生物力學的基本概念_生物力學是什么樣的學科?
特邀律師
北京體育大學有生物力學實驗室的,還有國家體科所。
要不來上海吧,上海體育學院的運動技能研究中心是全國領先的生物力學研究中心。物理學作為研究物質基本規律的學科,與幾乎所有學科,都有著緊密、或不緊密的聯系。有的學科,例如生物學,由于其復雜性(即量變到質變的一個問題,之后會抽時間回答相關的問題),用運動學規律來精確描述生物,是不合適,也不現實的。
但請注意,精確描述不現實,不代表物理學在此就沒有用武之地了。著名物理學家薛定諤,量子力學的奠基人之一,曾出版過一本小冊子,叫做《生命是什么》。里面有很多有意思的觀點,其中我認為最有意思的一個見解,就是「生命以負熵為生」。
讓我們思考一個問題:生命為什么要代謝?既然體重在成年之后,基本不會有巨大的變化,為什么要代謝?為什么要排泄?為什么要吃東西?
生物學家給出的基本解釋是,生命需要能量,而飲食可以提供能量。可為什么要排出去呢?特別是對于一些壽命極其短暫的生物來說,排泄的質量,相比于體重來說,并不大啊?
物理學中有一個「熵增原理」,認為對于孤立系統,其混亂程度是會逐漸增加,且不會減少的。這個混亂度,物理學用「熵」來定量刻畫,故稱之為熵增原理。如果一個生物體,它是孤立的,那么它本身的混亂程度就會不斷地增加——從血肉分明,到血肉模糊。死亡動物的分解過程,可以看做一個熵增的過程(雖然不是孤立系統)。
生命需要保持自己處在一個有序的狀態,只有有序,基本的功能才能維持,生命才能繼續。換句話說,生命需要自己處在一個低熵的狀態。而自身不斷自發產生的混亂——熵,如何消除呢?我們認為有兩種方式,一種是飲食——食物本身的纖維、結構,是具有有序結構的,是底熵源,薛定諤甚至稱之為「負熵」。用負熵,來降低自己的混亂程度。另一個方面,就是排泄,包括出汗等。這個過程中,會向外排出能量。熱力學中有個公式:dS=-dQ/T,dS是熵的變化,dQ是排出的能量,T是溫度。當生物向外排出能量的時候,是會帶走體內的熵的,也就是說,會使體內相對更加有序。
量子力學和相對論并稱為現代物理學的兩大支柱
量子力學歷史悠久,內容復雜,連玻爾都說:如果誰學習量子力學不困惑,那么他就沒有理解量子力學。
有興趣的可以自己找相關書籍學習,不是看幾個問答就能理解。號稱幾句話給你講清量子力學的,都是不靠譜的。科普類書籍推薦讀 上帝擲篩子嗎-量子物理史話,這個可以當小說來讀。
篇幅有限,本問答只簡單介紹量子力學的基本過程,里面標黑的為重點關鍵詞,便于感興趣的讀者自己檢索相關內容。
量子力學基礎知識點:
1900年,普朗克為了解決黑體輻射的問題,提出了輻射能量量子化,愛因斯坦隨后提出光量子的概念,解決了光電效應的問題。隨后玻爾提出了原子的量子態,解決了氫原子光譜。這些都是舊量子論。
1924年,重大進展是德布羅意提出物質粒子的波粒二象性,1925至1928 年海森伯,玻恩,薛定諤,狄拉克等建立了革命性的量子力學。可見,波粒二象性,是量子力學里最重要的概念,它的的數學特征就是海森伯提出的不確定關系,哲學解釋就是玻爾的互補原理。
至此,量子力學基本建立,其中最重要的概念就是量子化和波粒二象性,這已經被無數實驗所證實。比如JJ湯姆孫發現電子的粒子性獲得諾獎,他兒子GP湯姆孫證明了電子的波動性獲得諾獎。以上涉及的十幾位物理學家都因為對量子力學的研究貢獻,在不同時期獲得了諾貝爾物理學獎。
