7項科學突破開啟了技術時代

在伽利略和牛頓等人開始解開宇宙的奧秘之前，我們對宇宙萬物的了解幾乎是完全缺失的。

對于夜空中的任何現象都沒有科學上合理的解釋，也沒有對任何自然力量的真正理解。

簡而言之，我們是《權力的游戲》里的人，但沒有龍、魔法和僵尸。

然而，我們并沒有花費數千年的時間來建造巨大的城墻而不是發明什么東西，而是利用物理學的原理來解答許多關于存在的奧秘，有了這些知識，人類取得了令人難以置信的成就。

從推動工業革命到點燃電氣時代的火花，再到解開恒星的秘密，物理學支撐著我們進入21世紀的技術冒險。

在艾薩克·牛頓之前，我們對物體在宇宙中如何運動的理解來自于古希臘。為什么物體會落到地球上?亞里士多德認為這可能是因為物體渴望與地面結合。為什么它們運動的時候會慢下來?因為他們自然會累。

牛頓的無限更先進的運動定律首次發表在他的傳奇的原理在1687年，2000多年后，阿斯托的死亡。在這本書中，他不僅第一次明確地描述了控制天體如彗星、恒星和行星運動的引力，而且還描述了更重要的地球上的物體如戰艦、炮彈、建筑物和……梨。

定律1:

物體不是靜止就是勻速運動，除非受到外力的作用。

第二法:

物體的加速度與作用在其上的合力成正比，而且方向相同，與質量成反比。因此，F = ma。

第三定律:

當一個物體對另一個物體施力時，第二個物體同時施力，其大小與第一個物體相同，方向與第一個物體相反。

牛頓的三大運動定律最終引發了18、19世紀的工業革命。現在的機器都是按照明確定義和被理解的規律運行的——蒸汽機車、工廠和機床都是用牛頓的科學來構思和設計的。

在建造第一座摩天大樓的過程中，他的數學也發揮了作用——第二定律可以用來計算作用在你房子里每塊磚上的所有力。與此同時，第三定律是理解噴氣推進的關鍵，它仍然是我們進入太空的唯一手段。

如果引力是宇宙中第一個被真正掌握的力，那么第二個力就是你現在正在使用的東西——電磁力的統一力，即電磁學。

數千年來，人類一直觀察到烏云密布的天空中閃電風暴的壯觀和恐怖。古代的偏執型文明認為，憤怒、吝嗇的神是雷電的罪魁禍首，直到19世紀我們才學會在地球上利用這種力量。

邁克爾·法拉第，一位像布萊恩·考克斯或尼爾·德格拉斯·泰森這樣的著名科學家，在19世紀倫敦的皇家學會做出了令人瞠目結舌的靜電和更多的東西。

他對現代文明的主要貢獻是通過眾所周知的法拉第定律——歸納法的發現。本質上，這是一種意識，如果你把一根導線放在磁場中并移動它，磁場會推動導線中的電子產生電流。電動機是在現場誕生的，電第一次被掌握為一種有用的工具。

線圈的磁場環境的任何變化都會引起電壓的變化。

電力從一種新奇的東西轉變成一種強大的新技術，為隨后的電力革命奠定了基礎，改變了發達國家人類生活的方方面面。它使尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)和其他人能夠使用早期的燈泡，釋放出人造光的能量。它與牛頓的物理學驚人地結合起來，創造了水力發電廠。它使每一個電子器件的發明成為可能。

電話是這個時代最直接和最具變革意義的結果之一。它以電報和后來的電話的形式使遠距離通信成為可能，由于詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾的電磁波，這項技術將成為無線技術。

邁克爾·法拉第從來沒有能夠充分發展和完成他的電和磁的工作，所以它留給了詹姆斯克拉克·麥克斯韋在1862年作出可能是最重要的發現在所有的科學。

麥克斯韋方程組用數學語言描述了電和磁之間的關系。他認為它們一定是密切相關的現象，然后發現它們可以結合起來產生振蕩波。他用當時的前沿科學來計算這些波的速度，令所有人驚訝的是，這正是光速。他意識到這不是巧合，光是一種振蕩的電磁波。

這項工作奠定了基礎，在其他一百萬件事情中，醫學診斷學的一個步驟的改變，使這樣令人難以置信的機器，如x光和后來的PET掃描和MRI機器。通過了解電磁是如何工作的，他能夠把它放在跟隨的人手中。

也被稱為熵定律，最初是由法國人薩迪·卡諾在1824年提出的，這是一個大多數人不用思考就知道的物理學領域。它取決于這樣一個事實:隨著時間的推移，溫度和其他能量的差異總是會減小到熱力學平衡狀態。

“不處于平衡狀態的孤立系統的熵會隨著時間的推移而增加，接近平衡狀態下的最大值。”

換句話說，這就是為什么當你走到雪地里的時候會覺得冷。這是一條最終會導致宇宙熱死的定律，也是你今天早上穿衣服的主要原因之一。

了解了這些過程的物理原理，發明了改變世界的技術，如制冷。沒有冰箱，我們就沒有新鮮的食物和器官移植。同樣的原理也適用于散熱片的使用，使電腦內部的微芯片散熱。嗯微芯片。

