

可能文不對題,我想說的是主流物理理論在一個比較長的時期都是穩定的,它會不斷地發展不斷完善。科技進步會不斷的檢驗物理理論,很難有大的發現多數時間只是小修小補


相對論和量子力學干翻了一大堆經典物理的東西


量子力學


嚴格來講,牛頓老人家的經典力學是不對的。

不準確的


瀉藥。萬有引力


推薦閱讀:

亞里士多德物體下落速度和重量成正比的理論是怎麼存在了一千多年的?
數學差是愛因斯坦的硬傷嗎?
在諾貝爾獎設立之前,科學家做出世界級的成果,都有什麼獎可以拿?
為什麼在十六世紀,歐洲的植物知識有了很大發展?
有哪些女科學家由於她們的性別而遭遇過不公?

TAG:物理學 | 科學史 | 物理科普 | 物理思考 |