量子力學包括晦澀難懂的矩陣力學和波動力學,大家更偏愛波動力學,基本方程就是薛定諤方程,基本原理是玻恩提出的態的疊加原理和波函數的統計解釋,可以解釋奇妙的電子的雙縫干涉等試驗。
以上量子力學的基本概念和原理,從而導致量子物理與經典物理有根本的區別。愛因斯坦等物理學家堅持經典物理具有的決定論和因果律,而玻爾代表的哥本哈根學派認為量子物理中,自然中一切規律都是統計性的,經典的因果只是統計的極限。
1930年,愛因斯坦和玻爾,兩大量子力學的先驅從而展開了著名的論戰,爭論的焦點是量子力學的完備性。愛因斯坦針對統計解釋提出:“上帝是不會擲篩子的。” ,爭論是在量子力學內部進行,絕非其他人瞎扯的相對論和量子力學的斗爭,愛因斯坦提出的光箱實驗,玻爾一夜苦思冥想后,應用愛因斯坦的相對論成功解釋了光箱實驗,迫使愛因斯坦承認量子力學的統計解釋。
隨后爭論還在進行,薛定諤提出薛定諤的貓思想實驗,以諷刺宏觀物體量子效應的荒謬性,愛因斯坦為論證量子力學的不完備性提出EPR悖論。隨著支持量子力學的證據越來越多,愛因斯坦全力投入統一場論的研究去了,薛定諤開始研究分子生物學去了。隨后衍生出貝爾不等式,再往后就進展到量子電動力學,量子色動力學。其中,隨后就是衍生出一些尚在進展的平行宇宙,超弦等理論。
量子通信和量子計算機
相比1925-1028年建立的量子力學,量子通信和量子計算機是最近20來年才出現的,基于量子糾纏 和量子算法,都處在基礎研究的階段,離實際應用還有很遠的距離。國內量子通信的工作在潘建偉院士等一批科學家帶領下,在國際有了很多領先成果。量子計算機國內剛剛有所突破,還有待發展。
量子力學研究的是光子電子這樣的原子尺度以下的粒子,宏觀物體的量子效應可以忽略不計
對于我們身邊的看到的物理事件,大部分都還是適用牛頓力學,因果律和決定論來解決問題 。
量子效應只針對原子尺度以下的粒子。
量子效應只針對原子尺度以下的粒子或者少量原子組成的納米材料。
對于我們肉眼可以看到的物體,量子效應早就消失了。一些人,利用量子的概率性和不確定性來扯大旗,借用量子理論來宣揚唯心論的,讓普通人對量子力學產生了誤解。
量子力學不是玄學,是有嚴密的數學論證和無數科學實驗驗證,先后有十幾位物理學家以量子力學相關的理論和實驗驗證獲得諾貝獎。量子物理是現代物理學的基礎,是現在半導體,微電子,光電子通信,激光的理論基礎,沒有量子力學,我們不可能有現代的微電子和網絡世界。
量子實驗室,專注科學問題,歡迎評論和關注。
運動生物力學是生物力學的分支學科。生物力學主要研究人體(動物)行為的力學問題。現實生活中常用來研究讓人如何省力、如何舒適、如何安全。如我們常說的人體工(程)學鍵盤,就是指該鍵盤的設計是以人的自然狀態為依據,使你在使用時感到坐姿、手臂、手腕都舒適自然以消除疲勞。鼠標墊有一個腕部襯墊,也是基于這個原理。此外一些辦公家俱在高度、靠背的曲線等也是如此。典型的高端應用像戰機駕駛員的彈射逃生(跳傘)裝置等。運動生物力學是研究人體運動狀態的力學原理,包括動力學和運動學兩方面,并逐漸延伸到神經網絡、仿生、生物傳感(器)等領域。大體如此吧。