我們對物質構成元素——原子——的理解帶來了下一個技術時代。計算機時代。

毫無疑問，20世紀早期最具影響力的發明是晶體管。如果沒有晶體管，我們很難想象會有今天這樣的電腦、智能手機或任何電子設備。

晶體管是由半導體材料制成的，用來控制電子在電路中的運動。最早使用晶體管的電子設備是早期的無線電——這些第一個真正的無線通信系統使用電磁波中波長最長的光波相互通信。

這種晶體管技術很快得到了應用，并取代了第一臺計算機中最原始的真空管，極大地減小了真空管的尺寸和重量，同時降低了制造成本。

1954年，德州儀器公司發明了第一個硅晶體管，開啟了計算機時代。硅是一種理想的材料，因為它在宇宙中含量豐富，并且具有半導體性質。通過在一塊硅上封裝大量的晶體管，計算機突然能夠在短時間內完成大量的計算。

摩爾定律與英特爾(Intel)的戈登?E?摩爾(Gordon E Moore)的預測有關。摩爾預測，集成電路中一定尺寸的晶體管數量每兩年就會增加一倍，這實際上相當于將計算能力提高了一倍。英特爾當前一代的Haswell計算機芯片使用的晶體管直徑僅為22納米——遠小于人類頭發的寬度——這使得生產成本更低，同時進行的計算更多更快，運行效率更高。

摩爾定律最終會失敗——晶體管將變得如此之小，以至于它們會受到量子世界奇異現實的影響，從而達到它們的最佳尺寸。

量子力學是基礎物理學的一個領域，它研究的是人們所能想象到的最小尺度上的自然現象。我們已經掌握了量子世界100多年，但我們只是剛剛開始用它做一些了不起的事情。

愛因斯坦的jives可以解釋重力塑造宇宙的方式，但卻無法解釋原子和亞原子粒子與宇宙以及彼此之間看似不直觀的相互作用。

如果沒有對量子物理的理解，你的衛星導航系統就不會存在。全球定位系統需要一種精確到十億分之一秒的報時能力，為此我們必須使用原子鐘。

原子鐘是如何工作的

原子鐘里面是一種稀有金屬銫原子。銫原子中的電子躍遷到遠離原子核的更高能級。當它們回落時，就會發出光子。這些光束每秒脈沖90億次，每一次的作用相當于原子秒的一秒。

GPS模塊通過對已知距離的軌道衛星的時間軸進行三角測量來計算其位置。這些時間記錄的任何一個微小的誤差都會使系統完全失效。簡而言之，沒有對量子世界的理解，全球定位將是不可能的。

那你的藍光播放器呢?它內部的激光也是量子科學的產物。它們的工作原理是刺激氣體中環繞原子的電子，然后這些電子以光子的形式發射出來。

激光是令人敬畏的，在現代，它被廣泛應用于各種領域，從讀取光盤數據到反盜版的海軍能源武器，甚至是在實驗電站的核聚變反應的刺激，物理學家們正試圖解開愛因斯坦著名的等式e=mc2的潛力。他們想要釋放星星的力量。

核聚變能源總有一天會釋放出近乎無窮無盡的清潔能源，很可能開啟人類努力的下一個偉大時代。

雖然我們已經利用了量子科學，但毫無疑問，物理學的這個領域還沒有揭示出它的大部分秘密。當未來的人們回顧我們對宇宙的認識時，他們會竊笑我們所知甚少。簡而言之，我們仍然是《權力的游戲》里的人。

量子具有改變世界的力量，其方式與牛頓運動定律啟動工業革命的方式相似。

量子力學的核心是一種反直覺的觀點，即亞原子粒子可以同時存在于多個地方。這一基本的自然法則正被用于設計量子計算機——比你的筆記本電腦強大許多數量級的計算機。

當前的計算機使用的比特是0和1的形式，而量子處理器使用的是量子比特(量子位)，它可以是1和0，也可以是其他任何東西，同時使用。所以，當尋找一個問題的答案時，它不會依次嘗試可能的答案，也不會花費一百萬年的時間，它只會一次計算所有可能的答案，然后選擇最好的一個。

量子的早期優勢之一就是量子加密。因為觀察一個量子粒子的行為本身就會改變它(觀察者效應)，這可以用來保證互聯網上安全的信息交換。例如，如果你在一個光子上編碼1或0，并將其發送給一個朋友，如果第三方截獲并查看該信息，他們將從根本上改變它，提醒你和你的朋友。

銀行和情報機構已經在使用這種形式的量子加密，但在未來，所有的數字安全可能都將圍繞它展開。

其他用途?運用你的想象力。在PlayStation 26中加入一個量子處理器，可以實現令人驚嘆的photorealisitc圖形。

量子點已經被用來領導對抗癌癥的戰斗，量子糾纏可能導致驚人的太陽能電池板的發展，或者比光通信更快。

納米技術本身可以完全改變我們行醫、探索宇宙和日常生活的方式。

我們在TechRadar設想了一個輕松的未來，我們可以用一個巨大的量子計算機來模擬無數的猴子為我們寫頁面。猴子的評論!未來將是一個美妙的地方。